Abstract: R&D dentifrice producing is characterized with various materials, broad range of material consumed, and special operation, which automation requires high flexibility and integration. Based on Profibus and 485 dual field buses, this paper presents one liquid material loading system. Specific design of system architecture, in human-machine interface, RTLinux kernel layer and slave-computer layer are stressed, which feasibility is proved by one material dropping experiment.

Keywords : Profibus; Dual Field Bus; RTLinux

摘要: 牙膏研发生产具有物料多样、用量范围广、操作特殊等特点，而要实现其自动化对柔性化、系统集成提出了较高的要求。本文基于Profibus和485双总线技术，设计开发了一套针对牙膏制备的液体下料控制系统。给出了控制系统的框架结构以及人机界面层、内核层和下位机软件等的具体实现方案，并通过一种原料的下料实验验证系统的可行性。

关键词:Profibus; 双总线; 实时Linux

1 引言

随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。牙膏产品的研发过程包括三个主要阶段：科研人员对于新产品的配方设计过程；中试车间对于新配方的样品试制过程；检测中心对于样品的分析和评估过程[ 1 ]。由于牙膏研发生产中涉及的物料种类多，物料特性多样，物料用量小，操作特殊要求多等特点，主要的牙膏生产企业中样品的生产流程各个环节目前都由人工实现。伴随着在研发团队不断扩大，检测设备不断进步，配方的试制过程已成为整个研发过程工作效率的瓶颈。

以现场总线为核心的网络集成式全分布控制系统技术是当代工业自动化的主流；其所具有的连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，可实现工厂内自下而上极大程度上的控制及信息集成。PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，即EN50 170欧洲标准，已经广泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化，是成熟的技术。本文正是面向研发性牙膏柔性制备生产的要求，利用Profibus现场总线，开发了一套双总线液体下料控制系统。

2 系统总体框架

液体物料流系统的主要任务是将液体原料按指定的量输送到生产设备中进行生产。本物料系统的工作过程为：先将原料储罐内的液体通过管道输送到预称罐，由气动隔膜泵控制传送，由安装在预称罐下方的高精度天平来进行计量。待称量完毕后，利用生产罐本身的真空环境将物料吸入生产罐中开始生产动作。整个系统由定量控制系统、称量仪表（天平）、动作执行机构三个主要部分构成，如图1所示。

图1 液体物料称量及传输方案

1）称量仪表

从称量仪表的选用看，可以采用体积计量和质量计量法。本应用要求直接测量液体原料的质量，故需要采用质量计量法，由于现阶段质量流量计价格非常昂贵，还无法大规模被采用，故采用相对经济的天平作为称量仪表，它具有计量精度高、量程比较大、受流量变化影响较小以及能适应大范围粘度液体计量的多种优点。研发性牙膏制备工艺要求物料使用范围较广，为保证称量精度在1%内，本系统选用电子天平精度为0.1g，量程最大可达32kg。

2）定量控制系统

此为整个计量系统的关键部分。由称量控制仪通过Profibus和485双总线与工控机连接，构成双总线体系控制框架。称量控制仪完成称重信号的采集、数据处理等工作，并输出控制信号。工控机提供参数输入及数据显示的人机交互界面，并实现特定下料算法。图1中的阴影区域表示双总线架构。

3）动作执行机构

包括电动机、电控阀等机构，执行工作过程中的具体动作，由定量控制系统的输出信号进行控制。根据实际应用，选用快速气动碟阀，以满足高低粘度液体的控制要求。

需要强调的是本双总线架构：本架构处于整个牙膏生产系统的中间信息集成控制层，实现不同固、液态物料的称量与输运控制系统的公用总线信息通讯。

通常来讲，现场总线控制系统设计方案有两种：1) 带集中智能的分布式I/O控制；2) 分布式智能控制。本文采用两者相融合的方案。控制系统结构如图2所示[ 2 ]。

一般情况下将PLC作为现场总线从站，I/O逻辑由PLC实现，本项目中没有采用这种方式，而是使用直接的I/O模块作为从站，I/O逻辑由主站所在的计算机集中计算，然后将运算得出的结果通过总线传送至I/O模块以得到物理实现。从这一角度来看，本系统具有集中智能的分布式I/O控制的特点。

图2具有融合特征的现场总线控制系统结构

本文中控制系统的一个重要的独特之处就是在现场总线从站的RS2323模块下又扩展了一层由若干个自制的运动控制卡组成的控制网络。该网络物理层使用RS485实现多点通信，协议层使用自定义的通讯协议。系统中I/O操作之外的所有底层任务，如传感器信息的采集、电磁阀的开闭、电子天平的控制等都由运动控制卡实现，如图2中总线从站1和2下属的7个运动控制卡，完成了对于转臂操作，下料操作，RGV动作的实际控制。因此，该控制卡具有一定的智能，符合分布式智能控制的特点。

3系统实现

3.1 人机接口

控制系统人机接口层的开发主要基于Linux操作系统，采用XWindow库来实现的。通过对控制系统的功能分析，对其进行功能单元封装，形成一个针对生产线控制系统中人机交互子系统的功能单元包，各功能单元根据其需求分析，运用面向对象的方法与技术开发人机控制系统。如图3所示。

人机接口层共有2大区域，分别为：输入区和显示区。输入区又可分为：下料操作区、抽料操作区、预混操作区、搅拌操作区和提升操作区。其中，由于现场设备条件不足，软件设计并实现预混操作区、搅拌操作区和提升操作区的程序指令下发，仅为图形动画显示。

