Profibus-DP现场总线在灌装机中的应用

　　1  引言
               
　　随着信息技术的飞速发展，引起了工业自动化系统结构的深刻变革，信息交换的范围正迅速覆盖从工厂的管理、控制到现场设备的各个层次，并逐步形成了全分布式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应信息技术的发展趋势和工业控制系统的分散化、网络化、智能化要求而发展起来的新技术，它的出现和发展已经成为全球工业自动化技术的热点之一，受到全世界和工业界的普遍重视。我司属饮料装瓶厂，在新生产线设备中的灌装机充分利用了profibus总线技术，取得了良好的效果。
           
　　2  工艺原理
               
　　整台设备主要分为三个部分：一是空瓶进入灌注机之前的空瓶清洗部分；二是产品灌注部分，此部分是灌装机的核心部分，共由100个灌注阀组成，每个阀都独立安装有注入电磁阀及产品灌注流量计，由专用计算机控制，空瓶进入灌注部分后要在这里完成排气，稳压，灌注等几个动作；第三部分是灌注好产品的瓶子封盖设备。三部分间电气控制相对独立同时又通过profibus总线方式进行数据交换。
           
　　3  profibus总线设计
               
　　profibus-dp（decentralized periphery）是一种高速低成本通信，用于分布式控制系统的高速数据传送，总线上可挂接的设备有系统操作站、现场人机接口、plc主站、从站、远程i/o或其他dp智能设备。本系统中就是选择了profibus-dp作为各现场控制站间的通信网络，系统组成如附图所示。

装瓶线现场总线系统

　　3.1 总体结构
               
　　控制系统由两级计算机系统组成。一级为基础自动化级，采用siemens  plc 和灌注计算机系统；二级为过程控制级（工程师/操作员站），采用siemens的pc670工业计算机，操作系统为windows 2000，计算机内置profibus网卡,与基础自动化级通过profibus-dp现场总线网连接。它的主要功能包括：过程参数设定、过程监控、变频器及伺服控制器的参数管理、配方管理、数据采集、故障记录和显示等。在pc670中还安装有无线网卡和以太网接口，在设备调试时即使不直接连接plc 也可以通过无线网络实现调试及监控功能，通过以太网接口还可为将来实现工厂级网络智能化管理提供途径。
               
　　整台设备的工艺操作、伺服驱动、阀站控制等由基础自动化控制系统完成，由三级自动化组成。一级为基础自动化级，采用siemens plc s7-400,cpu414-2dp与两台et200m、一台et200s远程站以及一台vlt2800变频器组成，主要完成整机工艺控制，现场工艺参数的采集等；二级为驱动控制自动化，采用siemens plc s7-300，cpu315-2dp与三台伺服控制器组成，主要用作设备驱动部分的同步动作控制。三级为灌注控制自动化级，采用专用计算机控制，主要完成系统灌注部分的功能。[page]
               
　　3.2 plc站
               
　　s7-400控制系统通过profibus-dp总线与过程监控计算机进行快速数据交换，同时完成系统逻辑控制并与控制传动系统的s7-300 plc通过profibus-dp现场总线实现网络数据交换和数据采集；s7-400站与s7-300两站之间的数据交换用通讯处理器cp342-5实现。通讯处理器cp342-5配置在s7-300基架上，通过profibus-dp总线连接到s7-400基架dp总线上，实现两站之间的数据交换。交换数据的最大容量为240字节，传输频率范围为9.6kbps～12mbps。在此配置中s7-400为主站，cp342-5为从站。这种配置，减少了s7-300cpu的通讯任务也减轻了主站plc的程序负担，同时结构紧凑，装配简单，性价比好。

　　3.3 et200分布式i/o
               
　　simatic et200是一种新型分布式i/o系统，集安装便利、高度灵活和节省使用成本等诸多特点于一体。通常由电源部分、通信适配器(im)及各种信号模块组成。其本身不具有程序存储和执行能力，通过im接口挂接在总线上，由主站统一编址，按主站指令驱动i/o，并将i/o输入及故障诊断等返回主站。本系统使用的分布式i/o包括et200m 以及et200s。et200m通过接口模块im 153与dp总线相连。et200s系列产品具有很高的灵活性，设计人员可根据实际情况直接在接口模块后面插入不同数量和不同组合的i/o模块(最多64个)，且可随时进行修改和扩展。通过接口模块im 151与dp总线相连。
               
