Profibus现场总线技术在啤酒生产中的应用

Profibus现场总线技术在啤酒生产中的应用周晓望（英博双鹿啤酒集团浙江温州325014）[摘要]计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步。它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于PLC及DCS控制技术系统发展的必然归宿。采用PROFIBUS现场总线技术可以有效地解决现有采用PLC系统生产线存在的问题，给企业带来巨大的利益。[关键词]现场总线技术；Profibus；GSD；PLC计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步，特别是进十年来兴起的现场总线技术（Fieldbus）是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，是传统的基于PLC及DCS控制技术系统发展的必然归宿。现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准，自主开发具有其特点及专有技术的产品。依照现场总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。我公司为啤酒生产企业，有三条南京轻机的生产线和一条进口KRONES啤酒灌装生产线。2条南京轻机线自控系统采用三菱PLC系统，一条40000B/H南京轻机线采用S7PLC系统；而进口KRONES生产线大部分设备采用SIMENSS5系统，有2台设备（验瓶机、纸箱装箱机）采用PROFIBUS现场总线系统。经过多年的生产应用，采用PLC系统的设备经常性出现PLC、电器线路故障，并且太多的线路使得维修难度大大增加，随着使用年限的增加，电器问题越来越突出，对生产效率造成了巨大的影响，并直接导致能源（气、电、水等）成本的增加。采用PROFIBUS现场总线技术可以有效地解决现有采用PLC系统的生产线存在的问题，给企业带来巨大的利益。1、PROFIBUS概况PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。PROFIBUS是由西门子公司等13家工业企业和5家科研机构在德国联邦研究部的资助下，于1987年开始联合开发的生产过程现场总线标准规范。现在，PROFIBUS现场总线已成为国际现场总线标准IEC61158的一个组成部分。PROFIBUS标准产品在欧洲现场总线产品市场占有率第一，超过40%。在国内PROFIBUS组织机构是CPO，成立于1997.7.3。目前，国内至少有50家企业运用PROFIBUS-DP成功地实现了从食品、机械、楼宇、烟草、钢铁、电站直至环保工程的自动化，为企业赢得了效益。2、PROFIBUS总线技术概要①Profibus由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，并有本征安全技术规范。PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。②PROFIBUS协议结构是根据IS07498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-SIO）作为参考模型。PROFIBUS-DP、FMS、PA定义了第12、7层和用户接口。第3到6层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，定义了现场设备行为的行规。③PROFIBUS提供了4种数据传输类型：用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IEC1158-2传输及光纤、红外传输。④设备类型2类主站（DPM2）指可进行编程、组态、诊断的设备。1类主站（DPM1）是可编程序控制器，如PLC、PC等。从站是指带开关量或模拟量的现场设备，如驱动器、阀门等。⑤电子设备数据文件（GSD）:为了将不同厂家生产的Profibus产品集成在一起，厂家必须提供GSD文件（电子设备数据库文件），描述产品的功能参数。PROFIBUS组态工具可根据将厂商提供的GSD文件将其设备集成在同一总线系统中。3、基于现场总线（Profibus）的控制系统的结构及组成采用现场总线（Profibus）的控制系统的结构：从图中可以看出，采用现场总线（Profibus）的控制系统可以分成现场控制层和监控层。①现场控制层：由现场智能设备、现场智能仪表、远程I/O和网络设备构成。现场控制涉及Profibus协议PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两个部分。PROFIBUS-DP是高速网络，通讯率达到12M。它可以连接PLC、远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面、阀门定位器、变频器等只能设备，一条PROFIBUS-DP总线可以连接123个从站。