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案例頻道一 引言
隨著計算機技術、通信技術、現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展和企業(yè)管控一體化實施的迫切要求，全數(shù)字化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)代替數(shù)字與模擬并存的集散控制系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)成為工業(yè)控制系統(tǒng)結構發(fā)展的必然趨勢。以現(xiàn)場總線、智能儀表為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當今工業(yè)企業(yè)意義關注的熱點問題。現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字化、實時、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。它主要解決現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備之間的數(shù)字通信問題，以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。現(xiàn)場總線的通信方式是使用一根通信電纜，將所有符合現(xiàn)場總線標準的現(xiàn)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(shù)字化通信網(wǎng)絡。其主要特點有：
1 系統(tǒng)具有高度的開放性。 在FCS中，用戶可以把遵循相同協(xié)議不同品牌的產(chǎn)品集成到一個規(guī)模隨意的系統(tǒng)里，使用戶真正具有系統(tǒng)集成的主動權。可以說現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就是自動化領域的開設互聯(lián)系統(tǒng)，它從根本上打破了DCS系統(tǒng)的封閉性，使企業(yè)與外界信息的溝通范圍不斷擴大，為企業(yè)實現(xiàn)信息化控制與管理創(chuàng)造了條件。
2 全數(shù)字化，抗干擾能力強。 在傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)中，壓力和溫度變法器須將它們測量到的原始數(shù)字信號在送入DCS前要轉換成4-20mA的模擬信號。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)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(shù)字化系統(tǒng)，有很強的抗干擾能力，數(shù)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(xiàn)場環(huán)境的適應性。 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線，是專門為現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)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(tài)和互換。互操作性是實現(xiàn)互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通。互換性是指不同生產(chǎn)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(tǒng)升級為現(xiàn)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(shù)字通信使用戶從控制室中查索所有設備的數(shù)據(jù)、組態(tài)、運行和診斷信息已成為現(xiàn)實。自診斷功能可以及時幫助用戶分析問題是否發(fā)生在變法器。無需親臨現(xiàn)場觀察后才得出結論。這樣，即使設備發(fā)生故障，也可以很快地恢復生產(chǎn)。
6 節(jié)省電纜和控制室面積，降低安裝及維護的費用。 與傳統(tǒng)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(xiàn)場總線系統(tǒng)自然能夠節(jié)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(xiàn)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(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。
7 FCS系統(tǒng)相對于DCS系統(tǒng)組態(tài)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(chǎn)7萬噸滌綸短纖采用rockwell公司的controllogix系統(tǒng)，結合工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術,進行系統(tǒng)集成,使得系統(tǒng)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(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化及管控一體化。
二 基于CONTROLLOGIX系統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)
Controllogix系統(tǒng)是Rockwell自動化控制產(chǎn)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(tǒng)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(wǎng)絡，連接不同網(wǎng)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(tǒng)也能作為一個網(wǎng)橋，完成不同網(wǎng)絡間的信息路由和共享，而且不用編程，從根本上提高了數(shù)據(jù)采集的效率。基于CONTROLLOGIX系統(tǒng)的ROCKWELL自動化系統(tǒng)，根據(jù)不同設備對網(wǎng)絡的不同要求，在工廠自動化系統(tǒng)中采用三層網(wǎng)絡模式：基于DEVICENET的設備網(wǎng)，基于CONTROLNET的控制網(wǎng)和基于ETHERNET/IP的工業(yè)以太網(wǎng)。為了實現(xiàn)信息網(wǎng)絡間的無縫路由和集成，在網(wǎng)絡應用層中采用了統(tǒng)一的協(xié)議，即控制和信息協(xié)議（CIP）。
