基于Mesh 網絡的黏膠纖維生產線自控系統的設計與實現

楊智利， 張 冉

（1.唐山三友興達化纖股份有限公司， 河北 唐山063305； 2.唐山工業職業技術學院， 河北 唐山063020）

0 引言

隨著黏膠纖維工藝的不斷進步和新品種的不斷涌現， 黏膠纖維的需求逐年增加， 對黏膠纖維生產線的自動化程度要求不斷提高的同時，對自動控制系統穩定性的要求也在不斷提高。目前， 國內黏膠纖維生產線控制系統自動化程度低， 維護工作量大， 工作環境惡劣。 針對此現狀， 本文中所設計的基于Mesh （網格控制）網絡技術的黏膠纖維生產線DCS （集散控制系統）[1]， 將美國I/A 自控系統成功應用在整條黏膠纖維生產線上， 由Mesh 控制網絡將現場生產過程數據傳送至中央監控站的計算機系統， 實現了整條生產線的遠程控制和實時監測， 滿足了生產控制系統的穩定、 可靠、 冗余、 自診斷等多項要求， 同時提高了生產線的自動化程度，能夠保證黏膠纖維生產穩定高效運行。

1 Mesh 控制網絡簡介

Mesh 控制網絡是美國Invensys 公司根據近年來網絡技術的發展而推出的DCS 控制網絡，它基于IEEE 802.3u （快速以太網）和IEEE 802.3z(千兆網) 技術， 由一組以太網交換機以各種網狀拓撲方式連接而成[2]。 Mesh 控制網絡的設計思想是在網絡中任意兩個設備之間提供多重通訊途徑， 從而使得通訊不受單點乃至多點故障的影響， 極大地提高了通訊的冗余性能。 Mesh網絡的可利用性非常高， 網絡結構簡單明了，便于維護。 Mesh 網絡的全光纖通訊線纜的布置極大地提高了系統通訊中的抗電磁干擾能力。

Mesh 控制網絡將控制站、 輸入輸出模塊和各種工作站集中在一個100 Mb/1 Gb 的交換機以太網中。 這些控制站、 輸入輸出模塊和各種工作站通過Mesh 控制網絡連接在一起， 為過程系統的監測、 控制和工廠信息管理提供了一個規模靈活的控制系統網絡平臺， 它的高速、 多冗余以及點對點的網絡通訊性能為控制系統的高性能和安全性提供了可靠基礎。 每對控制站、輸入輸出模塊和工作站可以使用冗余連接與Mesh 網上的其他控制站、 輸入輸出模塊和工作站進行通訊。

2 DCS 控制系統設計

在設計時， 考慮到系統的開放性、 可靠性和技術先進性， 本文中的智能DCS 控制系統采用美國FOXBORO 公司I/A Series 8. x 系統， 采用了交換機拓撲式控制網絡結構(Mesh Control Network) 作為I/A 系統的通訊平臺， 將控制站、輸入輸出模塊(I/O 卡件) 和各種工作站集中在一個100 Mb/1 Gb 的交換機以太網絡中， 為過程系統的監測、 控制和工廠信息管理提供了一個規模靈活的控制系統網絡平臺， 可在整條生產線上實現控制信息的互傳共享而沒有網關網橋的限制， 極大地提高了網絡通信的冗余度和抗電磁干擾的能力， 其高速、 多冗余以及點對點的網絡通訊性能為控制系統的高性能和安全性提供了可靠基礎。

2. 1 系統構成

DCS 控制系統主要由工程師站、 操作員站、通訊站和現場控制站(I/O 站) 構成。 現場控制站包括主控單元設備和I/O 單元設備。 工程師站和操作員站采用Windows XP 作為系統平臺界面， 使用FORTRAN 或C 語言進行程序設計，運行相應的組態管理程序， 實現人機對話， 對整個現場生產過程進行實時監測和控制。

2. 2 硬件設計

系統硬件選用美國FOXBORO 公司I/A Series 系列主控單元和輸入/輸出模塊， 監控層由1臺工程師站和5 臺操作員站組成， 工程師站( AW7001) 和操作員站 ( WP7002/WP7003/WP7003/WP7004/WP7005) 協調工作， 作為數據輸入/輸出和工程師接口的主要手段。

