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焦明立 （1971-）

男，河南人，工程師，畢業于撫順石油學院工業自動化專業，現任洛陽石化聚丙烯有限責任公司設備材料科主管專家，從事儀表與自動化的現場維護與專業技術管理工作。

摘要：本文主要分析了多種現場總線技術在聚丙烯雙向拉伸薄膜生產線中的應用，介紹了幾種總線的技術特點，分析了該控制系統的系統結構，闡述了多種現場總線應用于同一生產裝置的可能性及在應用中存在的一些問題。

關鍵詞：PLC；現場總線；工業以太網；網絡化控制系統

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

    現場總線是一種計算機的網絡通訊總線，是位于現場間的多個現場總線儀表與遠端的監視控制計算機裝置間的通信系統。廣義上來說現場總線分為三類：即最低一級的執行器傳感器現場總線、中間一級的設備現場總線和最高一級的全服務現場總線。執行器傳感器現場總線適用于簡單的開關量和輸入輸出位的通信，數據寬度僅限于“位”，如ASI總線等；設備現場總線適用于以字節為單位的設備和裝置類通信，如Profibus-DP總線、Interbus總線等等；全服務現場總線又稱為數據流現場總線，以報文通信為主，如Profibus總線、WORLDFIP總線、基金會現場總線（FF）等等。

2 系統簡介

    聚丙烯公司的雙向拉伸薄膜生產線由法國DMT公司引進2萬噸/年雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生產線，控制系統采用施耐德公司TSX P574823M PLC，上位機采用監控軟件iFIX，現場應用了ASI總線、WORLDFIP總線、Profibus總線、Interbus總線等幾種現場總線。這套控制系統中，最底層采用ASI現場總線控制，用簡單經濟的方式將自動化控制層的最底層的執行器和傳感器連接起來，與PLC或上層現場總線（Profibus， WORLDFIP ，Interbus）相連，從而控制聚丙烯雙向拉伸薄膜生產線。

    系統組成如圖1所示，PC1、PC2、PC3、PC5是操作站，PC8為工程師站，PC4為測厚系統的操作站。5套 PLC對生產線現場信號進行采集、處理和控制，并通過Ethway / TCP/IP 模塊TSX ETY 110與Ethernet switch相連，連接到4臺操作站PC1、PC2、PC3、PC5進行監控，4臺操作站PC1、PC2、PC3、PC5通過Ethernet switch相連，可以直接通訊交換數據互不干擾、互不依賴，在4臺操作站上可以相互調用、操作其它控制站所控設備；PC4測厚系統操作站通過Profibus連接到現場控制器，控制模頭膨脹螺栓的溫度，達到控制薄膜厚度的目的，通過路由器連接到Ethernet從而與現場的薄膜掃描控制器系統進行通訊，組成聚丙烯雙向拉伸薄膜生產線控制系統（CPCS）。

                      圖1   雙向拉伸薄膜生產線控制系統的系統結構

3 系統結構

3.1 ASI系統構成及技術特點

    ASI是（Actuator-Sensor-Interface) 是執行器-傳感器-接口的英文縮寫，是一種用來在控制器（主站MASTER）和傳感器/執行器（從站SLAVE）之間雙向交換信息的總線網絡系統，針對的是工廠控制中最底層的位式傳感器和執行器，ASI總線體系為主從結構，ASI主機和控制器（IPC、PLC、DC）總稱為系統主站。從站有兩種，一種是帶有ASI通信芯片的智能傳感器/執行器，另一種是分離型I/O 模塊連接普通的傳感器/執行器。主從站之間使用非屏蔽非絞接的兩芯電纜，其中使用的標準ASI扁平電纜使用專利的穿刺安裝方法，連接簡單可靠。在2芯電纜上除傳輸信號外，還傳輸網絡電源，是屬于現場總線下層設備層的監控網絡系統。

    ASI總線為主從結構，ASI主站是ASI總線系統的核心，由ASI主機和控制器(如PC、PLC等)組成。向下它要和各個從站之間進行通信，向上通過網關可以和多種現場總線進行連接，每個ASI 總線系統只有一個主站，最多可以帶31個從站。它是一種低價位、高可靠性的現場總線，控制信息的傳遞非常簡單和實用。ASI總線系統由主站、從站及傳輸系統3部分組成；而傳輸系統又由兩芯傳輸電纜、ASI電源及數據解耦電路構成。

    ASI通信協議把主機的通信過程分為四層結構：傳輸物理層，傳輸控制層，執行控制層和主機接口層。它分別與OSI網絡參考模型中的物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層相對應。傳輸物理層描述的是主機與ASI電纜的電氣連接特性，其作用是監控收發脈沖的狀況和保護電纜的傳輸信號不受各種干擾的影響，傳輸控制層主要負責主機與從機交換報文的管理工作。

