现场总线技术在聚丙烯双向拉伸薄膜生产线中的应用--控制网



现场总线技术在聚丙烯双向拉伸薄膜生产线中的应用
企业：控制网 日期：2009-05-16
领域：PLC&PAC 点击数：1465




焦明立 （1971-）

男，河南人，工程师，毕业于抚顺石油学院工业自动化专业，现任洛阳石化聚丙烯有限责任公司设备材料科主管专家，从事仪表与自动化的现场维护与专业技术管理工作。

摘要：本文主要分析了多种现场总线技术在聚丙烯双向拉伸薄膜生产线中的应用，介绍了几种总线的技术特点，分析了该控制系统的系统结构，阐述了多种现场总线应用于同一生产装置的可能性及在应用中存在的一些问题。

关键词：PLC；现场总线；工业以太网；网络化控制系统

Abstract: This paper analyzes the application of multiple field BUSes techniques in Biaxial 
Oriented Polypropylene production lines.  The properties of Several BUSesand the systematic structure 
of this control system are also introduced. .The possibility that multiple field BUSes are applied to 
one BOPP line and their possible problem are introduced.

Key words: PLC; FieldBUS; Industrial Ethernet; Network control system

1 前言

    现场总线是一种计算机的网络通讯总线，是位于现场间的多个现场总线仪表与远端的监视控制计算机装置间的通信系统。广义上来说现场总线分为三类：即最低一级的执行器传感器现场总线、中间一级的设备现场总线和最高一级的全服务现场总线。执行器传感器现场总线适用于简单的开关量和输入输出位的通信，数据宽度仅限于“位”，如ASI总线等；设备现场总线适用于以字节为单位的设备和装置类通信，如Profibus-DP总线、Interbus总线等等；全服务现场总线又称为数据流现场总线，以报文通信为主，如Profibus总线、WORLDFIP总线、基金会现场总线（FF）等等。

2 系统简介

    聚丙烯公司的双向拉伸薄膜生产线由法国DMT公司引进2万吨/年双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生产线，控制系统采用施耐德公司TSX P574823M PLC，上位机采用监控软件iFIX，现场应用了ASI总线、WORLDFIP总线、Profibus总线、Interbus总线等几种现场总线。这套控制系统中，最底层采用ASI现场总线控制，用简单经济的方式将自动化控制层的最底层的执行器和传感器连接起来，与PLC或上层现场总线（Profibus， WORLDFIP ，Interbus）相连，从而控制聚丙烯双向拉伸薄膜生产线。

    系统组成如图1所示，PC1、PC2、PC3、PC5是操作站，PC8为工程师站，PC4为测厚系统的操作站。5套 PLC对生产线现场信号进行采集、处理和控制，并通过Ethway / TCP/IP 模块TSX ETY 110与Ethernet switch相连，连接到4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5进行监控，4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5通过Ethernet switch相连，可以直接通讯交换数据互不干扰、互不依赖，在4台操作站上可以相互调用、操作其它控制站所控设备；PC4测厚系统操作站通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过路由器连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯，组成聚丙烯双向拉伸薄膜生产线控制系统（CPCS）。

                      图1   双向拉伸薄膜生产线控制系统的系统结构

3 系统结构

3.1 ASI系统构成及技术特点

    ASI是（Actuator-Sensor-Interface) 是执行器-传感器-接口的英文缩写，是一种用来在控制器（主站MASTER）和传感器/执行器（从站SLAVE）之间双向交换信息的总线网络系统，针对的是工厂控制中最底层的位式传感器和执行器，ASI总线体系为主从结构，ASI主机和控制器（IPC、PLC、DC）总称为系统主站。从站有两种，一种是带有ASI通信芯片的智能传感器/执行器，另一种是分离型I/O 模块连接普通的传感器/执行器。主从站之间使用非屏蔽非绞接的两芯电缆，其中使用的标准ASI扁平电缆使用专利的穿刺安装方法，连接简单可靠。在2芯电缆上除传输信号外，还传输网络电源，是属于现场总线下层设备层的监控网络系统。

    ASI总线为主从结构，ASI主站是ASI总线系统的核心，由ASI主机和控制器(如PC、PLC等)组成。向下它要和各个从站之间进行通信，向上通过网关可以和多种现场总线进行连接，每个ASI 总线系统只有一个主站，最多可以带31个从站。它是一种低价位、高可靠性的现场总线，控制信息的传递非常简单和实用。ASI总线系统由主站、从站及传输系统3部分组成；而传输系统又由两芯传输电缆、ASI电源及数据解耦电路构成。

    ASI通信协议把主机的通信过程分为四层结构：传输物理层，传输控制层，执行控制层和主机接口层。它分别与OSI网络参考模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层相对应。传输物理层描述的是主机与ASI电缆的电气连接特性，其作用是监控收发脉冲的状况和保护电缆的传输信号不受各种干扰的影响，传输控制层主要负责主机与从机交换报文的管理工作。

