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CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煙草制絲線上的應(yīng)用
一、前言
??? 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。目前，國(guó)際上各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)總線有幾百種之多，較著名的有FF現(xiàn)場(chǎng)總線、HART現(xiàn)場(chǎng)總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線等。
??? 現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)，是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)。而作為在自動(dòng)化控制方面走在前沿的卷煙生產(chǎn)企業(yè)，在近年來(lái)的卷煙技術(shù)改造過(guò)程中充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)改造傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。其中，對(duì)香煙質(zhì)量起著舉足輕重作用的制絲生產(chǎn)線因其設(shè)備分散，且工藝變化多，對(duì)控制系統(tǒng)提出了靈活、有柔性、更新?lián)Q代方便等要求，這些要求正好給現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提供了大顯身手的舞臺(tái)。
? 二、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線概述
??? CAN（ControllerArea Network）總線是一種有較好效率支持分散實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通訊協(xié)議，并具有較高的安全等級(jí)。CAN總線可以被用于多主機(jī)系統(tǒng)，尤其適合于網(wǎng)絡(luò)智能型設(shè)備以及系統(tǒng)或子系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器件。在CAN網(wǎng)絡(luò)里沒(méi)有我們習(xí)慣印象中的設(shè)備地址號(hào)或站號(hào)，而是把信息區(qū)分成優(yōu)先次序發(fā)送。CAN總線由于其高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，為許多行業(yè)所采用，目前已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
? 三、現(xiàn)場(chǎng)總線選型說(shuō)明
??? 南寧卷煙廠6000kg/h制絲線電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線選擇基于以下幾方面的考慮：
??? （1）現(xiàn)場(chǎng)總線的性能
??? （2）與現(xiàn)場(chǎng)總線連接的控制器的性能
??? （3）現(xiàn)場(chǎng)總線、PLC控制器器件提供商所能提供的監(jiān)控系統(tǒng)軟件及其與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)連接的性能
??? 通過(guò)對(duì)比煙草企業(yè)常用的CAN總線及PROFIBUS總線，我們確定現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)為DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）和ControlNet（控制網(wǎng)），器件廠商選擇美國(guó)AB公司，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
??? 基于CAN總線的DeviceNet是一種易于連接的總線，用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。它可連接開(kāi)關(guān)、拖動(dòng)裝置、固態(tài)過(guò)載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機(jī)界面等，傳輸速率為125-500kbps。DeviceNet通過(guò)一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)，將底層的設(shè)備直接和車間級(jí)控制器相連，而無(wú)需通過(guò)硬線將它們與I/O模塊連接。世界范圍的150多個(gè)銷售商支持開(kāi)放式DeviceNet。DeviceNet基于生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）的網(wǎng)絡(luò)模式，可使控制數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)操作的每一個(gè)單元，具有可靠和高效的數(shù)據(jù)處理能力。
? 圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
??? 基于CAN總線的ControlNet是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)時(shí)間有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸。作為最底層和以太網(wǎng)之間的中間通訊網(wǎng)絡(luò)，它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。ControlNet同樣基于生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）的網(wǎng)絡(luò)模式。ControlNet具有高吞吐量、資源共享、組態(tài)和編程簡(jiǎn)單、支持冗余介質(zhì)、體系結(jié)構(gòu)靈活和安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)。
? 四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 按照“以信息為基礎(chǔ)、管理為主導(dǎo)、控制為中心”的設(shè)計(jì)理念，南寧卷煙廠6000kg/h制絲線電控系統(tǒng)按功能劃分為三個(gè)層次（見(jiàn)圖2），即：信息管理層，過(guò)程控制層，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。其中：
??? （1）設(shè)備控制層：采用DeviceNet連接各BL20分布式I/O站、變頻器、電子秤、核子秤、水分儀、操作面板等，通過(guò)具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口的主控制器（SLC504或Logix5555）實(shí)現(xiàn)對(duì)各工藝段設(shè)備的組合和單機(jī)控制，以此滿足生產(chǎn)要求。
??? （2）集中監(jiān)控層：作為控制系統(tǒng)的入機(jī)交互接口，通過(guò)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)PC和RSView32監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的組合操作、狀態(tài)監(jiān)控、工藝參數(shù)控制參數(shù)顯示和設(shè)定、故障診斷定位和報(bào)警顯示、記錄等。
??? （3）信息管理層：負(fù)責(zé)處理全線運(yùn)行過(guò)程中的綜合信息，包括人工檢測(cè)和錄入工藝、設(shè)備、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并提供完整的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和各種分析圖表等。
