紙機橫向定量控制系統中的數據交換方法

劉文波 湯 偉 王 樨 王孟效

（陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021）

·橫向定量控制系統·

紙機橫向定量控制系統中的數據交換方法

劉文波 湯 偉 王 樨 王孟效

（陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021）

針對紙機橫向定量控制系統，對其中存在的定量數據獲取及控制輸出數據的傳送問題進行了分析，以VB軟件作為工具開發上位機軟件，基于OPC技術實現了與縱向定量控制系統之間的數據交換，并基于開放系統互聯簡化模型自定義通信協議，利用RS485串行接口通信實現了與執行機構之間的數據交換，從而對稀釋水閥開度進行調節，實現對紙張橫向定量的自動控制。

橫向定量；OPC；數據交換

隨著造紙技術的飛速發展，采用新工藝、新裝備和新技術來提高紙張抄造產量和質量成為了當前我國造紙工業技術進步與技術改造的重要方向。紙張的定量、水分和厚度是反映紙張質量的重要技術指標［1］。定量控制要達到的目標是使整個紙幅的定量在沿紙機方向（簡稱縱向）和橫跨紙機方向（簡稱橫向）都保持均勻［2］。當前縱向定量控制己取得較好的成果，而橫向定量控制正在不斷發展完善中。

實際生產中調節紙張橫向定量的方法主要有兩種。傳統方法是通過流漿箱唇板配曲調節，也就是通過安裝在流漿箱上唇板的微調機構對噴漿唇板開度大小進行調整，從而實現全幅橫向定量調節。此方法存在著調節精度差、靈敏度和分辨率較低的缺點［3］。另一種則是通過稀釋水流漿箱來實現，其核心技術是通過改變局部漿料濃度而實現紙張橫幅定量差的調節［4］，即通過在流漿箱上安裝稀釋水調節裝置，通過改變各支管的稀釋水流量，用以局部調節漿料濃度，實現全幅橫向定量均勻調節［5］。與傳統方法相比，稀釋水流漿箱具有調節精確、調節范圍大、優良的纖維定向性能等優點，因而得到了越來越廣泛的應用。

為實現自動調節，稀釋水橫向定量控制系統首先通過掃描傳感器獲得紙張橫向定量數據，進而運行控制算法對其進行處理得到輸出控制，然后輸出至執行機構，對稀釋水閥開度進行調整，從而實現局部漿料濃度的改變，最終達到對紙張橫向定量進行自動控制的目的，其中數據的采集、處理及輸出至關重要，本文將著重于其中的數據交換方法。

1 稀釋水橫向定量控制系統組成

傳統QCS（Quanlity Control System，質量控制系統）用于實現對紙張定量、水分、厚度等參數的自動控制，其中對定量的控制主要是指縱向定量。

隨著稀釋水流漿箱的使用，在傳統QCS基礎上擴展橫向定量控制系統，便可完整實現對紙張縱向及橫向定量的控制。典型的稀釋水橫向定量控制系統結構如圖1所示。

圖1 稀釋水橫向定量控制系統組成

在此結構中橫向定量控制系統與縱向定量控制系統各自獨立，共享掃描數據并共同完成紙張質量控制。在縱向定量控制系統中，通過掃描架對紙幅進行掃描獲取定量數據，其中包含縱向分量及橫向分量。所獲得的數據存儲于QCS上位機數據庫中，并且用于對縱向定量進行控制。橫向定量控制系統由上位機、控制柜及執行機構三部分組成，通過如下步驟實現對橫向定量的自動控制：①從縱向定量控制系統獲取橫向定量數據；②運行控制算法，得到輸出控制量；③通過數據通信將控制命令傳送至執行機構，調節稀釋水閥開度從而改變局部漿料濃度；④循環處理。

由以上步驟可看出，數據交換在整個橫向定量的控制過程中起到了非常重要的作用。

2 橫向定量數據的獲取

2.1 數據獲取方法

由于定量數據保存在縱向定量控制系統中，為獲取橫向定量數據，可采用現場總線數據交換與OPC（OLE for Process Control，用于過程控制的對象連接和嵌入）數據交換兩種方法。

（1）現場總線數據交換

現場總線技術是用于工業生產過程控制的新型工業控制技術，以數字方式進行設備與控制裝置之間的雙向、串行和多節點的信息通信［6］。目前主流的現場總線協議有PROFIBUS、Foundation Fieldbus、HART、CAN等，其中PROFIBUS在造紙行業得到了較為廣泛的應用。