    一個ASI報文由主站請求、主站暫停、從站應答和從站暫停4個環節組成。所有的主站請求都是14位，從站應答為7位，每一位的時間長度為6?s。主站暫停最少為3位，最多為10位。如果從站是同步信號，在主站3位暫停后從站就可以發送應答信號。如果不是同步信號，那么從站就必須在5位暫停后發送應答信號，因為在這段時間內從站會在接收到完整有效的請求信號后監測主站的暫停情況，看看是否還會有其它信息。但是如果主站在10個暫停位后沒有接收到從站的應答信號的起始位，主站會認為不再有應答信號而發出下一個地址的請求信號。從站的暫停只有1位或2位的時間。主機呼叫的報文格式為：


    其中ST是起始位為0，SB是控制位A4~A0是從站地址，I0~I4是數據位，PB是奇偶校驗位，EB是結束位為1。

    執行控制層位于傳輸控制層之上，執行相應的指令以實現其他層與該層的數據交換；主機接口層是用戶和執行控制層之間命令傳送的接口。

    ASI總線系統采用請求-應答的訪問方式。主站先發出一個請求信號，信號中包括從站的地址。接到請求的從站會在規定的時間內給予應答，在任何時間只有1個主站和最多31個從站進行通信。一般訪問方式有兩種：一種是帶有令牌傳遞的多主機訪問方式；另一種是CSMA/CD方式，它帶有優先級選擇和幀傳輸過程。而ASI的訪問方式比較簡單，為了降低從站的費用、提高靈活性，一方面在不增加傳輸周期的條件下盡量包括更多的參數和信息，另一方面傳輸周期的時間應能自動調整，例如系統中只有6個從站時，傳輸周期為1ms，而有31個從站時周期約為5ms。如果在網上有短暫的干擾時，主站沒有收到從站的應答信號或收到的是錯誤無效的信號時，主站可以重發信息而無需重復整個傳輸周期。

    ASI總線的傳輸系統是連接網絡系統中主站、從站、電源、控制器、傳感器/執行器的通路和橋梁。報文信號在傳輸系統中要經過多次的變換和恢復，并要抵抗各種外界的干擾以保證準確、快捷、可靠的信息交換，它是ASI總線系統中重要的組成部分。

3.2 WorldFip的特點

    WorldFip總線是面向工業控制的，其主要特點可歸納為實時性、同步性、可靠性。 WorldFip 目前使用的傳輸速率是31.5K、1M和2.5M。典型速率為1M bit/s。典型的傳輸介質是工業級屏蔽雙絞線。對接線盒、9針D型插頭座等都有嚴格的規定。每個網段最長為1公里。通過中繼器(Repeater)以后可擴展到5公里。 WorldFip與Internet類似，使用曼徹斯特碼傳輸，但它是一種令牌網，網絡由仲裁器和若干用戶站組成。

    WorldFip 將信息分為：周期性同步數據、周期性異步數據和非周期性消息包。同步數據嚴格地按確定的時序呼叫，接下去是周期性異步數據，用于對同步性要求不太高的數據傳送，最后呼叫消息包。

    網絡仲裁器是整個網絡通信的主宰者。網絡仲裁器輪番呼叫每一個用戶站。整個網線上總是有信號的。如果若干時間間隔內(例如幾十毫秒)沒有監聽到網上的信號、則可以診斷為網絡故障，此時可以自動將冗余熱備份網線切換上去，也可以設計成各用戶站回本質安全態。WorldFip 在網絡安全性方面的考慮有其獨到之處。在一個網絡中可以有一個或多個網絡仲裁器。在任意給定時刻，只有一個在起作用，其他處于熱備份態，監聽網絡狀態。

    除用戶層外，WorldFip使用以下三層通信協議：應用層、數據鏈路層、物理層。

    WorldFip用的總線驅動器與其它總線驅動器的不同之處在于，除了實現曼徹斯特編碼、解碼功能之外，它還提供總線監聽與看門狗功能，這為總線的熱備份、總線冗余提供了方便，提高了總線的安全性。WorldFip使用的類似標準有Fip、FipIO等等。WorldFip現場總線依照工業控制系統的要求，不但嚴格定義了通信協議，也嚴格定義了符合工業標準的傳輸介質、接線盒、插頭座等，在實時性、同步性、冗余性方面獨具特色。速度更高的、以光纖為介質的高速網也不斷推出。

    在這套控制系統中，WorldFip  Fipio總線主要用于處理生產線的速度及與最底層的總線進行通訊，通過總線型拓補結構與變頻器的通訊卡進行通訊，如圖2所示。

                           圖2   Fipio總線結構
 
3.3 控制系統構成

    BOPP控制系統是由5套PLC和若干組ASI總線構成ASI總線控制系統。ASI總線系統是一個開放的系統，它通過主站中的網關可以和多種現場總線（如FF、Profibus、DeviceNet、Ethernet等）相連接。ASI主站作為上層現場總線的一個節點，同時又可以完全分散地掛接一定量的ASI從站。每個ASI總線控制系統由一個主站(M)（ASI  SAY1000），以及下掛的從站（S）構成，若ASI總線的電纜超過100米時，可以通過ASI中繼器(Repeater)進行擴展。主站和從站通過ASI總線實現雙向通訊，多個ASI主站構成一套PLC系統，如圖3、圖4所示。