控制站采用三對容錯的ZCP270 控制處理機(CP1001/CP2001/CP3001) 組成， 均為一用一備，實時交換數據。 CP1001、 CP2001、 CP3001 分別由2 個、 4 個、 4 個FCM100Et I/O 站組成， 選用FBM201 (8 通道0 ～ 20 mA 輸入接口組件)、FBM237 (冗余8 通道0 ～ 20 mA 輸出接口組件)、FBM217 (32 通道離散量輸入接口組件) 、FBM242 (16 通道離散量輸出接口組件) 4 種現場總線組件。 通過雙FieldBus 連接各自的FCM100Et 分布式I/O 站， 實現對數據的采集和生產過程的控制。

2. 3 軟件設計

在軟件方面， I/A Series 應用于Microsoft Windows XP 操作系統， 支持多種通信協議，可通過FORTRAN 和C 編程語言進行程序設計。I/A Series 綜合控制軟件通過復合塊(Compound)組實現綜合連續量、 順序量、 梯形邏輯和批量處理等方面的控制策略。 實時軟件包括實時顯示軟件、 操作站窗口軟件、 工廠操作定向顯示軟件、 趨勢子系統、 報警子系統、 操作員信息和報表軟件、 系統管理軟件。 組態軟件主要包括顯示繪圖和組態軟件、 多窗口顯示管理組態軟件、 系統組態程序、 操作站/環境組態程序、顯示實用程序、 過程報警組態程序等。

2. 4 監控功能設計

DCS 系統監控功能由FOXDRAW 監控組態軟件和FoxDraw 工具軟件設計開發， 根據各個生產車間實際生產工序繪制工藝流程畫面， 可以顯示現場設備實際工作狀態， 如電機、 閥門等開關狀態， 溫度、 壓力、 流量、 速度等工藝參數實時數據顯示等； 完成對生產設備的操控包括電機、 閥門、 泵類的啟停控制以及各工序中調節閥、 調速裝置的自動調節與軟手動調節、硬手動調節的無擾切換[3]。 界面主要包括： 總圖界面、 各個工藝流程圖界面以及報警顯示界面。在總圖界面下， 可自由、 方便的切換進入各個工藝流程圖界面， 在各個工藝流程界面下， 操作員可實時查看工藝控制參數， 監控現場設備的運行狀態， 依據現場工藝要求修改PID 及批量PHASE 功能塊的相關參數， 隨時查看報警記錄、 實時趨勢、 歷史趨勢以及相關信息。 另外，監控站設置系統工程師和系統操作員兩個級別的訪問權限， 實行分級管理， 保證系統的安全性。 現場工藝監控畫面如圖1 所示。

圖1 工藝監控畫面

3 網絡通信設計

根據系統要求， 通信結構設計分為2 層：監控網絡(SNET) 和控制網絡(CNET)[4]。 第一層是監控網絡， 實現中心交換機與各個通訊節點(操作員站、 工程師站、 現場控制站) 的連接， 系統通信采用Mesh 控制網絡(Mesh Control Network)， 它基于IEEE802. 3u (快速以太網) 和IEEE802. 3z (千兆網) 技術， 由四臺24 點交換機組成環形拓撲結構， 通過網絡中任意兩個設備之間的多重通訊途徑， 使得通信不受單點以及多點故障的影響， 極大地提高了通訊的冗余性能和抗電磁干擾的能力。 傳輸介質采用全光纖通信線纜， 通信速率為1 GBps， 對所管理的交換機可通過就地接口進行網絡管理與配置，系統管理軟件可監視Mesh 控制網絡的狀態， 并管理系統內的所有設備， 可在整條生產線上達到信息的互傳共享而沒有網關網橋的限制。 第二層為控制網絡， 實現ZCP270FT 控制處理機與FCM100Et I/O 站的通信， 采用FieldBus 現場總線協議， 傳輸介質為全光纖通信線纜。 Mesh 網絡通信結構設計如圖2 所示。

圖2 Mesh 網絡通信結構示意圖

4 程序組態

對于各個車間控制設備的組態， 除了泵類及電機、 風機的啟停， 設備自身及相互間的連鎖等生產控制操作， 對于核心設備的生產連續性組態， 是保證生產線穩定高效運行的重要條件[5]。

