摘 要：論述了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的浮法玻璃生產(chǎn)線的PLC雙冗余控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組態(tài)以及軟件實(shí)現(xiàn)情況。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS；浮法玻璃；現(xiàn)場(chǎng)總線

APPLICATION OF PROFIBUS-DP FIELD BUS TO FLOAT GLASS LINE

Ji Chun—ming，Jia Zhong—yin
Abstract ：The PLC double redundant control systern structure ，hardware configuration and soft— ware running status were described on the basis of PROFIBUS-DP field bus on float glass line
Keywords ： PROFIBU S-DP ； float glass ；
1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線介紹
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，工控領(lǐng)域也不斷產(chǎn)生先進(jìn)的控制模式，現(xiàn)場(chǎng)總線（FIELD BUS）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。所以，在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備PROFIBUS—DP‘（Decentralized Periphery）、報(bào)文規(guī)范PROFIBUS-FMS （Fieldbus message Pe—riphery）、過程自動(dòng)化PR0FIBUS—PA （ProcessAutomation）組成了PROFIBUS系列。
　　其中，PROFIBUS-DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC，PC），通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I／O，驅(qū)動(dòng)器，閥門等）進(jìn)行通信。PROFIBUS—DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)，主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS—DP還提供了智能化設(shè)備所需要的非周期性通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。
　　根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 7498標(biāo)準(zhǔn)，PROFI—BUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能。
2 浮法玻璃控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題的提出
　　上世紀(jì)7O年代初，洛陽玻璃廠率先使用浮法技術(shù)建成了我國第一條浮法玻璃生產(chǎn)線。浮法玻璃生產(chǎn)工藝是將原料在熔窯中高溫熔成玻璃液經(jīng)流道進(jìn)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(jīng)過渡輥臺(tái)進(jìn)入退火窯，并在退火窯內(nèi)實(shí)現(xiàn)退火冷卻，最后進(jìn)入冷端切割、裝箱。浮法玻璃生產(chǎn)線主要由熔窯、錫槽、退火窯及冷端設(shè)備組成。而由熔窯、錫槽及退火窯三大熱工設(shè)備組成的熱端生產(chǎn)系統(tǒng)，是一個(gè)多變量（如流量、溫度、壓力、速度、開關(guān)量等）、多任務(wù)（如玻璃熔窯溫度控制，助燃風(fēng)與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質(zhì)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(hù)氣體流量、壓力、罩內(nèi)、槽內(nèi)壓力檢測(cè)及控制，錫槽空間溫度檢測(cè)及控制，錫槽各對(duì)拉邊機(jī)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(shè)備（如電機(jī)、閥門、調(diào)功器、閘板等）并具有時(shí)變性、耦合性和隨機(jī)性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。國內(nèi)浮法玻璃生產(chǎn)線在9O年代后多采用DCS集散系統(tǒng)控制，取代原來的常規(guī)儀表和手動(dòng)操作，在實(shí)現(xiàn)玻璃生產(chǎn)的分散自動(dòng)控制和集中管理方面，取得了一定的進(jìn)展。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷， 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的交互和共享，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對(duì)一物理連線和模擬信號(hào)傳輸導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來很大麻煩，同時(shí)信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)線的上述問題逐步得到了解決。
3 浮法玻璃生產(chǎn)線控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　現(xiàn)對(duì)某浮法玻璃生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行一下介紹。該系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并帶有冗余技術(shù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)，對(duì)浮法玻璃生產(chǎn)進(jìn)行過程控制與信息管理。控制系統(tǒng)采用綜合模糊控制方式，實(shí)現(xiàn)熔化、錫槽、退火浮法玻璃三大熱工設(shè)備的過程控制與信息管理，圖1是三大熱工設(shè)備控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，涉及的操作點(diǎn)、控制點(diǎn)比較多，如果選用傳統(tǒng)的控制方式電纜數(shù)量將非常的多，很不經(jīng)濟(jì)，而且維護(hù)和調(diào)試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監(jiān)控的PLC分布式控制系統(tǒng)，選用了現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)、控制柜以及主控臺(tái)之間的復(fù)雜控制。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)為上位機(jī)操作站，下位機(jī)控制主站及控制從站，上位機(jī)采用IBM 工控機(jī)和西門子WINCC監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)工藝流程顯示。為了提高系統(tǒng)的可靠性，下位機(jī)主站采用雙冗余的西門子S7—400系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，選用功能強(qiáng)大的CPU414—2DP作為PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)主站，3套具有硬件冗余的ET200M作為從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IM153—2接口模塊和若干個(gè)I／O模塊。ET2OOM 通過PROFIBUS專用電纜和S7—400進(jìn)行通訊，上位機(jī)與下位機(jī)通過以太網(wǎng)通訊，我們使用一對(duì)CP通訊卡（CP443—1），完成數(shù)據(jù)的采集和相互傳送。