                       圖3   ASI系統構成(a)

                        圖4   ASI系統構成(ｂ)

    這套控制系統主要作用是控制生產線的速度、溫度、重量和張力、料位。在這套控制系統中，生產線速度是由PLC的控制器通過WorldFip 的FIPIO總線直接與變頻器的通信卡通信，進行速度控制。而壓力、張力的測量則是通過重量模塊（ISPY100）帶現場重力傳感器進行測量，計數是通過快速計數模塊（CTY2C）和現場計數編碼器完成。而溫度測量和大量的開關量信號則是應用了ASI現場總線。ASI總線系統通過ASI電纜下掛許多從站，如模擬量信號（IFM2606、IFM2610 、IFM2611）、數字量（ABE-8），ASI的現場電/氣執行元件等，從站可以與ASI主站進行通信，并具有遠程設定、遠程診斷等功能。這些從站連接著現場各類傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、光電開關等各種傳感器，將生產線各點的開關量信號和模擬量信號通過ASI從站轉換成ASI協議的信號，通過ASI總線傳輸給ASI主站，并根據主站的指令完成對現場設備的控制，如現場調節閥、電/氣動執行機構等。測厚系統通過Profibus連接到現場控制器，控制模頭膨脹螺栓的溫度，達到控制薄膜厚度的目的，通過HUB連接到Ethernet從而與現場的薄膜掃描控制器系統進行通訊。

3.4 現場總線結構

    CPU處理器為TSX P574823M，其包含有一個內存擴展槽(PCMCIA 1型卡)及一個通訊卡（PCMCIA Ⅲ型卡）以太網接口，可以與FIPWAY、 Modbus Plus、 Modbus、 RS 232C, RS 485,以太網、等通訊，還有集成的Fipio連接（總線管理器）,可實現最多127個連接點。通過Profibus DP  TSX PBY 100模塊可以與Profibus總線通訊。如圖5所示。 

                         圖5   現場總線構成

    5套PLC對生產線現場信號進行采集、處理和控制，并通過Ethway / TCP/IP 模塊TSX ETY 110與Ethernet switch相連，以太網是星形連接，在Ethernet switch內有緩沖器，安裝確定性軟件，在以太網的軟件編制采用“隧道技術”，把原來通過RS232、RS485傳遞的信息包嵌入以太網；連接到4臺操作站PC1、PC2、PC3、PC5進行監控，4臺操作站PC1、PC2、PC3、PC5通過Ethernet switch相連，可以直接通訊交換數據互不干擾、互不依賴，在4臺操作員站屏幕上可以相互調用、操作其它操作站所控設備；PC4測厚系統操作站通過Profibus連接到現場控制器，控制模頭膨脹螺栓的溫度，達到控制薄膜厚度的目的，通過HUB連接到Ethernet從而與現場的薄膜掃描控制器系統進行通訊。Profibus總線還下掛西門子S7300，控制薄膜生產線的電暈系統。組成聚丙烯雙向拉伸薄膜生產線控制系統（CPCS）。

3.5 監控軟件

    監控軟件iFIX3.5，具有全中文顯示、界面友好、易操作的特點，操作人員根據操作、維護系統的實際需要可進入各個畫面進行監護和操作。

3.6 控制系統存在的問題及解決方案

    由于 ASI總線的抗干擾能力很強，所以在最底層采用ASI總線控制，通過PCMCIA Ⅲ型卡與WorldFip總線相連、通過TSX PBY100與Profibus總線相連、通過以太網接口與Interbus總線相連，共同來控制BOPP薄膜生產線，在同一控制系統中成功地應用了四種現場總線。在應用的過程中也出現過一些問題，如ASI中繼器工作狀態不穩定，導致其下掛的ASI卡件報警及網絡通訊故障，后經排查發現ASI電纜長度超過100米、中繼器所在的控制柜溫度過高，經采取縮短ASI電纜長度及控制柜降溫，故障率大大降低。由于ASI電纜不帶屏蔽層，雖然抗干擾能力比較強，但和電力電纜一起敷設，仍然會產生干擾，后經ASI電纜和電力電纜分開敷設，網絡通訊的報警大大降低。

4 結束語

    在這套控制系統中成功的應用了四種現場總線，該系統已正常運行了四年多，從運行的效果來看完全能夠滿足薄膜生產的要求，并具有準確性、穩定性、易操作性等特點。系統的正常運行必將對企業生產和經營產生深遠的影響。 

參考文獻

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