INTERBUS現場總線在光電切紙機中的應用
摘要：INTERBUS現場總線作為一種新的控制方式，發(fā)展迅速，它使用雙絞線、光纖或無線進行數據混合傳輸，傳輸速率恒定為500K或2M，可以與帶INTERBUS接口的各種設備之間進行數據通訊。其獨特的環(huán)行數據流方式，使得具有很高的穩(wěn)定性、傳輸效率和很強的診斷功能，在汽車、造紙、煙草等制造自動化系統(tǒng)中大量使用，具有廣泛的適用性。本文詳述在光電切紙機中使用INTERBUS系統(tǒng)，具有典型意義。
關鍵詞： INTERBUS PLC 光電切紙機 組織塊
一、INTERBUS 總線概述
隨著現場總線技術的出現和發(fā)展，各種現場總線的市場競爭日趨激烈，在IEC61158國際標準中，八種總線（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、 ControlNet、SwiftNet）均列入國際標準，形成多種總線共同競爭的局面。
INTERBUS作為IEC61158標準之一，廣泛地應用于制造業(yè)、機器加工等行業(yè)中，用于從傳感器/執(zhí)行器到計算機控制站的信號連接，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線協議于1984年推出，其主要技術開發(fā)者為德國的Phoenix Contact公司，1986年開始在汽車制造中成功使用后，很快在各種行業(yè)中得到大量的使用，目前全球使用量達750萬節(jié)點。
１、INTERBUS總線結構
INTERBUS總線包括遠程總線網絡和本地總線網絡，兩種網絡傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網絡用于遠距離數據傳送,采用RS-485傳輸，遠程網絡采用全雙工方式進行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網絡連接到遠程網絡上，網絡上的總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊負責將遠程網絡數據轉換為本地網絡數據。
INTERBUS總線上的主要設備有總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PLC等上位主設備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備，用于實現協議的控制、錯誤的診斷、組態(tài)的存儲等功能。I/O模塊實現在總線控制板和傳感器/執(zhí)行器之間的接收和數據傳輸，可處理的數據類型包括機械制造和流程工業(yè)的所有標準信號。
２、INTERBUS總線的協議特點
（１）物理層
結構：硬件數據環(huán)，所有設備在組態(tài)時自動編址 。
距離：分布式，最長距離可達12.8km，系統(tǒng)安裝費用低 。
傳輸介質：雙絞線、光纜、紅外線等，網絡可在各種工業(yè)環(huán)境聯接，并可混合使用 。
（２）數據鏈路層
協議傳輸：全雙工、集總幀（summation-frame）結構 ，網絡上的所有I/O可同時更新數據 。
協議仲裁：無仲裁，數據可無干擾地連續(xù)傳送 。
數據吞吐量：在7.8ms內可讀寫4096個數據，I/O數據更新時間比解決應用邏輯需要的時間快數倍 。
錯誤校驗：每次網絡聯接都進行CRC校驗，傳輸數據更可靠、正確 。
（３）應用層
診斷：可實現網絡故障定位，實現更多的正常工作時間，減少維護費用，提高可靠性 。
協議的適應性：支持高速的數字量、模擬量和client-sever信息的傳輸，可適應絕大多數的控制要求 。
I/O的擴展性：可聯接254個遠程站點，4096個I/O 有更好的系統(tǒng)適應性 。
（４）連通性
開放性：1000多家廠商提供2500多種兼容設備， 可供選擇的供應商多，能為系統(tǒng)提供最優(yōu)的配置 。
標準 ：DIN19258 EN50254 IEC61158 ，系統(tǒng)標準統(tǒng)一
（５）數據傳輸
INTERBUS的數據傳輸類似于一個遠程距離移位寄存器，數據從總線控制板的數據寄存器移出，經過網絡上的BK模塊和I/O模塊，又移入總線控制板的寄存器。也就是說，數據從總線控制板上的數據寄存器的移進移出是同時進行的（全雙工模式）。INTERBUS數據是完全幀傳送的。兩種幀類型：ID周期幀和數據周期幀。ID周期幀在INTERBUS總線系統(tǒng)初始化時須讀取，以產生過程映像。在ID周期幀成功執(zhí)行后，INTERBUS總線設備內部切換到數據寄存器，只執(zhí)行數據幀，以實現數據的傳輸。
