INTERBUS现场总线产品在铝行业物流设备中的应用

甘肃信成自动化工程有限公司 贾生番 刘新坚

［摘要］作为IEC61158国际标准总线，INTERBUS现场总线使用双绞线、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。此外，菲尼克斯电气生产的直接现场安装的各种产品减少了安装时间和花费，从而降低了安装费用，而且也不再需要传统的布线。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。本文略述INTERBUS现场总线产品在铝行业中的应用，具有推广价值。

［关键词］ INTERBUS总线 Fieldline系统

1. 关于INTERBUS 总线
菲尼克斯电气一直致力于中国自动化事业的发展。作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯率先提出了FIELDBUS+ETHERNET这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业管理控制网络。
上个世纪末以来，随着通讯技术、计算机技术网络技术的飞速发展，工业自动化领域发生了深刻变革。德国Phoenix Contact公司努力投身于这一时代浪潮，在现场总线技术、PC-Based技术、工业以太网技术这自动化界三大重要革新中引领着世界的步伐。
作为现场总线的鼻祖，来自德国的Phoenix Contact公司的INTERBUS现场总线诞生于1986年，采用非常独特的集总帧传输协议，有效数据传输率高达52%，具备强大的故障诊断功能；采用双绞线无中继器传输距离长达12.8公里；；单主站可连接最多达255个从站；扫描4096 I/O点的时间仅为7.8毫秒（500Kbps）。以其技术的先进性、开放性、成熟性广泛适用于汽车、机器、物流设备、卷烟设备等各种制造业领域中。在全球有3000多个总线设备生产厂家，安装节点超过400万个，现已成为众多厂家首选的自动化系统之一。INTERBUS现场总线是国际标准IEC 61158、欧洲标准EN-50254、德国标准DIN-19258和中国机械工业标准JB 10308-8所规定的标准现场总线。
今天，作为现场总线、PC-Based、工业以太网技术的先导，菲尼克斯又率先提出了FIELDBUS+ETHERNET这一新型自动化方案，构造了完善的工业企业管理控制网络，致力于中国自动化事业的发展。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。
１.1 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。
1.２ 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。

2. 控制系统构成
电解铝生产是典型的流程型生产模式，生产工程是否稳定直接影响到电解铝生产的顺利进行。因此在电解铝的生产中，必须实时检测生产工艺参数，以保证生产计划安全高效地完成。青海铝厂把INTERBUS现场总线系统用于阳极组装及残极处理车间。该车间长216m，为电解车间制备新阳极组，即将电解槽上卸下的残极运至本车间，经装站挂到积放式悬挂输送机（以下简称悬链）上，由悬链吊运残极依次通过电解质清理、残极抛丸处理、残极压脱、磷铁环压脱、导杆矫直、钢爪清刷、涂石墨、导杆清刷、浇铸磷生铁等流水作业站，组装出新的阳极组。悬链生产线是该车间的主体，电解槽上换下的残极在该生产线装站挂到悬链上。悬链上装有约120组小车，小车上吊运着残极，沿悬链前进，在不同作业站进行处理，最后在卸站下线进入浇铸工作区，经浇铸后成为合格的新阳极组。
由于本工程的现场I/O检测点数量多，且分布广、距离远、现场作业环境恶劣。该厂由于地处西北，冬天温度可达零下20度，PLC的防护等级比较低，一般工作温度为零度至40度，很难满足现场恶劣环境的要求。如将PLC放在控制室内采用传统的集中式控制，将耗费大量的控制电缆和电缆桥架，并且极大增加敷设电缆和安装桥架的工程量，同时给调试带来很大的不便，并对日后的维护产生很大的困难。
针对于上述情况，为了适应现场环境、工艺和便于维护的要求，选择一种控制子站数目多，布线简单、维护方便、工作温度范围适应现场环境、系统安全可靠，诊断功能强大的系统。INTERBUS系统除了可以连接菲尼克斯自己的控制器以外，还可以连接ROCKWELL，SIEMENS，SCHNEIDER等公司的PLC，采用一根总线电缆连接、总传输距离长达12.8KM，工作温度范围为零下25度到零上55度，强大的诊断功能给维护带来极大的方便。
自动作业系统采用菲尼克斯的INTERBUS总线，采用新的Fieldline系统，共有89个节点，对现场设备的作业进行信号的采集控制。根据工程需要，整个控制系统由操作员站（OPS）和控制站（PLC）两级构成。系统硬件结构图如图1所示。该系统由计算机、PLC、INTERBUS现场总线组成的多级、开放式集散数据采集和监控管理系统。因车间内粉尘大，所有菲尼克斯的现场I/O模板都选用IP67防护等级的Fieldline一体化模块INTERBUS M12，通过两个M12连接器连接总线，用于向远程总线供电，并提供INTERBUS通信。Fieldline M12模块允许传感器和执行器通过标准M12连接器相连。采用西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC，CPU为315-2DP。另采用1块菲尼克斯公司提供的INTERBUS控制板IBS S7300 DSC-T将S7300 PLC和INTERBUS相连接。系统操作站选用研华工控机，监视控制站的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并可以按一定的权限进行控制的组态和参数修改等操作。系统控制站通过控制单元检测和控制装备对整个生产过程实行实时控制，并通过系统总线与操作员站相连，向操作站传递现场的实时数据并且接受操作站的管理和控制信息。编程软件为菲尼克斯的CMD,组态、监控和诊断软件CMD，是贯穿系统整个生命周期中所使用的工具，即从规划和组态，到系统的调试，再到系统运行以及维护中的诊断。无论你使用的是什么类型的控制器，这个软件都适用。启动阶段如总线发生故障，出错位置可以在CMD和直接在电路图视窗中显示出来。

图1

3、结束语
本系统经过现场调试，用户考核，INTERBUS系统运行稳定，完全满足工艺控制要求，具有自动化程度高、可靠性高、精确度高、响应时间快、维护量小的特点。同时，提高了生产过程自动化水平、改善了劳动条件、降低了生产成本，使企业的自动化水平迈上了一个新台阶，得到了用户的好评，极具推广价值。

参考资料：《菲尼克斯电气自动化系统手册》
《INTERBUS 用户手册》