摘 要：介紹了基于PROFIBUS 現(xiàn)場總線結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建現(xiàn)代三層管控一體化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。以煙草行業(yè)中的料香配送生產(chǎn)線為應(yīng)用背景，具體分析了控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及監(jiān)控方案。 關(guān)鍵詞：PROFIBUS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng) 前言 　　在煙草行業(yè)中，卷煙的質(zhì)量及品質(zhì)主要由不同品質(zhì)煙葉摻兌比例及所施加的料液及表香來決定。其中料香生產(chǎn)中的高精度配制、高效安全的生產(chǎn)過程以及信息化的監(jiān)控、調(diào)度管理至關(guān)重要。采用PROFIBUS FCS（Fieldbus Control System 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)連接的可編程邏輯控制器以及運行于工業(yè)控制計算機之上的組態(tài)軟件構(gòu)建三層管控一體化網(wǎng)絡(luò)做為料香配送生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代煙草行業(yè)先進控制方式的趨勢和方向?；谝陨戏绞降南到y(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某大型煙草企業(yè)投入使用，取得良好效果。 1 料香配送系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu) 　　料香配送系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見，料香配送系統(tǒng)由兩大部分組成：配料系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)。配料系統(tǒng)接收廠級網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)給的當天配料液（后簡稱料）、表香（后簡稱香）的牌號和產(chǎn)量，操作人員啟動控制系統(tǒng)進行自動生產(chǎn)，并將配制好的料香送至儲存區(qū)。儲存系統(tǒng)接收來自配料系統(tǒng)的信號安裝配方號儲存配制好的料香，每送完一次清洗一次管路。同時接收制絲線加料、加香（總稱加料）系統(tǒng)的命令完成輸送料香、回收余料和清洗管路等動作。儲存區(qū)的公共系統(tǒng)提供整個配送系統(tǒng)所需的壓縮空氣、工藝熱水和用于香料生產(chǎn)的溶劑?？紤]到生產(chǎn)的保密性，配料區(qū)和儲存區(qū)建筑上隔離，通過工藝管路連接。儲存區(qū)按可以無人職守設(shè)計，儲存系統(tǒng)的總電源可以由配料區(qū)和制絲線遠程開啟。 2 基于FCS和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　2.1 FCS簡介 　　FCS是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）后的新一代控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)對現(xiàn)有的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）和可編程控制器（PLC）在體系和結(jié)構(gòu)功能上產(chǎn)生了重大的變革。具有高度開放性、互可操作性與互用性、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點。使用基于FCS的管控系統(tǒng)可以節(jié)省硬件數(shù)量與投資、節(jié)省安裝費用、節(jié)省維護開銷、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)、提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。 [align=center] 圖1 料香配送系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)[/align] 　　FCS從網(wǎng)絡(luò)概念上說，還是一個低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它可與因特網(wǎng)（Internet）、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）相連，且位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，因而又稱之為底層網(wǎng)Infranet。它作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最顯著的特征是具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。由于現(xiàn)場總線肩負著生產(chǎn)運行一線測量控制的特殊任務(wù)，它要求信息傳輸?shù)膶崟r性強，可靠性高，且多為短幀傳送，傳輸速率一般在幾kbps至十幾Mbps之間。本系統(tǒng)采用的PROFIBUS FCS即是其中一種，目前已在國內(nèi)外工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域廣泛使用。 　　2.2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線介紹 　　PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是德國國家科學(xué)技術(shù)部于1986年牽頭組織開發(fā)，1990年完成國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準——PROFIBUS現(xiàn)場總線標準的制定。