INTERBUS作為一種基于現場的總線系統(tǒng)，在I/O網絡中有十分快的通訊速度：254個I/O時，距離12.8km時為15ms，300m時為3ms。在信息管理層，INTERBUS通過以太網實現互聯，I/O層（I/O level）、現場層（field level）、控制層(control level)使用INTERBUS系統(tǒng)，上層管理層（management level）通過以太網相連接并和internet相聯，從而用戶可通過PC機撥號上網，對遠方的INTERBUS網絡的設備進行操作并獲取設備的數據信息。
二、在光電切紙機中的應用
我廠三、四分廠引進的光電切紙機使用了INTERBUS現場總線系統(tǒng)。其系統(tǒng)采用光纖作為通訊介質，使傳輸速度更快。
光電切紙機使用西門子公司的SIMATIC S5作為上位機，控制變頻調速電動機來進行切紙。各設備之間的通訊使用現場總線INTERBUS系統(tǒng) 。光電切紙機分為五個部分，放紙架單元、打標單元、橫切刀單元、搭接單元，送紙單元，它們分別位于三組控制柜中，分別由三個不同的SIMATIC S5 PLC 控制。其特點是
（1） 控制分散：整個設備內部有15臺電動機及上百個開關和電磁閥,且電動機均采用了變頻傳動。
（2）中央監(jiān)控：各部分的工作狀態(tài)要求傳送到中心控制器+H1柜中的PLC S5中，進行數據的顯示和故障信息的顯示并可以根據需要進行數據的打印處理。
對于光電切紙控制系統(tǒng)，如果現場信號的連接采用點對點的放線方式，就產生了由于現場設備分散，點對點需要敷設大量控制電纜的問題。另外，從控制的角度還有一個更重要的問題――長線控制問題：一部分控制電纜放線的長度過長，會帶來控制壓降過大和交流電容過高，導致繼電器工作不穩(wěn)定等問題。針對這些問題，雖有多種解決方法，但是都不經濟。而現場總線系統(tǒng)的使用正好解決了這幾個問題。一根通訊總線貫穿現場將分散在現場的模塊子站聯成一個樹形網絡，子站的輸入/輸出模塊安裝在控制柜中。
其拓撲結構如下：
（3）INTERBUS系統(tǒng)在H18柜SIMATIC S5系統(tǒng)中的系統(tǒng)硬件結構，見（圖一）。H10和H1柜中的結構與此相近。
圖一
如圖一所示，SIMATIC S5系統(tǒng)項目下方分別建立了四個IBS ST 24-LK光電轉換模塊，每個轉換模塊帶有幾個I/O模擬和數字的輸入輸出模塊，把現場的數據轉換成光信號，進行數據的傳輸。該系統(tǒng)是光電切紙機的門和搭接控制系統(tǒng)的數據采集部分。由于該部分的傳感器、電磁離合器、光電開關、閥門現場位置分散，數量較多，所以把每一組光電轉換模塊都安裝在離現場儀表較近的控制柜中，較好的解決了布線問題，使布線簡潔、維修方便，而且較好的解決了由于切紙機系統(tǒng)中使用變頻器所帶來的頻率干擾問題，使系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增強。
三、下面以H18柜為例簡單的描述一下INTERBUS系統(tǒng)通訊功能在SIMATIC S5系統(tǒng)中的實現
OB1是S5的組織塊，是S5系統(tǒng)軟件中的主程序，應用程序通過模塊化的編程，通過程序的調用執(zhí)行。OB21和OB22也是組織塊，其中OB22是PLC電源上電時加載，即所謂的冷啟動，OB21是PLC從STOP狀態(tài)到START狀態(tài)時加載，即所謂的熱啟動。在啟動完成之后，交給OB1主程序。我們在OB21和OB22中加入FB210功能塊，調用FB60，使INTERBUS總線和PLC實現同步，生成和輸入數據塊的基本數據，等待控制器讀取。同時我們在OB1調用FB66輸入處理程序和FB68輸出處理程序兩個PHONEX標準功能塊，負責數據的讀寫，實現對遠程數據的處理,同時由于INTERBUS總線的時間處理周期和SIMATIC S5 PLC的時間處理周期不會完全同步，所以我們在主程序中加入了一個INTERBUS總線的故障診斷、復位、啟動、激活等功能的處理程序，以便使INTERBUS總線系統(tǒng)在SIMATIC S5系統(tǒng)中運行穩(wěn)定、可靠。其調用格式為下面所述。
OB1 主程序
…
Segment 5
JU FB 66 調用接收塊程序
NAME:GET-NOTI 接收程序的名稱
DB:DB209 接收程序塊使用的數據塊
…
Segment 6
JU FB214
NAME:DSCDIA
DIDB:14 診斷數據塊
NSTR:F100.0 啟動INTERBUS
