现场总线及其在涤纶短纤设备上的应用--控制网



现场总线及其在涤纶短纤设备上的应用
企业：控制网 日期：2005-06-29
领域：PLC&PAC 点击数：1401

一 引言
    随着计算机技术、通信技术、现代控制理论的迅速发展和企业管控一体化实施的迫切要求，全数字化的现场总线控制系统(FCS)代替数字与模拟并存的集散控制系统（DCS）已经成为工业控制系统结构发展的必然趋势。以现场总线、智能仪表为基础的现场总线控制系统已经成为当今工业企业意义关注的热点问题。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、实时、双向传输、多分支结构的通信网络。它主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信问题，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线的通信方式是使用一根通信电缆，将所有符合现场总线标准的现场设备及控制单元相互连接起来，以构成设备级和车间级的数字化通信网络。其主要特点有：
    1  系统具有高度的开放性。   在FCS中，用户可以把遵循相同协议不同品牌的产品集成到一个规模随意的系统里，使用户真正具有系统集成的主动权。可以说现场总线控制系统就是自动化领域的开设互联系统，它从根本上打破了DCS系统的封闭性，使企业与外界信息的沟通范围不断扩大，为企业实现信息化控制与管理创造了条件。
    2   全数字化，抗干扰能力强。   在传统的DCS系统中，压力和温度变法器须将它们测量到的原始数字信号在送入DCS前要转换成4-20mA的模拟信号。由于工业现场环境恶劣，存在大量电磁噪声，这些模拟信号极易受噪声的干扰。而FCS为全数字化系统，有很强的抗干扰能力，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。
    3   对现场环境的适应性。  工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频线、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可满足本质安全防爆的要求等。
    4   互操作性和互换性。  标准化的智能仪表可方便互连、互组态和互换。互操作性是实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通。互换性是指不同生产厂家功能类似的设备之间可以进行相互替换。互操作和互换性是将系统升级为现场总线的关键动力之一。
    5   可控性强， 具有较强的自诊断功能。　　数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息已成为现实。自诊断功能可以及时帮助用户分析问题是否发生在变法器。无需亲临现场观察后才得出结论。这样，即使设备发生故障，也可以很快地恢复生产。
    6   节省电缆和控制室面积，降低安装及维护的费用。   与传统设备间点对点的接线方式相比，让多台设备共享一条总线的现场总线系统自然能够节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架。连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上。这样既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
    7     FCS系统相对于DCS系统组态结构简单，由于结构，性能标准化，便于安装，运行，维护。
济南正昊化纤新材料有限公司新上两条年产7万吨涤纶短纤采用rockwell公司的controllogix系统，结合工业以太网和现场总线技术,进行系统集成,使得系统的可靠性、先进性、开放性、易维护性及可扩展性大大提高，实现了生产过程的自动化及管控一体化。
二  基于CONTROLLOGIX系统的现场总线系统 
    Controllogix系统是Rockwell自动化控制产品中功能最为强大的一个系列，它将顺序控制、过程控制和运动控制结合在一起，形成了一个混和的控制平台，其功能以超出了传统意义上的可编程控制器。由于其采用了CONTROLLBUS无源背板总线，它的框架背板就相当于一个高速网络，连接不同网络的通讯模块在这个框架上有了共同的信息通道，这时即便没有处理器的参与，CONTROLLOGIX系统也能作为一个网桥，完成不同网络间的信息路由和共享，而且不用编程，从根本上提高了数据采集的效率。基于CONTROLLOGIX系统的ROCKWELL自动化系统，根据不同设备对网络的不同要求，在工厂自动化系统中采用三层网络模式：基于DEVICENET的设备网，基于CONTROLNET的控制网和基于ETHERNET/IP的工业以太网。为了实现信息网络间的无缝路由和集成，在网络应用层中采用了统一的协议，即控制和信息协议（CIP）。
