基于Profibus现场总线的PLC在啤酒行业中的应用

基于Profibus现场总线的PLC在啤酒行业中的应用

刘炯，王利瑞，敖乐根，邓永峰

（内蒙古计算机应用研究院，内蒙古呼和浩特010010）

摘要：啤酒生产过程是比较复杂的生化反应过程。着重介绍可编程控制器（PLC）在啤酒生产过程中的实际应用，利用Profibus现场总线构建工厂生产过程自动化控制系统。

关键词：发酵罐；酵母培养；Profibus现场总线；双机热备；主站

中图法分类号：T23；TO920.5文献标识码：A文章编号：1001-3695（2003）12-0113-02

An Appkication of PLC Based on the Profibus Fiekdbus in the Ferment Industry

LIU Jiong，WANG Li-rui，AO Le-gen，DENG Yong-feng

（Inner Mongolia Calculator Application Academy，Huhehot Inner Mongolia010010，China）

Abstract：Beer manufacture is a Very compkicated biochemistry reaction process，this articke puts great emphasis on the actuak appkication of PLC at beer production kine，and make use of Fiekdbus controk system to set up the auto-controk system for factories.

Key words：Ferment Tank；The LeaVen Educates；Profibus Fiekdbus；Hot Standby；The Lord Stands

现场总线控制系统（Fiekkbus CoHIrok SysIem，FCS）于20世纪80年代中后期在国外兴起，它是原来的仪器仪表技术与现代计算机技术结合产生的一种开创性技术，是当今世界过程控制和仪器仪表行业发展的最新技术，是一种全开放、全分散、全数字、多点通信的最先进的控制网络，并且将在今后5~10年内取代现有的DCS系统。可编程控制器（PLC）发展至今，其控制内容已从简单的继电器逻辑控制发展到如今的浮点运算，完全可以实现最复杂的生产过程控制，功能逐步升级的多种级别的CPU，带有各种用户友好功能的、种类齐全的功能模板，使用户能够构成最佳的解决方案，满足自动化任务要求。当控制任务变得更加复杂时，任何时候控制系统都可以逐步升级，而不必过多地添加额外的模板。

PLC采用模块化设计，它所具有的模板的扩展和配置功能，使其能够按照每个不同的任务需要灵活组合。CPU位于控制的中心，分布式I/0系统在现场运行，一个高效的Profibus现场总线系统将CPU和I/0连接在一起，并能确保它们之间毫无问题地通信。这条开放的总线系统还能将其它现场设备连接到系统。Profibus总线能够实现现场级和车间级之间的快速通信，从I/0到自动化控制装置的信号传输仅为毫秒级。即使在干扰严重的环境，跨越几公里的距离，Profibus现场总线都能提供良好的解决方案。

1系统硬件配置

1.1系统结构

系统选用基于西门子Profibus现场总线式控制系统结构方案，结合啤酒、生物制品、制药、食品、饮料等轻工领域的实际而形成。其结构图如图1

所示。

图1结构图

这是一种经济实用、危险分散、组合灵活的现场总线控制系统。控制对象是一个啤酒厂的所有过程控制设备，包括原粮处理、粉碎、糖化、种子罐、扩培罐、酵母培养、酵母存储罐、发酵罐、清酒罐、CIP清洗罐、过滤、罐装、冷冻及相关附属设备。

1.2系统布置

针对啤酒厂各部分设备分散、间距较大的特点，下位机的PLC子站就近现场设备安装，简化了车间桥架和电缆的安装、敷设，避免和减少了由于电缆、桥架等原因造成的系统不稳定和故障。此外，子站就地安装，便于现场手动和自动切换控制，上位机部分集中安装在控制室，便于管理和维护。上、下位机通过Profibus现场总线连接。

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第12期刘炯等：基于Profibus现场总线的PLC在啤酒行业中的应用

收稿日期：2002-10-27；修返日期：2003-01-11

1.3系统上位机配置及特点

上位机采用主流先进SIEMENS工业控制机，担负着对各台下位机（PLC）的监控管理任务，其操作系统为Windows NT4.0+SP3以上版本。其特点如下：（l）上位机双机热备，互为镜像。

（2）实现多功能操作。在上位机可实现分时模式或分机模式下的操作站、编程站、工程师站的工作模式，区别只是在于采用不同的保护级别即操作密码。

（3）大屏幕高分辨率彩色显示器提供了直观、清晰的人机界面，动态工艺过程丰富、实时。

（4）上位机可与企业网相连，也可单独与总工程师、技术部门或车间主任的计算机相连，实现实时远程监视和管理。

（5）上位机可以管理和控制多台下位机（PLC），可将多个设备在一个控制室集中控制和管理。初次上本自控系统需配置上位机，以后扩展控制设备无需增加上位机，只增加下位机（PLC）即可，可大大降低成本的投入。

1.4下位机配置及特点

下位机可采用SIEMENS公司的S7系列PLC或其它厂家PLC组成主从方式下位机系统。该系列PLC是SIEMENS公司的最新系列产品，具有极强的稳定性和可靠性，平均无故障时间35年。

