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畢鑫 （哈爾濱海威電子工程有限公司，150090）
摘要：乳品加工是個(gè)多區(qū)域、多工藝協(xié)調(diào)運(yùn)作的控制過(guò)程。該工程成功地將A-B設(shè)備層、控制層、信息層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到從過(guò)程控制到信息處理整個(gè)生產(chǎn)的自動(dòng)化管理，充分體現(xiàn)了A-B現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的智能性、高效性和靈活性，對(duì)提高客戶產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益起了巨大的作用。本工程中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)其它行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)具有一定的參考和借鑒作用。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 乳品加工 羅克韋爾自動(dòng)化
工程背景：2002年，東北地區(qū)某乳品廠進(jìn)行生產(chǎn)線擴(kuò)建改造。該廠原來(lái)曾采用了眾多的PLC-5和SLC500系列產(chǎn)品，并通過(guò)DH+連接在一起。此次改造，該廠生產(chǎn)能力將擴(kuò)大一半以上，改造過(guò)程涉及到原有控制系統(tǒng)的升級(jí)、替換和刪除。
鮮奶不易保存，所以整個(gè)工程中最關(guān)鍵的是，如何在不停產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將原有功能和原有現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備的控制完整切換到新系統(tǒng)上。其次，我們?cè)撊绾尾捎靡粋�(gè)更為合理、更為先進(jìn)、更為可靠的方案以適應(yīng)變頻器、智能化儀表等設(shè)備在工程上的大量應(yīng)用。
我們選用了ControlLogix系統(tǒng)，通過(guò)其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，包括EtherNet、ControlNet和DH+等，成功實(shí)現(xiàn)了不停產(chǎn)切換和擴(kuò)建改造�？⒐ず蟮南到y(tǒng)信息層以快速以太網(wǎng)為紐帶，實(shí)現(xiàn)了工控信息的發(fā)布和共享；控制層以ControlNet為骨干，兼容DH+，有效地規(guī)劃了系統(tǒng)負(fù)荷，使網(wǎng)絡(luò)更快速更安全；設(shè)備層選用了RIO和DeviceNet，不僅大大節(jié)省了用戶投資和現(xiàn)場(chǎng)工作量，還使得信息更全面，實(shí)現(xiàn)了更靈活、更智能化的控制。
一、概述：
乳品加工是一個(gè)復(fù)雜的多工藝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它包括產(chǎn)品制造系統(tǒng)：奶源、凈乳、配方、濃縮、干燥、干混、包裝；服務(wù)系統(tǒng)，如：蒸汽、熱風(fēng)、制冷、清洗；此外還有：凈化水、污水處理等。因?yàn)樽罱K產(chǎn)品和人體健康密切相關(guān)，所以對(duì)控制系統(tǒng)的精度、可靠性和實(shí)時(shí)性都提出了很高的要求。
與其它品牌自動(dòng)化產(chǎn)品相比，A-B強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能是一大顯著優(yōu)勢(shì)。Netlinx開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含了信息層、控制層和設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò)，NetLinx結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、CIP（控制和信息協(xié)議）以及開(kāi)放式軟件接口結(jié)合在一起。根據(jù)特定的應(yīng)用需求，用戶可以混合搭配一層、兩層或全部三層網(wǎng)絡(luò)，并可以在網(wǎng)絡(luò)間無(wú)縫地傳送數(shù)據(jù)。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系下，羅克韋爾自動(dòng)化的Logix平臺(tái)為用戶提供了不同格式下控制的兼容性。
以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)在近十幾年來(lái)發(fā)展得非常迅速。由于其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，不僅壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通信領(lǐng)域和過(guò)程控制領(lǐng)域中上層的信息管理與通信，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了大規(guī)模的應(yīng)用，并且也是今后工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。EtherNet工業(yè)協(xié)議（EtherNet/IP）是一個(gè)開(kāi)放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，采用IEEE 802.3物理介質(zhì)及數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，提供了實(shí)時(shí)I/O消息和對(duì)等信息通訊。典型情況下，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)采用有源星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備組按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接到交換機(jī)。交換機(jī)提供虛擬連接，有助于控制網(wǎng)絡(luò)碰撞并減少網(wǎng)絡(luò)堵塞。羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品中，PLC-5 E系列和SLC5/05系列及ControlLogix產(chǎn)品都提供了以太網(wǎng)接口。