以PROFIBUS﹣DP為例，若需在橫向與縱向定量控制系統之間交換數據，則雙方必須都采用支持PROFIBUS﹣DP的設備，例如在縱向定量控制系統中采用西門子S7﹣300系列PLC，將其配置為從站，在橫向定量控制系統上位機安裝CP5611通信卡，將其配置為主站，即可實現雙方之間的互聯與數據交換。

此方法的局限性在于雙方需遵循相同的現場總線協議標準，而在實際控制系統中，橫向與縱向定量控制系統常會采用不同廠商的設備，若雙方遵循不同協議標準，則會導致數據交換難題。

（2）OPC數據交換

OPC通信標準協議由技術領先的自動化軟、硬件廠商聯合微軟公司開發，它使工業控制在硬件和軟件方面都有了統一的依據標準［7］。其將設備與軟件制造商間的關系確定為OPC服務器與應用程序的關系，任何帶OPC接口的應用程序都可與設備制造商的OPC服務器連接。目前主流工業現場設備幾乎都支持OPC協議，故采用此方法更具實際價值。

OPC采用了微軟公司的COM/DCOM（組件對象模型/分布式組件對象模型）技術，是典型的Cli﹣ent/Server結構，OPC服務器提供標準的OPC接口供OPC客戶程序訪問，它們之間的連接如圖2所示，可見1個OPC客戶端可連接多個OPC服務器，而1個OPC服務器也可以同時連接多個OPC服務端。

圖2 OPC連接示意圖

OPC規范包括OPC Data Access、XML﹣Data Ac﹣cess等一系列標準規范，實際中應用較多的是OPC Data Access接口規范，數據交換即可通過此規范實現。在OPC Data Access規范中，OPC服務器由3類對象組成：服務器（Server）、組（Group）和項（I﹣tem）［8］。OPC服務器對象提供自身的相關信息并作為組對象的容器，組對象提供自身的相關信息并提供組織與管理OPC項的機制，OPC項則表示服務器到數據源的連接，它們之間的關系如圖3所示。

圖3 OPC對象關系

應用程序對OPC服務器的訪問通過調用接口的方式實現，在OPC Data Access規范中提供自定義接口（OPC Custom Interface）及自動化接口（OPC Au﹣tomation Interface）。在利用Visual C/C++語言開發OPC客戶端程序時，可使用自定義接口；而利用Del﹣phi、VB等語言開發OPC客戶端時，需使用自動化接口。利用接口進行數據讀寫訪問時有同步通信及異步通信兩種方法，同步通信較為簡單，但缺點在于若同時訪問OPC服務端的客戶端較多或有大量數據讀寫操作時，會造成阻塞現象，因而其適用于客戶端較少且數據量較小的場合。相對于同步通信，利用異步通信訪問時無需等待服務器操作完成，而是利用回調方法實現數據的讀寫，其效率更高，適用于客戶端較多和大量數據的場合。在橫向定量控制系統中，由于掃描數據量較大，因此使用異步通信方式更為合適。

2.2 橫向定量控制中OPC數據交換的實現

在數據交換中以縱向定量控制系統作為OPC服務器，而橫向定量控制系統作為OPC客戶端，以下將分別說明其實現方法。

（1）OPC服務器

通過掃描架獲取的定量數據存放于縱向定量控制系統數據服務器中，為了通過OPC獲取定量數據，首先應在數據服務器中實現OPC服務器。目前可以采用專用OPC服務器軟件（如凱普華公司的KEPServerEX等）或組態軟件自帶OPC服務器功能實現。以某縱向定量控制系統為例，其使用西門子公司CPU 315﹣2DP作為下位PLC進行數據采集及對掃描架進行控制，上位機使用WINCC作為組態軟件。

由于WINCC軟件在安裝過程中已經自動添加了OPC服務器功能，因此無需再使用專用服務器軟件，默認情況下WINCC所提供的OPC服務器名為“OPCServer．WinCC”。若需通過此服務器為客戶端提供數據，應保證服務器與客戶端處于同一網絡中，并按如下步驟即可：①通過WINCC變量管理器添加定量數據；②激活OPC服務器的WINCC項目。