4. 1 電機與開關閥組態

電機/開關閥的組態主要由數字信號輸入模塊 （FBM217）， 馬達控制輸出模塊 （MTR） /開關閥控制模塊（VLV）， 信號輸出模塊（COUT），數字量輸出模塊 （FBM242） 組成， 采用閉環控制， 電機/閥門控制命令經由COUT 模塊發出后，檢測在規定的時間內現場返回的電機/開關閥實際開關狀態與控制命令是否相符， 如相符， 則在監視畫面上顯示電機/閥門的正確開關狀態；否則在監視畫面上會有報警提示。

4. 2 調節閥的PID 控制組態

調節閥的PID 控制組態主要由模擬量輸入模塊 (AIN)， PID 調節模塊， 模擬量輸出模塊(AOUT) 組成， AIN 模塊將FBM201 來的測量信號進行修正、 標度、 報警等處理， 其輸出被連到PID 模塊的測量輸入參數MEAS。 PID 模塊根據測量值和設定值SPT 的偏差及P、 I、 D 整定參數的設置進行運算， 其輸出連接到AOUT 模塊的輸入MEAS。 AOUT 模塊對信號進行輸出修正后送到FBM237 的輸出點， 控制調節閥開度，實現對現場工藝參數的調節。

4. 3 原液浸漬桶液位串級控制組態

漿粕通過送粕機 (EU01)、 喂粕機 (EU02)送入浸漬桶， 利用浸漬桶攪拌葉將漿粕撕碎，浸入由加堿自控閥(FC01) 加入的燒堿， 使纖維素吸堿、 膨脹反應， 生成堿纖維素， 并攪拌成漿粥狀， 再由漿粥泵(EU03) 打入壓榨機。 浸漬桶液位(LC01) 控制是一個動態平衡的過程， 為了實現這過程， 就要求根據LC01 的實際值控制送粕機、 喂粕機的進料速度 （SC01、 SC02）， 同時根據SC01、 SC02 的速度計算燒堿的加入量并控制FC01 加入適當比例的燒堿， 以滿足化學反應的充分進行， 這個過程就需要LC01 與SC01、SC02 的皮帶控制進行串級控制。 該串級調節回路由兩個AIN 模塊， 兩個PID 模塊和一個AOUT 模塊組成， 當閉環運行時副調節器處于遠方設定狀態， SC01/SC02 的遠方設定參數RSP 連接到LC01 的輸出參數OUT。 為了實現無擾動切換到閉環控制， LC01 的初始輸入信號 （INITI）取自SC01/SC02 的初始化輸出信號 (INITO)。LC1 的反計算輸入信號 （BCALCI） 取自SC01/SC02 的 反 計 算 輸 出 信 號 （BCALCO）。 同 時SC01/SC02 的初始化輸入信號和反計算輸入信號分別與AOUT 模塊的初始化輸入信號和反計算輸出信號連接。

4. 4 黃化機、 溶解機的Batch 組態

黃化是黏膠短纖維工藝生產中黏膠制備最重要的工序， 主要是堿纖維素與CS2進行反應生產纖維素黃酸酯的過程， 為連續穩定地制備出合格的黏膠， 黃化和溶解采用I/A Batch 配方軟件程序進行控制。 每個配方步驟都執行對應本步的反應條件檢測， 一旦有連鎖發生， 工藝會要求控制程序根據不同的連鎖原因轉入不同的子步驟中， 直到連鎖條件完全解除， 只有滿足檢測條件， 繼續該條生產線的運行。

根據黃化工序的工藝要求， 可將配方程序劃分為開始、 等待、 安全排放、 真空測試、 排空、 打開堿纖下料閥、 黃化機進料、 關閉黃化堿纖下料閥、 抽真空、 真空檢測、 加CS2、 黃化1、 黃化2、 黃化結束、 溶解堿加入1、 攪拌、通風、 打開黃化機、 排放、 預排料、 排料1、 溶解堿加入2、 關黃化機、 溶解堿加入3、 沖洗、放料2、 黃化機排空、 結束這28 個步驟。 溶解機的配方程序可分為十個步驟， 分別為： 開始、等待、 放料1、 粗均化、 放料2、 調寬間隙、 調小間隙、 切換、 排料、 結束。 只有當每步的工藝參數和檢測條件滿足時， 才能轉入下一步的執行。 下面以溶解機的Batch 組態配方程序為例， 進行詳細說明：

