現(xiàn)場總線技術(shù)在卷煙機中的應用

陳 崗

（甘肅煙草工業(yè)有限責任公司天水卷煙廠，甘肅天水 741020）

0 引言

ZJ17（PROTOS70）卷接機組是德國HAUNI 公司在PROTOS80卷接機組基礎(chǔ)上改進后的產(chǎn)品，由VE70 供絲成條機、SE70 卷煙機和MAX70 接裝機組成，與HCF80 裝盤機聯(lián)接，生產(chǎn)能力為7000 支/min。

1 PROFIBUS、CANBUS 總線技術(shù)在ZJ17 卷接機組電控系統(tǒng)中的應用

應用于ZJ17（PROTOS70）卷煙機上的PROFIBUS DP 與CAN 總線結(jié)合的通信方法，其特征是利用一個可以接受由ProfiBus DP 通過總線，所有的數(shù)據(jù)信息將會被傳遞到當前卷煙機器中，以后再開啟運行模式，以及停機故障等。對于邏輯處理器上的各個輸入以及輸出接口，相應的卡上顯示的油壓開關(guān)、濾棒監(jiān)測以及防護罩位置信息狀態(tài)等，利用水松紙對其進行加熱，提升溫度，通過加熱、濾嘴，煙絲供給裝置等各種設(shè)備機器運行過程中所顯示出來的物理狀態(tài)，對相應信息進行檢測勘察。接下來就是對勘察所得到的各種結(jié)果進行數(shù)據(jù)信息處理，借助科學有效的方式把處理過的信息以其他形式展示出來，并進行組織整合。

1.1 CAN 總線技術(shù)概要

CAN 是控制器局部網(wǎng)絡(luò)英文名稱的縮寫，最初由德國BOSCH 公司提出且推行上市，這一技術(shù)一般應用于測量汽車內(nèi)部，建立各個配件和執(zhí)行部件之間溝通的橋梁，展開有效數(shù)據(jù)通信。目前，CAN 總線技術(shù)已經(jīng)被ISO 國際組織認可，并實現(xiàn)了可觀發(fā)展。在發(fā)展過程中，全球若干個公司已經(jīng)表明態(tài)度，為其提供技術(shù)和資源上的支持。作為較早進入我國市場的現(xiàn)場總線種類之一，其還有很長一段的發(fā)展之路需要邁進。

CAN 總線技術(shù)中，對于信號的處理和應用十分重要。在進行信號傳輸工作時，主要應用到的介質(zhì)為雙絞線。這種通信工具的通信速率最快可以達到1 Mb/s，但要限制在40 m 的總線之內(nèi)，在優(yōu)化狀態(tài)下甚至可以同時掛接110 個設(shè)備。

CAN 總線技術(shù)可以支撐多個共同協(xié)作的工作方式進行運作，網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點都可以隨時隨地向總線發(fā)送請求，以數(shù)據(jù)信息方式對信號進行處理。CAN 總線技術(shù)相比于其他技術(shù)，其可以支持點對點、一點對多點和全局廣播等通信方式，以便接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。借助總線仲裁技術(shù)，如果同時有好幾個節(jié)點出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上進行信息數(shù)據(jù)傳輸時，那么對比下來，優(yōu)先級比較高的節(jié)點就有權(quán)優(yōu)先進行傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)先級比較低的數(shù)據(jù)節(jié)點則要延遲發(fā)送數(shù)據(jù)信息，以最大限度避免信息傳輸過程中的通信沖突。

1.2 CAN 總線在ZJ17（PROTOS70）卷接機組電控系統(tǒng)中的應用

ZJ17（PROTOS70）電控系統(tǒng)經(jīng)過改進后，最為突出的是采用PROFIBUS、CANBUS 總線技術(shù)。在此基礎(chǔ)上采用1 臺西門子S7-400 PLC 為主站和3 臺西門子S7-300 PLC 完成了機組的生產(chǎn)自動控制，增加了人機界面監(jiān)控機組運行狀態(tài)，基本上構(gòu)成了一個比較完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

因為各個系統(tǒng)中都安裝了CAN 總線通信接口板等數(shù)據(jù)信息電路板，可以有效與機組間不同的工作模塊進行交流，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)流通和共享。能夠為設(shè)置機組控制參數(shù)以及不同狀況下不同運行狀態(tài)的選擇、數(shù)據(jù)采集提供非常大的幫助。