AUTO:F0.0 激活按鈕
RUN:F100.2 故障信息自動應答
PF:F100.3 &n
關鍵詞： INTERBUS PLC 光電切紙機 組織塊
一、INTERBUS 總線概述
隨著現場總線技術的出現和發(fā)展，各種現場總線的市場競爭日趨激烈，在IEC61158國際標準中，八種總線（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、 ControlNet、SwiftNet）均列入國際標準，形成多種總線共同競爭的局面。
INTERBUS作為IEC61158標準之一，廣泛地應用于制造業(yè)、機器加工等行業(yè)中，用于從傳感器/執(zhí)行器到計算機控制站的信號連接，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線協議于1984年推出，其主要技術開發(fā)者為德國的Phoenix Contact公司，1986年開始在汽車制造中成功使用后，很快在各種行業(yè)中得到大量的使用，目前全球使用量達750萬節(jié)點。
１、INTERBUS總線結構
INTERBUS總線包括遠程總線網絡和本地總線網絡，兩種網絡傳送相同的信號但電平不同。遠程總線網絡用于遠距離數據傳送,采用RS-485傳輸，遠程網絡采用全雙工方式進行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網絡連接到遠程網絡上，網絡上的總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊負責將遠程網絡數據轉換為本地網絡數據。
INTERBUS總線上的主要設備有總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊、I/O模塊和安裝在PC或PLC等上位主設備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備，用于實現協議的控制、錯誤的診斷、組態(tài)的存儲等功能。I/O模塊實現在總線控制板和傳感器/執(zhí)行器之間的接收和數據傳輸，可處理的數據類型包括機械制造和流程工業(yè)的所有標準信號。
２、INTERBUS總線的協議特點
（１）物理層
結構：硬件數據環(huán)，所有設備在組態(tài)時自動編址 。
距離：分布式，最長距離可達12.8km，系統(tǒng)安裝費用低 。
傳輸介質：雙絞線、光纜、紅外線等，網絡可在各種工業(yè)環(huán)境聯接，并可混合使用 。
（２）數據鏈路層
協議傳輸：全雙工、集總幀（summation-frame）結構 ，網絡上的所有I/O可同時更新數據 。
協議仲裁：無仲裁，數據可無干擾地連續(xù)傳送 。
數據吞吐量：在7.8ms內可讀寫4096個數據，I/O數據更新時間比解決應用邏輯需要的時間快數倍 。
錯誤校驗：每次網絡聯接都進行CRC校驗，傳輸數據更可靠、正確 。
（３）應用層
診斷：可實現網絡故障定位，實現更多的正常工作時間，減少維護費用，提高可靠性 。
協議的適應性：支持高速的數字量、模擬量和client-sever信息的傳輸，可適應絕大多數的控制要求 。
I/O的擴展性：可聯接254個遠程站點，4096個I/O 有更好的系統(tǒng)適應性 。
（４）連通性
開放性：1000多家廠商提供2500多種兼容設備， 可供選擇的供應商多，能為系統(tǒng)提供最優(yōu)的配置 。
標準 ：DIN19258 EN50254 IEC61158 ，系統(tǒng)標準統(tǒng)一
（５）數據傳輸
INTERBUS的數據傳輸類似于一個遠程距離移位寄存器，數據從總線控制板的數據寄存器移出，經過網絡上的BK模塊和I/O模塊，又移入總線控制板的寄存器。也就是說，數據從總線控制板上的數據寄存器的移進移出是同時進行的（全雙工模式）。INTERBUS數據是完全幀傳送的。兩種幀類型：ID周期幀和數據周期幀。ID周期幀在INTERBUS總線系統(tǒng)初始化時須讀取，以產生過程映像。在ID周期幀成功執(zhí)行后，INTERBUS總線設備內部切換到數據寄存器，只執(zhí)行數據幀，以實現數據的傳輸。
INTERBUS作為一種基于現場的總線系統(tǒng)，在I/O網絡中有十分快的通訊速度：254個I/O時，距離12.8km時為15ms，300m時為3ms。在信息管理層，INTERBUS通過以太網實現互聯，I/O層（I/O level）、現場層（field level）、控制層(control level)使用INTERBUS系統(tǒng)，上層管理層（management level）通過以太網相連接并和internet相聯，從而用戶可通過PC機撥號上網，對遠方的INTERBUS網絡的設備進行操作并獲取設備的數據信息。
