啤酒灌装生产线控制系统的设计与应用

0. 引言
　　目前国内啤酒灌装生产线不管是引进生产线，还是国产生产线，单机采
用现场总线技术已比较普遍，但还未有整条生产线采用现场总线联网。现场总线是连接现场智能设备和自动化控制系统之间的数字化、双向传输和多分支结构的通讯网络。现场总线能够代替传统的现场设备与控制系统之间的数据传输方式；可以通过其诊断功能，获取设备上的大量数据，及时判断故障点所在，以降低故障发生时间；可以远程监控现场的实时数据。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，实现底层现场设备之间、以及自动化与外界的信息交换，就必须采用现场总线。与传统的设备间一对一的接线方式相比，现场总线可以节省大量电缆、槽架及相应的接口设备，同时，由于所有的连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少，以后还可与ERP系统方便地连接，实现企业测、控、管一体化。

1. Modbus plus总线
　　Modbus plus（即MB+）总线协议是由美国Modicon Inc.（该公司已被施
耐德电气公司收购）开发设计的一种工业数据总线，适用于建立工业实时控制局域网。典型的应用包括过程控制、数据监测、程序上传/下载、远程编程、连接操作员接口及主计算机数据采集。

　　Modbus plus总线协议是一种异步半双工通讯的对等网络协议，遵循IEEE802.4局域网标准，物理接口是RS485，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤，最大节点数64个，通讯速率1Mbps。

　　作为一个判定性高速令牌循环式现场总线，Modbus plus总线网络以1Mbps的速率进行通讯，可以快速存取过程数据，它的实力表现在它的控制实时控制装置如I/O装置的能力，不会由于加载或通讯量的原因而性能有所下降。由于Modbus plus综合高速、对等通讯和易于安装等特点，使得计算机、可编程逻辑控制器（PLC）和其它数据源，通过使用低成本的双绞线电缆或光纤电缆在整个网络上作为同位体进行通信。

2. INTTERBUS总线
　　INTERBUS现场总线由德国Phoenix Contact 公司开发，INTERBUS Club俱乐部支持。INTERBUS在全球有1000多家总线设备生产商，提供2500多种产品，到目前为止，INTERBUS在全球自动化领域已有50多万套应用系统得到广泛应用。

　　INTERBUS现场总线是一种开放的串行总线，可以构成各种拓扑形式，并允许有16级嵌套连接方式。该总线最多可挂512个现场设备，设备之间的最大距离400米，无需中继器网络的最大距离为12.8公里。INTERBUS总线包括远程总线和本地总线，远程总线用于远距离传送数据，采用RS-485传输，网络本身不供电，通信速率为500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己独特的环路结构，环路使用标准电缆同时传送数据和电源。环路可以连接模拟、数字设备甚至复杂的传感器/执行器，也允许直接接入智能终端仪表。 
INTERBUS总线有很强的监视诊断功能，总线监控功能监视整个网络系统的运行状态，同时也提供总线网络的变结构功能，能及时根据设计要求，关断和连接总线的某个子总线段。监控功能是现场安装、调试、诊断和维护的有力工具。具体功能是识别和确定安装错误和部件错误，现场总线模块具有输入/输出的状态显示，在调试时可设置输出状态，以及可以保存某些智能设备的参数。 
3. Modbus总线
　　Modbus 现场总线协议是由美国Modicon Inc.（该公司已被施耐德电气公司收购）于20世纪70年代提出的一种通讯协议，它是一种完全开放的协议，目前国际上有无数自动化和仪表厂商采用该种协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

　　Modbus总线协议采用主站查询从站的方式，物理接口可以是RS232、RS485、RS422、RJ45，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤，采用RS232接口用
双绞线作介质时不带中继器的最大距离为15m，最大节点数247个，通讯速率19.2Kbps。

4. 基于Modbus plus总线、INTTERBUS及MODBUS现场总线的控制系统设计
我公司2004年安装一条3.6万啤酒灌装生产线，除酒机、标机、纸箱机为进口设备外，其它机台包括输送带全为国产设备，国产机台控制系统采用INTTERBUS及MODBUS现场总线技术，而且将整条生产线所有机台的PLC也联结成MB+网, 整条生产线以后还能扩展上位机。
4.1. 网络构成
　　整个控制系统是一个双层网络，上层采用MB+网作为数据采集及信息管
理层，用于与现场设备的快速、循环的数据交换，可挂32个节点；下层采用INTERBUS网，串接Momentum分布式I/O模块。系统结构如图1

