夏興國(guó)，方 赦，潘小波

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031;2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通常由信息層、控制層和設(shè)備層三層體系結(jié)構(gòu)組成。如何將這三層網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，協(xié)同工作完成整個(gè)自動(dòng)控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化的目標(biāo)，己成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要研究課題之一。羅克韋爾自動(dòng)化公司(AB)推出了由信息層、控制層和設(shè)備層所組成的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)，形成了羅克韋爾關(guān)于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的集成架構(gòu)。

1 開(kāi)放式控制總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。下面介紹下AB公司NetLinx開(kāi)放式自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)體系[1]。

1.1 DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

DeviceNe作為基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，為簡(jiǎn)單的底層工業(yè)裝置和高層如計(jì)算機(jī)、PLC等設(shè)備之間提供連接。DeviceNet應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議，具有公開(kāi)的技術(shù)規(guī)范和價(jià)廉的通信部件，使得其具有比其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)低得多的開(kāi)發(fā)費(fèi)用[2]。設(shè)備網(wǎng)采用總線(xiàn)供電方式，提供本質(zhì)安全技術(shù)，廣泛適用于各種高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合。采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者通信模式的設(shè)備網(wǎng)，具有優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)通信效率，提供I/O報(bào)文和顯示報(bào)文兩種報(bào)文類(lèi)型[3]。但DeviceNet通信速率較低，每個(gè)幀所包含的有效數(shù)據(jù)負(fù)載最小，僅為8個(gè)字節(jié)，在這種情況下，DeviceNet不適合作為具有大量數(shù)據(jù)傳送和需要大量節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)上。

對(duì)于由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，由于傳送的主要是隱性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較小，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也不會(huì)太大。因此，DeviceNet較為適合用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)。

1.2 ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)作為IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，綜合了現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)的能力，提供了控制器和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制設(shè)備之間的高速通信鏈路。ControlNet采用隱性令牌傳遞機(jī)制，且網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配一個(gè)唯一的MAC ID。隱形令牌傳遞機(jī)制是通過(guò)并存時(shí)間域多路存儲(chǔ)CTDMA(Concurrent Time Domain Multiple Access)算法實(shí)現(xiàn)的。在ControlNet中，整個(gè)時(shí)間域被分為若干網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間NUT(Network Update Time)，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間之內(nèi)，CTDM算法將自動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)節(jié)點(diǎn)拿到隱形令牌環(huán)傳遞的機(jī)會(huì)。網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間NUT的周期通常分為三個(gè)部分:預(yù)定時(shí)段，未預(yù)定時(shí)段和維護(hù)時(shí)段。ControlNet具有通信波特率較高、支持介質(zhì)冗余和本質(zhì)安全等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀有效負(fù)載的最大字節(jié)數(shù)為510個(gè)字節(jié)，同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)冗余。

由于ConrtoNlet的這些特點(diǎn)，它既可傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性、確定性等要求較高的隱式數(shù)據(jù)，又可傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低且數(shù)據(jù)量較大的顯式數(shù)據(jù)。因此，它既可以用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器之間的互聯(lián)，還可實(shí)現(xiàn)控制器之間的互聯(lián)，且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)傳輸量與覆蓋范圍要較DveciNet大一些。

1.3 EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)

EtherNet/IP是以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議 EtherNet/Industry Protocol的簡(jiǎn)稱(chēng)，最初由羅克韋爾自動(dòng)化公司推出，是針對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。EtherNet/IP是一種極為靈活的協(xié)議，其物理介質(zhì)可支持同軸電纜、光纖以及雙絞線(xiàn)，通信波特率在工業(yè)環(huán)境下一般為10/100M，幀的有效負(fù)載最大可達(dá)1500字節(jié)。鑒于Ethernet采用了CSM/CD機(jī)制，因此它的實(shí)時(shí)性、確定性較低，不適合用在對(duì)時(shí)間極為敏感的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及控制器之間的數(shù)據(jù)傳送上，而比較適合用于對(duì)時(shí)間不太敏感，但數(shù)據(jù)量較大的信息網(wǎng)絡(luò)中。在工業(yè)控制領(lǐng)域可以采用Ethernet/IP把現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)融為一體。

