INTERBUS现场总线在光电切纸机中的应用

保定钞票纸厂 董会正

摘要：INTERBUS现场总线作为一种新的控制方式，发展迅速，它使用双绞线、光纤或无线进行数据混合传输，传输速率恒定为500K或2M，可以与带INTERBUS接口的各种设备之间进行数据通讯。其独特的环行数据流方式，使得具有很高的稳定性、传输效率和很强的诊断功能，在汽车、造纸、烟草等制造自动化系统中大量使用，具有广泛的适用性。本文详述在光电切纸机中使用INTERBUS系统，具有典型意义。

关键词： INTERBUS PLC 光电切纸机 组织块

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。
INTERBUS作为IEC61158标准之一，广泛地应用于制造业、机器加工等行业中，用于从传感器/执行器到计算机控制站的信号连接，是一种开放的串行总线系统。INTERBUS总线协议于1984年推出，其主要技术开发者为德国的Phoenix Contact公司，1986年开始在汽车制造中成功使用后，很快在各种行业中得到大量的使用，目前全球使用量达750万节点。

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（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。
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/执行器之间的接收和数据传输，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，最长距离可达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，能为系统提供最优的配置 。
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数据是完全帧传送的。两种帧类型：ID周期帧和数据周期帧。ID周期帧在INTERBUS总线系统初始化时须读取，以产生过程映像。在ID周期帧成功执行后，INTERBUS总线设备内部切换到数据寄存器，只执行数据帧，以实现数据的传输。
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
我厂三、四分厂引进的光电切纸机使用了INTERBUS现场总线系统。其系统采用光纤作为通讯介质，使传输速度更快。
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。针对这些问题，虽有多种解决方法，但是都不经济。而现场总线系统的使用正好解决了这几个问题。一根通讯总线贯穿现场将分散在现场的模块子站联成一个树形网络，子站的输入/输出模块安装在控制柜中。
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，见（图一）。H10和H1柜中的结构与此相近。

图一
如图一所示，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。由于该部分的传感器、电磁离合器、光电开关、阀门现场位置分散，数量较多，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。同时我们在OB1调用FB66输入处理程序和FB68输出处理程序两个PHONEX标准功能块，负责数据的读写，实现对远程数据的处理,同时由于INTERBUS总线的时间处理周期和SIMATIC S5 PLC的时间处理周期不会完全同步，所以我们在主程序中加入了一个INTERBUS总线的故障诊断、复位、启动、激活等功能的处理程序，以便使INTERBUS总线系统在SIMATIC S5系统中运行稳定、可靠。其调用格式为下面所述。
OB1 主程序
…
Segment 5
JU FB 66 调用接收块程序
NAME:GET-NOTI 接收程序的名称
DB:DB209 接收程序块使用的数据块

…
Segment 6
JU FB214
NAME:DSCDIA
DIDB:14 诊断数据块
NSTR:F100.0 启动INTERBUS
AUTO:F0.0 激活按钮
RUN:F100.2 故障信息自动应答
PF:F100.3 INTERBUS正在运行
BUQU:F100.4 外围设备故障
DTCT:F100.5 诊断功能激活

…
Segment 7
JU FB68
NAME:PUT-ACTV
IBDB:B209
:BE

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最优的现场仪表或设备，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。
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。目前在国内INTERBUS 总线相对于PROFIBUS，DEVICENT总线的应用还不算太广泛，但在欧洲，INTERBUS大量使用在汽车、烟草、造纸、印刷、仓储、食品、冶金、木材、纺织等行业。国内在一汽大众、上海大众、沈阳宝马、玉溪卷烟、北京卷烟、上海卷烟、首都机场、秦皇岛港口等各种行业中得以大量使用。随着我国国民经济发展需要和市场需求，以及INTERBUS在中国的推广，可以预期INTERBUS总线技术在我国的发展前景非常广阔。

参考资料： INTERBUS 用户手册