二、在光電切紙機中的應用
我廠三、四分廠引進的光電切紙機使用了INTERBUS現場總線系統(tǒng)。其系統(tǒng)采用光纖作為通訊介質，使傳輸速度更快。
光電切紙機使用西門子公司的SIMATIC S5作為上位機，控制變頻調速電動機來進行切紙。各設備之間的通訊使用現場總線INTERBUS系統(tǒng) 。光電切紙機分為五個部分，放紙架單元、打標單元、橫切刀單元、搭接單元，送紙單元，它們分別位于三組控制柜中，分別由三個不同的SIMATIC S5 PLC 控制。其特點是
（1） 控制分散：整個設備內部有15臺電動機及上百個開關和電磁閥,且電動機均采用了變頻傳動。
（2）中央監(jiān)控：各部分的工作狀態(tài)要求傳送到中心控制器+H1柜中的PLC S5中，進行數據的顯示和故障信息的顯示并可以根據需要進行數據的打印處理。
對于光電切紙控制系統(tǒng)，如果現場信號的連接采用點對點的放線方式，就產生了由于現場設備分散，點對點需要敷設大量控制電纜的問題。另外，從控制的角度還有一個更重要的問題――長線控制問題：一部分控制電纜放線的長度過長，會帶來控制壓降過大和交流電容過高，導致繼電器工作不穩(wěn)定等問題。針對這些問題，雖有多種解決方法，但是都不經濟。而現場總線系統(tǒng)的使用正好解決了這幾個問題。一根通訊總線貫穿現場將分散在現場的模塊子站聯成一個樹形網絡，子站的輸入/輸出模塊安裝在控制柜中。
其拓撲結構如下：
（3）INTERBUS系統(tǒng)在H18柜SIMATIC S5系統(tǒng)中的系統(tǒng)硬件結構，見（圖一）。H10和H1柜中的結構與此相近。
圖一
如圖一所示，SIMATIC S5系統(tǒng)項目下方分別建立了四個IBS ST 24-LK光電轉換模塊，每個轉換模塊帶有幾個I/O模擬和數字的輸入輸出模塊，把現場的數據轉換成光信號，進行數據的傳輸。該系統(tǒng)是光電切紙機的門和搭接控制系統(tǒng)的數據采集部分。由于該部分的傳感器、電磁離合器、光電開關、閥門現場位置分散，數量較多，所以把每一組光電轉換模塊都安裝在離現場儀表較近的控制柜中，較好的解決了布線問題，使布線簡潔、維修方便，而且較好的解決了由于切紙機系統(tǒng)中使用變頻器所帶來的頻率干擾問題，使系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增強。
三、下面以H18柜為例簡單的描述一下INTERBUS系統(tǒng)通訊功能在SIMATIC S5系統(tǒng)中的實現
OB1是S5的組織塊，是S5系統(tǒng)軟件中的主程序，應用程序通過模塊化的編程，通過程序的調用執(zhí)行。OB21和OB22也是組織塊，其中OB22是PLC電源上電時加載，即所謂的冷啟動，OB21是PLC從STOP狀態(tài)到START狀態(tài)時加載，即所謂的熱啟動。在啟動完成之后，交給OB1主程序。我們在OB21和OB22中加入FB210功能塊，調用FB60，使INTERBUS總線和PLC實現同步，生成和輸入數據塊的基本數據，等待控制器讀取。同時我們在OB1調用FB66輸入處理程序和FB68輸出處理程序兩個PHONEX標準功能塊，負責數據的讀寫，實現對遠程數據的處理,同時由于INTERBUS總線的時間處理周期和SIMATIC S5 PLC的時間處理周期不會完全同步，所以我們在主程序中加入了一個INTERBUS總線的故障診斷、復位、啟動、激活等功能的處理程序，以便使INTERBUS總線系統(tǒng)在SIMATIC S5系統(tǒng)中運行穩(wěn)定、可靠。其調用格式為下面所述。
OB1 主程序
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Segment 5
JU FB 66 調用接收塊程序
NAME:GET-NOTI 接收程序的名稱
DB:DB209 接收程序塊使用的數據塊
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Segment 6
JU FB214
NAME:DSCDIA
DIDB:14 診斷數據塊
NSTR:F100.0 啟動INTERBUS
AUTO:F0.0 激活按鈕
RUN:F100.2 故障信息自動應答
PF:F100.3 &n
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