摘 要： 簡述了PROFIBUS現(xiàn)場總線，并詳細介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的鈷－60集裝箱檢查控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其所實現(xiàn)的功能以及系統(tǒng)的特性和優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng) PROFIBUS總線 鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)
現(xiàn)場總線(Fieldbus)技術(shù)是一種實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了通信能力，通過把它們連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得建構(gòu)一種全數(shù)字、全分散、全開放的控制系統(tǒng)成為可能，導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革。
作為當前自動化領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，現(xiàn)場總線仍處在不斷的發(fā)展中，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多種現(xiàn)場總線標準，如PROFIBUS、LonWorks、CAN、HART等。由不同行業(yè)發(fā)展起來的現(xiàn)場總線產(chǎn)品技術(shù)水平各不一樣，應(yīng)用范圍和前景也各不相同，現(xiàn)在仍沒有國際統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準。因此，在采用該技術(shù)進行實際的控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須綜合考慮各方面的因素，使所選擇的產(chǎn)品滿足系統(tǒng)的實際需要，并符合技術(shù)發(fā)展的主流。
鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)是一種利用數(shù)字輻射成像原理的大型射線無損檢測設(shè)備，為了保證環(huán)境的輻射安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對控制系統(tǒng)的安全性和可靠性要求非常高。綜合比較世界上幾種較為流行的現(xiàn)場總線，選用了德國西門子公司基于PROFIBUS總線的S7系列PLC產(chǎn)品，建立起功能完備、技術(shù)先進的集裝箱檢查控制系統(tǒng)。
1 PROFIBUS概述
PROFIBUS作為符合歐洲標準EN 50170的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準，由西門子、ABB等十幾家公司和德國技術(shù)部共同推出，是目前國際上推廣速度最快、用戶最多、應(yīng)用范圍最廣、最有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線。PROFIBUS總線對ISO/OSI模型的七層通信體系結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，這種流體型結(jié)構(gòu)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院陀行浴ROFIBUS總線包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三個兼容版本。其中DP協(xié)議主要用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，最高傳輸速度可達1.5Mbps，尤其適合自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用。
PROFIBUS可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間級網(wǎng)絡(luò)化，系統(tǒng)分為主站和從站，是一種單主站、多從站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，如輸入輸出設(shè)備、驅(qū)動器等，它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院開發(fā)研制的鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)利用了γ射線與物質(zhì)相互作用的原理，以移動式60Co工業(yè)γ照相機作為放射源。放射源發(fā)射出的γ射線束穿過被檢物體后，進入陣列探測器轉(zhuǎn)化為與射線強度成正比的電信號，經(jīng)過前置放大器放大、信號采集電路完成A/D變換后送到數(shù)據(jù)采集機，得到反映集裝箱內(nèi)物體分布情況的二維投影圖像。鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)包括射線源、準直器、陣列探測器、電子學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集機、圖像處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。
控制系統(tǒng)是鈷－60集裝箱檢查站的重要組成部分之一，它協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運作，并保證整個鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)的正常運行。控制系統(tǒng)主要包括拖車的運行控制、圖像數(shù)據(jù)采集控制、射線源快門控制、安全聯(lián)鎖控制和系統(tǒng)運行監(jiān)控等部分。控制系統(tǒng)按功能可劃分為三個層次：現(xiàn)場設(shè)備層、設(shè)備控制層和管理監(jiān)控層，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。下面對這三個層次進行具體介紹。
