引言

目前國內(nèi)啤酒灌裝生產(chǎn)線不管是引進生產(chǎn)線，還是國產(chǎn)生產(chǎn)線，單機采用現(xiàn)場總線技術已比較普遍，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)場智能設備和自動化控制系統(tǒng)之間的數(shù)字化、雙向傳輸和多分支結構的通訊網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場設備與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式；可以通過其診斷功能，獲取設備上的大量數(shù)據(jù)，及時判斷故障點所在，以降低故障發(fā)生時間；可以遠程監(jiān)控現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間、以及自動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、槽架及相應的接口設備，同時，由于所有的連線都變得簡單明了，系統(tǒng)設計、安裝、維護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)設計的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，適用于建立工業(yè)實時控制局域網(wǎng)。典型的應用包括過程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、程序上傳/下載、遠程編程、連接操作員接口及主計算機數(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)絡協(xié)議，遵循IEEE802.4局域網(wǎng)標準，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)點數(shù)64個，通訊速率1Mbps。

作為一個判定性高速令牌循環(huán)式現(xiàn)場總線，Modbus plus總線網(wǎng)絡以1Mbps的速率進行通訊，可以快速存取過程數(shù)據(jù)，它的實力表現(xiàn)在它的控制實時控制裝置如I/O裝置的能力，不會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，使得計算機、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網(wǎng)絡上作為同位體進行通信。

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多家總線設備生產(chǎn)商，提供2500多種產(chǎn)品，到目前為止，INTERBUS在全球自動化領域已有50多萬套應用系統(tǒng)得到廣泛應用。

INTERBUS現(xiàn)場總線是一種開放的串行總線，可以構成各種拓撲形式，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現(xiàn)場設備，設備之間的最大距離400米，無需中繼器網(wǎng)絡的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠程總線和本地總線，遠程總線用于遠距離傳送數(shù)據(jù)，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己獨特的環(huán)路結構，環(huán)路使用標準電纜同時傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設備甚至復雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。

INTERBUS總線有很強的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時也提供總線網(wǎng)絡的變結構功能，能及時根據(jù)設計要求，關斷和連接總線的某個子總線段。監(jiān)控功能是現(xiàn)場安裝、調(diào)試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，現(xiàn)場總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調(diào)試時可設置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設備的參數(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)自動化和儀表廠商采用該種協(xié)議。Modbus 協(xié)議是應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)絡和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(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)時不帶中繼器的最大距離為15m，最大節(jié)點數(shù)247個，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)設計

我公司2004年安裝一條3.6萬啤酒灌裝生產(chǎn)線，除酒機、標機、紙箱機為進口設備外，其它機臺包括輸送帶全為國產(chǎn)設備，國產(chǎn)機臺控制系統(tǒng)采用INTTERBUS及MODBUS現(xiàn)場總線技術，而且將整條生產(chǎn)線所有機臺的PLC也聯(lián)結成MB+網(wǎng)， 整條生產(chǎn)線以后還能擴展上位機。

4.1. 網(wǎng)絡構成

整個控制系統(tǒng)是一個雙層網(wǎng)絡，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)場設備的快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，可掛32個節(jié)點；下層采用INTERBUS網(wǎng)，串接Momentum分布式I/O模塊。系統(tǒng)結構如圖1

4.2. 系統(tǒng)各部分功能

在整線共設有7個PLC現(xiàn)場控制站，分別是卸箱機現(xiàn)場站、輸箱系統(tǒng)現(xiàn)場站、裝箱機現(xiàn)場站、洗瓶機現(xiàn)場站、輸瓶系統(tǒng)現(xiàn)場站、殺菌機現(xiàn)場站、CIP現(xiàn)場站。作為控制的核心，現(xiàn)場控制站負責完成數(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）。

在主控室設有18個遠程I/O節(jié)點，由Momentum的一個MB+通信適配器（170PNT11020）和一個I/O模塊（輸入模塊170ADI35000或輸出模塊170ADO35000）組成，負責完成主控室有關數(shù)據(jù)的采集和輸出。

中間信息處理部分采用施耐德Quantum硬雙機熱備系統(tǒng)，正常時主機執(zhí)行相應程序，轉(zhuǎn)換現(xiàn)場控制站與主控室遠程I/O節(jié)點之間的數(shù)據(jù)，當主機電源、CPU、NOM、CRP失效時，在50ms之內(nèi)，自動切換到備機工作。其硬件組成如下：

電源模塊（140CPS11100）為機架上的模塊提供總線電流和工作電壓。

CPU（140CPU11302）含有Modbus及MB+兩個通訊端口。

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

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

遠程I/O處理模塊（140CRP93100）采用同軸電纜網(wǎng)絡互相連接。

通訊網(wǎng)絡采用開放的MB+網(wǎng)，用MB+站分支電纜（9針D型節(jié)點電纜）、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個節(jié)點，通過MB+通訊模塊（140NOM21100）還可擴展32個節(jié)點。

每個現(xiàn)場控制站都配有一個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)控各機臺的情況，采用組態(tài)軟件，通過圖表、圖形、動畫等直觀方式，對各機臺的狀態(tài)進行查詢和監(jiān)控。

以后可在主控室擴展上位機，作為MB+的一個節(jié)點，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、動畫等直觀方式，對生產(chǎn)線上各臺設備狀態(tài)進行查詢和監(jiān)控。

4.3. 控制程序設計

本設計中采用Concept編程軟件，它是一款國際獲獎的軟件，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準菜單如File、Windows和Help，所有Windows標準，如打印機安裝打印命令，可無任何修改地使用，菜單命令簡化到相關功能唾手可得的狀態(tài)。Concept的一個最大的優(yōu)點在于它可以很方便地在線監(jiān)控程序的運行，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)的正常運行。Concept提供了大量的標準控制功能塊，編程人員可從在線幫助手冊了解功能塊的應用范圍，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)形成一個有機的整體，實現(xiàn)通訊功能，需要對硬件進行組態(tài)。首先，通過拔動每個通訊模塊的兩個拔動開關為每一節(jié)點設置唯一的MB+網(wǎng)絡地址；然后在Concept軟件中為各現(xiàn)場控制站及雙機熱備系統(tǒng)建立一個項目，在主菜單Project的菜單命令PLC type中為項目選定相應的CPU型號，在主菜單Configuration的菜單命令I/O map中為項目輸入相應的輸入輸出模塊參數(shù)。

網(wǎng)絡節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換的方式和數(shù)據(jù)交換量的設定是由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)點之間全局地或直接地進行寄存器數(shù)據(jù)傳送，在區(qū)域Go To選擇局部總線節(jié)點（0=CPU，1=槽號X，2=槽號Y），通過輸入其它總線節(jié)點地址以及通過設置傳輸數(shù)據(jù)的源地址和目標地址就可接收和發(fā)送全局信息或直接信息。

現(xiàn)場控制站的控制程序為啤酒灌裝各設備的標準功能，用Concept軟件的幾種編程語言都能編寫。

5. 結論

該系統(tǒng)自2004年7月投入使用，現(xiàn)運行穩(wěn)定可靠，由于采用現(xiàn)場總線技術，使用系統(tǒng)設計、安裝、維護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)，使我公司在應用先進技術方面邁上了一個新的臺階，該項目達到了國內(nèi)領先水平，產(chǎn)生了較大的社會效益，以后擴展整線上位機后，更能實現(xiàn)企業(yè)測、控、管一體化。

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