今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道一 引言
隨著計算機技術、通信技術、現代控制理論的迅速發展和企業管控一體化實施的迫切要求，全數字化的現場總線控制系統(FCS)代替數字與模擬并存的集散控制系統（DCS）已經成為工業控制系統結構發展的必然趨勢。以現場總線、智能儀表為基礎的現場總線控制系統已經成為當今工業企業意義關注的熱點問題。現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的全數字化、實時、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。它主要解決現場的智能化儀表、控制器、執行機構等現場設備之間的數字通信問題，以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。現場總線的通信方式是使用一根通信電纜，將所有符合現場總線標準的現場設備及控制單元相互連接起來，以構成設備級和車間級的數字化通信網絡。其主要特點有：
1 系統具有高度的開放性。 在FCS中，用戶可以把遵循相同協議不同品牌的產品集成到一個規模隨意的系統里，使用戶真正具有系統集成的主動權。可以說現場總線控制系統就是自動化領域的開設互聯系統，它從根本上打破了DCS系統的封閉性，使企業與外界信息的溝通范圍不斷擴大，為企業實現信息化控制與管理創造了條件。
2 全數字化，抗干擾能力強。 在傳統的DCS系統中，壓力和溫度變法器須將它們測量到的原始數字信號在送入DCS前要轉換成4-20mA的模擬信號。由于工業現場環境惡劣，存在大量電磁噪聲，這些模擬信號極易受噪聲的干擾。而FCS為全數字化系統，有很強的抗干擾能力，數字信號的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。
3 對現場環境的適應性。 工作在生產現場前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專門為現場環境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻線、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現供電和通信，并可滿足本質安全防爆的要求等。
4 互操作性和互換性。 標準化的智能儀表可方便互連、互組態和互換。互操作性是實現互聯設備間、系統間的信息傳送與溝通。互換性是指不同生產廠家功能類似的設備之間可以進行相互替換。互操作和互換性是將系統升級為現場總線的關鍵動力之一。
5 可控性強， 具有較強的自診斷功能。 數字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數據、組態、運行和診斷信息已成為現實。自診斷功能可以及時幫助用戶分析問題是否發生在變法器。無需親臨現場觀察后才得出結論。這樣，即使設備發生故障，也可以很快地恢復生產。
6 節省電纜和控制室面積，降低安裝及維護的費用。 與傳統設備間點對點的接線方式相比，讓多臺設備共享一條總線的現場總線系統自然能夠節省大量的電纜、端子、槽盒、橋架。連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上。這樣既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。
7 FCS系統相對于DCS系統組態結構簡單，由于結構，性能標準化，便于安裝，運行，維護。
濟南正昊化纖新材料有限公司新上兩條年產7萬噸滌綸短纖采用rockwell公司的controllogix系統，結合工業以太網和現場總線技術,進行系統集成,使得系統的可靠性、先進性、開放性、易維護性及可擴展性大大提高，實現了生產過程的自動化及管控一體化。
二 基于CONTROLLOGIX系統的現場總線系統
Controllogix系統是Rockwell自動化控制產品中功能最為強大的一個系列，它將順序控制、過程控制和運動控制結合在一起，形成了一個混和的控制平臺，其功能以超出了傳統意義上的可編程控制器。由于其采用了CONTROLLBUS無源背板總線，它的框架背板就相當于一個高速網絡，連接不同網絡的通訊模塊在這個框架上有了共同的信息通道，這時即便沒有處理器的參與，CONTROLLOGIX系統也能作為一個網橋，完成不同網絡間的信息路由和共享，而且不用編程，從根本上提高了數據采集的效率。基于CONTROLLOGIX系統的ROCKWELL自動化系統，根據不同設備對網絡的不同要求，在工廠自動化系統中采用三層網絡模式：基于DEVICENET的設備網，基于CONTROLNET的控制網和基于ETHERNET/IP的工業以太網。為了實現信息網絡間的無縫路由和集成，在網絡應用層中采用了統一的協議，即控制和信息協議（CIP）。
