将PROFIBUS现场总线用于纸浆白度测定的智能白度仪的设计

1.前言

我们新研制出一种用于纸浆白度测定的智能白度仪，白度测定仪采用最新半导体光源技术，使用寿命达10万小时（免除您更换和维修烦恼），仪器不再发热，可24小时连续开机，节能环保、自动校正，仪器稳定性、可靠性、光源寿命等指标得到了极大提高。该仪器用于测量物体表面的兰光白度，技术性能符合JB/T9327-1999白度计标准，测定结果数码显示，也可用打印机将数据打印出来（打印机为选配件由用户根据需要自行选择），操作简便、精度高。适用于面粉、淀粉、米粉、食盐、纺织品、印染、化纤、塑料、瓷土、滑石粉、白水泥、涂料、油漆、陶瓷、搪瓷、纸张、纸浆等行业需对产品白度进行测定的部门。

2.现场总线的选择

2.1现场总线技术的选择

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

现场总线集控制技术、计算机技术、通信技术于一体，是当今自动化领域技术发展的热点之一。这项技术可将多个智能控制仪表连接成网络系统，实现分布式计算机控制，提高检测和控制精度，改善系统的动态响应速度。

近年来，几种有影响的现场总线技术已在一些特定的应用领域里显示出各自的优势。在此，我们选定了现为德国和欧洲标准的PROFIBUS（Process Fieldbus）现场总线。一方面由于它是目前数据传输率最快的一种现场总线，传输率最高可达12Mbps，另一方面它能够很好的与西门子的传动设备相配合，PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

2.2 PROFIBUS现场总线简介

参照ISO/OSI参考模型，PROFIBUS现场总线只包含物理层、数据链路层和应用层。由PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS， PROFIBUS-PA组成PROFIBUS系列。

PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线。

PROFIBUS-FMS ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。

PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。

本设计中采用的是PROFIBUS-DP标准，PROFIBUS-DP（或DP标准）是由欧洲标准EN50170定义的一种远程I/O通信协议。DP表示分布式外围设备，亦即远程I/O。PROFIBUS-DP还用到了应用层接口（ALI），ALI将过程对象转换为通信对象。

3.智能白度仪原理简介

智能白度仪在结构上主要由光学通路和测量电路两大部分组成。光学通路部

分主要包括光源、聚光镜、滤光片、光电池、光纤等光学元器件，采用了差动测量光路，用双光路进行补偿。在光源照射下输出两路光电流，一路作为测量光电流IX，另一路为补偿光电流IR。测量电路部分由西门子公司的S7-200 PLC系列的CPU 224、模拟量扩展模块EM 235、显示部分组成。工作时传感器直接装在洗浆机上，通过测量洗浆机上浆饼的白度来获得纸浆白度。整个仪表框图如图1所示。

图1 智能白度仪结构框图

4.网络组成

4.1 硬件配置

选用S7-315-2DP作为PROFIBUS主站，EM 277作PROFIBUS的从站。EM 277经过串行I/O总线连接到S7-224 CPU。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM 277 PROFIBUS-DP模块。HMI通过EM 277监控S7-224。编程器或PC通过EM 277对S7-224编程，编程软件选用STEP 7-Micro/WIN。此网络支持9.6K到12M的波特率。系统结构如图2所示。

图2 PROFIBUS-DP网络配置图

4.2 软件组成

DP从站主要是完成各自独立的控制程序，在这不作介绍；DP主站则以组态为主，完成主从站之间的数据交换、数据处理及主站对从站的监控。在本设计中，EM 277用DP主站组态，以接受从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。输出和输入数据缓冲区驻留在S7-224 CPU的变量存储器（V存储器）内。组态软件用STEP 7编程软件。在组态DP主站时，定义V存储器偏移为1000，输出数据缓冲区从V1000开始；输入缓冲区紧紧跟随输出缓冲区，并在V1016处开始。输出数据（从主站来）放置在V存储器中的V1000。输入数据（传送到主站）取自V存储器的V1016。同时，定义了16输出字节和16输入字节的一种I/O配置，它是写入到S7-224 CPU的输出数据总量和从S7-224 CPU返回的输入数据总量。EM 277从I/O配置确定输入和输出缓冲区的大小。DP主站将参数赋值和I/O配置信息写入到EM 277 PROFIBUS-DP模块，然后，EM 277将V存储器地址和输入及输出数据长度传送给S7-224 CPU。主站部分的软件结构框图如图3所示。

图3 DP主站主程序流程图

5.结束语

使用EM 277将智能白度仪作为DP从站连接到网络，使此仪表具有了与其它智能设备进行通信的能力。对纸浆白度的控制会更加及时、精确，将显着提高纸的质量。从而使得造纸工业原有的现场总线控制系统更加完善。