摘 要：介绍了基于PROFIBUS 现场总线结合工业以太网构建现代三层管控一体化网络控制系统。以烟草行业中的料香配送生产线为应用背景，具体分析了控制系统的组成结构以及监控方案。
关键词：PROFIBUS，现场总线控制系统，工业以太网
前言
在烟草行业中，卷烟的质量及品质主要由不同品质烟叶掺兑比例及所施加的料液及表香来决定。其中料香生产中的高精度配制、高效安全的生产过程以及信息化的监控、调度管理至关重要。采用PROFIBUS FCS（Fieldbus Control System 现场总线控制系统）结合工业以太网连接的可编程逻辑控制器以及运行于工业控制计算机之上的组态软件构建三层管控一体化网络做为料香配送生产线的控制系统，是现代烟草行业先进控制方式的趋势和方向。基于以上方式的系统已经在国内某大型烟草企业投入使用，取得良好效果。
1 料香配送系统工艺结构
料香配送系统工艺结构如图1所示。由图可见，料香配送系统由两大部分组成：配料系统和储存系统。配料系统接收厂级网调度系统发给的当天配料液（后简称料）、表香（后简称香）的牌号和产量，操作人员启动控制系统进行自动生产，并将配制好的料香送至储存区。储存系统接收来自配料系统的信号安装配方号储存配制好的料香，每送完一次清洗一次管路。同时接收制丝线加料、加香（总称加料）系统的命令完成输送料香、回收余料和清洗管路等动作。储存区的公共系统提供整个配送系统所需的压缩空气、工艺热水和用于香料生产的溶剂。考虑到生产的保密性，配料区和储存区建筑上隔离，通过工艺管路连接。储存区按可以无人职守设计，储存系统的总电源可以由配料区和制丝线远程开启。
2 基于FCS和工业以太网的控制系统结构
2.1 FCS简介
FCS是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统。它的出现对现有的自动化仪表、集散控制系统（DCS）和可编程控制器（PLC）在体系和结构功能上产生了重大的变革。具有高度开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、现场环境的适应性等特点。使用基于FCS的管控系统可以节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与可靠性。
图1 料香配送系统工艺结构
FCS从网络概念上说，还是一个低带宽的底层控制网络。它可与因特网（Internet）、企业内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而又称之为底层网Infranet。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议。由于现场总线肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务，它要求信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送，传输速率一般在几kbps至十几Mbps之间。本系统采用的PROFIBUS FCS即是其中一种，目前已在国内外工业自动化控制等领域广泛使用。
2.2 PROFIBUS 现场总线介绍
PROFIBUS现场总线技术是德国国家科学技术部于1986年牵头组织开发，1990年完成国家工业现场总线协议标准——PROFIBUS现场总线标准的制定。根据应用特点分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备分散I/O之间通信设计，用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbps，一般构成单主站系统;PROFIBUS-FMS主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，用于传感器和执行器、可编程逻辑控制器、低压开关设备等一般自动化控制;PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的场合及有总线供电的站点。FMS和DP一般可混合使用。
PROFIBUS提供以下三种数据传输类型：DP和FMS的RS485传输、PA的IEC1158-2传输和光纤（FO）。
2.3 基于PROFIBUS的管控系统网络层次结构
一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层），基于PROFIBUS的管控系统网络层次结构如图2所示。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。
图2 工业以太网层次结构
3 料香配送控制系统结构
根据系统的工艺布置及控制要求，配料系统有400个开关量输入点，180个开关量输出点，50多个模拟量输入点。储存系统有330个开关量输入点，150个开关量输出点，30多个模拟量输入点。考虑到控制系统复杂的控制过程，模拟量和开关量的I/O点数多，分布地点比较分散，处理的数据量大，同时为了系统能可靠的运行，实现数据采集监控和联网功能，基于现场总线技术的控制系统网络结构如下图3。
整个系统采用三层结构即信息管理层、工业 Ethernet网络层和PROFIBUS控制层。三级网络分别负担各自的信息传递任务。监控服务器、监控客户机和PLC接入Industrial Ethernet网;监控服务器同时要接入工业Ethernet网。监控服务器需插Industrial Ethernet和Ethernet双网卡，担当Industrial Ethernet和Ethernet之间的网关。
