采用INTTERBUS及MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在啤酒灌裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

引言

目前國內(nèi)啤酒灌裝生產(chǎn)線不管是引進(jìn)生產(chǎn)線，還是國產(chǎn)生產(chǎn)線，單機(jī)采用現(xiàn)場總線技術(shù)已比較普遍，但還未有整條生產(chǎn)線采用現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的數(shù)字化、雙向傳輸和多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式；可以通過其診斷功能，獲取設(shè)備上的大量數(shù)據(jù)，及時(shí)判斷故障點(diǎn)所在，以降低故障發(fā)生時(shí)間；可以遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息集成，要實(shí)施綜合自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間、以及自動(dòng)化與外界的信息交換，就必須采用現(xiàn)場總線。與傳統(tǒng)的設(shè)備間一對一的接線方式相比，現(xiàn)場總線可以節(jié)省大量電纜、槽架及相應(yīng)的接口設(shè)備，同時(shí)，由于所有的連線都變得簡單明了，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量也隨之大大減少，以后還可與ERP系統(tǒng)方便地連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)測、控、管一體化。

1. Modbus plus總線

Modbus plus（即MB+）總線協(xié)議是由美國Modicon Inc.（該公司已被施耐德電氣公司收購）開發(fā)設(shè)計(jì)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，適用于建立工業(yè)實(shí)時(shí)控制局域網(wǎng)。典型的應(yīng)用包括過程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、程序上傳/下載、遠(yuǎn)程編程、連接操作員接口及主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。

Modbus plus總線協(xié)議是一種異步半雙工通訊的對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，遵循IEEE802.4局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，物理接口是RS485，通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)64個(gè)，通訊速率1Mbps。

作為一個(gè)判定性高速令牌循環(huán)式現(xiàn)場總線，Modbus plus總線網(wǎng)絡(luò)以1Mbps的速率進(jìn)行通訊，可以快速存取過程數(shù)據(jù)，它的實(shí)力表現(xiàn)在它的控制實(shí)時(shí)控制裝置如I/O裝置的能力，不會(huì)由于加載或通訊量的原因而性能有所下降。由于Modbus plus綜合高速、對等通訊和易于安裝等特點(diǎn)，使得計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）和其它數(shù)據(jù)源，通過使用低成本的雙絞線電纜或光纖電纜在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上作為同位體進(jìn)行通信。

2. INTTERBUS總線

INTERBUS現(xiàn)場總線由德國Phoenix Contact 公司開發(fā)，INTERBUS Club俱樂部支持。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商，提供2500多種產(chǎn)品，到目前為止，INTERBUS在全球自動(dòng)化領(lǐng)域已有50多萬套應(yīng)用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

INTERBUS現(xiàn)場總線是一種開放的串行總線，可以構(gòu)成各種拓?fù)湫问?，并允許有16級(jí)嵌套連接方式。該總線最多可掛512個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，設(shè)備之間的最大距離400米，無需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線和本地總線，遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己獨(dú)特的環(huán)路結(jié)構(gòu)，環(huán)路使用標(biāo)準(zhǔn)電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設(shè)備甚至復(fù)雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。

INTERBUS總線有很強(qiáng)的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也提供總線網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)功能，能及時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷和連接總線的某個(gè)子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場安裝、調(diào)試、診斷和維護(hù)的有力工具。具體功能是識(shí)別和確定安裝錯(cuò)誤和部件錯(cuò)誤，現(xiàn)場總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時(shí)可設(shè)置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設(shè)備的參數(shù)。

3. Modbus總線

Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議是由美國Modicon Inc.（該公司已被施耐德電氣公司收購）于20世紀(jì)70年代提出的一種通訊協(xié)議，它是一種完全開放的協(xié)議，目前國際上有無數(shù)自動(dòng)化和儀表廠商采用該種協(xié)議。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

Modbus總線協(xié)議采用主站查詢從站的方式，物理接口可以是RS232、RS485、RS422、RJ45，通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖，采用RS232接口用雙絞線作介質(zhì)時(shí)不帶中繼器的最大距離為15m，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)247個(gè)，通訊速率19.2Kbps。

4. 基于Modbus plus總線、INTTERBUS及MODBUS現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我公司2004年安裝一條3.6萬啤酒灌裝生產(chǎn)線，除酒機(jī)、標(biāo)機(jī)、紙箱機(jī)為進(jìn)口設(shè)備外，其它機(jī)臺(tái)包括輸送帶全為國產(chǎn)設(shè)備，國產(chǎn)機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)采用INTTERBUS及MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，而且將整條生產(chǎn)線所有機(jī)臺(tái)的PLC也聯(lián)結(jié)成MB+網(wǎng)， 整條生產(chǎn)線以后還能擴(kuò)展上位機(jī)。

4.1. 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙層網(wǎng)絡(luò)，上層采用MB+網(wǎng)作為數(shù)據(jù)采集及信息管理層，用于與現(xiàn)場設(shè)備的快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，可掛32個(gè)節(jié)點(diǎn)；下層采用INTERBUS網(wǎng)，串接Momentum分布式I/O模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1

4.2. 系統(tǒng)各部分功能

在整線共設(shè)有7個(gè)PLC現(xiàn)場控制站，分別是卸箱機(jī)現(xiàn)場站、輸箱系統(tǒng)現(xiàn)場站、裝箱機(jī)現(xiàn)場站、洗瓶機(jī)現(xiàn)場站、輸瓶系統(tǒng)現(xiàn)場站、殺菌機(jī)現(xiàn)場站、CIP現(xiàn)場站。作為控制的核心，現(xiàn)場控制站負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集和控制指令的發(fā)送，現(xiàn)場控制站由施耐德Momentum模塊化PLC組成，其通信適配器和處理器適配器只需插到I/O基板上就能按功能模件工作，I/O基板安裝在DIN導(dǎo)軌上，用INTERBUS通訊電纜將所有I/O模塊連接起來?，F(xiàn)場控制站的主要硬件有：CPU（171CCS76000），MB+選項(xiàng)適配器（172PNN21022）、INTERBUS-S通訊適配器（170INT11000）、分布式I/O模塊（170ADI35000、170ADO35000、170AAI52040、170AAO92100）。