它的拓扑结构可以是总线型、星形和树形，介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输。PROFIBUS-PA是低速现场级网络。支持点对点连接、总线型、混合型、树型拓扑结构。PC工作站显示操作站人机界面PLCPLC流量变送器变频器现场PLC阀岛液位传感器现场PLCPLCPLC现场PLC阀门定位器人机界面气动薄膜阀现场PLC光电开关监控层现场控制层它主要用于连接现场智能仪表，如压力、温度、液位、流量等变送器及其执行机构。可以采用屏蔽双绞线，也可采用非屏蔽双绞线，可通过总线供电。②监控层：由高速工业以太网以及连接在总线上的担任监控任务的工作站或显示操作站、PLC/DCS控制器组成。监控层还可以与工厂管理系统进行连接，公司和集团领导可以实时监控现场设备，实现真正意义上的信息化。4、PROFIBUS现场总线技术的优点PROFIBUS现场总线技术是具有国际性的领先和开放的现场总线标准，它给用户带来的好处是很多的，利益是巨大的。PROFIBUS现场总线系统有以下优点：①开放性：PROFIBUS是一个完全开放的、与制造商无关的、无知识产权保护的现场总线标准，全球有250家公司生产超过2000种支持PROFIBUS的系统和设备。PROFIBUS的开放性保证了不同制造厂商的产品的互连。②可靠性：PROFIBUS总线上的数据传输是完全基于数字信号实现的，可以大幅提高信号的抗干扰能力；直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点；减少A/D转换的环节；支持冗余总线系统。③灵活扩展：采用PROFIBUS总线结构的控制系统，扩展方便灵活。④实时性：PROFIBUS总线系统的数据传输速率高，PROFIBUS-DP总线的传输率可达12M，是目前通讯率最高的现场总线。5、PROFIBUS在啤酒生产应用中比传统技术的优越性①节省线路及硬件，简化安装环节：当今的大型啤酒包装线，从管理、防护、参观等角度出发，都把电器控制柜集中在一个抽湿恒温的中央控制室内，以保证电器元件的使用寿命。但这样以来，动力、信号、控制线路又必然增长，故障点增多，安装和维护的工作量大，影响设备的正常运行。现场总线技术的应用很好地解决了这个问题，它将数量庞大的信号、控制线由一根总线包办，由此节省了大量线材和安装工人。以KRONES包装车间（36,000瓶/时）为例：从中央控制室到现场设备的控制台，经桥架走向平均为100米的长度。一条生产线拥有设备13台（套）以上，以每台（套）设备有80条信号、控制、备用线计算，将出现1,040条信号电线。折成标准的24芯控制电缆，即有44条、共4,400米的控制电缆需设置，此外还有众多的动力电缆，可想而知这是一笔费用庞大的耗资。应用现场总线技术，这4,400条的24芯控制电缆只需由一条100米长的双绞线屏蔽电缆取代，同时也使电缆桥架的尺寸大为减小，这充分体现出现场总线技术省线、省时、省人工的优越性。现场总线技术还可以减少硬件组成，如：I/O模块、终端块和隔离栅等，实现快捷、容易、低成本的安装。同时由于只需用一套工具对所有的设备进行组态，保养和维修变得容易，系统的启动也更加容易、快捷。并且保养和维修也变得容易。②生产应用极为便利：众所周知，36,000瓶/时生产线的各设备信号连锁、数据交换繁多，现场经常会根据实际生产情况（如更换瓶型、技术改造、增加系统功能等）临时增减检测元件、控制按钮等。这样一来在生产线设计时，设计师需要为PLC预留20%的输入输出备用端口。由于实际情况难于预料，标准配置与现场实际又有差异，在生产应用中这20%的预留备用输入输出端口有可能闲置或数量不够。现场总线技术将很方便地在现场增减系统功能，而不受PLC备用输入输出端口的限制。③具有极大的制造灵活性：现场总线技术可准确无误、快速可靠地诊断数据，同时可靠地传输数据，带给系统极大的灵活性。④传输距离远：PROFIBUS具有五种有效的传输技术，并且可以混合使用，构成灵活的网络结构。目前，国内各行业竞争激烈。企业逐步认识到只有不断引人新技术才能使企业得到持续稳定地发展。企业有追求新技术、改造现有系统的需求。现场总线技术是未来自动化技术发展主流，基于Profibus现场总线的控制系统以其明显的技术优势，在分布式控制系统市场中将逐步替代PLC产品。现场总线技术以其标准化、开放性使参与其中的企业收益。Profibus现场总线技术在国外的整条啤酒生产线应用已越来越广泛，而在国内在啤酒行业中的应用则刚刚起步。大胆应用Profibus现场总线系统武装我们的啤酒生产线，将使企业的综合指数在行业中领先，在经济市场中具备强大的竞争力。参考文献1．侯维岩，费敏锐.《Profibus协议分析和系统应用》.北京：清华大学出版社，20062．孙鹤徐，梁涛，云利军.《Profibus现场总线控制系统的设计与开发》。北京：国防工业出版社，20073．周鸣，曲凌.《Profibus总线技术及其应用》.煤炭工程，2006我的联系方式：浙江省温州市瓯海区梧田龙霞路玲珑小区8幢502邮箱：[e-mail]手机：[phone]电话：[phone]