摘 要： 簡述了PROFIBUS現場總線，并詳細介紹了基于PROFIBUS現場總線的鈷－60集裝箱檢查控制系統的結構及其所實現的功能以及系統的特性和優點。
關鍵詞： 現場總線 控制系統 PROFIBUS總線 鈷－60集裝箱檢查系統
現場總線(Fieldbus)技術是一種實現現場級設備數字化通信的網絡技術。它使自控系統與設備具有了通信能力，通過把它們連成網絡系統而成為企業信息網絡的底層，使企業信息溝通的覆蓋范圍延伸到生產現場。現場總線技術的出現和發展，使得建構一種全數字、全分散、全開放的控制系統成為可能，導致了傳統控制系統結構的變革。
作為當前自動化領域最熱門的技術之一，現場總線仍處在不斷的發展中，現在已經出現了許多種現場總線標準，如PROFIBUS、LonWorks、CAN、HART等。由不同行業發展起來的現場總線產品技術水平各不一樣，應用范圍和前景也各不相同，現在仍沒有國際統一的現場總線標準。因此，在采用該技術進行實際的控制系統設計時，必須綜合考慮各方面的因素，使所選擇的產品滿足系統的實際需要，并符合技術發展的主流。
鈷－60集裝箱檢查系統是一種利用數字輻射成像原理的大型射線無損檢測設備，為了保證環境的輻射安全和系統穩定運行，對控制系統的安全性和可靠性要求非常高。綜合比較世界上幾種較為流行的現場總線，選用了德國西門子公司基于PROFIBUS總線的S7系列PLC產品，建立起功能完備、技術先進的集裝箱檢查控制系統。
1 PROFIBUS概述
PROFIBUS作為符合歐洲標準EN 50170的現場總線系統，是一種國際性的開放式的現場總線標準，由西門子、ABB等十幾家公司和德國技術部共同推出，是目前國際上推廣速度最快、用戶最多、應用范圍最廣、最有發展前景的現場總線。PROFIBUS總線對ISO/OSI模型的七層通信體系結構進行了優化，只有物理層、數據鏈路層和應用層，這種流體型結構確保了數據傳輸的快速性和有效性。PROFIBUS總線包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三個兼容版本。其中DP協議主要用于分布式控制系統的高速數據傳輸，最高傳輸速度可達1.5Mbps，尤其適合自動化控制領域的應用。
PROFIBUS可使分散式數字化控制器從現場底層到車間級網絡化，系統分為主站和從站，是一種單主站、多從站的網絡結構。主站決定總線的數據通信，可以主動發送信息。從站為外圍設備，如輸入輸出設備、驅動器等，它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。
2 系統結構
由清華大學核能技術設計研究院開發研制的鈷－60集裝箱檢查系統利用了γ射線與物質相互作用的原理，以移動式60Co工業γ照相機作為放射源。放射源發射出的γ射線束穿過被檢物體后，進入陣列探測器轉化為與射線強度成正比的電信號，經過前置放大器放大、信號采集電路完成A/D變換后送到數據采集機，得到反映集裝箱內物體分布情況的二維投影圖像。鈷－60集裝箱檢查系統包括射線源、準直器、陣列探測器、電子學系統、數據采集機、圖像處理系統、控制系統等部分組成,如圖1所示。
控制系統是鈷－60集裝箱檢查站的重要組成部分之一，它協調各子系統的運作，并保證整個鈷－60集裝箱檢查系統的正常運行。控制系統主要包括拖車的運行控制、圖像數據采集控制、射線源快門控制、安全聯鎖控制和系統運行監控等部分。控制系統按功能可劃分為三個層次：現場設備層、設備控制層和管理監控層，其結構圖如圖2所示。下面對這三個層次進行具體介紹。
(1)現場設備層：由各種傳感器和執行機構組成，主要包括光電傳感器、地感線圈、行程開關等現場信號輸入設備和變頻器、電機、數據采集機等運行設備。這些輸入輸出設備作為S7－215 PLC的I/O點接入現場總線。