DH+（Data Highway Plus）是一種較早投入使用的工業(yè)局域網(wǎng)，可用于PLC、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面產(chǎn)品等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所有的增強(qiáng)型PLC-5及SLC5/04都有內(nèi)置的DH+通訊口，加上DH+使用便宜的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和最長(zhǎng)達(dá)3000米的傳輸距離，它在各行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于DH+網(wǎng)采用令牌傳送協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)過(guò)多時(shí)（超過(guò)20個(gè)）會(huì)致使傳輸實(shí)時(shí)性降低，在此情況下，不適合于對(duì)安全及連鎖控制實(shí)時(shí)性要求較高的控制場(chǎng)合。
ControlNet是90年代以后開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的自動(dòng)化及控制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)集數(shù)種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)于一身，擁有I/O、PLC互鎖、信息傳輸以及在同一網(wǎng)上編程等功能。它是一種用于對(duì)信息傳送有時(shí)間苛刻要求的、高速確定性網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它允許傳送無(wú)時(shí)間苛求的報(bào)文數(shù)據(jù)，但不會(huì)對(duì)有時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。ControlNet采用了生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)從單個(gè)的數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)。其最主要的特點(diǎn)是：更強(qiáng)的系統(tǒng)功能；更高的效率，因?yàn)閿?shù)據(jù)的發(fā)送與客戶的數(shù)量無(wú)關(guān)；精確的同步化，因?yàn)閿?shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)每個(gè)節(jié)點(diǎn)。
DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)，可以將底層的設(shè)備直接與車間級(jí)控制器相連，如：限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、變頻器、電力監(jiān)控模塊及觸摸屏等，而無(wú)需通過(guò)硬線將它們與I/O模塊連接。這種連接極大的改進(jìn)了設(shè)備間的通訊功能，并可提供診斷、預(yù)測(cè)故障等功能。
二、實(shí)施過(guò)程
舊系統(tǒng)核心部分是一個(gè)PLC-5/80處理器，其RIO接口連接著十余個(gè)Flex I/O節(jié)點(diǎn)。切換過(guò)程分為三步進(jìn)行。第一步，在ControlLogix機(jī)架上安裝一1756-DHRIO模塊，通道1組態(tài)為DH+類型，與PLC-5/80連接；通道2組態(tài)為RIO類型，并按新舊節(jié)點(diǎn)之和進(jìn)行配置。此機(jī)架上處理器被稱為“IOProcessor”。
第二步，在生產(chǎn)線清洗間隙將原有節(jié)點(diǎn)移到新網(wǎng)絡(luò)上，程序中作如下改動(dòng)：屏蔽PLC-5/80程序中的通信錯(cuò)誤告警；通過(guò)DH+網(wǎng)將設(shè)備控制文件傳送到IOProcessor進(jìn)行輸出，執(zhí)行后設(shè)備反饋再傳回PLC-5/80。重復(fù)這一步驟，直到將所有Flex I/O節(jié)點(diǎn)全部連接到基于IOProcessor控制的網(wǎng)絡(luò)上，此時(shí)邏輯與I/O控制已分離，在新的人機(jī)界面上可以實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的手動(dòng)控制。
第三步，在稱作“Logic”的ControlLogix處理器上進(jìn)行功能測(cè)試。調(diào)試階段，新老處理器執(zhí)行同樣的操作員指令，新處理器將仿真輸出的結(jié)果與老處理器進(jìn)行比較、修正。調(diào)試通過(guò)后，屏蔽老處理器該功能和與IOProcessor的通訊，并將Logic的輸出指令通過(guò)背板傳送到IOProcessor中。同時(shí)，按生產(chǎn)工藝變動(dòng)情況補(bǔ)充新代碼。就這樣，在保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的前提下，成功完成了系統(tǒng)的升級(jí)換代。
在新上的蒸發(fā)器和干燥塔系統(tǒng)中，我們通過(guò)帶DeviceNet適配器的Flex I/O實(shí)現(xiàn)了限位開(kāi)關(guān)、過(guò)程變量等參數(shù)的采集和閥門、電機(jī)、變頻器的控制。
