基于總線通訊的控制系統在配煤工程中的應用

夏興國，方 赦，潘小波

(1.馬鞍山職業技術學院，安徽 馬鞍山 243031;2.安徽工業大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

現場總線網絡通常由信息層、控制層和設備層三層體系結構組成。如何將這三層網絡有機地結合起來，協同工作完成整個自動控制任務，實現企業管控一體化的目標，己成為自動化控制領域的重要研究課題之一。羅克韋爾自動化公司(AB)推出了由信息層、控制層和設備層所組成的開放網絡，并以此為基礎，形成了羅克韋爾關于工業控制現場總線的集成架構。

1 開放式控制總線網絡

信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。下面介紹下AB公司NetLinx開放式自動控制網絡體系[1]。

1.1 DeviceNet現場總線

DeviceNe作為基于現場總線技術的工業標準開放網絡，為簡單的底層工業裝置和高層如計算機、PLC等設備之間提供連接。DeviceNet應用國際標準的控制局域網(CAN)協議，具有公開的技術規范和價廉的通信部件，使得其具有比其他現場總線低得多的開發費用[2]。設備網采用總線供電方式，提供本質安全技術，廣泛適用于各種高可靠性應用場合。采用生產者/消費者通信模式的設備網，具有優異的網絡通信效率，提供I/O報文和顯示報文兩種報文類型[3]。但DeviceNet通信速率較低，每個幀所包含的有效數據負載最小，僅為8個字節，在這種情況下，DeviceNet不適合作為具有大量數據傳送和需要大量節點的大型網絡上。

對于由現場設備組成的網絡，由于傳送的主要是隱性數據，數據量比較小，同時現場設備的節點數量也不會太大。因此，DeviceNet較為適合用于現場設備之間的互聯。

1.2 ControlNet現場總線網絡

ControlNet現場總線作為IEC國際標準的現場總線，綜合了現有各種網絡的能力，提供了控制器和現場測量控制設備之間的高速通信鏈路。ControlNet采用隱性令牌傳遞機制，且網絡上每個節點被分配一個唯一的MAC ID。隱形令牌傳遞機制是通過并存時間域多路存儲CTDMA(Concurrent Time Domain Multiple Access)算法實現的。在ControlNet中，整個時間域被分為若干網絡刷新時間NUT(Network Update Time)，在每個網絡刷新時間之內，CTDM算法將自動調節每個節點拿到隱形令牌環傳遞的機會。網絡刷新時間NUT的周期通常分為三個部分:預定時段，未預定時段和維護時段。ControlNet具有通信波特率較高、支持介質冗余和本質安全等特點，數據幀有效負載的最大字節數為510個字節，同時支持網絡的介質冗余。

由于ConrtoNlet的這些特點，它既可傳輸對實時性、確定性等要求較高的隱式數據，又可傳輸對實時性要求較低且數據量較大的顯式數據。因此，它既可以用于現場設備與控制器之間的互聯，還可實現控制器之間的互聯，且網絡規模、數據傳輸量與覆蓋范圍要較DveciNet大一些。

1.3 EtherNet/IP工業以太網

EtherNet/IP是以太網工業協議 EtherNet/Industry Protocol的簡稱，最初由羅克韋爾自動化公司推出，是針對以太網進入自動化領域的工業以太網通信協議。EtherNet/IP是一種極為靈活的協議，其物理介質可支持同軸電纜、光纖以及雙絞線，通信波特率在工業環境下一般為10/100M，幀的有效負載最大可達1500字節。鑒于Ethernet采用了CSM/CD機制，因此它的實時性、確定性較低，不適合用在對時間極為敏感的現場設備及控制器之間的數據傳送上，而比較適合用于對時間不太敏感，但數據量較大的信息網絡中。在工業控制領域可以采用Ethernet/IP把現場總線網絡與企業的信息網絡融為一體。

1.4 NetLinx三層網絡的通訊

DeviceNet、ConrtolNet和Ethernet/IP三種CIP網絡，大致上可以分為三個協議層:物理層、數據鏈路層和CIP(Control and Information Protocol)公共規范。3層網絡的物理層與數據鏈路層是相互獨立的，但均使用CIP作為頂層協議。CIP協議由對象建模、信息協議、通信對象、對象庫、設備描述和服務等部分組成，是一個靈活的應用層協議。應用CIP協議可以實現同I/O設備相聯系的面向控制數據的傳輸，也可以進行傳輸其它同被控系統相關的信息，如組態、參數設置和診斷等，從而實現NetLinx 3層網絡的實時通信、信息管理和各種應用功能。通過基于面向對象編程OOP(Object Oriented Programming，OOP)方法的對象模型，設備開發者易于開發新的節點，通過設備描述，CIP可以實現多廠商設備的兼容;由于CPI網絡具有不同的底層協議，可以適合在不同的控制場合下使用。因此，CIP是一個功能強大的應用層協議，能綜合NetLinx 3層網絡，發揮不同網絡的上述優點。

2 配煤系統工藝介紹

該焦化廠8#、9#焦爐年產焦炭約120萬w t。在焦炭生產工藝過程中，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，送入焦爐進行高溫煉焦。配比的準確性以及配料系統的可靠性將直接影響焦炭產品的質量[4]。

在配煤控制系統中，有14個儲煤大罐，每個大罐儲煤能力約10 000t。每個大罐底部有6個下料倉，下料倉分成兩組，每組三個，這樣也將84個下料倉分成兩組，每組42個，兩組下料倉兩側均勻分布，每組下料經過圓盤給料機將煤輸送到對應側的一條皮帶上，兩條皮帶(一用一備)運輸按照比例配和好的混合煤。每個下料倉的底部是圓盤給料機，圓盤給料機由變頻器帶動，調節變頻器的速度就可以調節下落到皮帶上煤的重量，皮帶上安裝了14個皮帶秤，每個下料倉出煤了都要經過皮帶秤的稱重，這樣的話，便可以累加計算每個下料倉下料的流量(t/h)。通過上位機給定某種煤的皮帶總的流量和每中煤的配比，PLC LOGIX5550程序計算每種煤給定的流量，經過PID控制來調節變頻器的速度。