    1  DEVICENET作为现场总线技术的开放标准网络，实现了现场设备与控制系统的简单连接，由于它采用公开的技术规范和常规的CAN总线芯片器件，使得基于DEVICENET的设备成本较低，DEVICENET有两种报文形式，I/O报文用于传输实时数据，显性报文则适合不同设备之间点对点传输配置和故障诊断信息。DEVICENET作为ROCKWELL自动化系统的一部分，其数据能够在整个系统中进行无缝路由。例如，以太网上的计算机无需其他编程就可以经由以太网访问DEVICENET,对DEVICENET网络上的设备进行组态和监控。这极大地方便了上位机对现场设备的数据采集。
    2  CONTROLNET作为IEC国际标准的现场总线，能够提供强大的网络通讯功能，在控制器与现场检测设备、人机界面之间建立了一个稳定、可靠的高速通信链路。对于CONTROLNET的网络介质存取，是通过时间限制存取算法来控制，即“并行时域多路存取”（CONCURRENT TIMED DOMAIN MULTIPLE ACCESS缩写为CTMDMA）方法来控制各个节点在网络刷新时间（NUT）内传送信息的机会，用户可对网络刷新时间进行调节，最小可达2ms。CONTROLNET网络的特点为传送数据量比较大，可靠性高，对时间要求苛刻，因此CONTROLNET网络的成本也较DEVICENET高。
    3   以太网作为商用通讯系统中最为常见的通讯形式有着极好的硬件、软件平台支持。绝大多数商务系统都可以运行于以太网上，其网络构建成本也低于DEVICENET和CONTROLNET，因此在控制系统中得到了广泛的应用。但是以太网也有自身的缺陷，由于其采用CSMA/CD介质存取方式，不可避免的会出现数据延迟，因而不能直接用于传输对时间有苛刻要求的数据，但是对于诸如编程、设备组态、系统监控等应用来说，完全可以满足要求。由于计算机接入以太网只需要廉价的网卡即可，因而在整个系统中，以太网对其他网络进行访问的接人成本是最低的。
三  CONTROLLOGIX系统在涤纶短纤生产线上的应用
    1   涤纶短纤生产特点及其控制要求   涤纶短纤的生产过程是一个要求高度连续、稳定的生产过程。涤纶短纤生产线由前纺部分和后纺部分组成。前纺生产主要完成从聚酯溶体到制纺涤纶初生纤维的过程，主要有熔体输送、纺丝及上油系统、卷绕及上油系统、联苯锅炉加热系统、往复单元等部分组成。后纺生产主要完成初生纤维的拉伸和定型，主要有集束架、导丝机、浸浴槽、一牵、水浴牵伸槽、二牵、蒸汽加热箱、紧张热定型Ⅰ、紧张热定型Ⅱ、紧张热定型Ⅲ、油剂喷淋、三牵、叠丝机、三辊牵引机、张力架、蒸汽预热箱、卷曲机、铺丝机、上油装置、松驰干燥机、张力机、切断机、打包机等部分组成。基于涤纶短纤的生产工艺特点，对涤纶短纤自动控制系统的要求为：
    1 对涤纶短纤生产工艺流程能进行实时监控，完成对现场各种工艺参数的数据采集、PID调节、各种控制信号的输出，以保证对生产工艺设备以及各种现场检测设备的状态实时地显示和控制。2、对各工艺段能完成程序的启动，停止以及故障的检测和处理。3、对生产过程中的故障及现场检测装置的状态实时检测，记录并产生报警输出。4、对生产数据实时采集，并通过计算机的运算处理形成生产数据的各种报告，曲线及趋势图。并实现与信息中心等管理部门通讯，实现管控一体化。
    2  涤纶短纤控制网络系统配置及构成。如图(一)。系统为两条年产7万吨涤纶短纤维生产线控制系统。整个系统有监控层、主控层和现场设备层组成。
    (1)  监控层由三台工控机组成，其中一台作为工程师站，两台作为操作员站。工控机选用CPU为PIII－800的戴尔工控机(DELL)，配以256M内存、20G硬盘、10M以太网卡和1784-PCIC卡。三台工控机相互之间通过工业以太网连接，并且通过1784-PCIC卡把工控机连上由ControlLogix 5555 PLC与现场Flex I/O之间构成的ControlNet网络。每台工控机配以Windows 2000 Server操作系统和美国罗克韦尔公司的监控软件RSView 32 为运行环境。通过工程师站可以完成网络组态， 建立过程数据库、流程图画面， 编制各种报表， 设计控制程序等功能；通过操作员站完成对连续和非连续生产过程进行监视和控制，信号报警和报警打印， 趋势打印和显示， 日志和报表打印， 流程图画面显示， 系统状态显示等功能。美国罗克韦尔公司的监控软件RSView 32系统软件具有丰富的流程操作、监控、通信、报警、管理、趋势记录和诊断功能，完成涤纶短纤维工艺流程控制和各种参数显示。工控机通过EtherNet与信息中心相连，将实时采集的涤纶短纤维各种参数和生产系统报表适时传递至信息中心，实现生产监控和协调管理功能。
    (2)   主控层由美国RockWell公司的4台ControlLogixPLC 5555组成。控制层通过现场总线CONTROLNET与现场FLEX I/O站相连，通过现场总线CONTROLNET和DEVICENET与变频器和欧姆龙PLC等相连，实现对涤纶短纤生产过程的温度、流量、压力、张力等各种工艺参数的控制和调节。每条生产线具有两套硬件配置完全相同的CONTROLLOGIX 5555机架系统，实现系统的机架冗余和介质冗余，确保生产过程的可靠性和稳定性。　每台CONTROLLOGIX 5555的配置如图（二）。
