將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線用于紙漿白度測(cè)定的智能白度儀的設(shè)計(jì)

1.前言

我們新研制出一種用于紙漿白度測(cè)定的智能白度儀，白度測(cè)定儀采用最新半導(dǎo)體光源技術(shù)，使用壽命達(dá)10萬小時(shí)（免除您更換和維修煩惱），儀器不再發(fā)熱，可24小時(shí)連續(xù)開機(jī)，節(jié)能環(huán)保、自動(dòng)校正，儀器穩(wěn)定性、可靠性、光源壽命等指標(biāo)得到了極大提高。該儀器用于測(cè)量物體表面的蘭光白度，技術(shù)性能符合JB/T9327-1999白度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定結(jié)果數(shù)碼顯示，也可用打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來（打印機(jī)為選配件由用戶根據(jù)需要自行選擇），操作簡便、精度高。適用于面粉、淀粉、米粉、食鹽、紡織品、印染、化纖、塑料、瓷土、滑石粉、白水泥、涂料、油漆、陶瓷、搪瓷、紙張、紙漿等行業(yè)需對(duì)產(chǎn)品白度進(jìn)行測(cè)定的部門。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的選擇

現(xiàn)場(chǎng)總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)和模擬信號(hào)，通過通訊的數(shù)字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）?，F(xiàn)場(chǎng)總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

現(xiàn)場(chǎng)總線集控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)于一體，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。這項(xiàng)技術(shù)可將多個(gè)智能控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算機(jī)控制，提高檢測(cè)和控制精度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

近年來，幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域里顯示出各自的優(yōu)勢(shì)。在此，我們選定了現(xiàn)為德國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS（Process Fieldbus）現(xiàn)場(chǎng)總線。一方面由于它是目前數(shù)據(jù)傳輸率最快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸率最高可達(dá)12Mbps，另一方面它能夠很好的與西門子的傳動(dòng)設(shè)備相配合，PLC主要是指數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機(jī)械的生產(chǎn)過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。PLC = Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。

2.2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線簡介

參照ISO/OSI參考模型，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線只包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS， PROFIBUS-PA組成PROFIBUS系列。

PROFIBUS-DP：經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線。

PROFIBUS-FMS ：解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、可編程序控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化控制。

PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全的傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IEC1158-2中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合及由總線供電的站點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)中采用的是PROFIBUS-DP標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS-DP（或DP標(biāo)準(zhǔn)）是由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170定義的一種遠(yuǎn)程I/O通信協(xié)議。DP表示分布式外圍設(shè)備，亦即遠(yuǎn)程I/O。PROFIBUS-DP還用到了應(yīng)用層接口（ALI），ALI將過程對(duì)象轉(zhuǎn)換為通信對(duì)象。

3.智能白度儀原理簡介

智能白度儀在結(jié)構(gòu)上主要由光學(xué)通路和測(cè)量電路兩大部分組成。光學(xué)通路部

分主要包括光源、聚光鏡、濾光片、光電池、光纖等光學(xué)元器件，采用了差動(dòng)測(cè)量光路，用雙光路進(jìn)行補(bǔ)償。在光源照射下輸出兩路光電流，一路作為測(cè)量光電流IX，另一路為補(bǔ)償光電流IR。測(cè)量電路部分由西門子公司的S7-200 PLC系列的CPU 224、模擬量擴(kuò)展模塊EM 235、顯示部分組成。工作時(shí)傳感器直接裝在洗漿機(jī)上，通過測(cè)量洗漿機(jī)上漿餅的白度來獲得紙漿白度。整個(gè)儀表框圖如圖1所示。

圖1 智能白度儀結(jié)構(gòu)框圖

4.網(wǎng)絡(luò)組成

4.1 硬件配置

選用S7-315-2DP作為PROFIBUS主站，EM 277作PROFIBUS的從站。EM 277經(jīng)過串行I/O總線連接到S7-224 CPU。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過其DP通信端口，連接到EM 277 PROFIBUS-DP模塊。HMI通過EM 277監(jiān)控S7-224。編程器或PC通過EM 277對(duì)S7-224編程，編程軟件選用STEP 7-Micro/WIN。此網(wǎng)絡(luò)支持9.6K到12M的波特率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)配置圖

4.2 軟件組成

DP從站主要是完成各自獨(dú)立的控制程序，在這不作介紹；DP主站則以組態(tài)為主，完成主從站之間的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理及主站對(duì)從站的監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中，EM 277用DP主站組態(tài)，以接受從主站來的輸出數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)返回給主站。輸出和輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)駐留在S7-224 CPU的變量存儲(chǔ)器（V存儲(chǔ)器）內(nèi)。組態(tài)軟件用STEP 7編程軟件。在組態(tài)DP主站時(shí)，定義V存儲(chǔ)器偏移為1000，輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)從V1000開始；輸入緩沖區(qū)緊緊跟隨輸出緩沖區(qū)，并在V1016處開始。輸出數(shù)據(jù)（從主站來）放置在V存儲(chǔ)器中的V1000。輸入數(shù)據(jù)（傳送到主站）取自V存儲(chǔ)器的V1016。同時(shí)，定義了16輸出字節(jié)和16輸入字節(jié)的一種I/O配置，它是寫入到S7-224 CPU的輸出數(shù)據(jù)總量和從S7-224 CPU返回的輸入數(shù)據(jù)總量。EM 277從I/O配置確定輸入和輸出緩沖區(qū)的大小。DP主站將參數(shù)賦值和I/O配置信息寫入到EM 277 PROFIBUS-DP模塊，然后，EM 277將V存儲(chǔ)器地址和輸入及輸出數(shù)據(jù)長度傳送給S7-224 CPU。主站部分的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 DP主站主程序流程圖

5.結(jié)束語

使用EM 277將智能白度儀作為DP從站連接到網(wǎng)絡(luò)，使此儀表具有了與其它智能設(shè)備進(jìn)行通信的能力。對(duì)紙漿白度的控制會(huì)更加及時(shí)、精確，將顯著提高紙的質(zhì)量。從而使得造紙工業(yè)原有的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)更加完善。