在主控室設(shè)有18個(gè)遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)，由Momentum的一個(gè)MB+通信適配器（170PNT11020）和一個(gè)I/O模塊（輸入模塊170ADI35000或輸出模塊170ADO35000）組成，負(fù)責(zé)完成主控室有關(guān)數(shù)據(jù)的采集和輸出。

中間信息處理部分采用施耐德Quantum硬雙機(jī)熱備系統(tǒng)，正常時(shí)主機(jī)執(zhí)行相應(yīng)程序，轉(zhuǎn)換現(xiàn)場控制站與主控室遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，當(dāng)主機(jī)電源、CPU、NOM、CRP失效時(shí)，在50ms之內(nèi)，自動(dòng)切換到備機(jī)工作。其硬件組成如下：

電源模塊（140CPS11100）為機(jī)架上的模塊提供總線電流和工作電壓。

CPU（140CPU11302）含有Modbus及MB+兩個(gè)通訊端口。

MB+通訊模塊（140NOM21100）為Quantum系統(tǒng)提供擴(kuò)展通訊能力。

同步模塊（140CHS21000）含有兩個(gè)光纖通訊端口（發(fā)送和接收）。

遠(yuǎn)程I/O處理模塊（140CRP93100）采用同軸電纜網(wǎng)絡(luò)互相連接。

通訊網(wǎng)絡(luò)采用開放的MB+網(wǎng)，用MB+站分支電纜（9針D型節(jié)點(diǎn)電纜）、MB+分支器（干纜分支器）、MB+網(wǎng)線電纜將所有MB+通訊模塊連接起來，主網(wǎng)上可連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過MB+通訊模塊（140NOM21100）還可擴(kuò)展32個(gè)節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)現(xiàn)場控制站都配有一個(gè)觸摸屏作為操作員站，觸摸屏與Moment CPU自帶的MODBUS口相連，用來監(jiān)控各機(jī)臺(tái)的情況，采用組態(tài)軟件，通過圖表、圖形、動(dòng)畫等直觀方式，對各機(jī)臺(tái)的狀態(tài)進(jìn)行查詢和監(jiān)控。

以后可在主控室擴(kuò)展上位機(jī)，作為MB+的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用來監(jiān)控整條生產(chǎn)線的情況，采用組態(tài)軟件，通過圖表、圖形、動(dòng)畫等直觀方式，對生產(chǎn)線上各臺(tái)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行查詢和監(jiān)控。

4.3. 控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用Concept編程軟件，它是一款國際獲獎(jiǎng)的軟件，它支持多種語言編程，包括梯形圖、語句表、功能塊、順序圖等。它使用對所有編輯器通用的標(biāo)準(zhǔn)菜單如File、Windows和Help，所有Windows標(biāo)準(zhǔn)，如打印機(jī)安裝打印命令，可無任何修改地使用，菜單命令簡化到相關(guān)功能唾手可得的狀態(tài)。Concept的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它可以很方便地在線監(jiān)控程序的運(yùn)行，并且在不中斷生產(chǎn)的情況下修改程序，最大限度地保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。Concept提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)控制功能塊，編程人員可從在線幫助手冊了解功能塊的應(yīng)用范圍，還可利用這些塊制作出新的功能塊，并且相互間可以調(diào)用。

為使系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)通訊功能，需要對硬件進(jìn)行組態(tài)。首先，通過拔動(dòng)每個(gè)通訊模塊的兩個(gè)拔動(dòng)開關(guān)為每一節(jié)點(diǎn)設(shè)置唯一的MB+網(wǎng)絡(luò)地址；然后在Concept軟件中為各現(xiàn)場控制站及雙機(jī)熱備系統(tǒng)建立一個(gè)項(xiàng)目，在主菜單Project的菜單命令PLC type中為項(xiàng)目選定相應(yīng)的CPU型號(hào)，在主菜單Configuration的菜單命令I(lǐng)/O map中為項(xiàng)目輸入相應(yīng)的輸入輸出模塊參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換的方式和數(shù)據(jù)交換量的設(shè)定是由Concept軟件的PLC Configuration菜單下的Peer Cop功能菜單完成的。Modbus plus總線的Peer cop數(shù)據(jù)傳送方式允許在局域網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)之間全局地或直接地進(jìn)行寄存器數(shù)據(jù)傳送，在區(qū)域Go To選擇局部總線節(jié)點(diǎn)（0=CPU，1=槽號(hào)X，2=槽號(hào)Y），通過輸入其它總線節(jié)點(diǎn)地址以及通過設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)的源地址和目標(biāo)地址就可接收和發(fā)送全局信息或直接信息。

現(xiàn)場控制站的控制程序?yàn)槠【乒嘌b各設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)功能，用Concept軟件的幾種編程語言都能編寫。

5. 結(jié)論

該系統(tǒng)自2004年7月投入使用，現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，由于采用現(xiàn)場總線技術(shù)，使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量都大為減少，節(jié)約了大量電纜，而且由于整條生產(chǎn)線采用了現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)，使我公司在應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)方面邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，該項(xiàng)目達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益，以后擴(kuò)展整線上位機(jī)后，更能實(shí)現(xiàn)企業(yè)測、控、管一體化。

責(zé)任編輯：gt