??? 五、系統(tǒng)功能
??? 1、設(shè)備控制層功能
??? （1）全線及分段順序啟/停，設(shè)備加工動(dòng)作的自動(dòng)控制；
??? （2）采集溫度、壓力、水分、流量等過(guò)程參數(shù)，進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制；
??? （3）緊急停機(jī)；
??? 圖2系統(tǒng)層次劃分圖
??? （4）接受中央控制室控制指令、調(diào)度指令、參數(shù)調(diào)節(jié)指令，采集現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至集中監(jiān)控層和信息管理層；
??? （5）貯柜根據(jù)工藝要求自動(dòng)切換；
??? （6）對(duì)被控電機(jī)提供完善的過(guò)流、過(guò)熱、缺相、短路保護(hù)功能；
??? （7）采用聲、光報(bào)警，具有完善的故障檢測(cè)及報(bào)警提示功能。
??? 2、集中監(jiān)控層功能
??? （1）監(jiān)視功能
??? a.模擬顯示各部分設(shè)備運(yùn)行狀況，包括設(shè)備主要?jiǎng)幼鞯膭?dòng)態(tài)顯示、電機(jī)的運(yùn)行狀況、測(cè)控元件狀態(tài)；
??? b.工藝參數(shù)顯示，包括數(shù)字、棒圖、趨勢(shì)圖等形式；
??? c.報(bào)警顯示，用文本或窗口彈出的方式顯示當(dāng)前報(bào)警的時(shí)間、位置、內(nèi)容。設(shè)報(bào)警綜合顯示界面，顯示歷史報(bào)警的信息；
??? （2）控制功能
??? a.全線或局部的啟/停及其它操作
??? b.工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、查詢
??? c.分級(jí)授權(quán)管理
??? d.在線編程功能
??? （3）在線診斷幫助功能
??? a.診斷功能，出現(xiàn)故障時(shí)給出故障的內(nèi)容及解決方案。
??? b.幫助功能，提供給操作人員進(jìn)行操作和維護(hù)的在線幫助支持。
??? 3、信息管理層功能
??? （1）生產(chǎn)管理
??? （2）工藝管理
??? （3）質(zhì)量管理
??? （4）設(shè)備管理
??? （5）報(bào)表生成
??? 六、系統(tǒng)特性
??? 與傳統(tǒng)的控制模式相比，基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式的南寧卷煙廠制絲生產(chǎn)線電控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
??? （1）用分布式I/O代替集中I/O，用總線通訊代替點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，使系統(tǒng)配置占地面積大大減少，控制電纜、動(dòng)力電纜和橋架費(fèi)用減少70%，降低了系統(tǒng)安裝成本?，F(xiàn)場(chǎng)I/O箱實(shí)現(xiàn)設(shè)備就近驅(qū)動(dòng)，大大節(jié)約安裝調(diào)試時(shí)間。
??? （2）工藝段劃分合理，本電控系統(tǒng)基本上以物料存貯設(shè)備（各類貯柜）作為獨(dú)立工藝段的分割點(diǎn)，使得各工藝段的設(shè)備工作狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立。當(dāng)其中某工藝段設(shè)備故障停機(jī)甚至掉電時(shí)，并不影響其它工藝段的設(shè)備運(yùn)行。同時(shí)基于成本方面的考慮，在控制段的劃分上根據(jù)工藝段的歸屬設(shè)置統(tǒng)一的CPU。全電控系統(tǒng)包括12個(gè)獨(dú)立工藝段，由8個(gè)控制段分別實(shí)現(xiàn)控制。
??? （3）系統(tǒng)組態(tài)靈活，能迅速適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的調(diào)整。設(shè)備數(shù)量的變化只需更改對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)I/O箱內(nèi)的配置和控制程序的少量修改。
??? （4）充分利用CAN總線的開(kāi)放性，來(lái)自不同廠商的執(zhí)行器件（如變頻器、電子秤/核子秤）、連續(xù)檢測(cè)設(shè)備（如水分儀、紅外測(cè)溫儀）或自帶控制系統(tǒng)的主機(jī)設(shè)備（如切絲機(jī)）均采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接，減少了模擬量模塊的數(shù)量，提高了數(shù)據(jù)傳送的快捷性、準(zhǔn)確性，節(jié)約了安裝時(shí)間，方便調(diào)試及診斷，從而為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全線流量、水分、溫度的控制精度提供了保證。整條制絲生產(chǎn)線水分控制精度為1%；溫度控制精度為2～3℃，配比精度為1%。
??? （5）充分利用DeviceNet、ControlNet在系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性、硬件診斷、系統(tǒng)組態(tài)等方面的優(yōu)良性能及CAN總線確定性的數(shù)據(jù)傳輸，十分便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。
??? （6）在元器件的選型上，充分對(duì)比了相關(guān)牌號(hào)的同類產(chǎn)品，從可靠、實(shí)用、美觀、性價(jià)比高等多方面考慮，選擇了相關(guān)元器件。例如選擇了日本Digital公司Proface觸摸屏，選擇TURCK公司B120系列現(xiàn)場(chǎng)I/O產(chǎn)品及電機(jī)啟動(dòng)器，選擇丹佛斯的變頻器等。這些產(chǎn)品通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線端子或網(wǎng)卡與CAN總線有機(jī)結(jié)合，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)放性好、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)。
??? （7）在信息管理層采用交換式以太網(wǎng)、基于客戶機(jī)/服務(wù)器體系的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、大容量高可用度磁盤陣列等成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，為生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)有力的保證。
??? 七、結(jié)束語(yǔ)
??? 南寧卷煙廠6000kg/h制絲線電控系統(tǒng)由中國(guó)火箭運(yùn)載技術(shù)研究院下屬北京長(zhǎng)征高科技公司承制，于2003年5月投入運(yùn)行。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，新制絲線流量、水分、溫度、摻兌的穩(wěn)定性、均勻性都有較大幅度提高，使南寧卷煙廠的產(chǎn)品整體質(zhì)量上升到一個(gè)嶄新的水平。同時(shí)，該系統(tǒng)在品牌選擇實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化組合方面進(jìn)行了大膽的探索，為新一代煙草制絲線控制系統(tǒng)提供了成功的范例，必將大大促進(jìn)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煙草行業(yè)的更大規(guī)模應(yīng)用。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論