1 DEVICENET作為現場總線技術的開放標準網絡，實現了現場設備與控制系統的簡單連接，由于它采用公開的技術規范和常規的CAN總線芯片器件，使得基于DEVICENET的設備成本較低，DEVICENET有兩種報文形式，I/O報文用于傳輸實時數據，顯性報文則適合不同設備之間點對點傳輸配置和故障診斷信息。DEVICENET作為ROCKWELL自動化系統的一部分，其數據能夠在整個系統中進行無縫路由。例如，以太網上的計算機無需其他編程就可以經由以太網訪問DEVICENET,對DEVICENET網絡上的設備進行組態和監控。這極大地方便了上位機對現場設備的數據采集。
2 CONTROLNET作為IEC國際標準的現場總線，能夠提供強大的網絡通訊功能，在控制器與現場檢測設備、人機界面之間建立了一個穩定、可靠的高速通信鏈路。對于CONTROLNET的網絡介質存取，是通過時間限制存取算法來控制，即“并行時域多路存取”（CONCURRENT TIMED DOMAIN MULTIPLE ACCESS縮寫為CTMDMA）方法來控制各個節點在網絡刷新時間（NUT）內傳送信息的機會，用戶可對網絡刷新時間進行調節，最小可達2ms。CONTROLNET網絡的特點為傳送數據量比較大，可靠性高，對時間要求苛刻，因此CONTROLNET網絡的成本也較DEVICENET高。
3 以太網作為商用通訊系統中最為常見的通訊形式有著極好的硬件、軟件平臺支持。絕大多數商務系統都可以運行于以太網上，其網絡構建成本也低于DEVICENET和CONTROLNET，因此在控制系統中得到了廣泛的應用。但是以太網也有自身的缺陷，由于其采用CSMA/CD介質存取方式，不可避免的會出現數據延遲，因而不能直接用于傳輸對時間有苛刻要求的數據，但是對于諸如編程、設備組態、系統監控等應用來說，完全可以滿足要求。由于計算機接入以太網只需要廉價的網卡即可，因而在整個系統中，以太網對其他網絡進行訪問的接人成本是最低的。
三 CONTROLLOGIX系統在滌綸短纖生產線上的應用
1 滌綸短纖生產特點及其控制要求 滌綸短纖的生產過程是一個要求高度連續、穩定的生產過程。滌綸短纖生產線由前紡部分和后紡部分組成。前紡生產主要完成從聚酯溶體到制紡滌綸初生纖維的過程，主要有熔體輸送、紡絲及上油系統、卷繞及上油系統、聯苯鍋爐加熱系統、往復單元等部分組成。后紡生產主要完成初生纖維的拉伸和定型，主要有集束架、導絲機、浸浴槽、一牽、水浴牽伸槽、二牽、蒸汽加熱箱、緊張熱定型Ⅰ、緊張熱定型Ⅱ、緊張熱定型Ⅲ、油劑噴淋、三牽、疊絲機、三輥牽引機、張力架、蒸汽預熱箱、卷曲機、鋪絲機、上油裝置、松馳干燥機、張力機、切斷機、打包機等部分組成。基于滌綸短纖的生產工藝特點，對滌綸短纖自動控制系統的要求為： 1 對滌綸短纖生產工藝流程能進行實時監控，完成對現場各種工藝參數的數據采集、PID調節、各種控制信號的輸出，以保證對生產工藝設備以及各種現場檢測設備的狀態實時地顯示和控制。2、對各工藝段能完成程序的啟動，停止以及故障的檢測和處理。3、對生產過程中的故障及現場檢測裝置的狀態實時檢測，記錄并產生報警輸出。4、對生產數據實時采集，并通過計算機的運算處理形成生產數據的各種報告，曲線及趨勢圖。并實現與信息中心等管理部門通訊，實現管控一體化。
2 滌綸短纖控制網絡系統配置及構成。如圖(一)。系統為兩條年產7萬噸滌綸短纖維生產線控制系統。整個系統有監控層、主控層和現場設備層組成。
(1) 監控層由三臺工控機組成，其中一臺作為工程師站，兩臺作為操作員站。工控機選用CPU為PIII－800的戴爾工控機(DELL)，配以256M內存、20G硬盤、10M以太網卡和1784-PCIC卡。三臺工控機相互之間通過工業以太網連接，并且通過1784-PCIC卡把工控機連上由ControlLogix 5555 PLC與現場Flex I/O之間構成的ControlNet網絡。每臺工控機配以Windows 2000 Server操作系統和美國羅克韋爾公司的監控軟件RSView 32 為運行環境。通過工程師站可以完成網絡組態， 建立過程數據庫、流程圖畫面， 編制各種報表， 設計控制程序等功能；通過操作員站完成對連續和非連續生產過程進行監視和控制，信號報警和報警打印， 趨勢打印和顯示， 日志和報表打印， 流程圖畫面顯示， 系統狀態顯示等功能。美國羅克韋爾公司的監控軟件RSView 32系統軟件具有豐富的流程操作、監控、通信、報警、管理、趨勢記錄和診斷功能，完成滌綸短纖維工藝流程控制和各種參數顯示。工控機通過EtherNet與信息中心相連，將實時采集的滌綸短纖維各種參數和生產系統報表適時傳遞至信息中心，實現生產監控和協調管理功能。
(2) 主控層由美國RockWell公司的4臺ControlLogixPLC 5555組成。控制層通過現場總線CONTROLNET與現場FLEX I/O站相連，通過現場總線CONTROLNET和DEVICENET與變頻器和歐姆龍PLC等相連，實現對滌綸短纖生產過程的溫度、流量、壓力、張力等各種工藝參數的控制和調節。每條生產線具有兩套硬件配置完全相同的CONTROLLOGIX 5555機架系統，實現系統的機架冗余和介質冗余，確保生產過程的可靠性和穩定性。 每臺CONTROLLOGIX 5555的配置如圖（二）。其中1756-PA72為電源模塊;1756-L55M13為處理器，該處理器具有很大的存儲容量(1.5M)和很強的運算功能, 能完成多種操作控制；通過以太網和現場總線ControlNet、DeviceNet網絡，實時接受上一級指令和對本單元機組內各控制系統實現協調控制。1756-SRM為系統冗余模塊，完成系統的冗余功能； 1756-CNBR為通信模塊，連接ControlNet網絡，實時接收和發送ControlNet網絡上的信息。
