现场总线技术在卷烟机电气控制系统中的应用.docx

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1、现场总线技术在卷烟机电气控制系统中的应用DIN1925定义的德国现场总线标准PROFIBUS为根底而设计的，符合国际标准化组织的OSI开放系统参考模型。SINECL2网络的主要技术特征如表16所示。2.2CANB总线技术概要8CAN是控制器部分网络ControllorAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通讯。其总线标准现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。它也是较早进入我国的现场总线之一，但并未列入最新公布的IEC611

2、58现场总线标准中。CAN总线信号传输介质为双绞线，通讯速率最高可达1Mb/s总线长度40m，直接传输间隔最远可达10km通讯速率5kb/s，最多可挂接110个设备。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局播送方式接收发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点那么主动停顿发送，进而防止了总线冲突。已有多家公司开发消费了符合CAN协议的通讯芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC054，Philips公司的82C250等。还有插在P

3、C机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格廉价等优点。23SINECL2和CAN总线在PASSIM8000卷接机组电控系统中的应用PASSIM8000是九十年代初期英国MOLINS公司推出的新一代高速烟支卷接机组，作为PASSIM7000的晋级产品，其电控系统有了显著的改良。其中最为突出的就是采用了SINECL2总线和CAN总线，在此根底上采用4台西门子S5系列PLC完成了机组的消费自动控制，并增加了人机界面监控机组运行状态，根本上构成了一个比拟完好的现场总线控制系统，其构造如图19所示。系统中作为上位监控站的PC/AT计算机系统选用的是基于VME总线的32位486处理器，

4、操纵系统为Windows3.1。所有的功能模板均以64路DIN连接器的形式插在一个6U160X233mm的标准Eurocard机箱内。系统中装有CAN总线通讯接口板，串行通讯接口板，PROFIBUS总线通讯接口板可与机组各功能模块和PLC进展数据传输，完成机组控制参数的设定和运行状态的数据收集。卷烟机、接装机和料斗的消费功能分别由各自的S5-95UPLC控制。S5-95U的CPU模板上已带有与SINECL2网络的接口，不再需要独立的通讯处理器模板，可直接联接PROFIBUS总线。主PLC选用的是S5-115U，由它完成整个卷接机组的系统控制和治理工作：机组连锁控制，与上位机PC/AT通讯，PL

5、C间通讯和治理，数据和状态治理。S5-115U的CPU模板上未集成SINECL2通讯接口，因此在主PLC机架上选用了CP5430通讯模块该模块目前已晋级为CP5431作为PROFIBUS总线的接口模块。PLC之间、主PLC与上位机之间采用RS485接线端子，通过屏蔽双绞线联接，通讯协议采用的是SINECL2-TF协议，通讯速率为187.5Kb/s。上位机选用SINECTF/DDEManager作为Windows与SINECL2网的软件接口。PASSIM8000在功能模块电路设计上较有特色的一点是重量控制，稀释度检测，烟支剔除和高速系统的硬件组成完全一致，只是处理软件不同。它们的控制核心是C16

6、7CR嵌入式处理器西门子公司C166系列16位微控制器系列的高端产品。其处理速度可达10MIPS，片内资源特别丰富，集成有CAN控制模块符合ControllerAreaNetwork，2.0B版本，通过Philips公司的CAN总线控制器接口82C250接入CAN网络。在上位机中装有CAN总线通讯处理板。因此，烟支重量控制，烟支质量检测等功能模块可以通过CAN总线交换数据或者与上位机通讯。三基于PROFIBUS-DP的ZJ19E现场总线控制系统FCS31PROFIBUS总线技术概要经过现场总线PROFIBUSProcessFieldbus技术于1987年，由SIEMENS公司等13家企业和5家

7、科研机构结合提出；1989年批准为德国标准DIN19245。经应用完善后，于1996年6月批准为欧洲现场总线标准EN50170V.2。目前PROFIBUS现场总线标准已成为国际现场总线标准IEC61158的一个组成局部。PROFIBUS由三个兼容局部组成10，即PROFIBUS-DPDecentralizedPeriphery、PROFIBUS-PAProcessAutomation、PROFIBUS-FMSFieldbusMessageSpecification。其中DP是PROFIBUS标准的3个兼容局部之一，是用于设备级的高速数据传输协议。它的通讯介质为屏蔽双绞线或者光缆，传输速率为9.