作為網(wǎng)絡(luò)掃描器的1756-DNB它最多可以容納63個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸入輸出容量分別為124、123個(gè)雙字。在網(wǎng)絡(luò)配置中，每個(gè)1794-ADN占用1個(gè)輸入字；開(kāi)關(guān)量模塊（1794-IB16和1794-OB16）分別占用1個(gè)輸入或輸出字；模擬量模塊（1794-IE8和1794-OE4）每通路占用1個(gè)輸入或輸出字；變頻器通過(guò)播碼或軟件設(shè)置為3個(gè)輸入和輸出雙字，這樣，處理器可從變頻器上最多采集包括頻率在內(nèi)的5路參數(shù)，并且其中4路可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行選擇切換并顯示。
Panelview取代了大量的控制按鈕和現(xiàn)場(chǎng)指示儀表，整個(gè)系統(tǒng)極為簡(jiǎn)潔和高效。根據(jù)電力監(jiān)控模塊1年來(lái)的數(shù)據(jù)分析，由于變頻器等設(shè)備的大量采用，新系統(tǒng)生產(chǎn)耗電量較同等規(guī)模原系統(tǒng)節(jié)省30％以上。
調(diào)試結(jié)束后，我們按照標(biāo)準(zhǔn)配置組態(tài)了數(shù)個(gè)空節(jié)點(diǎn)作為備用。在2個(gè)月后進(jìn)行的新維生素和玉米油項(xiàng)目中，都作到了邊生產(chǎn)邊擴(kuò)建，最大限度節(jié)省了用戶的時(shí)間，保證了經(jīng)濟(jì)效益。這也充分體現(xiàn)出DeviceNet高度的靈活性。
通訊網(wǎng)絡(luò)的重新架構(gòu)是本工程的一大特色。該廠原有控制系統(tǒng)都采用的是PLC-5或SLC500系列產(chǎn)品，通過(guò)DH+網(wǎng)進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷重，通訊速度慢。我們以ControlNet為骨干，根據(jù)物理分布和邏輯關(guān)系將原有網(wǎng)絡(luò)拆分為3段DH+網(wǎng)絡(luò)，不同DH+網(wǎng)間傳輸信息通過(guò)ControlLogix的消息指令中轉(zhuǎn)或采用LinkID方式進(jìn)行。
信息層采用了百兆以太網(wǎng)，通過(guò)雙絞線和光纖將新老廠區(qū)及網(wǎng)管中心連接在一起。主要功能有三：
1、與人機(jī)界面的通訊，如數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。以太網(wǎng)的通用性使人機(jī)界面的擴(kuò)展變得非常簡(jiǎn)單，且無(wú)需使用昂貴的專用插件。同時(shí)，在軟件中可以廣泛利用發(fā)展中的各種計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)具有近乎無(wú)限的擴(kuò)展能力。
2、與網(wǎng)管中心聯(lián)網(wǎng)
系統(tǒng)軟件采用Windows 2000 Server和成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。通過(guò)MSSQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，軟件將控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)化到MSSQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)而完成全廠關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、能源材料消耗等信息的統(tǒng)計(jì)，為高效生產(chǎn)、合理調(diào)度及設(shè)備維修更換提供了科學(xué)依據(jù)。Windows 2000 Server的IIS (Internet Information Service)功能使全廠的相關(guān)部門可通過(guò)Web瀏覽器方式瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)信息及檢索數(shù)據(jù)。
3、以太網(wǎng)也可作為兩廠區(qū)控制網(wǎng)絡(luò)的備用路由。
三、使用效果
系統(tǒng)運(yùn)行一年多來(lái)實(shí)際結(jié)果表明，A-B現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的應(yīng)用在安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了重要作用，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了前所未有的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量均有了穩(wěn)定的提高，新產(chǎn)品也在不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。更為突出的是，工控系統(tǒng)與信息技術(shù)的結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的進(jìn)銷存規(guī)范化管理，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1] 浙江大學(xué)羅克韋爾自動(dòng)化技術(shù)中心. 《可編程控制器系統(tǒng)》.浙江大學(xué)出版社，1999
[2] 中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)用刊.《控制工程》第九卷
[3] Allen-Bradley. Manuals on-Line
作者簡(jiǎn)介：
畢鑫（1974－），男，黑龍江省哈爾濱人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信工程專業(yè)，大學(xué)本科，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)工作。
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