浅谈INTERBUS现场总线在光电切纸机上的应用

　　一、INTERBUS 总线概述

　　随着现场总线技术的出现和发展，各种现场总线的市场竞争日趋激烈，在IEC61158国际标准中，八种总线（FF的H1、FF-HSE、 Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、 ControlNet、SwiftNet）均列入国际标准，形成多种总线共同竞争的局面。现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

　　InterBus是一个传感器/调节器总线系统，特别适用于工业用途，能够提供从控制级设备至底层限定开关的一致的网络互联。它通过一根单一电缆来连接所有的设备，而无需考虑操作的复杂度，并允许用户充分利用这种优势来减少整体系统的安装和维护成本。INTERBUS作为IEC61158标准之一，广泛地应用于制造业和机器加工行业中，用于连接传感器/执行器的信号到计算机控制站，是一种开放的串行总线系统。INTERBUS总线于1984年推出，其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司。INTERBUS Club是INTERBUS 设备生产厂家和用户的性组织，目前在17个国家和地区设立了独立的Club组织，共有500多个成员。INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据，采用RS-485传输，网络本向不供电，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为500k/s.本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT（BUS Terminal）上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。

　　1、INTERBUS总线结构

　　INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离数据传送，采用RS-485传输，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为500k/s.本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据。

　　INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT（BUS Terminal）上的BK模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误的诊断、组态的存储等功能。I/O模块实现在总线控制板和传感器/执行器之间接收和传输数据，可处理的数据类型包括机械制造和流程工业的所有标准信号。

　　2、INTERBUS总线的协议特点

　　（1）物理层

　　结构：硬件数据环，所有设备在组态时自动编址 .

　　距离：分布式，长距离可达12.8km,系统安装费用低 .

　　传输介质：双绞线、光缆、红外线等，网络可在各种工业环境联接，并可混合使用 .

　　（2）数据链路层

　　协议传输：全双工、集总帧（summation-frame）结构 ,网络上的所有I/O可同时更新数据 .

　　协议仲裁：无仲裁，数据可无干扰地连续传送 .

　　数据吞吐量：在7.8ms内可读写4096个数据，I/O数据更新时间比解决应用逻辑需要的时间快数倍 .

　　错误校验：每次网络联接都进行CRC校验，传输数据更可靠、正确 .

　　（3）应用层

　　诊断：可实现网络故障定位，实现更多的正常工作时间，减少维护费用，提高可靠性 .

　　协议的适应性：支持高速的数字量、模拟量和client-sever信息的传输，可适应绝大多数的控制要求 .

　　I/O的扩展性：可联接254个远程站点，4096个I/O 有更好的系统适应性 .

　　（4）连通性

　　开放性：1000多家厂商提供2500多种兼容设备， 可供选择的供应商多，能为系统提供的配置 .

　　标准 :DIN19258 EN50254 IEC61158 ,系统标准统一

　　（5）数据传输

　　INTERBUS的数据传输类似于一个远程距离移位寄存器，数据从总线控制板的数据寄存器移出，经过网络上的BK模块和I/O模块，又移入总线控制板的寄存器。也就是说，数据从总线控制板上的数据寄存器的移进移出是同时进行的（全双工模式）。INTERBUS作为一种基于现场的总线系统，在I/O网络中有十分快的通讯速度：256个I/O时，距离12.8km时为15ms,300m时为3ms.在信息管理层，INTERBUS通过以太网实现互联，I/O层（I/O level）、现场层（field level）、控制层（control level）使用INTERBUS系统，上层管理层（management level）通过以太网相连接并和internet相联，从而用户可通过PC机拨号上网，对远方的INTERBUS网络的设备进行操作并获取设备的数据信息。

　　INTERBUS作为一种基于现场的总线系统，在I/O网络中有十分快的通讯速度：254个I/O时，距离12.8km时为15ms,300m时为3ms.在信息管理层，INTERBUS通过以太网实现互联，I/O层（I/O level）、现场层（field level）、控制层（control level）使用INTERBUS系统，上层管理层（management level）通过以太网相连接并和internet相联，从而用户可通过PC机拨号上网，对远方的INTERBUS网络的设备进行操作并获取设备的数据信息。

