基于PROFIBUS现场总线技术的钴－60集装箱检查控制系统
2009-06-19
作者：黄毅斌 向新程
摘 要： 简述了PROFIBUS现场总线，并详细介绍了基于PROFIBUS现场总线的钴－60集装箱检查控制系统的结构及其所实现的功能以及系统的特性和优点。
关键词： 现场总线 控制系统 PROFIBUS总线 钴－60集装箱检查系统
现场总线(Fieldbus)技术是一种实现现场级设备数字化通信的网络技术。它使自控系统与设备具有了通信能力，通过把它们连成网络系统而成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围延伸到生产现场。现场总线技术的出现和发展，使得建构一种全数字、全分散、全开放的控制系统成为可能，导致了传统控制系统结构的变革。
作为当前自动化领域最热门的技术之一，现场总线仍处在不断的发展中，现在已经出现了许多种现场总线标准，如PROFIBUS、LonWorks、CAN、HART等。由不同行业发展起来的现场总线产品技术水平各不一样，应用范围和前景也各不相同，现在仍没有国际统一的现场总线标准。因此，在采用该技术进行实际的控制系统设计时，必须综合考虑各方面的因素，使所选择的产品满足系统的实际需要，并符合技术发展的主流。
钴－60集装箱检查系统是一种利用数字辐射成像原理的大型射线无损检测设备，为了保证环境的辐射安全和系统稳定运行，对控制系统的安全性和可靠性要求非常高。综合比较世界上几种较为流行的现场总线，选用了德国西门子公司基于PROFIBUS总线的S7系列PLC产品，建立起功能完备、技术先进的集装箱检查控制系统。
1 PROFIBUS概述
PROFIBUS作为符合欧洲标准EN 50170的现场总线系统，是一种国际性的开放式的现场总线标准，由西门子、ABB等十几家公司和德国技术部共同推出，是目前国际上推广速度最快、用户最多、应用范围最广、最有发展前景的现场总线。PROFIBUS总线对ISO/OSI模型的七层通信体系结构进行了优化，只有物理层、数据链路层和应用层，这种流体型结构确保了数据传输的快速性和有效性。PROFIBUS总线包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三个兼容版本。其中DP协议主要用于分布式控制系统的高速数据传输，最高传输速度可达1.5Mbps，尤其适合自动化控制领域的应用。
PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，系统分为主站和从站，是一种单主站、多从站的网络结构。主站决定总线的数据通信，可以主动发送信息。从站为外围设备，如输入输出设备、驱动器等，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。
2 系统结构
由清华大学核能技术设计研究院开发研制的钴－60集装箱检查系统利用了γ射线与物质相互作用的原理，以移动式60Co工业γ照相机作为放射源。放射源发射出的γ射线束穿过被检物体后，进入阵列探测器转化为与射线强度成正比的电信号，经过前置放大器放大、信号采集电路完成A/D变换后送到数据采集机，得到反映集装箱内物体分布情况的二维投影图像。钴－60集装箱检查系统包括射线源、准直器、阵列探测器、电子学系统、数据采集机、图像处理系统、控制系统等部分组成,如图1所示。
控制系统是钴－60集装箱检查站的重要组成部分之一，它协调各子系统的运作，并保证整个钴－60集装箱检查系统的正常运行。控制系统主要包括拖车的运行控制、图像数据采集控制、射线源快门控制、安全联锁控制和系统运行监控等部分。控制系统按功能可划分为三个层次：现场设备层、设备控制层和管理监控层，其结构图如图2所示。下面对这三个层次进行具体介绍。
(1)现场设备层：由各种传感器和执行机构组成，主要包括光电传感器、地感线圈、行程开关等现场信号输入设备和变频器、电机、数据采集机等运行设备。这些输入输出设备作为S7－215 PLC的I/O点接入现场总线。