主站设置CPU模块，控制系统程序集中放在主站中，子站由数据采集模块和输出模块组成，实时采集温度、流量、压力、PH值、转速、溶氧、重量、浊度、阀门开关信号等参数的值，并传送至主站，结合上位工业控制机送来的指令，由主站来控制阀门、电机、变频器等执行机构的动作，实现工业过程的自动控制。

（l）主站硬件配置

①电源模块：输入220AC，为主站提供电源。

②CPU模块：内置Profibus接口，与工业控制机和子站联网。

（2）子站硬件配置

①电源模块：输入220AC，为子站提供电源。

②A/D模块：l2位，8通道AI输入，4通道RTD（铂电阻）输入。A/D模块可以通过模块设置适应0/4~20mA，0/l~5V等信号输入。

③D/A模块：4通道输出，0~20mA，4~20mA，l~5V 等多种不同输出信号可通过硬件设置、选择。

④DI模块：l2~24V DC开关量输入模块，有l6通道、32通道等多种模块。

⑤DO模块：5~24V DC，PNP晶体管开关量输出模块，有8通道、l6通道、32通道，输出电流可达0.5A。5~24V DC，继电器输出模块，l6通道和8通道两种。输出电源可达2A。

③通信模块：IMl53，提供Profibus接口，通过该模块与主站的Profibus网连接。

（3）下位机系统特点

①具有大容量模块化无风扇设计特点，网络功能极强，组成系统灵活方便，扩展性好，易与其它系统联网，形成大型控制系统。

②灵活的I/O总线结构Profibus，方便的硬件组态和更多的组态软件的支持，以及较大的市场占有率，使得系统更加可靠、稳定，且无后顾之忧。

③对于以后其它设备的增加或扩建，只需增加PLC 模块即可。

④具有故障自诊断和设备保护功能。

（4）上位机与下位机（PLC）的连接

本系统中，每台上位机配一块SIEMENS Profibus现场总线CP56ll。通过该通信模块，上位机可与下位机（PLC）CPU上的Profibus总接口直接通信，传输速率可达l2MHZ。

（5）下位机中PLC主站与从站的连接

PLC主站通过专用Profibus总线接口与从站PLC上的专用通信模块的Profibus总线接口相连。

2软件系统

2.1上位机软件

本系统中，上位机双机热备，互为镜像。上位机工业自动控制系统软件采用FECview工业组态软件开发。上位机担负着对各台PLC的监控任务。上位机工业自动控制系统软件主要实现的功能（图2）是：检测上位机与PLC之间的通信状况；通过Profibus总线接口与PLC 传送来的采样数据存储到相应数据区中，对数据进行处理并作成历史曲线，以便今后进行趋势分析和控制工艺分析；通过Profibus总线控制某台PLC执行特定的任务，从而实现远程过程控制；实时采集、显示某台PLC的过程参量和数据；实时显示过程工艺数据，并将实时数据和给定工艺进行比较、分析等。其模块组成如图3所示。

图2上位机软件功能结构

图3上位机软件模块组成（下转第ll8页）

讯请求周期，在“SIMATICI SIMATIC NETI OPC Server I OPC Settings”中进行。

4.3减少PC与PLC之间的通讯变量

OPC是一种使用变量进行通讯的方法。在具体的通讯过程中，通讯变量与通讯变量之间地位是相等的，即一个布尔量与一个几十或上百字节的数组在读写时通讯时间基本相当。因此，提高PC与PLC之间的通讯速率可采取适当压缩通讯变量个数的方法。实际操作中，在OPC Scout和Labview中定义通讯变量时，尽量把类型相同的数据组合成一个数组，减少变量以加快PC 与PLC之间的通讯。

4.4PC对PLC通讯的控制变量采用变化时刷新的方法

PC从PLC读取数据比往PLC写数据时间要短，通讯的主要时间消耗在PC往PLC写入数据的过程中。如果PC的每个软件周期均有数据写入PLC，通讯速率显然难以提高。因此应尽量减少PC往PLC写入数据的次数，对必须写入的数据即PC对PLC的控制变量，采取变化时发送通讯请求然后刷新数据的方法，可比较明显地提高通讯速率。

5结束语

本文介绍的基于OPC的PC与PLC实时通讯Labview实现方法适用于SIEMENS几乎所有的通讯总线和通讯卡。如使用不同的通讯总线和不同类型的通讯卡，组态时选取相应的总线型号和通讯卡型号即可。vB，vC等其它编程环境使用OPC技术实现PC与PLC的通讯，亦可参考此方法。该方法已应用于西昌卫星发射中心常规加注控制系统改造项目中，系统运行稳定、可靠，效果良好。

参考文献：

［1］SIEMENS SIMATIC NET IndustiaI Communications［Z］.CataIog 1K10，1998.

［2］CarIos Barberino.How to Communicate with S7PLC Using an AppIicom Board［EB/OL］https://www.wendangku.net/doc/a36192946.html,.

［3］https://www.wendangku.net/doc/a36192946.html,［EB/OL］.

［4］https://www.wendangku.net/doc/a36192946.html,［EB/OL］.