1.4 NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)的通訊

DeviceNet、ConrtolNet和Ethernet/IP三種CIP網(wǎng)絡(luò)，大致上可以分為三個(gè)協(xié)議層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和CIP(Control and Information Protocol)公共規(guī)范。3層網(wǎng)絡(luò)的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層是相互獨(dú)立的，但均使用CIP作為頂層協(xié)議。CIP協(xié)議由對(duì)象建模、信息協(xié)議、通信對(duì)象、對(duì)象庫(kù)、設(shè)備描述和服務(wù)等部分組成，是一個(gè)靈活的應(yīng)用層協(xié)議。應(yīng)用CIP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)同I/O設(shè)備相聯(lián)系的面向控制數(shù)據(jù)的傳輸，也可以進(jìn)行傳輸其它同被控系統(tǒng)相關(guān)的信息，如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等，從而實(shí)現(xiàn)NetLinx 3層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信、信息管理和各種應(yīng)用功能。通過(guò)基于面向?qū)ο缶幊蘋(píng)OP(Object Oriented Programming，OOP)方法的對(duì)象模型，設(shè)備開(kāi)發(fā)者易于開(kāi)發(fā)新的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備描述，CIP可以實(shí)現(xiàn)多廠商設(shè)備的兼容;由于CPI網(wǎng)絡(luò)具有不同的底層協(xié)議，可以適合在不同的控制場(chǎng)合下使用。因此，CIP是一個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用層協(xié)議，能綜合NetLinx 3層網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮不同網(wǎng)絡(luò)的上述優(yōu)點(diǎn)。

2 配煤系統(tǒng)工藝介紹

該焦化廠8#、9#焦?fàn)t年產(chǎn)焦炭約120萬(wàn)w t。在焦炭生產(chǎn)工藝過(guò)程中，需要將氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤等各種煤按一定比例配成混合煤，送入焦?fàn)t進(jìn)行高溫?zé)捊?。配比的?zhǔn)確性以及配料系統(tǒng)的可靠性將直接影響焦炭產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

在配煤控制系統(tǒng)中，有14個(gè)儲(chǔ)煤大罐，每個(gè)大罐儲(chǔ)煤能力約10 000t。每個(gè)大罐底部有6個(gè)下料倉(cāng)，下料倉(cāng)分成兩組，每組三個(gè)，這樣也將84個(gè)下料倉(cāng)分成兩組，每組42個(gè)，兩組下料倉(cāng)兩側(cè)均勻分布，每組下料經(jīng)過(guò)圓盤(pán)給料機(jī)將煤輸送到對(duì)應(yīng)側(cè)的一條皮帶上，兩條皮帶(一用一備)運(yùn)輸按照比例配和好的混合煤。每個(gè)下料倉(cāng)的底部是圓盤(pán)給料機(jī)，圓盤(pán)給料機(jī)由變頻器帶動(dòng)，調(diào)節(jié)變頻器的速度就可以調(diào)節(jié)下落到皮帶上煤的重量，皮帶上安裝了14個(gè)皮帶秤，每個(gè)下料倉(cāng)出煤了都要經(jīng)過(guò)皮帶秤的稱(chēng)重，這樣的話(huà)，便可以累加計(jì)算每個(gè)下料倉(cāng)下料的流量(t/h)。通過(guò)上位機(jī)給定某種煤的皮帶總的流量和每中煤的配比，PLC LOGIX5550程序計(jì)算每種煤給定的流量，經(jīng)過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的速度。

按照比例配合好的煤經(jīng)過(guò)皮帶運(yùn)送到破碎機(jī)，破碎后在經(jīng)過(guò)皮帶運(yùn)輸?shù)矫核?，完成配煤流程?/p>

3 總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 控制系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)采用AB PLC控制系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)主站和從站組成，采用ControlLogix5000系列處理器1756－L61，主站是一個(gè)機(jī)架1756－A13，處理器位于機(jī)架的0號(hào)槽，主站機(jī)架的3號(hào)、4號(hào)槽為1756－CNBR/E(ControlNet總線(xiàn)接口模塊)模塊，用來(lái)連接84個(gè)變頻器和1個(gè)1756－A13機(jī)架，主站機(jī)架的2號(hào)槽為1756－DNB(DeviceNnet總線(xiàn)接口模塊)模塊，用來(lái)連接皮帶秤控制器INTECONT PLUS，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)煤流量參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)的傳輸。2個(gè)1756－A13機(jī)架中的數(shù)字量I/O模塊使用實(shí)現(xiàn)皮帶系統(tǒng)(控制和保護(hù))和噴吹系統(tǒng)的控制。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件組態(tài)

