西门子模块6ES360-3AA01-0AA0
由蚌埠玻璃工业设计研究院蚌埠华裕机电设备有限公司开发设计和制造的平板玻璃水平辊道式钢化机组，其自动控制系统选用了北京和利时系统工程股份有限公司的FODCS和和利时公司PLC产品系统。
其工艺过程是：首先将处理好的平板玻璃送入电炉加热到600℃，然后将红热的玻璃送入到风栅进行淬冷钢化，从而达到**玻璃表面应力的目的。玻璃被加热到一定温度时会发生软化，而玻璃的加热、钢化都是在辊道上进行的，为了保证玻璃的平整度，必须使玻璃处于不断的往复运动中，对电炉和风栅辊道往复运动控制的好坏也成为整个机组控制中的一个关键环节。电炉炉膛的有效长度为4.8m，要求能够加工的长玻璃尺寸是4.5m，因此在每一炉十几分钟的往复运动中玻璃距离前后炉门的位置要保持定值，否则就有撞炉门的危险。
考虑到以上因素，要求控制系统不仅要有极高的可靠性还要有极高的实时性，因此要借助PLC 灵活，运算速度快的特点，在PLC 上针对以上工艺过程组态。玻璃在炉膛中的运行位移由光电编码器给出脉冲数，直接进入PLC，由PLC 闭环控制伺服电机的正反向运动。PLC 系统分散了系统危险性，其运行周期可以控制在10ms 左右，完全可以达到控制要求。但是如果完全使用PLC，大量的温度控制及其他的运算过程用PLC 实现较复杂，另外大量的增加代码也会使PLC 运行周期加长。由此分析，如果FODCS 与和利时公司PLC产品 系统联合应用，可以取得很理想的效果。
在本套系统中两套设备的互连十分方便，充分体现了现场总线控制系统的优点。从上位软件来看，
FODCS 系统通过解读PLC 的GSD 文件，把整个和利时公司PLC产品 系统视为自己的一个从站（IO 模块），使用数字现场总线连为一体，即共同构成一套控制系统。
FODCS 系统主要负责监测和控制炉膛内的温度均匀从而保证玻璃受热均匀；风冷系统的风机启停、风量控制；显示整个工艺流程并进行人机对话。和利时公司PLC产品 系统主要负责玻璃上片台，进炉过程，在炉中的摆动，出炉过程，在风栅中的摆动，到卸片台
TSI系统（汽轮机状态监视和保护系统）和ETS系统（汽轮机危机跳闸系统）是火力发电厂保证汽轮机和发电机正常运转的重要设备，在火力发电企业运用十分普遍。在当前的大部分应用中，这两套系统是互相独立的，一般由的TSI设备供应商提供TSI系统，而ETS系统则用通用的PLC来构建。但事实上两套系统之间存在着很多联系，TSI系统的输出往往是ETS系统的输入。如果能使两套系统有机融合，不仅可以节省成本，更可以使系统结构简化，从而**可靠性。
针对以上情况，我公司选用科威公司的ESAY嵌入式PLC芯片构建了ETS系统的核心控制模块，通过CAN现场总线与我公司的现场总线TSI系统实现有机融合，相当完美地解决了当前ETS系统存在的诸多问题。
一、总体设计
EASY 嵌入式PLC 芯片有两个uart串口和一个CAN接口以及32个IO引脚。该芯片的CAN接口已经加载科威公司的CAN应用层协议，这是一个主从式的协议，通讯速率160K。我公司的TSI系统使用的MVCAN－2 CAN应用层协议是一个多主结构的协议，通讯速率可以是10K、125K、250K和500K。由于协议不同，TSI系统并不能直接使用EASY 嵌入式PLC 芯片的CAN接口与其通讯。为解决这个问题，将ETS控制模块设计成双CPU结构。使用8位MCU P89V51RD2和独立CAN控制器SJA1000扩展出另一个CAN通讯口，在该通讯口加载MVCAN－2协议，实现与TSI系统的连接。P89V51RD2和EASY 嵌入式PLC 芯片之间通过两片IDT7202交换数据。IDT7202是一种双端口的FIFO（先入先出）缓冲器，内部有1024×9位FIFO RAM。
二、硬件实现
以下是主要硬件设计框图：
P89V51RD2通过地址、数据和写信号线连接到其中一片
IDT7202的写入端口，并通过地址、数据和读信号线连接到另一片IDT7202的读出端口；嵌入式PLC 芯片只有通用IO引脚，没有地址、数据和读写信号线，只能用通用IO来模拟读写操作。具体做法是将嵌入式PLC 芯片的P1口当作1个8位数据端口分别与两个IDT7202的另一组读取和写入端口连接，P3.0、P3.1、P3.2用作读、写、使能信号,P4.0、P4.1、P4.2用作状态判断信号。用嵌入式PLC 芯片的P2口扩展了8个继电器输出，嵌入式PLC 芯片的其它接口和特性均按典型应用进行设计。将P89V51RD2的uart串口设计为rs232标准串口，该串口在设置时用于下载TSI系统的配置文件，运行时加载MODBUS协议用于与上位机或其它设备通信。后完成的ETS控制器具有以下功能：八路继电器输出，1个CAN接口与TSI系统互联，另一个CAN接口可用于IO扩展和ETS控制器间互联，COM1串口用于梯形图下载和PLC监控，COM2用于CAN组态和PLC通讯，COM3（由P89V51RD2扩展）用于TSI配置下载和TSI数据监控。
三、软件实现
软件由两部分组成。一部分是运行于P89V51RD2中的软件，另一部分是嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件。