PASSIM 8000 在功能模塊電路設(shè)計上較有特色的一點是重量控制，稀釋度檢測，煙支剔除和高速系統(tǒng)的硬件組成完全一致，只是處理軟件不同。它們的控制核心是C167CR 嵌入式處理器—西門子公司C166 系列16 位微控制器系列的高端產(chǎn)品。片內(nèi)資源十分豐富，集成有CAN 控制模塊（符合Controller Area Network 2.0B 版本）。通過Philips 公司的CAN 總線控制器接口82C250 接入CAN 網(wǎng)絡(luò)。在上位機中裝有CAN 總線通信處理板。因此，煙支重量控制，煙支質(zhì)量檢測等功能模塊可以通過CAN 總線交換數(shù)據(jù)或與上位機通信。

2 基于PROFIBUS-DP 的ZJ19E 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

2.1 PROFIBUS 總線技術(shù)概要

PROFIBUS 中文名為過程現(xiàn)場總線，1987 年被提出且展開研究，1989 年，國際組織批準其可以作為德國標準投入到生產(chǎn)使用中。經(jīng)過技術(shù)人員和科研人員對其進行后期的應用和完善之后，1996 年6 月，這一總線技術(shù)正式被批準為歐洲現(xiàn)場總線標準。

PROFIBU 總線技術(shù)主要由3 個部分組成，且3 個部分相互兼容。DP 作為兼容部分之一，是承擔研究開發(fā)工作中設(shè)備級高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議保障的重要依靠。在通信過程中，主要應用到的通信介質(zhì)是屏蔽雙絞線或光纜，可以進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量也達到每報文244 個字節(jié)的狀態(tài)。

為了使第三方的設(shè)備和產(chǎn)品能夠方便地接入PROFIBUS 總線，擴大PROFIBUS 總線產(chǎn)品的種類、數(shù)量和市場占有率。從而進一步擴大PROFIBUS 總線的影響和應用領(lǐng)域，以西門子為首的多家公司為各種不同功能和應用提供了相應的PROFIBUS 接口ASIC 芯片。例如，西門子公司的ASPC2、SPC3、DCP31、SPM2、LSMP 等，提供了相應開發(fā)工具包，使得用戶可以根據(jù)需要為自己開發(fā)的產(chǎn)品賦予PROFIBUS 總線通信能力。這既為用戶提供了一條捷徑，也極大地提高了PROFIBUS 總線技術(shù)應用的靈活性。

2.2 基于PROFIBUS-DP 的ZJ19E 卷接機組電控系統(tǒng)

ZJ19E 電控系統(tǒng)選擇西門子公司S7-300 系列可編程控制器，采用PROFIBUS 總線技術(shù)和美國Wonderware 公司的In-Touch7.0 工業(yè)組態(tài)軟件，組成了以工業(yè)控制計算機和PLC 為核心的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），升級改造后的系統(tǒng)基本組成如圖1 所示。經(jīng)過適當升級改造，本系統(tǒng)中的電控系統(tǒng)重新采用了單主站形式的工作方式。西門子公司運營過程中，生產(chǎn)了工業(yè)控制計算機，本系統(tǒng)將其作為DP 類型中的1 個主站。在系統(tǒng)人機界面的設(shè)置上，選擇應用液晶顯示器以及觸摸屏相融合，利用先進技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計，以進行后期畫面顯示。在規(guī)定時間內(nèi)，可以重復進行數(shù)據(jù)信息采集收納循環(huán)，在一個周期內(nèi)可以與DP 在主站中進行數(shù)據(jù)交換。這樣一方面可以實現(xiàn)對機組控制參數(shù)的合理設(shè)置，保證機組運行狀態(tài)的正常顯示。在各種優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)中應用到的系統(tǒng)更加靈活、便捷，完成機組控制參數(shù)的設(shè)置、運行狀態(tài)的顯示，以及對機組各工作點進行故障診斷、功能測試。為工作人員提供更準確的數(shù)據(jù)信息。而且，在對顯示屏進行改善后，在內(nèi)容顯示上也更加豐富直觀，操作起來更加簡便。這些積極的變化使得機組運行過程各項數(shù)據(jù)的檢測以及狀態(tài)的監(jiān)控功能更加強大，更有利于煙廠整體用戶的使用以及設(shè)備后期維護。