1 DEVICENET作為現(xiàn)場總線技術的開放標準網(wǎng)絡，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備與控制系統(tǒng)的簡單連接，由于它采用公開的技術規(guī)范和常規(guī)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(shù)據(jù)，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(tǒng)的一部分，其數(shù)據(jù)能夠在整個系統(tǒng)中進行無縫路由。例如，以太網(wǎng)上的計算機無需其他編程就可以經(jīng)由以太網(wǎng)訪問DEVICENET,對DEVICENET網(wǎng)絡上的設備進行組態(tài)和監(jiān)控。這極大地方便了上位機對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集。
2 CONTROLNET作為IEC國際標準的現(xiàn)場總線，能夠提供強大的網(wǎng)絡通訊功能，在控制器與現(xiàn)場檢測設備、人機界面之間建立了一個穩(wěn)定、可靠的高速通信鏈路。對于CONTROLNET的網(wǎng)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(jié)點在網(wǎng)絡刷新時間（NUT）內傳送信息的機會，用戶可對網(wǎng)絡刷新時間進行調節(jié)，最小可達2ms。CONTROLNET網(wǎng)絡的特點為傳送數(shù)據(jù)量比較大，可靠性高，對時間要求苛刻，因此CONTROLNET網(wǎng)絡的成本也較DEVICENET高。
3 以太網(wǎng)作為商用通訊系統(tǒng)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(shù)商務系統(tǒng)都可以運行于以太網(wǎng)上，其網(wǎng)絡構建成本也低于DEVICENET和CONTROLNET，因此在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但是以太網(wǎng)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(xiàn)數(shù)據(jù)延遲，因而不能直接用于傳輸對時間有苛刻要求的數(shù)據(jù)，但是對于諸如編程、設備組態(tài)、系統(tǒng)監(jiān)控等應用來說，完全可以滿足要求。由于計算機接入以太網(wǎng)只需要廉價的網(wǎng)卡即可，因而在整個系統(tǒng)中，以太網(wǎng)對其他網(wǎng)絡進行訪問的接人成本是最低的。
三 CONTROLLOGIX系統(tǒng)在滌綸短纖生產(chǎn)線上的應用
1 滌綸短纖生產(chǎn)特點及其控制要求 滌綸短纖的生產(chǎn)過程是一個要求高度連續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)過程。滌綸短纖生產(chǎn)線由前紡部分和后紡部分組成。前紡生產(chǎn)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(tǒng)、卷繞及上油系統(tǒng)、聯(lián)苯鍋爐加熱系統(tǒng)、往復單元等部分組成。后紡生產(chǎn)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(chǎn)工藝特點，對滌綸短纖自動控制系統(tǒng)的要求為： 1 對滌綸短纖生產(chǎn)工藝流程能進行實時監(jiān)控，完成對現(xiàn)場各種工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、PID調節(jié)、各種控制信號的輸出，以保證對生產(chǎn)工藝設備以及各種現(xiàn)場檢測設備的狀態(tài)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(chǎn)過程中的故障及現(xiàn)場檢測裝置的狀態(tài)實時檢測，記錄并產(chǎn)生報警輸出。4、對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集，并通過計算機的運算處理形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的各種報告，曲線及趨勢圖。并實現(xiàn)與信息中心等管理部門通訊，實現(xiàn)管控一體化。
2 滌綸短纖控制網(wǎng)絡系統(tǒng)配置及構成。如圖(一)。系統(tǒng)為兩條年產(chǎn)7萬噸滌綸短纖維生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)有監(jiān)控層、主控層和現(xiàn)場設備層組成。
(1) 監(jiān)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(wǎng)卡和1784-PCIC卡。三臺工控機相互之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，并且通過1784-PCIC卡把工控機連上由ControlLogix 5555 PLC與現(xiàn)場Flex I/O之間構成的ControlNet網(wǎng)絡。每臺工控機配以Windows 2000 Server操作系統(tǒng)和美國羅克韋爾公司的監(jiān)控軟件RSView 32 為運行環(huán)境。通過工程師站可以完成網(wǎng)絡組態(tài)， 建立過程數(shù)據(jù)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(xù)和非連續(xù)生產(chǎn)過程進行監(jiān)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(tǒng)狀態(tài)顯示等功能。美國羅克韋爾公司的監(jiān)控軟件RSView 32系統(tǒng)軟件具有豐富的流程操作、監(jiān)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(shù)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(shù)和生產(chǎn)系統(tǒng)報表適時傳遞至信息中心，實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和協(xié)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(xiàn)場總線CONTROLNET與現(xiàn)場FLEX I/O站相連，通過現(xiàn)場總線CONTROLNET和DEVICENET與變頻器和歐姆龍PLC等相連，實現(xiàn)對滌綸短纖生產(chǎn)過程的溫度、流量、壓力、張力等各種工藝參數(shù)的控制和調節(jié)。