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1 前言
原料玻璃配料是玻璃生產(chǎn)工藝的核心。對原料進行科學(xué)的配比和精確的計量是保證玻璃質(zhì)量的首要條件，而玻璃配料控制系統(tǒng)設(shè)計是影響配料工藝質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)玻璃生產(chǎn)線采用的控制系統(tǒng)大都為集散控制系統(tǒng)(DCS)，這種稱重配料控制系統(tǒng)大多為模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，尚未形成從測控設(shè)備到操作控制計算機的完整網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)上有很大的局限性。由于采用單一信號傳輸以致可靠性差，互操作性差，不能很好的對現(xiàn)場設(shè)備進行實時控制。
現(xiàn)場總線是綜合運用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的產(chǎn)物。它把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、控制和傳輸精度。近年來，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣，將傳統(tǒng)的配料控制系統(tǒng)改進為基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)成為科技進步的必然趨勢。本文結(jié)合工程實際，介紹了一種基于現(xiàn)場總線技術(shù)的玻璃配料控制系統(tǒng)的設(shè)計并在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。 
2 現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘?，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，目前已經(jīng)開發(fā)出40多種現(xiàn)場總線，其中有影響力的5種分別為FF、Profibus、HART、CAN、Lonworks。
現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們具有了一定的數(shù)字計算及通信能力，成為獨立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。它們分別通過雙絞線、同軸電纜、光纖等多種途徑進行信息傳輸，這樣就形成了以多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？梢哉J為，現(xiàn)場總線是通信總線在現(xiàn)場設(shè)備中的延伸，允許將各種現(xiàn)場設(shè)備，如變送器、調(diào)節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC及手持終端和控制系統(tǒng)之間，通過同一總線進行雙向多變量數(shù)字通訊。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus ControlSystem)是繼集散控制系統(tǒng)(DCS)之后，出現(xiàn)的又一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表(設(shè)備)在現(xiàn)場實現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場分散的測量，控制設(shè)備單個點作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。它是屬于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制機的功能，全部分散在各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處。為此，可以將原來封閉、專用的系統(tǒng)變成開放、標準的系統(tǒng)。它改變了原有的控制體系結(jié)構(gòu)，使模擬與數(shù)字混合的集散控制，更新為全數(shù)字的控制，它用開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場各控制器及智能儀表互聯(lián)，構(gòu)成可操作的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。它把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，真正做到控制分散、危險分散、集中監(jiān)控和全數(shù)字化。因此，F(xiàn)CS實質(zhì)是一種開放的、可互操作性的、徹底分散的、分布式控制系統(tǒng)，因此比DCS又前進了一步。
3 基于Profibus總線的玻璃配料控制系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 Profibus現(xiàn)場總線概述
PROFIBUS是SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準，它不依賴生產(chǎn)廠家，各種各樣的自動化設(shè)備均可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS用于分布式I/O設(shè)備、傳動裝置、PLC和基于PC的自動化系統(tǒng)。PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通訊連接，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散式I/O通訊，它的實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbps-12Mbps，響應(yīng)時間為幾百微妙到幾百毫秒。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)采用RS-485，傳輸介質(zhì)是可屏蔽雙絞線或光纖。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復(fù)雜設(shè)備在運行中參數(shù)的確定。經(jīng)過擴展的PROFIBUS-DP的診斷功能能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集，并且采用開放式通信網(wǎng)絡(luò)，允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。