通過圖1，我們可以看到，冗余系統(tǒng)由兩套PLC控制系統(tǒng)組成。正常工作時(shí)，A （MASTERPROFIBUS）系統(tǒng)為主，B （RESERVE PROFIBUS）系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A 中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)行過程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。
4 硬件組態(tài)
　　控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)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(tài)在HARDWARE對(duì)話框中完成主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（REsERVE PROFIBUS）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI或者PR0FIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。應(yīng)注意硬件組態(tài)中的各站地址不能重復(fù)。表1為系統(tǒng)元件的PROFIBUS硬件組態(tài)表。表2為S7- 400與上位機(jī)以太網(wǎng)通訊的硬件組態(tài)表。



5 軟件編程
　　該系統(tǒng)同時(shí)使用熔窯、錫槽和退火三套遠(yuǎn)程從站，程序比較復(fù)雜，三套工作站原理各不相同，在編程時(shí)我們采用了模塊化編程，多重調(diào)用的方式，使得程序結(jié)構(gòu)簡單，可讀性強(qiáng)。在熔窯控制系統(tǒng)軟件中包含的子程序有，玻璃熔窯溫度控制，助燃風(fēng)與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質(zhì)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(tǒng)軟件中的包含子程序有，保護(hù)氣體流量、壓力、罩內(nèi)、槽內(nèi)壓力檢測(cè)及控制，可控硅電加熱器控制，錫槽各對(duì)拉邊機(jī)間的控制。在退火窯控制系統(tǒng)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(cè)及控制，退火窯輥道速度控制。三大熱工設(shè)備控制回路多我們只對(duì)一套中的每個(gè)過程編寫FB塊，如果同一個(gè)過程的FB調(diào)用不同的背景數(shù)據(jù)塊，這樣就減少了程序的編寫量。在程序設(shè)計(jì)中根據(jù)助燃風(fēng)與燃料燃燒控制要求利用STEP7中的PID模塊對(duì)于助燃風(fēng)機(jī)的變頻器和換向閘板進(jìn)行控制，根據(jù)冗余要求PID控制應(yīng)放在定時(shí)中斷組織塊OB35中，一般情況下非冗余的程序放在主循環(huán)程序塊OB1中，把冗余的程序都放到了OB35中，并對(duì)其中的OB35、OBIO0（啟動(dòng)調(diào)用程序塊）、OB86 （主從站通訊出錯(cuò)調(diào)用該塊）進(jìn)行編程。
6 結(jié)束語
　　本系統(tǒng)通過使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，減少了大量布線。現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試的工作量大為降低，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)，并通過鑒定。鑒定專家認(rèn)為：使用該系統(tǒng)，能使生產(chǎn)過程易于自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)穩(wěn)定，降低能耗，保證生產(chǎn)過程工藝的要求，同時(shí)減少運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)和設(shè)備維修工作量少，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率，從而達(dá)到預(yù)期的效果。由于PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其必將在浮法玻璃控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
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