每條生產(chǎn)線具有兩套硬件配置完全相同的CONTROLLOGIX 5555機架系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的機架冗余和介質冗余，確保生產(chǎn)過程的可靠性和穩(wěn)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(wǎng)和現(xiàn)場總線ControlNet、DeviceNet網(wǎng)絡，實時接受上一級指令和對本單元機組內各控制系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調控制。1756-SRM為系統(tǒng)冗余模塊，完成系統(tǒng)的冗余功能； 1756-CNBR為通信模塊，連接ControlNet網(wǎng)絡，實時接收和發(fā)送ControlNet網(wǎng)絡上的信息。
(3 ) 現(xiàn)場輸入輸出和設備層 現(xiàn)場設備層主要由現(xiàn)場FLEX I/O、變頻器以及小型歐姆龍PLC組成。
(1) 現(xiàn)場FELX I/O
美國RockWell 公司生產(chǎn)的Flex I/O 系列產(chǎn)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(tǒng)。它可以提供那些由大型的、機架安裝的I/O系統(tǒng)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(wǎng)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(chǎn)線中每條生產(chǎn)線配置六個現(xiàn)場Flex I/O (1-6)站。現(xiàn)場的Flex I/O站是以點對點的接線連接到現(xiàn)場傳感器或現(xiàn)場儀表設備，完成實時數(shù)據(jù)采集或控制輸出。由主控站處理器通過ControlNet網(wǎng)絡下達的各種命令控制信息，以完成各種實際操作。現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡并與主控系統(tǒng)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(shù)：256點數(shù)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(xiàn)場鉑電阻信號直接轉換成數(shù)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(lián)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(lián)接到設備網(wǎng)。變頻器通過1336 GM5通信模板連接到現(xiàn)場總線DEVICENET，再通過網(wǎng)橋7788-CN2DN模塊連到CONTROLNET,通過CONTROLNET與CONTROLLOGIX 5555通信。通過現(xiàn)場總線CONTROLNET和DEVICENET，變頻器上百個參數(shù)得到實時的監(jiān)視和控制。
3 濟南正昊新材料有限公司滌綸短纖維生產(chǎn)線的人機監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)作為
RSView 32運行平臺。監(jiān)控系統(tǒng)通過CONTROLNET總線與ControlLogix 系統(tǒng)通信，實現(xiàn)實時監(jiān)控。基于RSVIEW32的計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有強大的監(jiān)視、控制和管理功能，不僅能夠實時地顯示現(xiàn)場監(jiān)控設備的各種數(shù)據(jù)，而且還把數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)由系統(tǒng)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(chǎn)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(jiān)控 如生產(chǎn)工藝流程圖、PID控制圖、同步控制系統(tǒng)圖等，這些流程圖上現(xiàn)場設備的地理位置、工作狀態(tài)和儀表數(shù)據(jù)都能夠在流程圖上形象、直觀地顯示出來。若現(xiàn)場儀表的工作狀態(tài)或者測量的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，則在流程圖上也實時地發(fā)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(shù)，PID調節(jié)中的各個參數(shù)及同步控制中各個參數(shù)的實時監(jiān)控，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)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(chǎn)過程中，各類工藝參數(shù)或設備發(fā)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(fā)生的時間、來源和恢生產(chǎn)統(tǒng)計表、日生產(chǎn)量表、月生產(chǎn)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(shù)據(jù)和曲線以及報表打印 各類工藝參數(shù)或設備的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的需要實時保存在各個系統(tǒng)所對應的數(shù)據(jù)庫里，根據(jù)用戶的需要一個星期或一個月或一年或幾年數(shù)據(jù)庫更新一次。系統(tǒng)根據(jù)要求，實時或定時從數(shù)據(jù)庫里進行各種報表打印和報警打印 。
四 結束語
本系統(tǒng)在濟南化纖新材料有限公司已穩(wěn)定運行兩年多，產(chǎn)品的合格率達98%以上，其中優(yōu)等品占94%以上。運行結果表明基于現(xiàn)場總線的ControlLogix系統(tǒng)結合工業(yè)以太網(wǎng)（EtherNet）能充分滿足化纖控制系統(tǒng)中高精度的同步控制要求，對化纖生產(chǎn)廠的安全運行、自動化水平的提高和優(yōu)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