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4.2. 系统各部分功能
　　在整线共设有7个PLC现场控制站，分别是卸箱机现场站、输箱系统现场站、装箱机现场站、洗瓶机现场站、输瓶系统现场站、杀菌机现场站、CIP现场站。作为控制的核心，现场控制站负责完成数据的采集和控制指令的发送，现场控制站由施耐德Momentum模块化PLC组成，其通信适配器和处理器适配器只需插到I/O基板上就能按功能模件工作，I/O基板安装在DIN导轨上，用INTERBUS通讯电缆将所有I/O模块连接起来。现场控制站的主要硬件有：CPU（171CCS76000），MB+选项适配器（172PNN21022）、INTERBUS-S通讯适配器（170INT11000）、分布式I/O模块（170ADI35000、170ADO35000、170AAI52040、170AAO92100）。

　　在主控室设有18个远程I/O节点，由Momentum的一个MB+通信适配器（170PNT11020）和一个I/O模块（输入模块170ADI35000或输出模块170ADO35000）组成，负责完成主控室有关数据的采集和输出。

　　中间信息处理部分采用施耐德Quantum硬双机热备系统，正常时主机执行相应程序，转换现场控制站与主控室远程I/O节点之间的数据，当主机电源、CPU、NOM、CRP失效时，在50ms之内，自动切换到备机工作。其硬件组成如下：

　　电源模块（140CPS11100）为机架上的模块提供总线电流和工作电压。

　　CPU（140CPU11302）含有Modbus及MB+两个通讯端口。

　　MB+通讯模块（140NOM21100）为Quantum系统提供扩展通讯能力。

　　同步模块（140CHS21000）含有两个光纤通讯端口（发送和接收）。

　　远程I/O处理模块（140CRP93100）采用同轴电缆网络互相连接。

　　通讯网络采用开放的MB+网，用MB+站分支电缆（9针D型节点电缆）、MB+分支器（干缆分支器）、MB+网线电缆将所有MB+通讯模块连接起来，主网上可连接32个节点，通过MB+通讯模块（140NOM21100）还可扩展32个节点。

　　每个现场控制站都配有一个触摸屏作为操作员站，触摸屏与Moment CPU自带的MODBUS口相连，用来监控各机台的情况，采用组态软件，通过图表、图形、动画等直观方式，对各机台的状态进行查询和监控。
以后可在主控室扩展上位机，作为MB+的一个节点，用来监控整条生产线的情况，采用组态软件，通过图表、图形、动画等直观方式，对生产线上各台设备状态进行查询和监控。

4.3. 控制程序设计
　　本设计中采用Concept编程软件，它是一款国际获奖的软件，它支持多种语言编程，包括梯形图、语句表、功能块、顺序图等。它使用对所有编辑器通用的标准菜单如File、Windows和Help，所有Windows标准，如打印机安装打印命令，可无任何修改地使用，菜单命令简化到相关功能唾手可得的状态。Concept的一个最大的优点在于它可以很方便地在线监控程序的运行，并且在不中断生产的情况下修改程序，最大限度地保证了生产的正常运行。Concept提供了大量的标准控制功能块，编程人员可从在线帮助手册了解功能块的应用范围，还可利用这些块制作出新的功能块，并且相互间可以调用。

　　为使系统形成一个有机的整体，实现通讯功能，需要对硬件进行组态。　　首先，通过拔动每个通讯模块的两个拔动开关为每一节点设置唯一的MB+网络地址；然后在Concept软件中为各现场控制站及双机热备系统建立一个项目，在主菜单Project的菜单命令PLC type中为项目选定相应的CPU型号，在主菜单Configuration的菜单命令I/O map中为项目输入相应的输入输出模块参数。

　　网络节点之间数据交换的方式和数据交换量的设定是由Concept软件的PLC Configuration菜单下的Peer Cop功能菜单完成的。Modbus plus总线的Peer cop数据传送方式允许在局域网上节点之间全局地或直接地进行寄存器数据传送，在区域Go To选择局部总线节点（0=CPU，1=槽号X，2=槽号Y），通过输入其它总线节点地址以及通过设置传输数据的源地址和目标地址就可接收和发送全局信息或直接信息。

　　现场控制站的控制程序为啤酒灌装各设备的标准功能，用Concept软件的几种编程语言都能编写。

5. 结论
　　该系统自2004年7月投入使用，现运行稳定可靠，由于采用现场总线技术，使用系统设计、安装、维护的工作量都大为减少，节约了大量电缆，而且由于整条生产线采用了现场总线联网，使我公司在应用先进技术方面迈上了一个新的台阶，该项目达到了国内领先水平，产生了较大的社会效益，以后扩展整线上位机后，更能实现企业测、控、管一体化。

参考文献
1. Modicon Modbus plus Network Planning and Installation Guide
2. Modicon Modbus plusBridge/Multiplexer User's Guide
3. Modicon TSX Quantum硬件手册
4. [ZK（）Modicon Modbus plus Network I/O Servicing Guide