(2)设备控制层：由分布在各个工作现场的S7－215 PLC和安装在主控台的S7－315PLC构成，它们分别利用各自DP端口通过一根屏蔽双绞线相连。构成整个PROFIBUS现场总线网络。其中S7－315 PLC作为主站，决定总线的传输速率，为每个子站分配网络地址；多个S7－215 PLC作为子站，负责现场的信息采集并向主站发送有关信号，以及具体执行控制命令，满足集装箱检查系统的运行流程控制要求。
(3)管理监控层：作为控制系统的人机交互接口，通过安装有西门子公司SIMATIC WinCC组态软件的中央监控计算机实现对钴－60集装箱检查系统的状态监控、参数设定和报警显示、记录等，并能提供完整的数据统计和各种分析图表。
3 系统功能
该控制系统完成对集装箱检查流程的运行控制，并实现系统的辐射安全联锁，防止工作人员的误照射，保证工作人员的安全和系统的正常运行。主要功能包括：
(1)检查通道起点：集装箱卡车上拖车的引导控制；
(2)拖车的启动、加速、减速、停车控制，保证集装箱安全平稳经过检查通道；
(3)检查通道终点：集装箱卡车驶离拖车的引导控制；
(4)数据采集机控制，完成采集机的自检、校零和集装箱图像采集的启停；
(5)屏蔽快门根据集装箱的位置自动开启和关闭，保证集装箱图像的完整性；
(6)放射源状态、屏蔽快门、摇源操作箱门、检查通道道杆和放射源室门的安全联锁控制，当集装箱检查系统运行时保证工作人员不能进入检查通道和放射源室这两个控制区域，从而保证工作人员的安全和系统正常运行。
控制系统的操作接口为安装在主控台上的操作面板和监控计算机，界面采用汉化菜单与检查流程图相结合的方式，直观清晰，操作简便。主要功能如下：
(1)实现集装箱检查的自动控制操作；
(2)以动画形式实时显示集装箱检查流程、放射源位置和放射源室情况；
(3)动态反映设备的运行状态和运行参数，以表格、直方图和历史变化趋势曲线等方法进行显示；
(4)故障报警、显示和数据图表打印功能；
(5)故障和数据的历史记录和趋势图显示，方便系统维修人员进行故障分析。
4 系统特性
与以前核技术应用领域中基于模拟信号的控制系统相比，此基于PROFIBUS现场总线的集装箱检查控制系统具有以下特点：
(1)安装在现场的分布式I/O站点最大限度地减少控制信号传输电缆的数量和布线距离，降低了系统安装成本，缩短了安装调试周期；
(2)系统扩展容易，充分利用PROFIBUS总线的开放性，来自不同厂商的执行器件均可以通过现场总线连接，方便地构成分布式控制系统；
(3)各设备作为控制系统的一个组成部分，与整个控制系统只通过一根电缆相连。设备的增减对系统而言只需极少电缆连接的改动和控制程序的少量修改；
(4)控制器件的选择充分考虑开放性软件设计的主流，大大提高了控制软件的可重用性和对维护人员的开放性；
(5)基于PROFIBUS总线的编程更简单。编程设备可从总线上的任一节点接入，系统维护方便，降低了系统调试强度；
(6)由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制精度，也提高了系统的可靠性；
(7)现场总线是专为现场环境设计的，可工作在比较恶劣的环境中，且具有很强的抗干扰能力，保证系统更稳定的运行。
钴－60集装箱检查系统是我国自行研制的大型集装箱检查设备，于1999年6月开始在福州海关马尾港安装并投入试运行，11月初正式通过验收。其控制系统由于采用了基于PROFIBUS现场总线的分布式控制结构，使得集装箱检查系统运行更加稳定、简单、可靠，近一年的实际运行情况良好，达到了设计目标，取得了很好的效果。
参考文献
1 向新程，周立业，刘以思，王立强.60Co集装箱检测系统(TC－SCAN)控制系统的设计.第9届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集，1997
2 阳宪惠，徐用懋，魏庆福.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999