控制网

 1  引言

    新型铝电磁场快速铸轧技术是利用电磁感应装置产生一个交变复合磁场，对铸轧区内的铝熔体进行电磁搅拌、电磁扰动等综合作用，改变铝及铝合金凝固结晶条件，从而达到细化晶粒，改善铸轧板坯组织及性能的目的。

    铝电磁场快速铸轧复杂大系统包含电磁铸轧电源控制系统、温度与熔炼控制系统和轧机传动控制系统等多个地理分散的子系统。铝电磁场快速铸轧技术的研究和发展、系统管理和控制要求的不断增加，客观上需要将分散在现场的多个控制子系统进行综合管理和信息集成。采用分布式网络解决方案，构建一个网络化的铝电磁场快速铸轧系统可以使传统的封闭式体系转变为开放分布式体系，满足“管控一体化”的要求。网络化控制系统是控制系统日趋复杂化的体现，它是3C（Control，Computer，Communication）学科交叉的产物。网络化控制系统充分利用计算机网络的特点，使分布在不同地域的控制节点和控制系统有机地连接成一体，达到宽广地域的远程监视与控制。目前，网络化控制系统已在过程自动化、制造自动化、航空航天、无线通信、机器人、交通系统、智能建筑、国防等领域获得了广泛的应用，并成为国内外自动控制领域中的研究热点。铝电磁场快速铸轧网络化控制系统将打破传统自动化系统的“信息孤岛”现象，实现数据的集中管理与远程传送，为铝电磁场快速铸轧生产过程的管理控制一体化与综合自动化创造条件。

2  铝电磁场快速铸轧网络化控制系统的结构

    按照网络的功能结构，可以将铝电磁场快速铸轧网络化控制系统划分为以下三层：生产管理网、车间生产过程网和设备控制网，它们分别对应顶层、中间层和现场控制层三个层次。以上各层完成各自不同的控制任务，层与层之间通过通信网络互连，形成一个分布式的控制系统，具体方案如图1所示：

图1  网络化电磁铸轧系统的三层网络结构

（1）顶层――生产管理网

    该层网络主要完成铝电磁场快速铸轧生产计划和生产数据的统计与报表生成，电磁铸轧电源控制系统、温度与熔炼控制系统和轧机传动控制系统三个子系统的调度管理与参数优化等也在该层的工作站上完成，这是一个采用基于TCP/IP协议的工业以太网（10/100M Ethernet）构成的数据网络，网络节点为各计算机工作站和服务器。

工业以太网技术是普通以太网技术在工业控制领域延伸的产物，它一方面具有较高的通信实时性，提高了环境适应性与可靠性设计，满足工业现场的需要，另一方面又有助于控制系统网络与互联网和其他采用以太网技术的外网的融合，无需经过通信协议转换即可直接连至互联网和其他外网，实现Intranet与Internet的无缝连接。

（2）中间层――车间生产过程网

    中间层同样采用基于TCP/IP协议的工业以太网（10/100M Ethernet）构成数据网络，各个控制系统的工作站是车间生产过程网的网络节点。现场总线在中间层与现场层之间构筑了一条通信链路，从而在工作站上可以进行整个铝电磁场快速铸轧系统的远程监测、远程分析、远程诊断和生产过程的在线优化。

    电磁搅拌规律是通过对电磁感应装置的控制来实现的，由于工作站与现场数字化网络化的控制设备和仪表之间存在可靠的数据通路，因此通过铸轧电源控制工作站可以进行铸轧电源输出参数（如频率、幅值、跳频、相序转换时间等）的设定、实时参数显示、动态曲线与趋势图（录波）绘制等，同时也为电磁搅拌规律的摸索和在线实时优化控制提供了一个灵活方便的人机交互界面。温度与熔炼控制工作站、轧机过程控制工作站也同样地实现了对子系统的远程监视与控制、远程诊断、远程调试、在线优化等功能。

