PROFIBUS FCS 及工业Ethernet在料香配送系统中的应用

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。

　　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。

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 Ethe