（2）OPC客戶端

在開發OPC客戶端時，可選擇不同的開發工具。由于自動化接口與自定義接口相比較更為簡單及容易實現，故選用VB軟件基于自動化接口進行開發，具體步驟如下。

①在操作系統中注冊OPC自動化接口動態鏈接庫（OPCDAAuto．dll），并安裝VB開發環境

②根據OPC服務器的組成聲明對象

Dim WithEvents ServerObject As OPCServer′OPC服務器對象

Dim WithEvents GroupObject As OPCGroup′OPC組對象

Dim WithEvents GroupObjects As OPCGroups′OPC組對象集

Dim ItemObject As OPCItem ′OPC項對象

Dim ItemObjects As OPCItems ′OPC項對象集

Dim Item IDs（）As String ′OPC項對象標簽

Dim ClientHandles（）As Long ′客戶端句柄

Dim ServerHandles（）As Long ′服務器句柄

Dim Errors（）As Long ′出錯信息

③連接定量數據OPC服務器

Set ServerObject=New OPCServer ′建立服務器對象實例

ServerObject．Connect Server，Node ′連接服務器，其中Server為OPC服務器名，Node為所連接的計算機名

④添加對象

Set GroupObjects=ServerObject．OPCGroups

′添加組集合

Set GroupObject=GroupObjects．Add（″Group﹣Name″）

′添加組對象

GroupObject．UpdateRate=500 ′組刷新速率，單位毫秒

Set ItemObjects=GroupObject．OPCItems

′建立OPC項集合

ItemObjects．Add Items DataNum，Item IDs，Cli﹣entHandles，ServerHandles，Errors ′添加項

GroupObject．IsSubscribed=True ′啟用回調

⑤數據讀寫訪問

GroupObject．AsyncWrite DataNum，ServerHan﹣dles，Value，Errors，WRITEASYNC_ID，CANCLE_ ID ′異步寫

GroupObject．AsyncRead DataNum，ServerHan﹣dles，Errors，READASYNC_ID，ServerID ′異步讀

⑥斷開與服務器的連接

ServerObject．Disconnect

⑦釋放資源

Set ItemObject=Nothing

Set ItemObjects=Nothing

Set GroupObject=Nothing

Set GroupObjects=Nothing

Set ServerObject=Nothing

3 與執行機構間的數據交換

3.1 數據交換方法

橫向定量控制系統運行控制算法得到控制輸出后，需傳送至執行機構，以調整稀釋水閥開度，從而實現對橫向定量的控制。根據系統中是否使用下位PLC，有兩種不同的數據傳遞方法。

（1）利用下位PLC中轉傳送數據

若系統中使用了下位PLC（如S7﹣226CN等），則控制輸出首先從上位機傳送至PLC，然后再由PLC傳送至執行機構。為此可利用西門子公司針對S7﹣200系列的OPC服務器軟件PC Access，在上位機與PLC之間利用OPC方式傳送數據，而在下位PLC與執行機構之間利用串口通信傳送數據。實現方法為：①利用USB﹣PPIM+電纜連接上位機與PLC；②在上位機安裝PC Access軟件，建立OPC服務器，并配置需進行讀寫訪問的變量；③連接步驟②所建立的OPC服務器，對PLC中的變量進行讀寫；④PLC將數據通過串口傳送至執行機構。

（2）直接傳送

以上方式需對數據進行中轉，實現較為復雜，故可以采用直接傳送的方式進行數據交換，即上位機運行控制算法得到控制輸出后，直接傳送至執行機構。上位機一般都具有串行接口，而執行機構數量一般為數十至數百個，且與上位機之間的距離較遠，故可選用RS485串口通信。

3.2 RS485數據交換的實現

RS485規范定義了串口通信的物理接口標準，為了利用其實現與執行機構之間的數據交換，還應定義具體的通信協議，且編寫相應的上位機軟件，實現方法如下。

（1）通信協議

參照OSI（Open System Interconnection，開放系統互聯）七層模型，并進行簡化，利用物理層、數據鏈路層、應用層，可實現自定義通信協議。

①物理層

物理層采用RS485接口標準，通信波特率為9600 bps，無校驗，1位停止位。

②數據鏈路層

采用主機/從機方式，通信由主機發起，從機不主動發起通信，而是等待主機請求，然后響應請求。橫向定量控制系統上位機作為主機，執行機構作為從機。在通信網絡中，只存在一個主機，可存在多個從機，即多個執行機構。