8、6Kb/s至12Mb/s；传输的数据容量为每个报文多达244个字节；传输间隔为100m-1200m，使用中继器后传输间隔还可加长；最多可挂127个站。为了使第三方的设备和产品可以方便地接入PROFIBUS总线，扩大PROFIBUS总线产品的种类、数目和市场占有率进而进一步扩大PROFIBUS总线的影响和应用领域，以西门子公司为首的多家公司为各种不同功能和应用提供了相应的PROFIBUS接口ASIC芯片。例如，西门子公司的ASPC2、SPC3、DCP31、SPM2、LSMP等，并提供了相应的开发工具包，使得用户可以根据需要为自己开发的产品赋予PROFIBUS总线通讯才能。这既为用户提供了一条捷径

9、，也极大地进步了PROFIBUS总线技术应用的灵敏性。32基于PROFIBUS-DP的ZJ19E卷接机组电控系统ZJ19A卷接机组的电气控制系统为英国MOLINS公司PASSIM7000型的引进仿制产品。由于MOLINS公司在电控系统设计上的延续性，其接装机的电控系统采用的是以微处理器为核心的单片机系统MPU为8085系列，该系列单片机已经逐步淘汰，全部控制及检测功能均由电路板完成。系统外围接口器件数目、型号繁多。有些器件已经停产或者性能落后，备件采购不便，给使用和维修带来了不少困难。在硬件电路设计上各控制信号约束关系复杂，一旦某局部出现故障就会影响整个系统工作。其卷烟机局部固然已采用了PLC

10、控制，但它与机组其他电控系统之间接口关系复杂，传递信息内容有限。整个机组的电控系统未能形成有机的整体。烟草行业是一家自动化消费程度较高的行业，各种新技术、新产品的应用层出不穷，现场总线、网络技术的应用开展很快。PASSIM7000型机组电气控制系统属于八十年代产品，技术程度已经落后；ZJ19A卷接机组在消费经过中也表现出了设计上的不完善之处，其更新换代是必然趋势。因此，中国烟机集团公司许昌烟草机械有限责任公司与中电科技集团第二十七所长河公司合作，研制开发了ZJ19E卷接机组，对原有机组的电控系统做了重大技术改良，开发出了具有自主知识产权的ZJ19E电控系统。ZJ19E电控系统选择西门子公司的S

11、7-300系列可编程控制器,采用PROFIBUS总线技术和美国Wonderware公司的InTouch7.0工业组态软件，组成了以工业控制计算机和可编程控制器为核心的现场总线控制系统FCS。晋级改造后的系统根本组成如图2所示。晋级改造后的电控系统采用了PROFIBUS-DP单主站工作方式。西门子公司的工业控制计算机PCR145PIII作为DP类型1主站。主PLC、重量控制单元、稀释度检测单元、空头检测单元作为四个PROFIBUS-DP从站。PCR145主板上集成有PROFIBUS-DP接口功能和驱动程序与CP5611卡一样和工业以太网接口。人机界面系统由液晶显示器和触摸屏组成，利用Wonder

12、ware公司的InTouch7.0工业组态软件设计显示画面，可以在规定的、重复的信息周期内与DP从站交换数据，完成机组控制参数的设置、运行状态的显示，以及对机组各工作点进展故障诊断、功能测试。与原MAID-N系统所具有的收集机组局部运行状态的功能相比省去了复杂的通讯接口，显示内容丰富直观，操纵简便。这将极大进步对机组运行经过的监控功能，便于烟厂用户的使用和设备维护、治理。主PLC、卷烟机PLC、接装机PLC和料斗PLC均选用了CPU315可编程控制器，其CPU上集成有多点接口MPI。主PLC与其它三个PLC之间的数据交换通过MPI总线进展。MPIMuti-PointInterface总线是西门

13、子公司为其S7系列PLC开发的一种通讯网络11。它采用全局数据GlobeData通讯形式，在PLC之间进展少量数据交换，它不需要额外的硬件和软件，构造简单，端口治理与布线轻易，连接本钱低。它采用的也是RS485连接端子，屏蔽双绞线，通讯速率为187.5Kb/s。完全可以知足四个PLC之间的通讯量和通讯速率的需要。主PLC内扩展了一块PROFIBUS-DP通讯处理模块CP342-5作为DP从站，这样可以分担CPU模块的通讯任务，进步通讯效率。CP342-5负责接收主站发送过来的操纵指令和控制参数并传送给CPU模块，再通过MPI网将这些数据送到相应的PLC节点；同时，CPU模块还将各个PLC节点的