运行于P89V51RD2中的软件使用C语言编写。软件被设计为两种工作模式：设置模式和工作模式。在设置模式下，用户使用PC通过串口将TSI系统的配置文件传递给P89V51RD2，P89V51RD2将文件存储于内部FLASH中；在工作模式下，P89V51RD2按照配置文件解析由SJA1000接收到的TSI系统数据，并将数据按照一定格式通过IDT7202传输给嵌入式PLC。同时，由嵌入式PLC通过IDT7202发来的数据经解析后通过SJA1000发送到TSI系统。
嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件基于科威公司提供的汇编语言框架编写。首先解决使用通用IO来模拟IDT7202的读写操作，以下是读写IDT7202的程序：
FIFO_FF EQU P4.1
FIFO_EF EQU P4.0
C1_DIR EQU P3.3
C1_EN EQU P3.2
C1_WR EQU P3.1
C1_RD EQU P3.0
FIFO_PORT EQU P1
WRITE_FIFO: MOV SFRPAGE,#0FH
JNB FIFO_FF,WFIFO_L1
CLR C1_DIR
MOV FIFO_PORT,R7
CLR C1_EN
CLR C1_WR
SETB C1_WR
SETB C1_EN
MOV R6,#1
RET
WFIFO_L1: MOV R6,#0
RET
READ_FIFO: MOV SFRPAGE,#0FH
JNB FIFO_EF,RFIFO_L1
SETB C1_DIR
CLR C1_EN
CLR C1_RD
MOV FIFO_PORT,#0FFH
MOV A,FIFO_PORT
SETB C1_RD
SETB C1_EN
MOV R6,A
MOV R7,#1
RET
RFIFO_L1: MOV R7,#0
RET
在嵌入式PLC的STEP函数和SCAN函数中读取IDT7202的数据，每次读取两帧。数据解析后存入对应的D寄存器，这样就可以在梯形图编程中使用这些数据。有一部分数据是可写的（即允许由PLC向TSI方向传递）。对这部分数据，在PLC的外部RAM开辟一块内存作为数据副本，初始化时将D寄存器与副本置为相同值，在运行中于STEP函数和SCAN函数中监视D寄存器和副本的值是否相同，若不同则将D寄存器值向P89V51RD2发送。
四、总结
基于EASY 嵌入式PLC 芯片构建的现场总线ETS控制器目前已经在工业现场得到实际运用，总的情况良好。应该说EASY 嵌入式PLC 芯片是一款成功的产品。
协议包括物理层、数据链路层和应用层。数据链路层采用面向过程数据的传输方法及集总帧协议，可以传输循环过程数据和非循环数据，帧信息包括一个启动信号、回送信息、数据安全/结束信息。集总帧具有非常高的传输效率，其效率高达52%，尽管INTERBUS通信速率为500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。应用层服务用于实现实时数据交换、VFD支持、变量访问、程序调用和12个相关的服务。
INTERBUS总线有很强的监视诊断功能，总线监控功能监视整个网络系统的运行状态，同时也提供总线网络的变结构功能，能及时根据设计要求，关断和连接总线的某个子总线段。监控功能是现场安装、调试、诊断和维护的有力工具。具体功能是识别和确定安装错误和部件错误，现场总线模块具有输入/输出的状态显示，在调试时可设置输出状态，以及可以保存某些智能设备的参数。
为了**工业网络的安全性，以满足制造业和过程工业自动化故障安全通信的要求，特别是在汽车制造业中具有安全总线的功能被放在首位。INTERBUS俱乐部从1999年开始进行INTERBUS安全总线研究，在2001年得到了德国BIA组织EN954-1 KAT.4标准的许可证明，并符合IEC61508安全通信标准。INTERBUS的安全总线由一个Safe Control控制模块和现场分散式智能模块组成，控制模块的唯一功能就是控制安全数据。这种解决方案优于其它方案，它将控制系统与安全总线的功能截然分开，控制系统机构清晰简单，不影响今后的扩展和修改，成本明显降低。这是现场总线的一个发展方向。
9 Type9 FF H1现场总线
H1现场总线是由FF现场总线基金会负责制定的。FF基金会成员由世界的仪表制造商和用户组成，其成员生产的变送器、DCS、执行器、**仪表占世界市场的90%，它们对过程控制现场工业网络的功能需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富的经验，提出的现场总线网络架构较为全面，其通信体系结构如图9所示。Type9现场总线是Type1现场总线的子集。
FF H1现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。H1总线支持多种传输媒体：双绞线、电缆、光缆和无线媒体。传输速率为31.25Kbps，通信距离大为1 900米。该总线支持总线供电和本质安全。