主機(jī)架的1號(hào)槽為Ethernet通訊模塊1756－ENBT與交換機(jī)相連，工程師編程電腦和集中操作電腦通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接在交換機(jī)上，上位機(jī)安裝RSLogix5000、RSlinx、RSnetworx RSview軟件，然后按照對(duì)應(yīng)功能進(jìn)行組態(tài)。

RSLinx提供OPC、DDE和Custom C/C++的接口，以及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、本地工作站和DDE/OPC性能診斷工具，有利于進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和故障排錯(cuò)。該系統(tǒng)通過(guò)采用RSLinx Gateway驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)TCP/IP客戶(hù)與AB控制器的連接，RSLinx軟件功能結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 軟件功能結(jié)構(gòu)表

RSView32是由Rockwell Software公司開(kāi)發(fā)的一種對(duì)自動(dòng)控制設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行高速、有效的監(jiān)視和控制。RSView32向下可以通過(guò)RSLinx、OPC驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集硬件通信;向上通過(guò)TCP/IP協(xié)議、以太網(wǎng)絡(luò)與高層管理網(wǎng)互聯(lián)[5]。

編程軟件RSLogix5000實(shí)現(xiàn)硬件主要功能:創(chuàng)建或移除可執(zhí)行代碼(如梯形圖和功能塊)、在線(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化、組態(tài)控制器到控制器的通訊和組態(tài)I/O模塊和設(shè)備[6]。該系統(tǒng)部分組態(tài)I/O模塊和設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 RSLogix5000硬件組態(tài)圖

RSNetWorx軟件是用于控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置工具。通過(guò)RSNetWorx軟件圖形化的網(wǎng)絡(luò)配置方式，可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用以定義網(wǎng)絡(luò)需求，能夠自動(dòng)計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和每個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件所占用的帶寬?？刂茩C(jī)架上配有CNB通訊模塊1756－CNB(圖2(a)I/O組態(tài)圖中槽3和4)，每個(gè)變頻器FLEX70內(nèi)配有控制總線(xiàn)通訊模塊網(wǎng)絡(luò)適配器20－COMM－C，這樣可以實(shí)現(xiàn)變頻器與Controlnet總線(xiàn)的通訊。通過(guò)Rsnetworx for ControlNet自動(dòng)掃描后，可以看到控制總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 RSNetWorx在線(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)圖

通過(guò)主機(jī)架的Devicenet通訊模塊1756－DNB(圖2(a)I/O組態(tài)圖中槽2)和皮帶秤網(wǎng)絡(luò)適配器，實(shí)現(xiàn)皮帶秤控制器參數(shù)的設(shè)定和流量數(shù)據(jù)采集，設(shè)備總線(xiàn)組態(tài)好后，通過(guò)Rsnetworx for devicenet自動(dòng)掃描后，Devicenet的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖4所示，圖中，INTECONT PLUS為皮帶秤控制器。

圖4 Devicenet網(wǎng)絡(luò)圖

3.3 NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

三層網(wǎng)絡(luò)采用不同的底層協(xié)議，既滿(mǎn)足了不同功能層的需求，又很好的實(shí)現(xiàn)了NetLinx總體架構(gòu)的性能要求;NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在頂層應(yīng)用層使用了統(tǒng)一的CIP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)縫流動(dòng);CIP Safety協(xié)議的應(yīng)用節(jié)省了硬接線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全的控制系統(tǒng);基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的通信模式將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)不同站點(diǎn)需多次發(fā)送改為一次多點(diǎn)共享，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)通信量，大大提高了網(wǎng)絡(luò)效率和系統(tǒng)的安全可靠。EtherNet/IP和ControlNet的冗余網(wǎng)絡(luò)以及DeviceNet Safety技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用，提供了信息的冗余通道;模擬量的轉(zhuǎn)換、OPC技術(shù)的使用也都更好的滿(mǎn)足了各個(gè)功能層之間信息交互的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文比較詳細(xì)地介紹了AB系統(tǒng)的三種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在8#、9#焦?fàn)t配煤工程的使用，使該三層網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合，協(xié)同完成整個(gè)自動(dòng)控制的任務(wù)。與其他控制系統(tǒng)相比較，雖然本控制系統(tǒng)的初次投入較高，但是該工程系統(tǒng)在2010年初投入使用了以來(lái)，經(jīng)過(guò)3年多的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，其性能穩(wěn)定可靠，能完全滿(mǎn)足工藝要求，維護(hù)方便且成本低，具有更好的控制效果，取得了更高的經(jīng)濟(jì)效益。

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