在配方程序中溶解機相關設備為： 細均化器電機 (EU11、 EU12、 EU13、 EU14、 EU15)、細均化調偏電機(EU21、 EU22、 EU23、 EU24、EU25)、 溶 解 桶 下 方 黏 膠 泵 (EU31、 EU32、EU33)、 進膠閥門(KS34)、 膠循環閥門(KS35)、出膠閥門(KS36)。

(1) 開始， PAHSE = 1， 啟動本步計時器，對溶解工藝相關的各電機、 閥門進行本步狀態初始化， 即關閉所有電機閥門， 本步結束；

(2) 等待。 PAHSE = 2， 啟動本步計時器，啟動細均化調偏電機調至寬間隙位置， 關閉其余所有電機及閥門， 檢測溶解機是否準備好，查看黃化機是否在第20 步， 滿足這些條件后，本步結束；

(3) 放料1。 PAHSE = 3， 啟動本步計時器，啟動細均化電機， 打開進膠閥門KS34， 關閉其余電機及閥門， 檢測溶解桶液位是否達到設定值， 滿足條件后， 本步結束；

(4) 粗均化。 PAHSE = 4， 啟動本步計時器，啟動黏膠泵， 打開KS35， 關閉其余電機及閥門，計時器時間達到相位參數設定值后， 本步驟結束。 本步相位參數： TIME = 20 s；

(5) 放料2。 PAHSE = 5， 啟動本步計時器，啟動細均化電機， 打開KS34， 關閉其余電機及閥門， 檢測溶解桶液位是否達到設定值， 滿足條件后， 本步結束。 本步相位參數： 設定值＝85%；

(6) 調寬間隙。 PAHSE = 6， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細均化電機， 打開KS35， 關閉其余電機及閥門， 計時器時間達到相位參數設定值后， 本步結束。 本步相位參數： TIME =30 s；

(7) 調小間隙。 PAHSE = 7， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細均化電機、 調間隙電機(運行至窄間隙位置)， 打開KS35， 關閉其余電機及閥門， 計時器時間是否已達到相位參數設定值，后面工序中的黏膠桶是否具備放料條件？ 滿足這些條件后， 本步結束。 本步相位參數： TIME= 3 600 s；

(8) 切換。 PAHSE = 8， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細均化電機， 打開KS36， 關閉其余電機及閥門， 檢測KS35 是否關閉， KS36 是否打開， 滿足條件后， 本步結束；

(9) 排料。 PAHSE = 9， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細均化電機、 調間隙電機 （運行至寬間隙位置）， 打開KS36， 關閉其余電機及閥門。 檢測溶解桶液位是否達到設定值， 生產批次是否有變化， 若無變化， 轉向第二步， 本步結束。 若有變化， 轉向第十步， 本步結束；

(10) 結束。 PAHSE = 10， 啟動本步計時器，對溶解工藝相關的各電機、 閥門進行本步狀態初始化， 即關閉所有電機閥門。 本步結束。

5 結束語

該系統采用了交換機拓撲式控制網絡結構作為系統的通訊平臺， 即使出現一臺交換機出現故障的情況， 也能通過其他線路進行通訊，保證了通信的穩定。 同時容錯的中央處理器保證了即使一臺處理器出現故障也不會影響生產線的正常運行， 依然可以將現場采集到的實時信號及時準確的傳輸到中央計算機系統， 同時將中央計算機系統的控制指令傳達到現場的設備。 現場運行證明， 該系統運行穩定、 可靠性高、 操作方便、 維護量小， 具有一定的推廣價值。

[1] 查方興.淺談Foxboro I/A Series 系統的先進性[J] .中國通訊， 2007 （2）： 3 - 5 .

[2] 韓萍. 從I/A 系統升級談DCS 的發展[J] . 川化，2007 （4）： 5 - 8 .

[3] 盧伯英， 于海勛， 譯. 現代控制工程[M] . 4 版.北京： 電子工業出版社， 2007 .

[4] 袁秀英. 組態控制技術[M] . 北京： 電子工業出版社， 2006 .

[5] 郭宗仁. 可編程序控制器應用系統設計及通信網絡技術[M] . 北京： 人民郵電出版社， 2002 .