1、 PROFIBUS現場總線介紹

隨著計算機技術、通信技術和控制技術的迅猛發展，工控領域也不斷產生先進的控制模式，現場總線（FIELD BUS）就是順應這一形勢發展起來的新技術。現場總線是應用于工業現場、連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡。其中PROFIBUS現場總線標準是開放的、不依賴生產廠家通信系統標準。所以，在各種工業控制中得到了廣泛的應用。

PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。由分散和外圍設備PROFIBUS—DP‘（Decentralized Periphery）、報文規范PROFIBUS-FMS （Fieldbus message Pe—riphery）、過程自動化PR0FIBUS—PA （ProcessAutomation）組成了PROFIBUS系列。

其中，PROFIBUS-DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器（如PLC，PC），通過高速串行線同分散的現場設備（如I／O，驅動器，閥門等）進行通信。PROFIBUS—DP具有快速、即插即用、高效低成本等優點。在用于現場層的高速數據傳送時，主站周期地讀取從設備的輸入信息并周期地向從站設備發送輸出信息。除周期性數據傳輸外，PROFIBUS—DP還提供了智能化設備所需要的非周期性通訊以進行組態、診斷和報警處理。

根據國際標準化組織ISO 7498標準，PROFI—BUS的協議結構以開放系統互聯網絡OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數據鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數據連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能。

2 、浮法玻璃控制系統的現狀及問題的提出

上世紀7O年代初，洛陽玻璃廠率先使用浮法技術建成了我國第一條浮法玻璃生產線。浮法玻璃生產工藝是將原料在熔窯中高溫熔成玻璃液經流道進入錫槽，在地心引力及本身表面張力作用下玻璃液浮于熔融的錫液表面，經過渡輥臺進入退火窯，并在退火窯內實現退火冷卻，最后進入冷端切割、裝箱。浮法玻璃生產線主要由熔窯、錫槽、退火窯及冷端設備組成。而由熔窯、錫槽及退火窯三大熱工設備組成的熱端生產系統，是一個多變量（如流量、溫度、壓力、速度、開關量等）、多任務（如玻璃熔窯溫度控制，助燃風與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制，換向過程控制，保護氣體流量、壓力、罩內、槽內壓力檢測及控制，錫槽空間溫度檢測及控制，錫槽各對拉邊機間的控制，退火窯玻璃板溫度與控制，退火窯輥道速度控制等）、多設備（如電機、閥門、調功器、閘板等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復雜非線性系統。國內浮法玻璃生產線在9O年代后多采用DCS集散系統控制，取代原來的常規儀表和手動操作，在實現玻璃生產的分散自動控制和集中管理方面，取得了一定的進展。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷， 一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實現設備之間以及系統與外界之間的交互和共享，使自動化系統成為“信息孤島”；另一方面傳統DCS系統的現場底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大范圍布線，給現場施工帶來很大麻煩，同時信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著現場總線技術的發展和應用，生產線的上述問題逐步得到了解決。

3、 浮法玻璃生產線控制的網絡結構

現對某浮法玻璃生產線的現場總線系統進行一下介紹。該系統采用PROFIBUS—DP現場總線技術并帶有冗余技術結構的計算機控制與管理系統，對浮法玻璃生產進行過程控制與信息管理。控制系統采用綜合模糊控制方式，實現熔化、錫槽、退火浮法玻璃三大熱工設備的過程控制與信息管理，圖1是三大熱工設備控制系統的網絡結構。由于系統比較復雜，涉及的操作點、控制點比較多，如果選用傳統的控制方式電纜數量將非常的多，很不經濟，而且維護和調試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監控的PLC分布式控制系統，選用了現場總線PROFIBUS，通過網絡實現工作現場、控制柜以及主控臺之間的復雜控制。整個系統設為上位機操作站，下位機控制主站及控制從站，上位機采用IBM 工控機和西門子WINCC監控軟件實現工藝流程顯示。為了提高系統的可靠性，下位機主站采用雙冗余的西門子S7—400系統進行實時控制，選用功能強大的CPU414—2DP作為PROFIBUS-DP的網絡主站，3套具有硬件冗余的ET200M作為從站，每個從站包括2個IM153—2接口模塊和若干個I／O模塊。ET2OOM 通過PROFIBUS專用電纜和S7—400進行通訊，上位機與下位機通過以太網通訊，我們使用一對CP通訊卡（CP443—1），完成數據的采集和相互傳送。

通過圖1，我們可以看到，冗余系統由兩套PLC控制系統組成。正常工作時，A （MASTERPROFIBUS）系統為主，B （RESERVE PROFIBUS）系統為備用，當主系統A 中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，這時B系統為主，A系統為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換。

4、 硬件組態

控制系統的硬件組態采用SIEMENS公司的STEP7和安裝軟冗余軟件包完成。軟冗余硬件組態在HARDWARE對話框中完成主系統與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統與從站通訊鏈路（REsERVE PROFIBUS）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（MPI或者PR0FIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網絡方式進行數據同步。應注意硬件組態中的各站地址不能重復。表1為系統元件的PROFIBUS硬件組態表。表2為S7- 400與上位機以太網通訊的硬件組態表。

5、 軟件編程

該系統同時使用熔窯、錫槽和退火三套遠程從站，程序比較復雜，三套工作站原理各不相同，在編程時我們采用了模塊化編程，多重調用的方式，使得程序結構簡單，可讀性強。在熔窯控制系統軟件中包含的子程序有，玻璃熔窯溫度控制，助燃風與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制及換向過程控制。在錫槽控制系統軟件中的包含子程序有，保護氣體流量、壓力、罩內、槽內壓力檢測及控制，可控硅電加熱器控制，錫槽各對拉邊機間的控制。在退火窯控制系統軟件中的包含子程序有，退火窯玻璃板溫度與空間溫度檢測及控制，退火窯輥道速度控制。三大熱工設備控制回路多我們只對一套中的每個過程編寫FB塊，如果同一個過程的FB調用不同的背景數據塊，這樣就減少了程序的編寫量。在程序設計中根據助燃風與燃料燃燒控制要求利用STEP7中的PID模塊對于助燃風機的變頻器和換向閘板進行控制，根據冗余要求PID控制應放在定時中斷組織塊OB35中，一般情況下非冗余的程序放在主循環程序塊OB1中，把冗余的程序都放到了OB35中，并對其中的OB35、OBIO0（啟動調用程序塊）、OB86 （主從站通訊出錯調用該塊）進行編程。

6 、結束語

本系統通過使用PROFIBUS-DP現場總線，減少了大量布線。現場安裝、調試的工作量大為降低，縮短了開發周期，提高了效率。目前該系統已經投入生產，并通過鑒定。鑒定專家認為：使用該系統，能使生產過程易于自動控制，現場參數穩定，降低能耗，保證生產過程工藝的要求，同時減少運行費用、運行維護和設備維修工作量少，提高產品的質量與成品率，從而達到預期的效果。由于PROFIBUS—DP現場總線技術具有數據傳輸速度快、系統實現簡單、可靠性高等優點，其必將在浮法玻璃控制系統中得到廣泛的應用。

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