PROFIBUS無論在其性能、開放程度、可互換性和互可操作性上還是在其工業(yè)業(yè)績上都是比較突出的，因此在總線選型上選擇了PROFIBUS總線。
3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理
整個控制系統(tǒng)是以傳感器結(jié)合PANTHER稱重終端構(gòu)成的電子稱重為基礎(chǔ)，以S7-300PLC為控制核心，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和計算機組成一個有機整體，結(jié)合外圍的執(zhí)行設(shè)備完成對從原料料倉口開始到熔窯料倉的配料輸送混合的全過程的自動控制，同時對整個系統(tǒng)的報警，聯(lián)鎖進行顯示和監(jiān)控，并完成對整個系統(tǒng)的配方，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)管理，以滿足玻璃生產(chǎn)對混合料的配料要求。
該系統(tǒng)具有手動工作方式、自動工作方式(PLC控制)、和在計算機監(jiān)控狀態(tài)下的全自動工作方式三種。自動配料時，現(xiàn)場秤量站對料倉中的物料重量進行秤量，系統(tǒng)根據(jù)配方要求使用“減量法”控制排料，減量法排料值為配方值，采用兩次秤量的方式，當(dāng)滿足排料值時停止排料。排料同時啟動傳輸皮帶機，將物料送到混合倉混合，混合時啟動自動加水系統(tǒng)進行定時加水?；旌线_到要求后由原熔皮帶機將混合料送到窯頭料倉。系統(tǒng)經(jīng)過這樣一次次循環(huán)來完成配料任務(wù)。
3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制組成
以S7-300PLC為中心，上位機與PLC之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與高精度稱重儀表之間由PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接，稱重儀表是系統(tǒng)中的一個從站，PANTHER儀表將通過專用的PROFIBUS現(xiàn)場總線接口完成與SIEMENS的PLC的網(wǎng)絡(luò)化連接。
系統(tǒng)采用STEP V5.2進行硬件組態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控、配方管理以及數(shù)據(jù)的采集和記錄等功能。PLC的邏輯處理器選用西門子公司的S7-3152DP的CPU，該CPU本身帶一個MPI通信接口和一個PROFIBUS-DP接口。上位機對下位機進行統(tǒng)一管理，對配方、打印和統(tǒng)計，傳送稱量配方給下位機，啟動稱量操作，用監(jiān)控軟件監(jiān)視下位機的各運行狀態(tài)，下位機分別對配料系統(tǒng)進行現(xiàn)場控制。
安裝在PC上的STEP7編程軟件通過MPI與PLC通信，但是這些通信協(xié)議并未公開，因此需采用西門子公司提供的PRODAVE工具箱。PRODAVE的動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(DLL)提供了大量的基于windows操作系統(tǒng)的DDL函數(shù)，供用戶解決PLC與PC間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理問題。上位機用通信函數(shù)直接讀寫PLC中的數(shù)據(jù)，而不用編寫PLC一側(cè)的通信程序。
PROFIBUS-DP接口負責(zé)與稱重儀表通訊，將稱重數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)及時的輸送到主控制站。稱重儀表采用應(yīng)用較廣的PANTHER稱重終端，此儀表通過現(xiàn)場接線盒采集稱重數(shù)據(jù)，其自帶的PROFIBUS-DP接口可方便的完成與PLC的通訊。
3.4 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入模塊，接收控制現(xiàn)場和操作按鈕信號以及馬達狀態(tài)反饋信號，開關(guān)量輸出模塊實現(xiàn)對馬達、氣缸、電磁閥、指示燈的啟?？刂?，模擬量輸出模塊控制現(xiàn)場秤量站給料機喂排料的速度。稱重儀表的稱量結(jié)果通過PROFIBUS-DP總線傳送至處理器。處理器根據(jù)接收到的按鈕信號、狀態(tài)反饋信號、稱量值信號，經(jīng)過運算，發(fā)出對現(xiàn)場設(shè)備的控制信號，整個系統(tǒng)即以預(yù)定的程序自動運行。
3.5 系統(tǒng)特點分析
(1) 由于控制結(jié)構(gòu)上采用了FCS，與傳統(tǒng)的DCS相比節(jié)約了許多硬件設(shè)備。使用FCS可以減少1/2~2/3的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O機柜，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間;同時減少大量電纜，使施工、調(diào)試大大簡化。
(2)現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。現(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。因此提高了控制系統(tǒng)的精度和可靠性。
(3) 由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護工作量。
(4) 系統(tǒng)采用STEP7軟件統(tǒng)一編程和組態(tài)，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單方便，同時大大降低了系統(tǒng)維護的工作強度。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各配料控制器及配料儀表設(shè)備互連起來，構(gòu)成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了調(diào)試、安裝和維護費用。該系統(tǒng)在梅特勒－托利多稱重配料諸多項目上投入使用，其運行狀況良好，通訊和控制穩(wěn)定可靠，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中有很大的推廣價值。

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