14、上传数据汇总、整理后通过CP342-5送往上位机。烟支重量控制系统采用数字信号处理DSPDigitalSignalProcessing这一新兴技术，在消化原MAID-N系统控制软件，分析其烟支重量测量和控制的根底上重新自行设计了全新的重量控制系统，简化其硬件设计并新增了烟支紧头位置自动跟踪这一烟厂用户迫切需求的功能。接装机烟支质量检测系统包括烟支稀释度检测和烟支空头检测单元采用高性能PIC单片机哈佛流水线操纵、内含A/D转换、EPROM、RAM等为控制核心，采用现场可编程逻辑器件FPGA进展电路设计，主要由软件完成计算、控制与通讯。大大简化了电路设计，缩小设备体积并能方便直观地完成控制系统的参

15、数设置和数据显示。烟支重量控制和烟支质量检测系统硬件开发中利用西门子公司的专用ASIC芯片SPC3SiemensProfibusController设计了PROFIBUS-DP通讯接口板。SPC3是PROFIBUS-DP从站智能通讯芯片，通过它可以较方便地将第三方自行设计的系统接入PROFIBUS。SPC3集成有完好的DP协议，能自动检测9.6Kb/s到12Mb/s的总线通讯速率。芯片内部集成有1.5K的RAM、多种存放器、缓冲器、和数据缓冲区等。SPC3有8根数据线和11根地址线，其中低8位地址线和数据线复用，可以接80C32、80C166、80C165、HC16、HC196等单片机。西门子

16、公司还提供了DevelopmentKit4开发包作为通讯接口开发的工具，用户可以将其作为测试、开发平台。ZJ19E电控系统在某些方面已经超越了进口PASSIM8000。例如，PASSIM8000其人机界面是基于WINDOWS3.1操纵系统,利用C语言编制而成的专用软件。而ZJ19E电控系统的人机界面基于WINDOWSNT，利用专业的工业组态软件编制。组态软件功能强大，各种控件丰富，非常便于系统功能的晋级。另外PASSIM8000固然也采用了PROFIBUS总线技术，但其仅局限于主PLC与上位工控机之间的通讯。烟支重量控制系统与烟支质量检测系统同上位机之间的数据传输是通过CAN总线进展的。而晋级

17、改造后的ZJ19E电控系统只应用了PROFIBUS一种总线就将系统各主要功能单元联络在了一起，系统构造更加简单,并可以通过现场总线方便地接入上层网络，这可以为烟厂用户今后组建自动化消费监控和数据收集系统及CIMS打下坚实的根底。ZJ19E卷接机组电控系统的开发将改变国内烟机电控系统长期依靠并落后于国外技术的状况，为卷接机组电控系统的晋级改造创出了一条新路，进而可以在其它同类设备上推广使用，由此推动国内烟草行业卷接设备的更新换代。4结语PROFIBUS是世界上第一个开放式现场总线标准，从1991年德国公布FMS标准DIN19245至今已经历了十余年，如今已为全世界所承受。并于2001年被批准成为

18、中华人民共和国工业自动化领域行业标准中唯一的现场总线标准。其应用领域覆盖了从机械加工、经过控制、电力、交通到楼宇自动化的各个领域。欧洲是世界上烟草机械消费制造程度最高的地区，其消费的烟草机械的电气控制系统中采用的器件和技术多数都是欧洲厂家所提供的。而国产的烟机设备又根本上是引进欧洲国家的技术进展消费的。因此，PROFIBUS总线作为欧洲国家首推的国际现场总线标准，其在烟草行业的应用有着得天独厚的上风。此外，PROFIBUS在诸多的现场总线中以其超过40%的市场占有率稳居榜首。其产品每年增长20-30%。以著名的西门子公司为例，它可以提供上千种PROFIBUS产品，并已经在国内包括烟草行业的很多

19、自动控制领域得到了应用。“电子齿轮、阀岛、智能I/O、智能传感器和交直流驱动器等等这些具有PROFIBUS通讯功能的产品在烟草行业的应用方兴未艾，可以预见烟草行业将掀起一场PROFIBUS技术的应用热潮，PROFIBUS必将占据烟草行业现场总线的主导地位。参考文献1唐济扬.现场总线与工厂底层自动化及信息集成技术J.制造业自动化,2000,32王常力.现场总线与DCS：讨论与理论J.自动化博览3沈学东王蔚然.现场总线技术综述J.东北电力技术.1999,54冯晓升.中国现场总线标准体系的形成与施行N5章剑雄冯浩.现场总线概述J.自动化与仪表,2002,66姚远刘国良.工业局域网SINECL2的特点与应用N北京航空航天大学7SIEMENSSYSTEMMANUALM.SINECIndustrialCommunicationsNetworks.SIEMENS8邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1996年9PASSIM8000MANUALM.MOLINS10杨宪惠.现场总线技术和应用M.北京:清华大学出版社,199911西门子MPI网络通讯技术手册M.西门子公司