主機可采用點播及廣播兩種方式與從機進行通信，數據幀的傳輸采用RTU（Remote Terminal Unit，遠程終端）模式，每幀6字節，幀格式如表1所示。其中每個從機被賦予唯一的地址，范圍從1到255，地址0為廣播地址，校驗采用16位CRC（Cyclical Redundancy Check，循環冗余校驗），低字節在前，高字節在后。

表1 數據幀格式

數據幀包括請求幀、響應幀及錯誤幀。其中請求幀由主機發往從機，響應幀和錯誤幀由從機發往主機。主機發送請求幀后，需等待從機響應才能發送下一請求幀，若等待超時，也可發送下一請求幀；若執行機構出現狀態錯誤，則響應錯誤幀。

③應用層

數據幀中，地址字段是執行機構的唯一標識。當主機需控制某個執行機構時，填入其地址并發起通信，執行機構響應主機時，也在此字段填入地址；命令字段表示主機命令，范圍從1到255；數據字段為兩字節，為主機與執行機構通信時傳送給對方的信息，根據不同的數據幀而有不同的內容，主要命令及數據如表2所示；校驗字段包含對地址、命令、數據字段的CRC校驗信息，用于檢驗數據傳輸是否出錯。

例如，假設地址為1的執行機構對應的稀釋水閥當前開度為50．00%，為獲取其開度，主機與執行機構之間的數據交換如表3所示。

表2 主要命令及數據

表3 獲取稀釋水閥開度時數據交換內容

（2）上位機實現

定義通信協議后，還需編寫上位機軟件實現與執行機構之間的串口通信。由于利用VB開發上位機軟件，在進行串口通信編程時，可使用Microsoft Comm Control串口通信控件，主要包括串口初始化、數據發送、數據接收等。實現步驟如下：

3.3 在實際中的應用

浙江某造紙廠的2#生產線采用四疊網紙機，主要生產定量為250～400 g/m2的涂布白紙板，設計車速400 m/min，為提高成紙橫向定量的均勻性，在芯層采用了稀釋水流漿箱，共計安裝稀釋水調節執行機構55個。應用稀釋水橫向定量控制系統之后，相對于未加稀釋水調節時，其橫向定量分布的均勻性得到較大提高，改善率接近70%。其中在數據交換部分采用了本方法，實際應用表明，利用本方法能有效實現從縱向定量控制系統獲取橫向定量數據，以及實現與執行機構之間的數據交換，驅動稀釋水閥進行開度調節，從而調節橫向定量。

4 結 語

在造紙工業中，橫向定量控制系統的應用越來越廣泛。在系統中利用VB開發上位機軟件，采用OPC方式實現與縱向定量控制系統的數據交換以獲取定量數據，經過控制算法處理后，得到控制輸出，并利用自定義通信協議，通過RS485串口通信方式將輸出傳送至執行機構，驅動稀釋水閥開度調整，為橫向定量控制系統中的數據交換提供了簡單有效的解決方法。

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（責任編輯：常 青）

Data Exchange M ethod of Paper M achine Cross Direction BasisW eight Control System

LIUWen﹣bo*TANGWei WANG Xi WANG Meng﹣xiao
（College of Electtic&Infotmation Engineeting of Shaanxi Univetsity of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Ptovince，710021）（*E﹣mail：acoolw@163．com）

Aimed at the papermachine cross directional basisweight control system，the problems of obtaining basisweight data and control﹣ling output data transmission were analyzed．The host computer softwarewas designed by using Visual Basic software as the development tool．The data exchange between machine direction control system and cross direction control system was realized by using OPC，and the data transmission to actuatorswas realized by using RS485 serial port communication with custom protocol based on reduced open system intercon﹣nectionmodel，thus the opening of dilution water valves could be tuned．On this basis，the automatic control of paper cross direction basis weightwas achieved．

cross direction basis weight；OPC；data exchange

劉文波先生，博士，講師；主要從事控制理論與控制工程、制漿造紙過程控制理論與應用方面的研究。

TP273+．5

A

0254﹣508X（2015）09﹣0031﹣06

2015﹣05﹣17（修改稿）

陜西省科技計劃經費資助項目（項目編號：2014K05﹣03）；陜西省科技統籌創新工程計劃項目（項目編號：2012KTCQ01﹣19）；陜西科技大學科研啟動基金項目（項目編號：BJ11﹣07）。