甘肅信成自動(dòng)化工程有限公司 賈生番 劉新堅(jiān)

［摘要］作為IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線，INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線使用雙絞線、光纖或無(wú)線進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。其獨(dú)特的環(huán)行數(shù)據(jù)流方式，使得具有很高的穩(wěn)定性、傳輸效率和很強(qiáng)的診斷功能。此外，菲尼克斯電氣生產(chǎn)的直接現(xiàn)場(chǎng)安裝的各種產(chǎn)品減少了安裝時(shí)間和花費(fèi)，從而降低了安裝費(fèi)用，而且也不再需要傳統(tǒng)的布線。在汽車、造紙、煙草等制造自動(dòng)化系統(tǒng)中大量使用，具有廣泛的適用性。本文略述INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品在鋁行業(yè)中的應(yīng)用，具有推廣價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］ INTERBUS總線 Fieldline系統(tǒng)

1. 關(guān)于INTERBUS 總線
菲尼克斯電氣一直致力于中國(guó)自動(dòng)化事業(yè)的發(fā)展。作為現(xiàn)場(chǎng)總線、PC-Based、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的先導(dǎo)，菲尼克斯率先提出了FIELDBUS+ETHERNET這一新型自動(dòng)化方案，構(gòu)造了完善的工業(yè)企業(yè)管理控制網(wǎng)絡(luò)。
上個(gè)世紀(jì)末以來(lái)，隨著通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了深刻變革。德國(guó)Phoenix Contact公司努力投身于這一時(shí)代浪潮，在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PC-Based技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)這自動(dòng)化界三大重要革新中引領(lǐng)著世界的步伐。
作為現(xiàn)場(chǎng)總線的鼻祖，來(lái)自德國(guó)的Phoenix Contact公司的INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線誕生于1986年，采用非常獨(dú)特的集總幀傳輸協(xié)議，有效數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)52%，具備強(qiáng)大的故障診斷功能；采用雙絞線無(wú)中繼器傳輸距離長(zhǎng)達(dá)12.8公里；；單主站可連接最多達(dá)255個(gè)從站；掃描4096 I/O點(diǎn)的時(shí)間僅為7.8毫秒（500Kbps）。以其技術(shù)的先進(jìn)性、開放性、成熟性廣泛適用于汽車、機(jī)器、物流設(shè)備、卷煙設(shè)備等各種制造業(yè)領(lǐng)域中。在全球有3000多個(gè)總線設(shè)備生產(chǎn)廠家，安裝節(jié)點(diǎn)超過(guò)400萬(wàn)個(gè)，現(xiàn)已成為眾多廠家首選的自動(dòng)化系統(tǒng)之一。INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN-50254、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN-19258和中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 10308-8所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。
今天，作為現(xiàn)場(chǎng)總線、PC-Based、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的先導(dǎo)，菲尼克斯又率先提出了FIELDBUS+ETHERNET這一新型自動(dòng)化方案，構(gòu)造了完善的工業(yè)企業(yè)管理控制網(wǎng)絡(luò)，致力于中國(guó)自動(dòng)化事業(yè)的發(fā)展。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，各種現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，在IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，八種總線（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、 ControlNet、SwiftNet）均列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，形成多種總線共同競(jìng)爭(zhēng)的局面。
INTERBUS作為IEC61158標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)、機(jī)器加工等行業(yè)中，用于從傳感器/執(zhí)行器到計(jì)算機(jī)控制站的信號(hào)連接，是一種開放的串行總線系統(tǒng)。INTERBUS總線協(xié)議于1984年推出，其主要技術(shù)開發(fā)者為德國(guó)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(dá)750萬(wàn)節(jié)點(diǎn)。
１.1 INTERBUS總線結(jié)構(gòu)
INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)和本地總線網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)傳送相同的信號(hào)但電平不同。遠(yuǎn)程總線網(wǎng)絡(luò)用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送,采用RS-485傳輸，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)采用全雙工方式進(jìn)行通訊，通訊速率為500k/s。本地總線網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上的總線終端BT（BUS Terminal）上的BK模塊負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
INTERBUS總線上的主要設(shè)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(shè)備中的總線控制板。總線控制板是INTERBUS總線上的主設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議的控制、錯(cuò)誤的診斷、組態(tài)的存儲(chǔ)等功能。I/O模塊實(shí)現(xiàn)在總線控制板和傳感器/執(zhí)行器之間的接收和數(shù)據(jù)傳輸，可處理的數(shù)據(jù)類型包括機(jī)械制造和流程工業(yè)的所有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
1.２ INTERBUS總線的協(xié)議特點(diǎn)
（１）物理層
結(jié)構(gòu)：硬件數(shù)據(jù)環(huán)，所有設(shè)備在組態(tài)時(shí)自動(dòng)編址 。
距離：分布式，最長(zhǎng)距離可達(dá)12.8km，系統(tǒng)安裝費(fèi)用低 。
傳輸介質(zhì)：雙絞線、光纜、紅外線等，網(wǎng)絡(luò)可在各種工業(yè)環(huán)境聯(lián)接，并可混合使用 。
（２）數(shù)據(jù)鏈路層
協(xié)議傳輸：全雙工、集總幀（summation-frame）結(jié)構(gòu) ，網(wǎng)絡(luò)上的所有I/O可同時(shí)更新數(shù)據(jù) 。
協(xié)議仲裁：無(wú)仲裁，數(shù)據(jù)可無(wú)干擾地連續(xù)傳送 。
數(shù)據(jù)吞吐量：在7.8ms內(nèi)可讀寫4096個(gè)數(shù)據(jù)，I/O數(shù)據(jù)更新時(shí)間比解決應(yīng)用邏輯需要的時(shí)間快數(shù)倍 。
錯(cuò)誤校驗(yàn)：每次網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接都進(jìn)行CRC校驗(yàn)，傳輸數(shù)據(jù)更可靠、正確 。
（３）應(yīng)用層
診斷：可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障定位，實(shí)現(xiàn)更多的正常工作時(shí)間，減少維護(hù)費(fèi)用，提高可靠性 。
協(xié)議的適應(yīng)性：支持高速的數(shù)字量、模擬量和client-sever信息的傳輸，可適應(yīng)絕大多數(shù)的控制要求 。
I/O的擴(kuò)展性：可聯(lián)接254個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)，4096個(gè)I/O 有更好的系統(tǒng)適應(yīng)性 。
（４）連通性
開放性：1000多家廠商提供2500多種兼容設(shè)備， 可供選擇的供應(yīng)商多，能為系統(tǒng)提供最優(yōu)的配置 。
標(biāo)準(zhǔn) ：DIN19258 EN50254 IEC61158 ，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一
（５）數(shù)據(jù)傳輸
INTERBUS的數(shù)據(jù)傳輸類似于一個(gè)遠(yuǎn)程距離移位寄存器，數(shù)據(jù)從總線控制板的數(shù)據(jù)寄存器移出，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(shuō)，數(shù)據(jù)從總線控制板上的數(shù)據(jù)寄存器的移進(jìn)移出是同時(shí)進(jìn)行的（全雙工模式）。INTERBUS數(shù)據(jù)是完全幀傳送的。兩種幀類型：ID周期幀和數(shù)據(jù)周期幀。ID周期幀在INTERBUS總線系統(tǒng)初始化時(shí)須讀取，以產(chǎn)生過(guò)程映像。在ID周期幀成功執(zhí)行后，INTERBUS總線設(shè)備內(nèi)部切換到數(shù)據(jù)寄存器，只執(zhí)行數(shù)據(jù)幀，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
INTERBUS作為一種基于現(xiàn)場(chǎng)的總線系統(tǒng)，在I/O網(wǎng)絡(luò)中有十分快的通訊速度：254個(gè)I/O時(shí)，距離12.8km時(shí)為15ms，300m時(shí)為3ms。在信息管理層，INTERBUS通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，I/O層（I/O level）、現(xiàn)場(chǎng)層（field level）、控制層(control level)使用INTERBUS系統(tǒng)，上層管理層（management level）通過(guò)以太網(wǎng)相連接并和internet相聯(lián)，從而用戶可通過(guò)PC機(jī)撥號(hào)上網(wǎng)，對(duì)遠(yuǎn)方的INTERBUS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行操作并獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。

