摘 要：本文介紹了Modbus plus總線、INTTERBUS及MODBUS現場總線的特點，重點闡述了在整條啤酒灌裝生產線采用Modbus plus總線、 INTTERBUS及Modbus現場總線相結合的控制系統的設計與應用。
關鍵詞：現場總線 Modbus plus INTTERBUS Modbus 啤酒灌裝 控制系統
Abstract This paper introduces the characteristic of Modbus plus bus、 INTTERBUS and Modbus field bus，The design and application of control system by Modbus plus bus、 INTTERBUS and Modbus field bus in the product line of beer package is emphatically demonstrated.
Keywords Field bus Modbus plus INTTERBUS Modbus Beer package Control system
0. 引言
目前國內啤酒灌裝生產線不管是引進生產線，還是國產生產線，單機采
用現場總線技術已比較普遍，但還未有整條生產線采用現場總線聯網。現場總線是連接現場智能設備和自動化控制系統之間的數字化、雙向傳輸和多分支結構的通訊網絡。現場總線能夠代替?zhèn)鹘y的現場設備與控制系統之間的數據傳輸方式；可以通過其診斷功能，獲取設備上的大量數據，及時判斷故障點所在，以降低故障發(fā)生時間；可以遠程監(jiān)控現場的實時數據。要實現企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，實現底層現場設備之間、以及自動化與外界的信息交換，就必須采用現場總線。與傳統的設備間一對一的接線方式相比，現場總線可以節(jié)省大量電纜、槽架及相應的接口設備，同時，由于所有的連線都變得簡單明了，系統設計、安裝、維護的工作量也隨之大大減少，以后還可與ERP系統方便地連接，實現企業(yè)測、控、管一體化。
1. Modbus plus總線
Modbus plus（即MB+）總線協議是由美國Modicon Inc.（該公司已被施
耐德電氣公司收購）開發(fā)設計的一種工業(yè)數據總線，適用于建立工業(yè)實時控制局域網。典型的應用包括過程控制、數據監(jiān)測、程序上傳/下載、遠程編程、連接操作員接口及主計算機數據采集。
Modbus plus總線協議是一種異步半雙工通訊的對等網絡協議，遵循IEEE802.4局域網標準，物理接口是RS485，通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖，最大節(jié)點數64個，通訊速率1Mbps。
作為一個判定性高速令牌循環(huán)式現場總線，Modbus plus總線網絡以1Mbps的速率進行通訊，可以快速存取過程數據，它的實力表現在它的控制實時控制裝置如I/O裝置的能力，不會由于加載或通訊量的原因而性能有所下降。由于Modbus plus綜合高速、對等通訊和易于安裝等特點，使得計算機、可編程邏輯控制器（PLC）和其它數據源，通過使用低成本的雙絞線電纜或光纖電纜在整個網絡上作為同位體進行通信。
2. INTTERBUS總線
INTERBUS現場總線由德國Phoenix Contact 公司開發(fā)，INTERBUS Club俱樂部支持。INTERBUS在全球有 1000多家總線設備生產商，提供2500多種產品，到目前為止，INTERBUS在全球自動化領域已有50多萬套應用系統得到廣泛應用。
INTERBUS現場總線是一種開放的串行總線，可以構成各種拓撲形式，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現場設備，設備之間的最大距離400米，無需中繼器網絡的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠程總線和本地總線，遠程總線用于遠距離傳送數據，采用RS-485 傳輸，網絡本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己獨特的環(huán)路結構，環(huán)路使用標準電纜同時傳送數據和電源。環(huán)路可以連接模擬、數字設備甚至復雜的傳感器/執(zhí)行器，也允許直接接入智能終端儀表。
INTERBUS總線有很強的監(jiān)視診斷功能，總線監(jiān)控功能監(jiān)視整個網絡系統的運行狀態(tài)，同時也提供總線網絡的變結構功能，能及時根據設計要求，關斷和連接總線的某個子總線段。監(jiān)控功能是現場安裝、調試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，現場總線模塊具有輸入/輸出的狀態(tài)顯示，在調試時可設置輸出狀態(tài)，以及可以保存某些智能設備的參數。
3. Modbus總線
Modbus 現場總線協議是由美國Modicon Inc.（該公司已被施耐德電氣公司收購）于20世紀70年代提出的一種通訊協議，它是一種完全開放的協議，目前國際上有無數自動化和儀表廠商采用該種協議。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。
Modbus總線協議采用主站查詢從站的方式，物理接口可以是RS232、RS485、RS422、RJ45，通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖，采用RS232接口用
雙絞線作介質時不帶中繼器的最大距離為15m，最大節(jié)點數247個，通訊速率19.2Kbps。
4. 基于Modbus plus總線、INTTERBUS及MODBUS現場總線的控制系統設計