（3）现场控制层――设备控制网

    现场控制层为现场总线构成的设备控制网，处于铝电磁场快速铸轧网络化控制系统的底层。具有通信能力的网络化智能控制器、测量控制仪表和设备是控制网络的网络节点，现场总线在各仪表和设备之间构筑起沟通数据信息的通道，并与上层计算机工作站之间实现数据通信。现场控制层为铝电磁场快速铸轧复杂大系统提供底层基本信息。

    铝电磁场快速铸轧技术的实现要有以下两个关键条件：①有能产生特殊复合磁场的电磁感应装置；②有能满足电磁场快速铸轧工艺要求的对电磁感应装置供电的电气控制系统。位于现场控制层的电磁场铸轧电源就是用来对电磁感应装置供电的，因此在整个铝电磁场快速铸轧系统中地位尤为重要。铸轧电源包括主电源和辅助电源两部分，主电源主回路采用交―交变频电路的形式，要求三相电流幅值、频率、相位差均分别独立可控，施加交变磁场于铸轧区；辅助电源主回路采用三相全控桥整流电路，产生的附加磁场与交变磁场迭加，得到电磁铸轧所需要的复合磁场，电磁场铸轧电源的主回路原理图如图2所示。

    电磁搅拌规律的摸索和优化是铝电磁场快速铸轧技术的重要研究内容，通过现场总线，上位机工作站可以与具有通信功能的各网络化智能控制器进行实时通信，实现远程控制、参数修改、在线优化等等。图3所示的控制回路框图采用了RS485和CAN现场总线两种通讯方式，提高了系统的通讯可靠性。

    控制网络与数据网络不同，对实时性要求高，数据突发性小，频繁，数据包相对较小。为了满足现场控制系统对实时性、可靠性和开放性的要求，选择CAN总线作为现场总线。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有可靠性高、支持多主处理、支持优先级仲裁、链路简单、配置灵活、价格低廉等特点，传输介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。RS485总线作为备用的通信网络，提高了通信可靠性和通用性。

图2  电磁场铸轧电源控制装置主回路原理图

图3  电磁场铸轧电源控制装置控制回路框图

3  控制系统的网络集成

    不同网络的集成化是当前网络化控制系统的主要特点之一。多种网络系统的集成一方面达到了控制信息的共享和综合，实现了设备的互换性和互操作性，另一方面也满足了不同的控制要求。在铝电磁场快速铸轧网络化控制系统中，主要存在TCP/IP、CAN总线和RS485三种通讯协议。底层的现场总线控制网与中间层的车间生产过程网可以经由通讯控制器实现不同网络在控制系统中的集成，利用通讯控制器实现通信协议的转换和信息的互访。顶层的生产管理网与中间层的车间生产过程网由于采用统一的TCP/IP协议，因此没有通讯协议转换的问题，还可以应用以太网交换机，使接入的节点各自独占一条线路，不仅可以避免冲突，确保信息准确、快速、完整地传输，还极大地简化了系统设计，也可以很方便地与其他外网实现无缝集成。

4  结语

    网络化控制系统是计算机控制系统发展的必然趋势，是生产过程和控制系统规模扩大化、复杂化的需求。网络技术与铝电磁场快速铸轧技术的有机结合，将极大地提高系统的整体水平，保持新型铝电磁场快速铸轧技术的先进性，正是由于网络的作用，控制子系统之间、不同网络层次之间才能够互相通信，形成一个有机整体共同完成复杂的控制任务，适应铝生产过程管控一体化和综合自动化的需要。

参考文献

[1]  王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2003．

[2]  阳宪惠．工业数据通信与控制网络[M]．北京：清华大学出版社，2003．

[3]  白涛，吴智铭等．网络化的控制系统[J]．控制理论与应用，2004，(4)：584～590．

[4]  彭可，陈际达等．控制系统网络化及控制系统与信息网络集成技术[J]．信息与控制，2002，(5)：441～445．