(3 ) 現場輸入輸出和設備層 現場設備層主要由現場FLEX I/O、變頻器以及小型歐姆龍PLC組成。
(1) 現場FELX I/O
美國RockWell 公司生產的Flex I/O 系列產品是一種靈活的、高性能價格比的適合于分布式應用的模塊化I/O系統。它可以提供那些由大型的、機架安裝的I/O系統所能提供的所有功能。通過Flex I/O，可以獨立地選擇I/O類型和網絡(Remoto I/O;Profibus-DP; ControlNet;EtherNet/IP等)來滿足應用的需要。滌綸短纖維生產線中每條生產線配置六個現場Flex I/O (1-6)站。現場的Flex I/O站是以點對點的接線連接到現場傳感器或現場儀表設備，完成實時數據采集或控制輸出。由主控站處理器通過ControlNet網絡下達的各種命令控制信息，以完成各種實際操作。現場Flex I/O (1-6)中，各單元分別由適配器模塊(1794-ACRN15)；開關量輸入/輸出模塊(1794-IB16XOB16P;1794-IB16;1794-OB16)；模擬量輸入/輸出模塊(1794-IE8,1794-OE8)和RTD模塊(1794-IR8)組成。以現場Flex I/O―2為例,其配置如圖（三）所示。其中1794-ACRN15是一種適配器模塊，用于Flex I/O連接ControlNet網絡并與主控系統進行通信，傳遞各種信號和命令的通道。每個適配器可以驅動8個端子模塊，允許最大點數：256點數字I/O，64點模擬I/O輸入，32點模擬I/O輸出。1794-IR8是RTD輸入模塊，它提供(16位)8路RTD輸入，能將現場鉑電阻信號直接轉換成數字量信號，大大提高控制的速度和精度。
（2）變頻器 短纖后紡利用變頻器對電動機的傳動控制完成滌綸短纖的牽伸要求。美國AB公司的1336 FORCE變頻器內置1336－GM5通信模板，1336－GM5為智能通訊模塊，它能夠將多種SCANport 設備與DeviceNet 聯接，而1336 FORCE變頻器具有SCANport接口，所以1336 FORCE變頻器可以由1336-GM5 聯接到設備網。變頻器通過1336 GM5通信模板連接到現場總線DEVICENET，再通過網橋7788-CN2DN模塊連到CONTROLNET,通過CONTROLNET與CONTROLLOGIX 5555通信。通過現場總線CONTROLNET和DEVICENET，變頻器上百個參數得到實時的監視和控制。
3 濟南正昊新材料有限公司滌綸短纖維生產線的人機監控系統由位于主控室的兩套RSView 32計算機操作員站和一套RSView 32工程師站組成。操作員站和工程師站安裝Windows 2000操作系統作為
RSView 32運行平臺。監控系統通過CONTROLNET總線與ControlLogix 系統通信，實現實時監控。基于RSVIEW32的計算機監控系統具有強大的監視、控制和管理功能，不僅能夠實時地顯示現場監控設備的各種數據，而且還把數據的變化以動畫的方式形象地表示出來，同時完成報警、趨勢曲線、成組顯示、歷史記錄、報表打印等功能。監控系統由系統主畫面和100多幅子畫面組成，全面直觀反映了滌綸短纖維生產的全部過程。畫面之間的切換用鼠標簡單的擊點工藝畫面鍵或功能指示鍵即可,操作十分簡便。
1）工藝流程圖監控 如生產工藝流程圖、PID控制圖、同步控制系統圖等，這些流程圖上現場設備的地理位置、工作狀態和儀表數據都能夠在流程圖上形象、直觀地顯示出來。若現場儀表的工作狀態或者測量的數據發生了變化，則在流程圖上也實時地發生相應的變化。通過對滌綸短纖維前紡和后紡過程中的所有工藝參數，PID調節中的各個參數及同步控制中各個參數的實時監控，保證了系統的穩定性及同步控制的可靠性。
2）實時報警和故障診斷 在滌綸短纖維生產過程中，各類工藝參數或設備發生異常時，聲音和燈光同時提醒用戶，直到被確認。而且故障總表中會記錄故障發生的時間、來源和恢生產統計表、日生產量表、月生產量表和各種故障信息表，供用戶查看，確定故障原因。
3）歷史數據和曲線以及報表打印 各類工藝參數或設備的數據根據用戶的需要實時保存在各個系統所對應的數據庫里，根據用戶的需要一個星期或一個月或一年或幾年數據庫更新一次。系統根據要求，實時或定時從數據庫里進行各種報表打印和報警打印 。
四 結束語
本系統在濟南化纖新材料有限公司已穩定運行兩年多，產品的合格率達98%以上，其中優等品占94%以上。運行結果表明基于現場總線的ControlLogix系統結合工業以太網（EtherNet）能充分滿足化纖控制系統中高精度的同步控制要求，對化纖生產廠的安全運行、自動化水平的提高和優化管理等方面起到了至關重要的作用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號