    其中1756-PA72为电源模块;1756-L55M13为处理器，该处理器具有很大的存储容量(1.5M)和很强的运算功能, 能完成多种操作控制；通过以太网和现场总线ControlNet、DeviceNet网络，实时接受上一级指令和对本单元机组内各控制系统实现协调控制。1756-SRM为系统冗余模块，完成系统的冗余功能； 1756-CNBR为通信模块，连接ControlNet网络，实时接收和发送ControlNet网络上的信息。
    (3 ) 现场输入输出和设备层   现场设备层主要由现场FLEX  I/O、变频器以及小型欧姆龙PLC组成。
    (1)   现场FELX I/O
    美国RockWell 公司生产的Flex I/O 系列产品是一种灵活的、高性能价格比的适合于分布式应用的模块化I/O系统。它可以提供那些由大型的、机架安装的I/O系统所能提供的所有功能。通过Flex I/O，可以独立地选择I/O类型和网络(Remoto I/O;Profibus-DP; ControlNet;EtherNet/IP等)来满足应用的需要。涤纶短纤维生产线中每条生产线配置六个现场Flex I/O (1-6)站。现场的Flex I/O站是以点对点的接线连接到现场传感器或现场仪表设备，完成实时数据采集或控制输出。由主控站处理器通过ControlNet网络下达的各种命令控制信息，以完成各种实际操作。现场Flex I/O (1-6)中，各单元分别由适配器模块(1794-ACRN15)；开关量输入/输出模块(1794-IB16XOB16P;1794-IB16;1794-OB16)；模拟量输入/输出模块(1794-IE8,1794-OE8)和RTD模块(1794-IR8)组成。以现场Flex I/O―2为例,其配置如图（三）所示。
    其中1794-ACRN15是一种适配器模块，用于Flex I/O连接ControlNet网络并与主控系统进行通信，传递各种信号和命令的通道。每个适配器可以驱动8个端子模块，允许最大点数：256点数字I/O，64点模拟I/O输入，32点模拟I/O输出。1794-IR8是RTD输入模块，它提供(16位)8路RTD输入，能将现场铂电阻信号直接转换成数字量信号，大大提高控制的速度和精度。
    （2）变频器  短纤后纺利用变频器对电动机的传动控制完成涤纶短纤的牵伸要求。美国AB公司的1336 FORCE变频器内置1336－GM5通信模板，1336－GM5为智能通讯模块，它能够将多种SCANport 设备与DeviceNet 联接，而1336 FORCE变频器具有SCANport接口，所以1336 FORCE变频器可以由1336-GM5 联接到设备网。变频器通过1336 GM5通信模板连接到现场总线DEVICENET，再通过网桥7788-CN2DN模块连到CONTROLNET,通过CONTROLNET与CONTROLLOGIX 5555通信。通过现场总线CONTROLNET和DEVICENET，变频器上百个参数得到实时的监视和控制。
    3  济南正昊新材料有限公司涤纶短纤维生产线的人机监控系统由位于主控室的两套RSView 32计算机操作员站和一套RSView 32工程师站组成。操作员站和工程师站安装Windows 2000操作系统作为
RSView 32运行平台。监控系统通过CONTROLNET总线与ControlLogix 系统通信，实现实时监控。基于RSVIEW32的计算机监控系统具有强大的监视、控制和管理功能，不仅能够实时地显示现场监控设备的各种数据，而且还把数据的变化以动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、趋势曲线、成组显示、历史记录、报表打印等功能。监控系统由系统主画面和100多幅子画面组成，全面直观反映了涤纶短纤维生产的全部过程。画面之间的切换用鼠标简单的击点工艺画面键或功能指示键即可,操作十分简便。
    1）工艺流程图监控  如生产工艺流程图、PID控制图、同步控制系统图等，这些流程图上现场设备的地理位置、工作状态和仪表数据都能够在流程图上形象、直观地显示出来。若现场仪表的工作状态或者测量的数据发生了变化，则在流程图上也实时地发生相应的变化。通过对涤纶短纤维前纺和后纺过程中的所有工艺参数，PID调节中的各个参数及同步控制中各个参数的实时监控，保证了系统的稳定性及同步控制的可靠性。
    2）实时报警和故障诊断  在涤纶短纤维生产过程中，各类工艺参数或设备发生异常时，声音和灯光同时提醒用户，直到被确认。而且故障总表中会记录故障发生的时间、来源和恢生产统计表、日生产量表、月生产量表和各种故障信息表，供用户查看，确定故障原因。
     3）历史数据和曲线以及报表打印  各类工艺参数或设备的数据根据用户的需要实时保存在各个系统所对应的数据库里，根据用户的需要一个星期或一个月或一年或几年数据库更新一次。系统根据要求，实时或定时从数据库里进行各种报表打印和报警打印 。
四   结束语
    本系统在济南化纤新材料有限公司已稳定运行两年多，产品的合格率达98%以上，其中优等品占94%以上。运行结果表明基于现场总线的ControlLogix系统结合工业以太网（EtherNet）能充分满足化纤控制系统中高精度的同步控制要求，对化纤生产厂的安全运行、自动化水平的提高和优化管理等方面起到了至关重要的作用。
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