　　3.4 智能从站
               
　　现场安装有一台灌注计算机，灌注计算机安装有if661通讯模块，与主站plc通过profibus-dp现场总线网连接，来实现灌注动作的所有控制。

　　带有profibus通讯卡的danfoss变频器以及伺服控制器经总线连接后进行数据传输是完全基于数字信号实现的，再不是采用模拟量信号来控制，这样可以大幅提高信号传输过程中的抗干扰能力。当变频器或伺服控制器出现故障需更换时再不需要大量数据的输入，只须输入网络地址号然后由操作器下载即可工作了。
               
　　采用profibus总线直接连接现场智能设备，可以减少大量接线点，减少了由于接线不牢或接线不规范引起的故障。
           
　　4  装瓶线总线控制系统
               
　　本设备在高速生产的过程中三部分间的同步动作以及对注入阀及封盖的准确控制是至关重要的，在传统的控制方式中对于同步动作的控制是采用由一台大的主电机带动传动轴，通过齿轮传动来实现各部分的同步动作，采用这种方式对于生产速度的提高是一个很大的限制，而且在生产中如果其中一部分发生机械走位现象要想调整将会耗费很大精力的。采用总线方式后，选用伺服电机对各部分进行控制，由灌注伺服控制器产生稳定的1:1的机器脉冲信号和1:10的细脉冲信号进行同步控制，伺服控制器经总线进行信号交换，可得到高精度的同步控制效果，即使发生不同步现象只需独立调整走位部分即可。
               
　　由于设备的灌注部分是高速旋转的，现场同主柜间的线路在传统方式中是通过滑环连接，所以要实现太多线路的连接是不可能的，所以对灌注阀的控制只能是采用机械式的。灌注阀打开后向瓶中注入产品，注入的产品量由压力控制，是不可调整的，如果生产中其中一个阀发生故障如漏气或灌注量不稳时就会引起整台机的灌注阀压力不稳出现故障，就必须要停机处理。同时用以灌注阀及卡盖阀控制信号是通过接近开关检测凸轮产生的1:1的机器脉冲信号，这个信号要从现场经过渡电箱传回到主柜的plc进行程序控制，输出信号再由主电柜返回到现场进行阀的控制。在应用过程中由于受现场环境影响，脉冲发生装置的机械定位以及电眼的不稳定等因素导致控制故障率高，经常会影响生产。
               
　　采用灌注计算机控制后现场所有线路只需返回到现场灌注计算机的i/o模块，程序控制所需信号由profibus总线传输，在每一个灌注阀上都安装独立的电磁阀和流量计，不但可以实现高速运动中对每个阀的单独控制，还可提高控制精度达到原脉冲信号的1/10。在生产中如个别阀出现问题，可实现单独关闭故障阀继续生产，不会造成太大的影响。在产品灌注量方面由于采用独立的流量计计算控制，如个别阀出现灌注量不稳等现象时还可分别进行调整，使每一个阀的灌注精度都能达到相当高的要求，既达到了控制目的又节省了很多线路。
               
　　采用profibus总线技术后设备在安装方面也变得十分简单，机械定好位后只需简单的总线连接和现场的一些线路连接，极大地减少了安装工作量和缩短了安装时间。
           
　　5  结束语
               
　　目前，现场总线已成为自动化技术发展的原动力，现场总线技术融合plc、dcs技术构成的全集成自动化系统以及信息网络技术将形成二十一世纪自动化技术发展的主流。
            
　　profibus作为国际现场总线标准之一，在工业自动化、传动、化工等领域占据主导地位。除具有现场总线的普遍特点外，profibus还有其独特的优点：

　　(1)总线传输速度高，最高可达12mbps；
               
　　(2) 采用主从轮询方式，具有确定的传输响应时间，可应用于对时间要求苛刻的复杂控制系统中；
               
　　(3) profibus满足了从现场层到工厂管理层对网络的要求，应用面广、产品多样。尤其在传动行业，几乎所有著名厂家的产品都支持profibus；
               
　　(4) 多种行规保证了不同厂家产品之间的通用性。