    一个ASI报文由主站请求、主站暂停、从站应答和从站暂停4个环节组成。所有的主站请求都是14位，从站应答为7位，每一位的时间长度为6?s。主站暂停最少为3位，最多为10位。如果从站是同步信号，在主站3位暂停后从站就可以发送应答信号。如果不是同步信号，那么从站就必须在5位暂停后发送应答信号，因为在这段时间内从站会在接收到完整有效的请求信号后监测主站的暂停情况，看看是否还会有其它信息。但是如果主站在10个暂停位后没有接收到从站的应答信号的起始位，主站会认为不再有应答信号而发出下一个地址的请求信号。从站的暂停只有1位或2位的时间。主机呼叫的报文格式为：

ST
SB
A4
A3
A2
A1
A0
I4
I3
I2
I1
PB
EB

    其中ST是起始位为0，SB是控制位A4~A0是从站地址，I0~I4是数据位，PB是奇偶校验位，EB是结束位为1。

    执行控制层位于传输控制层之上，执行相应的指令以实现其他层与该层的数据交换；主机接口层是用户和执行控制层之间命令传送的接口。

    ASI总线系统采用请求-应答的访问方式。主站先发出一个请求信号，信号中包括从站的地址。接到请求的从站会在规定的时间内给予应答，在任何时间只有1个主站和最多31个从站进行通信。一般访问方式有两种：一种是带有令牌传递的多主机访问方式；另一种是CSMA/CD方式，它带有优先级选择和帧传输过程。而ASI的访问方式比较简单，为了降低从站的费用、提高灵活性，一方面在不增加传输周期的条件下尽量包括更多的参数和信息，另一方面传输周期的时间应能自动调整，例如系统中只有6个从站时，传输周期为1ms，而有31个从站时周期约为5ms。如果在网上有短暂的干扰时，主站没有收到从站的应答信号或收到的是错误无效的信号时，主站可以重发信息而无需重复整个传输周期。

    ASI总线的传输系统是连接网络系统中主站、从站、电源、控制器、传感器/执行器的通路和桥梁。报文信号在传输系统中要经过多次的变换和恢复，并要抵抗各种外界的干扰以保证准确、快捷、可靠的信息交换，它是ASI总线系统中重要的组成部分。

3.2 WorldFip的特点

    WorldFip总线是面向工业控制的，其主要特点可归纳为实时性、同步性、可靠性。 WorldFip 目前使用的传输速率是31.5K、1M和2.5M。典型速率为1M bit/s。典型的传输介质是工业级屏蔽双绞线。对接线盒、9针D型插头座等都有严格的规定。每个网段最长为1公里。通过中继器(Repeater)以后可扩展到5公里。 WorldFip与Internet类似，使用曼彻斯特码传输，但它是一种令牌网，网络由仲裁器和若干用户站组成。

    WorldFip 将信息分为：周期性同步数据、周期性异步数据和非周期性消息包。同步数据严格地按确定的时序呼叫，接下去是周期性异步数据，用于对同步性要求不太高的数据传送，最后呼叫消息包。

    网络仲裁器是整个网络通信的主宰者。网络仲裁器轮番呼叫每一个用户站。整个网线上总是有信号的。如果若干时间间隔内(例如几十毫秒)没有监听到网上的信号、则可以诊断为网络故障，此时可以自动将冗余热备份网线切换上去，也可以设计成各用户站回本质安全态。WorldFip 在网络安全性方面的考虑有其独到之处。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器。在任意给定时刻，只有一个在起作用，其他处于热备份态，监听网络状态。

    除用户层外，WorldFip使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理层。

    WorldFip用的总线驱动器与其它总线驱动器的不同之处在于，除了实现曼彻斯特编码、解码功能之外，它还提供总线监听与看门狗功能，这为总线的热备份、总线冗余提供了方便，提高了总线的安全性。WorldFip使用的类似标准有Fip、FipIO等等。WorldFip现场总线依照工业控制系统的要求，不但严格定义了通信协议，也严格定义了符合工业标准的传输介质、接线盒、插头座等，在实时性、同步性、冗余性方面独具特色。速度更高的、以光纤为介质的高速网也不断推出。