控制系统可以整线工作，又能局部段连接工作，也能各段相对独立工作，非常灵活。根据系统的要求监控站和服务器由工控机组成（如果监控站环境较好，普通计算机就可以），操作系统分别为Windows2000 pro和Windows2000 Server。控制器采用几套SIEMENS S7-400控制器和相应通讯处理器CP。服务器作为数据采集及与控制器交换数据，也可以同时对三个系统实施控制，以增强系统的灵活性。服务器对现场检测的所有物理参数（阀、电机、泵、温度、压力、液位、流量）进行数据采集并进行适当处理，以用于计量、计算、控制、报警;并将采集的数据发送到各工作站，将各工作站的控制信号发送到控制器。
由于料香中有些属于易爆型，采用PROFIBUS-PA总线技术，构成本质安全的结构。DP和PA总线段的耦合采用PROFIBUS DP/PA Link - 即智能DP/PA总线链接耦合器，使得在PA总线段速度为45K的情况下 DP总线段的速度（实际运行时为1.5M）不降速。
考虑到输送料、香时要与距离100m外的制丝生产线的加料、香点控制系统进行数据通信，储存系统需在本地总线网络装接中继器，保证与制丝生产线的通信信号可靠。用PROFIBUS DP/DP总线耦合器实现本地DP总线与制丝线DP总线的通讯连接。
图3 料香配送控制系统整体结构
需要注意的是DP总线中继器在网络中呈透明态，不占用站点数，但DP/PA链接耦合器和DP/DP耦合器均以一个DP从站的形式存在。
4 料香配送系统的监控系统
控制系统的监控软件采用Intellution 公司的2.50版的iFIX工业组态软件, 工作平台为Windows 2000系列。iFIX 是一套实现现场数据采集，过程可视化及过程监控功能的高性能的工业自动化软件解决方案。具有一下优点：拥有完备的工业图形库;人机界面具有良好的开放性，支持以太网、PROFIBUS;支持TCP/IP、网络DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等标准通讯协议;Client/Server结构，完整的OPC的客户服务器模式的支持; 内置微软的Visual Basic for Application 作为脚本程序，使用户编程更加灵活，系统功能更为强大。IFIX数据流结构如图4所示。
图4 iFIX数据流结构
考虑到具体应用和监控系统成本，使用iFIX组态软件的有限点服务器版（安装在服务器上）和几套客户版（安装在监控站上）。服务器的操作系统是Windows 2000 Server，用做监控画面的开发，并作为数据服务器运行;客户版用于运行监控画面。监控站和服务器之间采用TCP/IP协议通讯，最高通讯速率10Mbps。
IFIX Server作为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 监视控制和数据获取）节点方式运行，通过iFIX和PLC之间的接口I/O Driver从PLC中读写数据并存入PDB（Process Database过程数据库）。IFIX Client浏览SCADA节点，从SCADA节点获取本地数据或其它授权远程数据。
5 料香配送系统关键通信机制
控制系统中主要有三种典型通信方式：IFIX Server作为SCADA节点与PLC;配料系统PLC与储存区PLC;储存区PLC与制丝线加料香点通过DP总线耦合通信。第一中已在4中做了介绍，以下介绍另外两种通信方式的关键技术。
5.1 PLC之间的通信
由系统整体结构图可以看出，PLC之间的通信是基于工业以太网的网络通信，用CP（Communication Processor 通信处理器）实现。本地CP配置远程CP的基本接口地址和以太网地址（通道上的物理地址），用PLC提供的专门用于CP通信的指令即可实现高速通信。
5.2 储存系统与加料香系统之间的通信
这种通信借助DP/DP耦合器来实现。对通信两侧的任一DP总线侧，DP/DP耦合器具有独立总线地址和输入输出I/O地址，本地的输出区对应于对方的输入区，反之亦然。所以实际使用时只需将本地的输出区和输入区分别与对方的输入区和输出区配置同样的I/O地址空间即可。
6 结束语
现场总线和工业以太网作为当今工业自动控制领域的新技术，在许多行业都得到了成功应用。本文以烟草企业料香配送系统为应用背景，详细介绍了基于PROFIBUS现场总线技术结合工业以太网技术的料香配送控制系统网络层次和组成结构，并分析了监控方式和通信机制。该系统在国内某大型烟草企业投入运行1年来运行效果良好，比起老式DCS控制系统大大降低操作人员和系统维护人员的劳动强度，显著提高经济效益。这种典型管控一体化三层网络控制系统对其它行业的控制系统构建有重要参考价值。
参考文献
[1] 邬宽明. 现场总线应用技术选编1. 北京航空航天大学出版社. 2003.1.
[2] 于浩洋. PROFIBUS现场总线概述. 自动化与仪表. 2002
[3] 阳宗慧主编，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1999
作者简介：
赵波浪（1978.7-），男，汉族，西安交通大学自动控制研究所硕士研究生。研究方向：先进控制系统、智能交通系统。
邱祖廉（1938-），男，汉族，西安交通大学自动控制研究所教授、博士生导师。研究方向：控制理论与控制工程、智能交通系统、大系统控制等。