根據(jù)應(yīng)用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達12Mbps，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng);PROFIBUS-FMS主要解決車間級通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于傳感器和執(zhí)行器、可編程邏輯控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制;PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計，提供標準的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)，用于對安全性要求較高的場合及有總線供電的站點。FMS和DP一般可混合使用。 　　PROFIBUS提供以下三種數(shù)據(jù)傳輸類型：DP和FMS的RS485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸和光纖（FO）。 　　2.3 基于PROFIBUS的管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu) 　　一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層（傳感/執(zhí)行層），基于PROFIBUS的管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。 [align=center] 圖2 工業(yè)以太網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)[/align] 3 料香配送控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　根據(jù)系統(tǒng)的工藝布置及控制要求，配料系統(tǒng)有400個開關(guān)量輸入點，180個開關(guān)量輸出點，50多個模擬量輸入點。儲存系統(tǒng)有330個開關(guān)量輸入點，150個開關(guān)量輸出點，30多個模擬量輸入點。考慮到控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制過程，模擬量和開關(guān)量的I/O點數(shù)多，分布地點比較分散，處理的數(shù)據(jù)量大，同時為了系統(tǒng)能可靠的運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)功能，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖3。 　　整個系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)即信息管理層、工業(yè) Ethernet網(wǎng)絡(luò)層和PROFIBUS控制層。三級網(wǎng)絡(luò)分別負擔各自的信息傳遞任務(wù)。監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控客戶機和PLC接入Industrial Ethernet網(wǎng);監(jiān)控服務(wù)器同時要接入工業(yè)Ethernet網(wǎng)。監(jiān)控服務(wù)器需插Industrial Ethernet和Ethernet雙網(wǎng)卡，擔當Industrial Ethernet和Ethernet之間的網(wǎng)關(guān)。 　　控制系統(tǒng)可以整線工作，又能局部段連接工作，也能各段相對獨立工作，非常靈活。根據(jù)系統(tǒng)的要求監(jiān)控站和服務(wù)器由工控機組成（如果監(jiān)控站環(huán)境較好，普通計算機就可以），操作系統(tǒng)分別為Windows2000 pro和Windows2000 Server。控制器采用幾套SIEMENS S7-400控制器和相應(yīng)通訊處理器CP。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)采集及與控制器交換數(shù)據(jù)，也可以同時對三個系統(tǒng)實施控制，以增強系統(tǒng)的靈活性。服務(wù)器對現(xiàn)場檢測的所有物理參數(shù)（閥、電機、泵、溫度、壓力、液位、流量）進行數(shù)據(jù)采集并進行適當處理，以用于計量、計算、控制、報警;并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到各工作站，將各工作站的控制信號發(fā)送到控制器。 　　由于料香中有些屬于易爆型，采用PROFIBUS-PA總線技術(shù)，構(gòu)成本質(zhì)安全的結(jié)構(gòu)。DP和PA總線段的耦合采用PROFIBUS DP/PA Link - 即智能DP/PA總線鏈接耦合器，使得在PA總線段速度為45K的情況下 DP總線段的速度（實際運行時為1.5M）不降速。 　　考慮到輸送料、香時要與距離100m外的制絲生產(chǎn)線的加料、香點控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，儲存系統(tǒng)需在本地總線網(wǎng)絡(luò)裝接中繼器，保證與制絲生產(chǎn)線的通信信號可靠。用PROFIBUS DP/DP總線耦合器實現(xiàn)本地DP總線與制絲線DP總線的通訊連接。 [align=center] 圖3 料香配送控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[/align] 　　需要注意的是DP總線中繼器在網(wǎng)絡(luò)中呈透明態(tài)，不占用站點數(shù)，但DP/PA鏈接耦合器和DP/DP耦合器均以一個DP從站的形式存在。 