现场总线PROFIBUS技术和产品在长丝生产中的应用

一、引言
　　仪征化纤股份有限公司九万吨长丝项目已于一九九八年十月十八日建成投产。长丝生产的控制采用了德国西门子公司先进的PC，S7过程控制系统。利用S7-400作为主站，借助PROFIBUS现场总线，采用德国BECKHOFF公司I/O端子作为从站，实现了长丝生产中的大量控制、连锁、监视、报警任务。
二、工艺流程
　　仪征化纤股份有限公司九万吨长丝项目采用PET熔体直接纺丝工艺，共计分为十一条生产线。其中POY五条，FDY六条。熔体由聚酯侧送到纺丝侧，经过熔体过滤器、增压泵，再经过热交换器、静态混合器至纺丝箱体，通过喷丝板、纺丝甬道冷却成型，最后经卷绕机卷成丝饼。另外，为了长丝生产、操作人员、运转设备及成品包装的需要，共配套设计了15套空调装置，以便送出具有合适温度、湿度、压力的空调风。为了控制熔体管道、静态混合器及纺丝箱体中的熔体温度，以保证熔体具有良好的可纺性，整个装置共设计了22台汽相热媒炉，7台液相热媒炉。整个装置的主要控制及连锁任务有：热媒炉的温度控制及连锁，增压泵的转速控制及连锁，热媒循环泵的连锁，空调送风的压力、温度、湿度控制，以及大量的显示、报警等，所有这些都是由PC S7系统来实现的。
三、控制系统的拓扑结构
　　整个系统分为三层。第一层包括服务器、工程师站、操作员站。第二层包括三套主控制站。第三层包括多个从站。服务器、工程师站、操作员站皆为西门子工控机SIMATIC-RI45-PII。21英寸显示器为SIEMENS-SCM2196-1。服务器安装Windows NT4.0-SERVER版，工程师站、操作员站安装Windows NT-4.0-WORKSTATION版。主控制站为SIMATIC-S7-400-416-2DP。从站为BUSCOUPLER的BK3100加各类端子排。
四、现场总线及产品选型
　　随着通信技术、计算机网络技术在工业生产过程中的不断推广应用，工业控制过程对现场信号的采集、传输和数据转换提出了更高的要求。由于数字通信技术、网络技术和微处理技术的迅猛发展，把传统的数字信号和模拟信号混合的系统变成全数字信号系统成为可能。现场总线就是在这种背景下产生的，并成为当前工业过程控制领域的焦点。PROFIBUS是德国开发的一种现场总线标准，得到欧洲许多大设备制造商的支持，并在国际上得到越来越多的推广应用。 
　　由于现场总线主要是面向过程控制的实时性要求，它将ISO/OSI参考模型简化，采用3层体系结构：即物理层、数据链路层和应用层。物理层主要是对信号进行编码与发送，媒体可取导线型、无线型或光纤型。本项目中采用的PROFIBUS电缆为两芯屏蔽型。数据链路层提供共享介质的多个设备间的数据传输，完成对介质共享的控制，决定何站在何时可以占用总线进行通信，避免冲突，并负责建立、拆除通信链路，检查错误并监视不同装置间的通信过程。 应用层含本地数据库、分布式数据库维护、工业信息服务和集成信息通用服务4部分功能，把实际对象映射为PROFIBUS能辨认的通信对象。
　　PROFIBUS现场总线基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以主从方式与从站通信，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。PROFIBUS现场总线的物理层遵循的最常用标准为RS485，数据传输速率为9600到12Mbps，传输量长距离为4800米，最多可支持127个站点的可靠数据通信。BECKHOFF是德国一家制造电子自动化产品的公司。该公司生产的I/O端子是开放的I/O系统，包括以I/O光导总线为代表的各种现场总线系统及其接口卡、现场模块、总线耦合器等。该公司在中国地区的代理机构是北京科诺科电子有限公司，可以提供良好的本地技术支持。 现场总线系统是对I/O层面实现离散化控制的最佳方案，然而目前的现场总线系统还存在着性能和构造的差异。BECKHOFF公司的I/O端子弥补了这方面的不足，并为现场总线技术建立了新的标准。这种I/O“电子端子排”可嵌装在标准的滑轨上，形成并行排列的、高度模块化的现场总线端子排。使用了BECKHOFF的I/O端子，可以节省联接电缆、控制室的空间、施工费用和其他材料。该产品已成功地在自动化工业、食品工业、制造工业、材料工程、环境保护等领域得到应用。

　　在技术“术语”上，若干个I/O端子排叫做一个“站”，一个站由一个“BUS-COUPLER”和最多64个电子端子块组成，“BUS-COUPLER”是一个以CPU为核心的电子模块，它负责信号的转换及与上位控制器的通信。它与上位控制器的通信协议有PROFIBUS-DP/FMS、IN-TERBUS-S、LIGHT-BUS、CAN-BUS。I/O端子块可以根据需要任意组合设置。它的面板上有状态显示器，它的接线端子与现场信号相连。 I/O端子有下列类型： 数字量输入：电压等级有5V DC，24V DC，48V DC，230V AC及24V DC、100KHZ计数器。 数字量输出：电压等级有5V DC、24V DC，48V DC，230V AC及24V DC、20KHZ方波输出。 模拟量输入：信号类型有-10V～+10V，0～10V，0～20mA，4～20mA，热电阻，热电偶。 模拟量输出：信号类型有-10V～+10V，0～10V，0～20mA，4～20mA。 位置测量和通讯模块：位置增量编码器接口，SSI传感器接口，RS232C/485，4～20mA串口，NEW ALL传感器接口模块。
五、应用情况
　　公司九万吨长丝项目共使用了585块BECKHOFF端子排。具体型号有KL3052（4～20mA模拟量输入，带电源），KL3022（4～20mA模拟量输入），LK1012（数字量输入24V），KL2622（数字量输出220V），KL2012（数字量输出24V），LK3302（铂电阻输入），KL3064（0～10V模拟量输入），KL4002（0～10V模拟量输出），KL4022（4～20mA模拟量输出）。585块BECKHOFF端子排共分成33个从站，分别利用总线耦合器BK3100，通过三条PROFIBUS-DP总线DP[1]、DP[2]、DP[3]分别挂在三个主控制站上。 硬件组态：硬件组态要使用BECKHOFF公司提供的组态文件，将其加载到工程师站里。
　　每一家生产符合PROFIBUS协议产品的厂家都会提供类似的文件，以便它们的产品能方便并被广泛的使用。软件组态：由于BECKHOFF产品不属于西门子家族产品，所以PＣS7要求用户自己编写特殊的输入、输出转换模块，利用PC S7的CFC软件进行控制程序的实现。自一九九八年八月份开始安装调试以来，只是在回路调校中损坏了几块KL3052模拟量输入卡外，系统运行六个多月来一切正常。控制平稳、连锁可靠、显示准确，可以说BECKHOFF的现场总线产品在我公司九万吨长丝项目中使用是非常成功的。