按照比例配合好的煤經過皮帶運送到破碎機，破碎后在經過皮帶運輸到煤塔，完成配煤流程。

3 總線控制網絡在該系統中的應用

3.1 控制系統硬件配置

控制系統采用AB PLC控制系統，控制網絡系統圖如圖1所示。該系統由控制系統主站和從站組成，采用ControlLogix5000系列處理器1756－L61，主站是一個機架1756－A13，處理器位于機架的0號槽，主站機架的3號、4號槽為1756－CNBR/E(ControlNet總線接口模塊)模塊，用來連接84個變頻器和1個1756－A13機架，主站機架的2號槽為1756－DNB(DeviceNnet總線接口模塊)模塊，用來連接皮帶秤控制器INTECONT PLUS，實現數據煤流量參數設定和數據的傳輸。2個1756－A13機架中的數字量I/O模塊使用實現皮帶系統(控制和保護)和噴吹系統的控制。

圖1 控制網絡系統圖

3.2 控制系統軟件組態

主機架的1號槽為Ethernet通訊模塊1756－ENBT與交換機相連，工程師編程電腦和集中操作電腦通過網線連接在交換機上，上位機安裝RSLogix5000、RSlinx、RSnetworx RSview軟件，然后按照對應功能進行組態。

RSLinx提供OPC、DDE和Custom C/C++的接口，以及多個網絡、本地工作站和DDE/OPC性能診斷工具，有利于進行系統維護和故障排錯。該系統通過采用RSLinx Gateway驅動程序實現TCP/IP客戶與AB控制器的連接，RSLinx軟件功能結構見表1。

表1 軟件功能結構表

RSView32是由Rockwell Software公司開發的一種對自動控制設備或生產過程進行高速、有效的監視和控制。RSView32向下可以通過RSLinx、OPC驅動與數據采集硬件通信;向上通過TCP/IP協議、以太網絡與高層管理網互聯[5]。

編程軟件RSLogix5000實現硬件主要功能:創建或移除可執行代碼(如梯形圖和功能塊)、在線監控數據變化、組態控制器到控制器的通訊和組態I/O模塊和設備[6]。該系統部分組態I/O模塊和設備見圖2。

圖2 RSLogix5000硬件組態圖

RSNetWorx軟件是用于控制網絡的網絡配置工具。通過RSNetWorx軟件圖形化的網絡配置方式，可以設定網絡參數用以定義網絡需求，能夠自動計算整個網絡的帶寬和每個網絡組件所占用的帶寬。控制機架上配有CNB通訊模塊1756－CNB(圖2(a)I/O組態圖中槽3和4)，每個變頻器FLEX70內配有控制總線通訊模塊網絡適配器20－COMM－C，這樣可以實現變頻器與Controlnet總線的通訊。通過Rsnetworx for ControlNet自動掃描后，可以看到控制總線的網絡如圖3所示。

圖3 RSNetWorx在線部分網絡圖

通過主機架的Devicenet通訊模塊1756－DNB(圖2(a)I/O組態圖中槽2)和皮帶秤網絡適配器，實現皮帶秤控制器參數的設定和流量數據采集，設備總線組態好后，通過Rsnetworx for devicenet自動掃描后，Devicenet的網絡組態如圖4所示，圖中，INTECONT PLUS為皮帶秤控制器。

圖4 Devicenet網絡圖

3.3 NetLinx網絡架構優勢

三層網絡采用不同的底層協議，既滿足了不同功能層的需求，又很好的實現了NetLinx總體架構的性能要求;NetLinx網絡架構在頂層應用層使用了統一的CIP協議來實現網絡互聯，真正實現了數據的無縫流動;CIP Safety協議的應用節省了硬接線，實現了網絡安全的控制系統;基于生產者/消費者的通信模式將傳統網絡針對不同站點需多次發送改為一次多點共享，可以有效減少網絡通信量，大大提高了網絡效率和系統的安全可靠。EtherNet/IP和ControlNet的冗余網絡以及DeviceNet Safety技術都得到了廣泛應用，提供了信息的冗余通道;模擬量的轉換、OPC技術的使用也都更好的滿足了各個功能層之間信息交互的要求。

4 結語

本文比較詳細地介紹了AB系統的三種總線網絡架構在8#、9#焦爐配煤工程的使用，使該三層網絡有機地結合，協同完成整個自動控制的任務。與其他控制系統相比較，雖然本控制系統的初次投入較高，但是該工程系統在2010年初投入使用了以來，經過3年多的實際運行檢驗，其性能穩定可靠，能完全滿足工藝要求，維護方便且成本低，具有更好的控制效果，取得了更高的經濟效益。

[1]曹流.羅克韋爾自動化NetLinx網絡體系研究與應用[D].上海:上海交通大學，2009.

[2]佟為明，陳向陽，李風閣，等.Device Net現場總線技術[J].微處理機，2002，(1):1 －3，7.

[3]方曉柯.現場總線網絡技術的研究[D].沈陽:東北大學，2005.

[4]劉平凡.焦化配煤 PLC 控制系統的設計與應用[J].冶金電氣，2011，30(4):24－26.

[5]張學東，李漕.RSView32在污水廠監控系統中應用[J].微計算機信息，2006，22(10 －1):43 －44，79.

[6]羅克韋爾.自動化全球標準與貿易部中國分部編，DeviceNet技術概要[Z].