4 料香配送系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng) 　　控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用Intellution 公司的2.50版的iFIX工業(yè)組態(tài)軟件, 工作平臺為Windows 2000系列。iFIX 是一套實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，過程可視化及過程監(jiān)控功能的高性能的工業(yè)自動化軟件解決方案。具有一下優(yōu)點：擁有完備的工業(yè)圖形庫;人機界面具有良好的開放性，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS;支持TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等標準通訊協(xié)議;Client/Server結(jié)構(gòu)，完整的OPC的客戶服務(wù)器模式的支持; 內(nèi)置微軟的Visual Basic for Application 作為腳本程序，使用戶編程更加靈活，系統(tǒng)功能更為強大。IFIX數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4 iFIX數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)[/align] 　　考慮到具體應(yīng)用和監(jiān)控系統(tǒng)成本，使用iFIX組態(tài)軟件的有限點服務(wù)器版（安裝在服務(wù)器上）和幾套客戶版（安裝在監(jiān)控站上）。服務(wù)器的操作系統(tǒng)是Windows 2000 Server，用做監(jiān)控畫面的開發(fā)，并作為數(shù)據(jù)服務(wù)器運行;客戶版用于運行監(jiān)控畫面。監(jiān)控站和服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議通訊，最高通訊速率10Mbps。 　　IFIX Server作為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)獲?。┕?jié)點方式運行，通過iFIX和PLC之間的接口I/O Driver從PLC中讀寫數(shù)據(jù)并存入PDB（Process Database過程數(shù)據(jù)庫）。IFIX Client瀏覽SCADA節(jié)點，從SCADA節(jié)點獲取本地數(shù)據(jù)或其它授權(quán)遠程數(shù)據(jù)。 5 料香配送系統(tǒng)關(guān)鍵通信機制 　　控制系統(tǒng)中主要有三種典型通信方式：IFIX Server作為SCADA節(jié)點與PLC;配料系統(tǒng)PLC與儲存區(qū)PLC;儲存區(qū)PLC與制絲線加料香點通過DP總線耦合通信。第一中已在4中做了介紹，以下介紹另外兩種通信方式的關(guān)鍵技術(shù)。 　　5.1 PLC之間的通信 　　由系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖可以看出，PLC之間的通信是基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信，用CP（Communication Processor 通信處理器）實現(xiàn)。本地CP配置遠程CP的基本接口地址和以太網(wǎng)地址（通道上的物理地址），用PLC提供的專門用于CP通信的指令即可實現(xiàn)高速通信。 　　5.2 儲存系統(tǒng)與加料香系統(tǒng)之間的通信 　　這種通信借助DP/DP耦合器來實現(xiàn)。對通信兩側(cè)的任一DP總線側(cè)，DP/DP耦合器具有獨立總線地址和輸入輸出I/O地址，本地的輸出區(qū)對應(yīng)于對方的輸入?yún)^(qū)，反之亦然。所以實際使用時只需將本地的輸出區(qū)和輸入?yún)^(qū)分別與對方的輸入?yún)^(qū)和輸出區(qū)配置同樣的I/O地址空間即可。 6 結(jié)束語 　　現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為當今工業(yè)自動控制領(lǐng)域的新技術(shù)，在許多行業(yè)都得到了成功應(yīng)用。本文以煙草企業(yè)料香配送系統(tǒng)為應(yīng)用背景，詳細介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的料香配送控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次和組成結(jié)構(gòu)，并分析了監(jiān)控方式和通信機制。該系統(tǒng)在國內(nèi)某大型煙草企業(yè)投入運行1年來運行效果良好，比起老式DCS控制系統(tǒng)大大降低操作人員和系統(tǒng)維護人員的勞動強度，顯著提高經(jīng)濟效益。這種典型管控一體化三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對其它行業(yè)的控制系統(tǒng)構(gòu)建有重要參考價值。 參考文獻 　　[1] 鄔寬明. 現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)選編1. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2003.1. 　　[2] 于浩洋. PROFIBUS現(xiàn)場總線概述. 自動化與儀表. 2002 　　[3] 陽宗慧主編，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1999 作者簡介： 　　趙波浪（1978.7-），男，漢族，西安交通大學(xué)自動控制研究所碩士研究生。研究方向：先進控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)。 　　邱祖廉（1938-），男，漢族，西安交通大學(xué)自動控制研究所教授、博士生導(dǎo)師。研究方向：控制理論與控制工程、智能交通系統(tǒng)、大系統(tǒng)控制等。