2. 控制系統(tǒng)構(gòu)成
電解鋁生產(chǎn)是典型的流程型生產(chǎn)模式，生產(chǎn)工程是否穩(wěn)定直接影響到電解鋁生產(chǎn)的順利進(jìn)行。因此在電解鋁的生產(chǎn)中，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)工藝參數(shù)，以保證生產(chǎn)計(jì)劃安全高效地完成。青海鋁廠把INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)用于陽(yáng)極組裝及殘極處理車間。該車間長(zhǎng)216m，為電解車間制備新陽(yáng)極組，即將電解槽上卸下的殘極運(yùn)至本車間，經(jīng)裝站掛到積放式懸掛輸送機(jī)（以下簡(jiǎn)稱懸鏈）上，由懸鏈吊運(yùn)殘極依次通過(guò)電解質(zhì)清理、殘極拋丸處理、殘極壓脫、磷鐵環(huán)壓脫、導(dǎo)桿矯直、鋼爪清刷、涂石墨、導(dǎo)桿清刷、澆鑄磷生鐵等流水作業(yè)站，組裝出新的陽(yáng)極組。懸鏈生產(chǎn)線是該車間的主體，電解槽上換下的殘極在該生產(chǎn)線裝站掛到懸鏈上。懸鏈上裝有約120組小車，小車上吊運(yùn)著殘極，沿懸鏈前進(jìn)，在不同作業(yè)站進(jìn)行處理，最后在卸站下線進(jìn)入澆鑄工作區(qū)，經(jīng)澆鑄后成為合格的新陽(yáng)極組。
由于本工程的現(xiàn)場(chǎng)I/O檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，且分布廣、距離遠(yuǎn)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣。該廠由于地處西北，冬天溫度可達(dá)零下20度，PLC的防護(hù)等級(jí)比較低，一般工作溫度為零度至40度，很難滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。如將PLC放在控制室內(nèi)采用傳統(tǒng)的集中式控制，將耗費(fèi)大量的控制電纜和電纜橋架，并且極大增加敷設(shè)電纜和安裝橋架的工程量，同時(shí)給調(diào)試帶來(lái)很大的不便，并對(duì)日后的維護(hù)產(chǎn)生很大的困難。
針對(duì)于上述情況，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工藝和便于維護(hù)的要求，選擇一種控制子站數(shù)目多，布線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、工作溫度范圍適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、系統(tǒng)安全可靠，診斷功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。INTERBUS系統(tǒng)除了可以連接菲尼克斯自己的控制器以外，還可以連接ROCKWELL，SIEMENS，SCHNEIDER等公司的PLC，采用一根總線電纜連接、總傳輸距離長(zhǎng)達(dá)12.8KM，工作溫度范圍為零下25度到零上55度，強(qiáng)大的診斷功能給維護(hù)帶來(lái)極大的方便。
自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)采用菲尼克斯的INTERBUS總線，采用新的Fieldline系統(tǒng)，共有89個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作業(yè)進(jìn)行信號(hào)的采集控制。根據(jù)工程需要，整個(gè)控制系統(tǒng)由操作員站（OPS）和控制站（PLC）兩級(jí)構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PLC、INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線組成的多級(jí)、開放式集散數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理系統(tǒng)。因車間內(nèi)粉塵大，所有菲尼克斯的現(xiàn)場(chǎng)I/O模板都選用IP67防護(hù)等級(jí)的Fieldline一體化模塊INTERBUS M12，通過(guò)兩個(gè)M12連接器連接總線，用于向遠(yuǎn)程總線供電，并提供INTERBUS通信。Fieldline M12模塊允許傳感器和執(zhí)行器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)M12連接器相連。采用西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，CPU為315-2DP。另采用1塊菲尼克斯公司提供的INTERBUS控制板IBS S7300 DSC-T將S7300 PLC和INTERBUS相連接。系統(tǒng)操作站選用研華工控機(jī)，監(jiān)視控制站的所有信息，進(jìn)行顯示、操作、記錄、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表輸出，并可以按一定的權(quán)限進(jìn)行控制的組態(tài)和參數(shù)修改等操作。系統(tǒng)控制站通過(guò)控制單元檢測(cè)和控制裝備對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)系統(tǒng)總線與操作員站相連，向操作站傳遞現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且接受操作站的管理和控制信息。編程軟件為菲尼克斯的CMD,組態(tài)、監(jiān)控和診斷軟件CMD，是貫穿系統(tǒng)整個(gè)生命周期中所使用的工具，即從規(guī)劃和組態(tài)，到系統(tǒng)的調(diào)試，再到系統(tǒng)運(yùn)行以及維護(hù)中的診斷。無(wú)論你使用的是什么類型的控制器，這個(gè)軟件都適用。啟動(dòng)階段如總線發(fā)生故障，出錯(cuò)位置可以在CMD和直接在電路圖視窗中顯示出來(lái)。

圖1

3、結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，用戶考核，INTERBUS系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足工藝控制要求，具有自動(dòng)化程度高、可靠性高、精確度高、響應(yīng)時(shí)間快、維護(hù)量小的特點(diǎn)。同時(shí)，提高了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平、改善了勞動(dòng)條件、降低了生產(chǎn)成本，使企業(yè)的自動(dòng)化水平邁上了一個(gè)新臺(tái)階，得到了用戶的好評(píng)，極具推廣價(jià)值。

參考資料：《菲尼克斯電氣自動(dòng)化系統(tǒng)手冊(cè)》
《INTERBUS 用戶手冊(cè)》