　　二、在光电切纸机中的应用

　　光电切纸机使用西门子公司的SIMATIC S5作为上位机，控制变频调速电动机来进行切纸。各设备之间的通讯使用现场总线INTERBUS系统 .光电切纸机分为五个部分，放纸架单元、打标单元、横切刀单元、搭接单元，送纸单元，它们分别位于三组控制柜中，分别由三个不同的 SIMATIC S5 PLC 控制。

　　其特点是

　　（1） 控制分散：整个设备内部有15台电动机及上百个开关和电磁阀，且电动机均采用了变频传动。

　　（2）中央监控：各部分的工作状态要求传送到中心控制器+H1柜中的PLC S5中，进行数据的显示和故障信息的显示并可以根据需要进行数据的打印处理。

　　对于光电切纸控制系统，如果现场信号的连接采用点对点的放线方式，就产生了由于现场设备分散，点对点需要敷设大量控制电缆的问题。另外，从控制的角度还有一个更重要的问题――长线控制问题：一部分控制电缆放线的长度过长，会带来控制压降过大和交流电容过高，导致继电器工作不稳定等问题。

　　其拓扑结构如下：

　　（3）INTERBUS系统在H18柜SIMATIC S5系统中的系统硬件结构，H10和H1柜中的结构与此相近。

　　SIMATIC S5系统项目下方分别建立了四个IBS ST 24-LK光电转换模块，每个转换模块带有几个I/O模拟和数字的输入输出模块，把现场的数据转换成光信号，进行数据的传输。该系统是光电切纸机的门和搭接控制系统的数据采集部分。所以把每一组光电转换模块都安装在离现场仪表较近的控制柜中，较好的解决了布线问题，使布线简洁、维修方便，而且较好的解决了由于切纸机系统中使用变频器所带来的频率干扰问题，使系统稳定性大大增强。

　　三、下面以H18柜为例简单的描述一下INTERBUS系统通讯功能在SIMATIC S5系统中的实现

　　OB1是S5的组织块，是S5系统软件中的主程序，应用程序通过模块化的编程，通过程序的调用执行。OB21和OB22也是组织块，其中OB22 是PLC电源上电时加载，即所谓的冷启动，OB21是PLC从STOP状态到START状态时加载，即所谓的热启动。在启动完成之后，交给OB1主程序。我们在OB21和OB22中加入FB210功能块，调用FB60,使INTERBUS总线和PLC实现同步，生成和输入数据块的基本数据，等待控制器读取。

　　四、结束语

　　在三、四分厂光电切纸机安装完成之后的生产使用中，INTERBUS系统运行稳定。INTERBUS现场总线系统在应用中有如下的特点：

　　（1） 维护简单

　　布线结构清晰、模块功能明确的优点是显而易见的。再加上总线系统本身具有的高诊断功能，使总线系统易于管理、维护和改造升级。

　　（2） 节省投资

　　a:节省了大量的控制电缆，降低了投入成本。

　　b:INTERBUS CLUB目前有一千多家，可为客户提供大量的产品，让客户选择性能价格的现场仪表或设备，从而有效地减少了对专用产品的依赖，减少了备品备件数量，节约了维护采购资金。

　　c:系统工作稳定、维护简单，为生产带来了安全和效益上的保证。

　　（3） 随着总线系统的三元素：控制技术、计算机技术、网络技术的不断发展，INTERBUS总线的先进性和经济性得到日益明显的体现，在控制领域的应用越来越大。

　　（4）在对实时响应、控制参数及结构复杂和控制要求更高的一些控制领域，PHOENIXCONTACT 公司已推出恒定2M的传输速率为来解决这些问题。为了满足未来工厂控制的需求，PHEONIX CONTACT和SIEMENS 共同推出PROFINET 协议，通过工业以太网进行数据交换，做到一网到底，解决工厂存在的困扰。

　　随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5-13psi的气动信号标准（PCS,Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0-10mA或4-20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了"集中控制"的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4-20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着"集中控制",该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS,Distributed Control System分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。

　　在控制一体化的发展趋势下，现场总线已成为控制技术的发展方向。 统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展成功的网络技术 ,过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。