圖1 升級改造后的系統(tǒng)基本組成

主PLC、卷煙機PLC、接裝機PLC 和料斗PLC 均選用了CPU 315 PLC，其CPU 上集成有多點接口（MPI）。主PLC 與其他3 個PLC 之間的數(shù)據(jù)交換通過MPI 總線進行。MPI 總線作為西門子公司發(fā)展過程中的重點項目，采用S7 系列網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。這種總線技術(shù)在設(shè)計過程中采用全局數(shù)據(jù)通信模式，在PLC之間進行少量數(shù)據(jù)交換，不要求使用額外的硬件以及軟件設(shè)備。操作方便，維護簡單，而且其在結(jié)構(gòu)設(shè)置上也更加簡單易懂，對于端口的管理和布線設(shè)置更加容易，資源耗費少，生產(chǎn)運行成本比較低。

在主PLC 內(nèi)部，技術(shù)人員對其進行適當擴展，增加了一塊通信處理模塊，將新增的模塊作為DP 從站，以便更多起到分擔CPU 模塊通信任務的作用，從根本上提升系統(tǒng)通信效率。CP342-5 則主要負責對主站發(fā)送過來的各種請求、信息以及操作指令和控制參數(shù)的識別和處理，之后再將其傳送給CPU 模塊。之后，借助MPI 網(wǎng)將對這一部分的數(shù)據(jù)進行傳輸，輸送到相應PLC 節(jié)點。

煙支重量控制系統(tǒng)采用DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理）這一新興技術(shù)。在消化原MAID-N 系統(tǒng)控制軟件，分析其煙支重量測量和控制的基礎(chǔ)上重新自行設(shè)計了全新的重量控制系統(tǒng)，簡化其硬件設(shè)計，新增煙支緊頭位置自動跟蹤這一煙廠用戶迫切需求的功能。

接裝機煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)在設(shè)計過程中，技術(shù)人員選取較高性能的PIC 單片機，將這一部分作為整個系統(tǒng)運行過程中的控制核心。然后通過對現(xiàn)場可編程邏輯器件的應用，對整個系統(tǒng)進行合理電路設(shè)計。在這一過程中，大部分的工作任務都是由計算機軟件和設(shè)備完成的，從計算到控制再到通信，耗費的人力資源非常少。這種工作狀態(tài)大大減少了以往電路設(shè)計過程中的很多不便，有效縮小了生產(chǎn)設(shè)備的體積，便于技術(shù)人員更準確設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)。

煙支重量控制和煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件開發(fā)中利用西門子公司的專用ASIC 芯片SPC3（Siemens Profibus Controller）設(shè)計了PROFIBUS-DP 通信接口板。SPC3 是PROFIBUS-DP 從站智能通信芯片，通過它可以較方便地將第三方自行設(shè)計的系統(tǒng)接入PROFIBUS。SPC3 集成有完整的DP 協(xié)議，能自動檢測9.6 kb/s～12 Mb/s 的總線通信速率。芯片內(nèi)部集成有1.5 k 的RAM、多種寄存器、緩沖器和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。SPC3 有8 根數(shù)據(jù)線和11 根地址線，其中低8 位地址線和數(shù)據(jù)線復用，可以接80C32、80C166、80C165、HC16、HC196 等單片機。西門子公司還提供了Development Kit4 開發(fā)包作為通信接口開發(fā)的工具，用戶可以將其作為測試、開發(fā)平臺。

ZJ19E 電控系統(tǒng)在某些方面已經(jīng)超越了進口PASSIM 8000。例如，PASSIM 8000 人機界面是基于WINDOWS3.1 操作系統(tǒng)，利用C 語言編制而成的專用軟件。ZJ19E 電控系統(tǒng)中應用到的人機界面一般都是以WINDOWS NT 為基礎(chǔ)，然后利用符合標準的專業(yè)工業(yè)組態(tài)軟件對系統(tǒng)的狀態(tài)和運行情況進行編制。因為組態(tài)軟件具有非常強大的功能，而且整體控件種類多，在后期進行系統(tǒng)功能升級時會更加方便。

3 結(jié)語

PROFIBUS 在眾多的現(xiàn)場總線中以超過40% 的市場占有率穩(wěn)居榜首，其產(chǎn)品每年增長20%～30%?！半娮育X輪”、智能傳感器和交直流驅(qū)動器均具備PROFIBUS 總線技術(shù)所擁有的通信功能，目前在我國煙草行業(yè)的發(fā)展過程中仍然得到廣泛應用。由此可見，我國煙草行業(yè)在未來很長一段時間內(nèi)都將會掀起一場PROFIBUS 技術(shù)應用的熱潮，PROFIBUS 必將占據(jù)煙草行業(yè)現(xiàn)場總線的主導地位。