(1)現(xiàn)場設(shè)備層：由各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成，主要包括光電傳感器、地感線圈、行程開關(guān)等現(xiàn)場信號輸入設(shè)備和變頻器、電機、數(shù)據(jù)采集機等運行設(shè)備。這些輸入輸出設(shè)備作為S7－215 PLC的I/O點接入現(xiàn)場總線。
(2)設(shè)備控制層：由分布在各個工作現(xiàn)場的S7－215 PLC和安裝在主控臺的S7－315PLC構(gòu)成，它們分別利用各自DP端口通過一根屏蔽雙絞線相連。構(gòu)成整個PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。其中S7－315 PLC作為主站，決定總線的傳輸速率，為每個子站分配網(wǎng)絡(luò)地址；多個S7－215 PLC作為子站，負責現(xiàn)場的信息采集并向主站發(fā)送有關(guān)信號，以及具體執(zhí)行控制命令，滿足集裝箱檢查系統(tǒng)的運行流程控制要求。
(3)管理監(jiān)控層：作為控制系統(tǒng)的人機交互接口，通過安裝有西門子公司SIMATIC WinCC組態(tài)軟件的中央監(jiān)控計算機實現(xiàn)對鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定和報警顯示、記錄等，并能提供完整的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和各種分析圖表。
3 系統(tǒng)功能
該控制系統(tǒng)完成對集裝箱檢查流程的運行控制，并實現(xiàn)系統(tǒng)的輻射安全聯(lián)鎖，防止工作人員的誤照射，保證工作人員的安全和系統(tǒng)的正常運行。主要功能包括：
(1)檢查通道起點：集裝箱卡車上拖車的引導(dǎo)控制；
(2)拖車的啟動、加速、減速、停車控制，保證集裝箱安全平穩(wěn)經(jīng)過檢查通道；
(3)檢查通道終點：集裝箱卡車駛離拖車的引導(dǎo)控制；
(4)數(shù)據(jù)采集機控制，完成采集機的自檢、校零和集裝箱圖像采集的啟停；
(5)屏蔽快門根據(jù)集裝箱的位置自動開啟和關(guān)閉，保證集裝箱圖像的完整性；
(6)放射源狀態(tài)、屏蔽快門、搖源操作箱門、檢查通道道桿和放射源室門的安全聯(lián)鎖控制，當集裝箱檢查系統(tǒng)運行時保證工作人員不能進入檢查通道和放射源室這兩個控制區(qū)域，從而保證工作人員的安全和系統(tǒng)正常運行。
控制系統(tǒng)的操作接口為安裝在主控臺上的操作面板和監(jiān)控計算機，界面采用漢化菜單與檢查流程圖相結(jié)合的方式，直觀清晰，操作簡便。主要功能如下：
(1)實現(xiàn)集裝箱檢查的自動控制操作；
(2)以動畫形式實時顯示集裝箱檢查流程、放射源位置和放射源室情況；
(3)動態(tài)反映設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，以表格、直方圖和歷史變化趨勢曲線等方法進行顯示；
(4)故障報警、顯示和數(shù)據(jù)圖表打印功能；
(5)故障和數(shù)據(jù)的歷史記錄和趨勢圖顯示，方便系統(tǒng)維修人員進行故障分析。
4 系統(tǒng)特性
與以前核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中基于模擬信號的控制系統(tǒng)相比，此基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的集裝箱檢查控制系統(tǒng)具有以下特點：
(1)安裝在現(xiàn)場的分布式I/O站點最大限度地減少控制信號傳輸電纜的數(shù)量和布線距離，降低了系統(tǒng)安裝成本，縮短了安裝調(diào)試周期；
(2)系統(tǒng)擴展容易，充分利用PROFIBUS總線的開放性，來自不同廠商的執(zhí)行器件均可以通過現(xiàn)場總線連接，方便地構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)；
(3)各設(shè)備作為控制系統(tǒng)的一個組成部分，與整個控制系統(tǒng)只通過一根電纜相連。設(shè)備的增減對系統(tǒng)而言只需極少電纜連接的改動和控制程序的少量修改；
(4)控制器件的選擇充分考慮開放性軟件設(shè)計的主流，大大提高了控制軟件的可重用性和對維護人員的開放性；
(5)基于PROFIBUS總線的編程更簡單。編程設(shè)備可從總線上的任一節(jié)點接入，系統(tǒng)維護方便，降低了系統(tǒng)調(diào)試強度；
(6)由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制精度，也提高了系統(tǒng)的可靠性；
(7)現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計的，可工作在比較惡劣的環(huán)境中，且具有很強的抗干擾能力，保證系統(tǒng)更穩(wěn)定的運行。
鈷－60集裝箱檢查系統(tǒng)是我國自行研制的大型集裝箱檢查設(shè)備，于1999年6月開始在福州海關(guān)馬尾港安裝并投入試運行，11月初正式通過驗收。其控制系統(tǒng)由于采用了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的分布式控制結(jié)構(gòu)，使得集裝箱檢查系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、簡單、可靠，近一年的實際運行情況良好，達到了設(shè)計目標，取得了很好的效果。
參考文獻
1 向新程，周立業(yè)，劉以思，王立強.60Co集裝箱檢測系統(tǒng)(TC－SCAN)控制系統(tǒng)的設(shè)計.第9屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集，1997
2 陽憲惠，徐用懋，魏慶福.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999