图9 Type 9 FF H1现场总线体系结构
数据链路层负责实现链路活动调度、数据的接收发送、活动状态的响应、总线上各设备间的链路时间同步等。这里，总线访问控制采用链路活动调度器（LAS）方式，LAS拥有总线上所有设备的清单，由它负责总线段上各设备对总线的操作。
现场总线应用层由现场总线访问（FAS）子层和现场总线报文规范(FMS)子层构成。FAS子层提供发布者/预订者、客户机/服务器和报告分发三种模式的报文服务。FMS子层提供对象字典（OD）服务、变量访问服务和事件服务等。现场总线用户层具有标准功能块（FB）和装置描述功能。标准规定32种功能块，现场装置使用这些功能块完成控制策略。由于装置描述功能包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可使现场装置实现真正的互操作。
10 Type10 PROFI net现场总线
PNO组织于2001年8月发表了PROFInet规范。PROFInet将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留了Profibus现有的开放性。
PROFInet现场总线体系结构如图10所示，从图中看出，该方案支持开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基础上，优化的通信机制还可以满足实时通信的要求。基于对象应用的DCOM通信协议是通过该协议标准建立的。以对象的形式表示的PROFInet组件根据对象协议交换其自动化数据。自动化对象即COM对象作为PDU以DCOM协议定义的形式出现在通信总线上。连接对象活动控制（ACCO）确保已组态的互相连接的设备间通信关系的建立和数据交换。传输本身是由事件控制的，ACCO也负责故障后的恢复，包括质量代码和时间标记的传输、连接的监视、连接丢失后的再建立以及相互连接性的测试和诊断。
图10 Type10 PROFInet 现场总线体系结构
Profibus可以通过代理服务器(Proxy)很容易地实现与其它现场总线系统的集成，在该方案中，通过代理服务器将通用的Profibus网络连接到工业以太网；通过以太网TCP/IP访问Profibus设备是由Proxy使用远方程序调用和Microsoft DCOM进行处理的。
PROFInet提供工程设计工具和制造商专用的编程和组态软件，使用这种工具可以从控制器编程软件开发的设备来创建基于COM的自动化对象，这种工具也将用于组态基于PROFInet的自动化系统，使用这种独立于制造商的对象和连接编辑器可减少15%的开发时间。
结语
10种类型现场总线采用完全不同的通信协议。Type1采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type2 ControlNet使用CTDMA方法和Producer/Consumer模式，Ethernet/IP使用Ethernet TCP/IP协议；Type3是令牌环和主站/从站方式；Type4通信采用虚拟令牌传递方式；Type5采用CSMA/CD方式和Ethernet TCP/IP协议；Type6使用TDMA多路存取方式；Type7使用总线裁决方式；Type8采用整体帧协议；Type9采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type10使用Ethernet TCP/IP协议。
从以上论述可以看出，十种类型现场总线体系结构和通信协议都不相同，但对Ethernet TCP/IP工业以太网技术用于H2高速现场总线基本达成共识，Ethernet/IP、FF HSE和PROFInet工业以太网技术事实上已成为。
据了解，IEC61158标准的维护期为2007年12月31日，就是说在此之前不会增加新的现场总线，对目前标准内的现场总线也不会做修改。由此可见，现场总线系统的体系结构和格局已经基本确定，工业以太网和现场总线在系统中的定位已经明确，它们两者之间的关系见表1。
表1 工业以太网与现场总线关系
表中列出了当前工业以太网技术的4个主要竞争者，FF HSE、EtherNet/IP和PROFInet现场级都有自己的现场总线，这种格局今后不会改变。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工业以太网技术发展很快，并将工业以太网延伸到现场I/O级，同时Modbus TCP/IP协议已被提交国际因特网工程特别工作组（IETF），希望这个协议能成为工业因特网协议标准。为了使此项工作加速推进，MODBUS组织和IDA组织于2003年10月底宣布合并。国内也正在开展工业以太网的开发工作，浙大中控技术有限公司开发的EPA工业以太网已经延伸到现场一级，并在化工厂获得成功试用。
现场总线的长期争论使人们逐渐认识到，数字技术的统一完全不同于模拟技术，现场总线控制系统的统一之路应该充分吸收Internet技术实现统一的成功经验，面向市场，不断创新，建立一个具有互操作性的工业以太网网络，终为工业自动化创建一个统一的信息平台