我公司2004年安裝一條3.6萬啤酒灌裝生產線，除酒機、標機、紙箱機為進口設備外，其它機臺包括輸送帶全為國產設備，國產機臺控制系統采用 INTTERBUS及MODBUS現場總線技術，而且將整條生產線所有機臺的PLC也聯結成MB+網, 整條生產線以后還能擴展上位機。
4.1. 網絡構成
整個控制系統是一個雙層網絡，上層采用MB+網作為數據采集及信息管
理層，用于與現場設備的快速、循環(huán)的數據交換，可掛32個節(jié)點；下層采用INTERBUS網，串接Momentum分布式I/O模塊。系統結構如圖1
4.2. 系統各部分功能
在整線共設有7個PLC現場控制站，分別是卸箱機現場站、輸箱系統現場站、裝箱機現場站、洗瓶機現場站、輸瓶系統現場站、殺菌機現場站、CIP現場站。作為控制的核心，現場控制站負責完成數據的采集和控制指令的發(fā)送，現場控制站由施耐德Momentum模塊化PLC組成，其通信適配器和處理器適配器只需插到I/O基板上就能按功能模件工作，I/O基板安裝在DIN導軌上，用INTERBUS通訊電纜將所有I/O模塊連接起來。現場控制站的主要硬件有：CPU（171CCS76000），MB+選項適配器（172PNN21022）、INTERBUS-S通訊適配器（170INT11000）、分布式I/O模塊（170ADI35000、170ADO35000、170AAI52040、170AAO92100）。
在主控室設有18個遠程I/O節(jié)點，由Momentum的一個MB+通信適配器（170PNT11020）和一個I/O模塊（輸入模塊170ADI35000或輸出模塊170ADO35000）組成，負責完成主控室有關數據的采集和輸出。
中間信息處理部分采用施耐德Quantum硬雙機熱備系統，正常時主機執(zhí)行相應程序，轉換現場控制站與主控室遠程I/O節(jié)點之間的數據，當主機電源、CPU、NOM、CRP失效時，在50ms之內，自動切換到備機工作。其硬件組成如下：
電源模塊（140CPS11100）為機架上的模塊提供總線電流和工作電壓。
CPU（140CPU11302）含有Modbus及MB+兩個通訊端口。
MB+通訊模塊（140NOM21100）為Quantum系統提供擴展通訊能力。
同步模塊（140CHS21000）含有兩個光纖通訊端口（發(fā)送和接收）。
遠程I/O處理模塊（140CRP93100）采用同軸電纜網絡互相連接。
通訊網絡采用開放的MB+網，用MB+站分支電纜（9針D型節(jié)點電纜）、MB+分支器（干纜分支器）、MB+網線電纜將所有MB+通訊模塊連接起來，主網上可連接32個節(jié)點，通過MB+通訊模塊（140NOM21100）還可擴展32個節(jié)點。
每個現場控制站都配有一個觸摸屏作為操作員站，觸摸屏與Moment CPU自帶的MODBUS口相連，用來監(jiān)控各機臺的情況，采用組態(tài)軟件，通過圖表、圖形、動畫等直觀方式，對各機臺的狀態(tài)進行查詢和監(jiān)控。
以后可在主控室擴展上位機，作為MB+的一個節(jié)點，用來監(jiān)控整條生產線的情況，采用組態(tài)軟件，通過圖表、圖形、動畫等直觀方式，對生產線上各臺設備狀態(tài)進行查詢和監(jiān)控。
4.3. 控制程序設計
本設計中采用Concept編程軟件，它是一款國際獲獎的軟件，它支持多種語言編程，包括梯形圖、語句表、功能塊、順序圖等。它使用對所有編輯器通用的標準菜單如File、Windows和Help，所有Windows標準，如打印機安裝打印命令，可無任何修改地使用，菜單命令簡化到相關功能唾手可得的狀態(tài)。Concept的一個最大的優(yōu)點在于它可以很方便地在線監(jiān)控程序的運行，并且在不中斷生產的情況下修改程序，最大限度地保證了生產的正常運行。 Concept提供了大量的標準控制功能塊，編程人員可從在線幫助手冊了解功能塊的應用范圍，還可利用這些塊制作出新的功能塊，并且相互間可以調用。
為使系統形成一個有機的整體，實現通訊功能，需要對硬件進行組態(tài)。 首先，通過拔動每個通訊模塊的兩個拔動開關為每一節(jié)點設置唯一的MB+網絡地址；然后在Concept軟件中為各現場控制站及雙機熱備系統建立一個項目，在主菜單Project的菜單命令PLC type中為項目選定相應的CPU 型號，在主菜單Configuration的菜單命令I/O map中為項目輸入相應的輸入輸出模塊參數。
網絡節(jié)點之間數據交換的方式和數據交換量的設定是由Concept軟件的PLC Configuration菜單下的Peer Cop功能菜單完成的。Modbus plus總線的Peer cop數據傳送方式允許在局域網上節(jié)點之間全局地或直接地進行寄存器數據傳送，在區(qū)域Go To選擇局部總線節(jié)點（0=CPU，1=槽號X，2=槽號Y），通過輸入其它總線節(jié)點地址以及通過設置傳輸數據的源地址和目標地址就可接收和發(fā)送全局信息或直接信息。
現場控制站的控制程序為啤酒灌裝各設備的標準功能，用Concept軟件的幾種編程語言都能編寫。
5. 結論
該系統自2004年7月投入使用，現運行穩(wěn)定可靠，由于采用現場總線技術，使用系統設計、安裝、維護的工作量都大為減少，節(jié)約了大量電纜，而且由于整條生產線采用了現場總線聯網，使我公司在應用先進技術方面邁上了一個新的臺階，該項目達到了國內領先水平，產生了較大的社會效益，以后擴展整線上位機后，更能實現企業(yè)測、控、管一體化。
參考文獻
1. Modicon Modbus plus Network Planning and Installation Guide
2. Modicon Modbus plusBridge/Multiplexer User's Guide
3. Modicon TSX Quantum硬件手冊
4. [ZK（）Modicon Modbus plus Network I/O Servicing Guide