    在这套控制系统中，WorldFip  Fipio总线主要用于处理生产线的速度及与最底层的总线进行通讯，通过总线型拓补结构与变频器的通讯卡进行通讯，如图2所示。

                           图2   Fipio总线结构
 
3.3 控制系统构成

    BOPP控制系统是由5套PLC和若干组ASI总线构成ASI总线控制系统。ASI总线系统是一个开放的系统，它通过主站中的网关可以和多种现场总线（如FF、Profibus、DeviceNet、Ethernet等）相连接。ASI主站作为上层现场总线的一个节点，同时又可以完全分散地挂接一定量的ASI从站。每个ASI总线控制系统由一个主站(M)（ASI  SAY1000），以及下挂的从站（S）构成，若ASI总线的电缆超过100米时，可以通过ASI中继器(Repeater)进行扩展。主站和从站通过ASI总线实现双向通讯，多个ASI主站构成一套PLC系统，如图3、图4所示。

                       图3   ASI系统构成(a)

                        图4   ASI系统构成(ｂ)

    这套控制系统主要作用是控制生产线的速度、温度、重量和张力、料位。在这套控制系统中，生产线速度是由PLC的控制器通过WorldFip 的FIPIO总线直接与变频器的通信卡通信，进行速度控制。而压力、张力的测量则是通过重量模块（ISPY100）带现场重力传感器进行测量，计数是通过快速计数模块（CTY2C）和现场计数编码器完成。而温度测量和大量的开关量信号则是应用了ASI现场总线。ASI总线系统通过ASI电缆下挂许多从站，如模拟量信号（IFM2606、IFM2610 、IFM2611）、数字量（ABE-8），ASI的现场电/气执行元件等，从站可以与ASI主站进行通信，并具有远程设定、远程诊断等功能。这些从站连接着现场各类传感器，如温度传感器、压力传感器、位置传感器、光电开关等各种传感器，将生产线各点的开关量信号和模拟量信号通过ASI从站转换成ASI协议的信号，通过ASI总线传输给ASI主站，并根据主站的指令完成对现场设备的控制，如现场调节阀、电/气动执行机构等。测厚系统通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过HUB连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯。

3.4 现场总线结构

    CPU处理器为TSX P574823M，其包含有一个内存扩展槽(PCMCIA 1型卡)及一个通讯卡（PCMCIA Ⅲ型卡）以太网接口，可以与FIPWAY、 Modbus Plus、 Modbus、 RS 232C, RS 485,以太网、等通讯，还有集成的Fipio连接（总线管理器）,可实现最多127个连接点。通过Profibus DP  TSX PBY 100模块可以与Profibus总线通讯。如图5所示。 

                         图5   现场总线构成

    5套PLC对生产线现场信号进行采集、处理和控制，并通过Ethway / TCP/IP 模块TSX ETY 110与Ethernet switch相连，以太网是星形连接，在Ethernet switch内有缓冲器，安装确定性软件，在以太网的软件编制采用“隧道技术”，把原来通过RS232、RS485传递的信息包嵌入以太网；连接到4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5进行监控，4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5通过Ethernet switch相连，可以直接通讯交换数据互不干扰、互不依赖，在4台操作员站屏幕上可以相互调用、操作其它操作站所控设备；PC4测厚系统操作站通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过HUB连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯。Profibus总线还下挂西门子S7300，控制薄膜生产线的电晕系统。组成聚丙烯双向拉伸薄膜生产线控制系统（CPCS）。

3.5 监控软件

    监控软件iFIX3.5，具有全中文显示、界面友好、易操作的特点，操作人员根据操作、维护系统的实际需要可进入各个画面进行监护和操作。

3.6 控制系统存在的问题及解决方案

    由于 ASI总线的抗干扰能力很强，所以在最底层采用ASI总线控制，通过PCMCIA Ⅲ型卡与WorldFip总线相连、通过TSX PBY100与Profibus总线相连、通过以太网接口与Interbus总线相连，共同来控制BOPP薄膜生产线，在同一控制系统中成功地应用了四种现场总线。在应用的过程中也出现过一些问题，如ASI中继器工作状态不稳定，导致其下挂的ASI卡件报警及网络通讯故障，后经排查发现ASI电缆长度超过100米、中继器所在的控制柜温度过高，经采取缩短ASI电缆长度及控制柜降温，故障率大大降低。由于ASI电缆不带屏蔽层，虽然抗干扰能力比较强，但和电力电缆一起敷设，仍然会产生干扰，后经ASI电缆和电力电缆分开敷设，网络通讯的报警大大降低。

4 结束语

    在这套控制系统中成功的应用了四种现场总线，该系统已正常运行了四年多，从运行的效果来看完全能够满足薄膜生产的要求，并具有准确性、稳定性、易操作性等特点。系统的正常运行必将对企业生产和经营产生深远的影响。 

参考文献

[1] 俞金寿.工业过程先进控制[M]. 北京: 中国石化出版社, 2002. 

[2] 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程(第二版) [M]. 北京: 中国石化出版社,2004.

[3] 夏德海.现场总线技术[M].. 北京:中国电力出版社,2003.

[4] 张新薇,陈旭东. 集散系统及系统开放[M].. 北京:机械工业出版社,2005.
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