1) 输入区

输入区程序是在linux环境下基于QT平台运行的。该平台运行机制与普通软件编程平台（如VC++或者VB平台）不同之处在于其有特殊的信号传输方式——Signal & Slot机制。界面层设置的若干按钮（Button）、复选框和文本框（Text）都能触发相应的Slot函数，从而实现预期的操作。本输入区内包含9个复选框、10个按钮、4个文本框；当10个按钮中的一个被点中时，其会触发相应函数而启动系统工作。本处的相应函数大都是向内核层发送指令字符串，即对共享内存区的相应变量赋值，以便周期性扫描状态的内核层能及时采集并按照一定逻辑地下发到下位机。

图3 液体装载分系统主界面

抽料操作，将用户所选的对应7路管道信息和下料具体信息下发至内核层。其中包括：

1~7管路选择复选框 / 定量下料按钮”Start” / 天平清零按钮”Clear” /连续下料按钮”Run” /连续下料停止按钮” Stop” / 定量下料强制中止按钮” ForceStop”。

2) 显示区

显示区主要显示手动操作各步骤的状态，包括：定量下料时，每阶段天平的示数；定量下料或者连续下料时各管路的工作状态；抽料时各管路的状态；预混罐动作；预混罐提升动作；预混罐搅拌动作。

各部分的显示触发源来自内核层程序运行的状态，即：显示区通过定期（200ms）扫描内核层共享缓冲区的相应变量值，读取工作状态，并对应得显示在图形界面上。

3.2 内核层

内核层主要完成具有实时性要求的控制，因此，需要操作系统具有强实时性。在所选用的现场总线系统产品中都有相应的针对RTLinux操作系统的实时性扩展，能够满足本系统设计要求。在对典型的NC和PLC系统分析的基础上，结合生产线的控制要求，归纳了控制系统内核层的基本模块，在此基础上对内核层建模并用C++进行接口描述。

图4 内核层共享内存信息传递示意图

如图4所示，人机接口层将输入区下发的操作指令传送到内核层共享内存mbuff的IO状态接受区或者指令缓存区，并以此为中介传送到Profibus总线上的IO映射或者总线232输出映射。随后，Profibus将IO映射和指令映射通过485二级总线下发到下位机。待下位机在操作过程中或者完成操作后，会将信息及时通过Profibus总线的232输入映射送到内核层的返回信号缓存区，再经分类处理发送到人机接口的图形显示区，以实时显示操作流程。

3.3 下位机

软件系统主要运行于LPC2132之上，执行以下三个任务：任务一为输出控制；任务二为接收并缓存指令；任务三为提取并执行指令。按任务的重要性和实时性要求，将输出控制设为最高优先级，在2ms中断中得到执行，其它任务在背景程序中得到执行。软件系统的具体结构如图5所示[ 3 ]

图5软件系统结构框图

中断内检测到UART模块接收缓存满标志时，即通知背景程序对指令进行接收，缓存以及后续处理。可能的指令类型包括：对参数进行修改、查询等参数处理类型；运动开始，急停等运动控制类型。485主站与节点之间定义8位的ASCII字符作为一条指令，包括起始位，地址位，功能代码位，4位数据段以及停止位。

所有节点在检测到指令信息时，即从中搜索起始位字符，当检测到起始字符时，则对下一位（地址位）进行判断来确定该指令是否发送给本卡，随后将符合本机地址的指令收入队列做进一步处理。本运动控制卡中采用了普通指令队列与优先指令队列两个环形队列的方式。一般情况下，指令进入普通指令队列末端等候执行，特殊指令，如急停等，将进入优先的队列以保证立即得到处理。

指令从主设备发往从设备时，功能代码位将告之从设备需要执行哪些行为，数据位则包含了要执行功能的任何附加信息。运动控制卡需要执行的功能包括读取输入的开关状态，参数修改，发出运动控制指令，作出回应等。对其中每一种功能，在卡上都编程并与某一功能代码唯一对应。功能代码位选用一个ASCII字符，可用的代码有255种，可以满足使用要求。

4 试验结果

一个完整的配方原料准备，包括下料机构的准备过程，RGV的运行过程，最终的抽料过程等。在前几节对分系统耗时的统计基础上，假设配方中只有一种原料，则全过程耗时的详细情况如下表1系统运行全过程耗时分析：

表1 系统运行全过程耗时分析

抽料操作的全过程耗时170s，对于一个需要10种原料的配方50min左右的耗时，这个时间消耗可以忽略不计，不是提高系统效率的瓶颈。

而对于液体部分：下料量少于5kg时，从系统启动到待下物料到达指定工作缸时间少于250s；下料量介于5kg与20kg之间，从系统启动到待下物料到达指定工作缸时间少于720s；

5 结论

针对化工生产尤其是牙膏生产行业的现状，尤其是研发型生产中多品种、小批量、高精度的特点，本文开发的基于Profibus的液体下料双总线控制系统。本系统是自动计量下料、自动生产、管理信息与生产信息高度集成等技术综合应用的系统，解决了生产过程中物料品种多、物性复杂、称量配比精度要求高等难题，同时也实现了液体生产过程的自动化和智能化，提高了信息管理的水平和系统控制的实时性。

本文作者创新点：文中主要的创新观点为系统的集成性，即将Profibus与485双总线与上层RTLinux人机界面和下位机的集成。该方式不仅在所述的应用对象中得到了充分的应用，在基于现场总线的分布式控制系统中，提供了一种实时控制实现方案。