(2)設備控制層：由分布在各個工作現場的S7－215 PLC和安裝在主控臺的S7－315PLC構成，它們分別利用各自DP端口通過一根屏蔽雙絞線相連。構成整個PROFIBUS現場總線網絡。其中S7－315 PLC作為主站，決定總線的傳輸速率，為每個子站分配網絡地址；多個S7－215 PLC作為子站，負責現場的信息采集并向主站發送有關信號，以及具體執行控制命令，滿足集裝箱檢查系統的運行流程控制要求。
(3)管理監控層：作為控制系統的人機交互接口，通過安裝有西門子公司SIMATIC WinCC組態軟件的中央監控計算機實現對鈷－60集裝箱檢查系統的狀態監控、參數設定和報警顯示、記錄等，并能提供完整的數據統計和各種分析圖表。
3 系統功能
該控制系統完成對集裝箱檢查流程的運行控制，并實現系統的輻射安全聯鎖，防止工作人員的誤照射，保證工作人員的安全和系統的正常運行。主要功能包括：
(1)檢查通道起點：集裝箱卡車上拖車的引導控制；
(2)拖車的啟動、加速、減速、停車控制，保證集裝箱安全平穩經過檢查通道；
(3)檢查通道終點：集裝箱卡車駛離拖車的引導控制；
(4)數據采集機控制，完成采集機的自檢、校零和集裝箱圖像采集的啟停；
(5)屏蔽快門根據集裝箱的位置自動開啟和關閉，保證集裝箱圖像的完整性；
(6)放射源狀態、屏蔽快門、搖源操作箱門、檢查通道道桿和放射源室門的安全聯鎖控制，當集裝箱檢查系統運行時保證工作人員不能進入檢查通道和放射源室這兩個控制區域，從而保證工作人員的安全和系統正常運行。
控制系統的操作接口為安裝在主控臺上的操作面板和監控計算機，界面采用漢化菜單與檢查流程圖相結合的方式，直觀清晰，操作簡便。主要功能如下：
(1)實現集裝箱檢查的自動控制操作；
(2)以動畫形式實時顯示集裝箱檢查流程、放射源位置和放射源室情況；
(3)動態反映設備的運行狀態和運行參數，以表格、直方圖和歷史變化趨勢曲線等方法進行顯示；
(4)故障報警、顯示和數據圖表打印功能；
(5)故障和數據的歷史記錄和趨勢圖顯示，方便系統維修人員進行故障分析。
4 系統特性
與以前核技術應用領域中基于模擬信號的控制系統相比，此基于PROFIBUS現場總線的集裝箱檢查控制系統具有以下特點：
(1)安裝在現場的分布式I/O站點最大限度地減少控制信號傳輸電纜的數量和布線距離，降低了系統安裝成本，縮短了安裝調試周期；
(2)系統擴展容易，充分利用PROFIBUS總線的開放性，來自不同廠商的執行器件均可以通過現場總線連接，方便地構成分布式控制系統；
(3)各設備作為控制系統的一個組成部分，與整個控制系統只通過一根電纜相連。設備的增減對系統而言只需極少電纜連接的改動和控制程序的少量修改；
(4)控制器件的選擇充分考慮開放性軟件設計的主流，大大提高了控制軟件的可重用性和對維護人員的開放性；
(5)基于PROFIBUS總線的編程更簡單。編程設備可從總線上的任一節點接入，系統維護方便，降低了系統調試強度；
(6)由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制精度，也提高了系統的可靠性；
(7)現場總線是專為現場環境設計的，可工作在比較惡劣的環境中，且具有很強的抗干擾能力，保證系統更穩定的運行。
鈷－60集裝箱檢查系統是我國自行研制的大型集裝箱檢查設備，于1999年6月開始在福州海關馬尾港安裝并投入試運行，11月初正式通過驗收。其控制系統由于采用了基于PROFIBUS現場總線的分布式控制結構，使得集裝箱檢查系統運行更加穩定、簡單、可靠，近一年的實際運行情況良好，達到了設計目標，取得了很好的效果。
參考文獻
1 向新程，周立業，劉以思，王立強.60Co集裝箱檢測系統(TC－SCAN)控制系統的設計.第9屆全國核電子學與核探測技術學術年會論文集，1997
2 陽憲惠，徐用懋，魏慶福.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999