［5］陈宇峰，张国忠，胡益民.OPC标准驱动程序实现方法［J］.计算机应用研究，2002，19（9）：115-116，125.

作者简介：

李红梁（1971-），男，湖南汩罗人，工程师，硕士，主要研究方向为虚拟仪器及工业自动化控制技术。

（上接第114页）

2.2下位机软件

下位机软件采用SIEMENS Step75.0版本编程软件。用Step7在上位机中对整个Profibus网络组网，然后下载到下位机（PLC）中。

OB组织块是下位机软件系统的总控模块（图4）。它是循环执行的，周期可通过软件修改，组织块执行过程中调用功能和功能块以实现程序控制功能。

3系统主要功能

（1）实时检测温度、压力、流量、液位、PH值、溶氧、浊度、容量等参数值，能满足生产所需的测量范围和精度要求。

（2）对控制对象的工作过程进行自动控制，使温度、压力、流量、重量、浊度、PH值等参数按规定要求保持变化。

（3）执行元件及仪表采用国内外知名企业、进口或合资企业厂家生产的产品，能在密封、高低温、振动、潮湿、防爆等恶劣条件下长期稳定、可靠的工作。

图4下位机软件模块结构

（4）电机、阀门等的开关既可由程序自动控制，也可由操作工手动操作，操作冗余，使用户操作更为方便。且当系统万一出现故障，也不致影响生产。

（5）软硬件设计力求模块化、规范化、商品化，系统

升级、扩充、联网方便，便于推广。

4结束语

中国啤酒业是我国酿酒行业中最年轻、最活跃，也是发展最快、规模最大的行业。二十年来，中国啤酒行业无论是在产量上还是质量上都取得了举世瞩目的成就，啤酒总产量现居全球第二位。在我国加入WTO后，企业面临着生存考验。为了确保企业市场竞争优势，加速科技产业化进程，积极采用先进技术和设备，使用FCS 来取代DCS符合我国工业发展的根本利益，而且已经迫在眉睫。

参考文献：

［1］金以慧.过程控制［M］.北京：清华大学出版社，2001.120-260.

［2］黎润钟.发酵工厂设备［M］.北京：航天工业出版社，2000.

46-67.

［3］钟肇新，王灏.可编程控制器入门教程［M］.广州：华南理工大学出版社，1999.18-67.

作者简介：

刘炯（1974-），男，技术部经理，工程师，工业电气自动化专业学士，主要从事啤酒自动化控制系统的研究与开发；王利瑞（1966-），男，副总经理，高级工程师，工业电气自动化专业学士，主要从事啤酒自动化控制系统的研究与开发；敖乐根（1977-），男，助理工程师，工业电气自动化专业学士，主要从事啤酒自动化控制系统的研究与开发；邓永峰（1980-），男，助理工程师，工业电气自动化专业学士，主要从事啤酒自动化控制系统的研究与开发。

基于Profibus现场总线的PLC在啤酒行业中的应用

作者：刘炯， 王利瑞， 敖乐根， 邓永峰

作者单位：内蒙古计算机应用研究院,内蒙古,呼和浩特,010010

刊名：

计算机应用研究

英文刊名：APPLICATION RESEARCH OF COMPUTERS

年，卷(期)：2003,20(12)

被引用次数：3次

参考文献(3条)

1.金以慧过程控制 2001

2.黎润钟发酵工厂设备 2000

3.钟肇新;王灏可编程控制器入门教程 1999

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3.张国权啤酒锥形发酵罐温度控制中的几个问题[期刊论文]-啤酒科技2004(6)

4.王念春.Wang Nianchun啤酒厂可视控制界面的研究[期刊论文]-电工技术杂志2000(3)

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6.韩志军.葛红宇.HAN Zhi-jun.GE Hong-yu啤酒发酵生产过程DCS的设计与应用[期刊论文]-南京工程学院学报（自然科学版）2003,1(3)

7.黄良璧.吴渊.周昶.王春平.王智昭.HUANG Lang-bi.WU Yuan.ZHOU Chang.WANG Chun-pin.WANG Zhi-zhao啤酒锥型发酵罐温度分布实验研究及分析[期刊论文]-现代计量测试2001,9(3)

8.张子军.Zhang Zijun啤酒发酵的控制系统设计[期刊论文]-现代农业装备2010(6)

9.李天利.于大元.张洲平.LI Tian-li.YU Da-yuan.ZHANG Zhou-ping啤酒发酵罐温度智能控制[期刊论文]-西北轻工业学院学报2001,19(1)

10.邢杰.汤长林锥形发酵罐(C.C.T)发酵温度控制与发酵质量的几点认识[期刊论文]-啤酒科技2005(3)

引证文献(3条)

1.王峰碳纤维改性设备的PROFIBUS现场总线控制系统研究[学位论文]硕士 2005

2.郇黎明基于虚拟仪器技术的发酵智能测控系统集成与应用研究[学位论文]硕士 2006

3.张宇自行起吊小车现场总线PLC控制系统的研究[学位论文]硕士 2005

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/a36192946.html,/Periodical_jsjyyyj200312039.aspx