A-B現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)乳品生產(chǎn)線的改造設(shè)計

　　乳品加工是個多區(qū)域、多工藝協(xié)調(diào)運作的控制過程。因為最終產(chǎn)品和人體健康密切相關(guān)，所以對控制系統(tǒng)的精度、可靠性和實時性都提出了很高的要求。本文介紹了某乳品企業(yè)在對生產(chǎn)線進行改造時，成功地將A-B設(shè)備層、控制層、信息層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到整個生產(chǎn)的自動化管理，大規(guī)模應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，并取得了巨大的經(jīng)濟效益。

2002年，東北地區(qū)某乳品廠進行生產(chǎn)線擴建改造。該廠原來曾采用了眾多的PLC-5和SLC500系列產(chǎn)品，并通過DH+連接在一起。此次改造，該廠生產(chǎn)能力將擴大一半以上，改造過程涉及到原有控制系統(tǒng)的升級、替換和刪除。

鮮奶是不易保存的，所以整個乳品廠工程中最關(guān)鍵的問題，是如何在不停產(chǎn)的基礎(chǔ)上，將原有功能和原有現(xiàn)場I/O設(shè)備的控制完整切換到新系統(tǒng)上。其次，是該如何采用一個更為合理、更為先進、更為可靠的方案，以適應(yīng)變頻器、智能化儀表等設(shè)備在工程上的大量應(yīng)用。

為此該工程選用了ControlLogix系統(tǒng)，通過其強大的網(wǎng)絡(luò)功能，包括EtherNet、ControlNet和DH+等，成功地實現(xiàn)了不停產(chǎn)切換和擴建改造?？⒐ず蟮南到y(tǒng)信息層采用快速以太網(wǎng)為紐帶，實現(xiàn)了工控信息的發(fā)布和共享；控制層則以ControlNet為骨干，兼容DH+，有效地規(guī)劃了系統(tǒng)負荷，使網(wǎng)絡(luò)更快速更安全；設(shè)備層選用了RIO和DeviceNet，不僅大大節(jié)省了用戶投資和現(xiàn)場工作量，還使得信息更全面，實現(xiàn)了更靈活、更智能化的控制。

A-B現(xiàn)場總線技術(shù)概述

乳品加工是一個復(fù)雜的多工藝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它包括產(chǎn)品制造系統(tǒng)：奶源、凈乳、配方、濃縮、干燥、干混、包裝；服務(wù)系統(tǒng)，如：蒸汽、熱風(fēng)、制冷、清洗；此外還有：凈化水、污水處理等系統(tǒng)。因為最終產(chǎn)品和人體健康密切相關(guān)，所以對控制系統(tǒng)的精度、可靠性和實時性都提出了很高的要求。

與其它品牌自動化產(chǎn)品相比，A-B強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能是一大顯著優(yōu)勢。NetLinx開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含了信息層、控制層和設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò)，NetLinx結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、CIP（控制和信息協(xié)議）以及開放式軟件接口結(jié)合在一起。根據(jù)特定的應(yīng)用需求，用戶可以混合搭配一層、兩層或全部三層網(wǎng)絡(luò)，并可以在網(wǎng)絡(luò)間無縫地傳送數(shù)據(jù)。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系下，羅克韋爾自動化的Logix平臺為用戶提供了不同格式下控制的兼容性。

以太網(wǎng)（Ethernet）

以太網(wǎng)技術(shù)在近十幾年來發(fā)展得非常迅速。由于其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進性，不僅壟斷了商用計算機的通信領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域中上層的信息管理與通信，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了大規(guī)模的應(yīng)用，并且也是今后工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。EtherNet工業(yè)協(xié)議（EtherNet/IP）是一個開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，采用IEEE 802.3物理介質(zhì)及數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，提供了實時I/O消息和對等信息通訊。典型情況下，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)采用有源星型拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)備組按點對點方式連接到交換機。交換機提供虛擬連接，有助于控制網(wǎng)絡(luò)碰撞并減少網(wǎng)絡(luò)堵塞。羅克韋爾自動化產(chǎn)品中，PLC-5 E系列和SLC5/05系列及ControlLogix產(chǎn)品都提供了以太網(wǎng)接口。

DH+（Data Highway Plus）

DH+（Data Highway Plus）是一種較早投入使用的工業(yè)局域網(wǎng)，可用于PLC、計算機、人機界面產(chǎn)品等之間進行數(shù)據(jù)傳送。所有的增強型PLC-5及SLC5/04都有內(nèi)置的DH+通訊口，加上DH+使用便宜的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和最長達3000米的傳輸距離，它在各行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于DH+網(wǎng)采用令牌傳送協(xié)議，在節(jié)點過多時（超過20個）可導(dǎo)致傳輸實時性的降低，在此情況下，不適合于對安全及連鎖控制實時性要求較高的控制場合。

ControlNet

ControlNet是90年代以后開發(fā)和應(yīng)用的自動化及控制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)集數(shù)種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點于一身，擁有I/O、PLC互鎖、信息傳輸以及在同一網(wǎng)上編程等功能。它是一種用于對信息傳送有時間苛刻要求的、高速確定性網(wǎng)絡(luò)。同時它允許傳送無時間苛求的報文數(shù)據(jù)，但不會對有時間苛求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。ControlNet采用了生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，同時從單個的數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)。其最主要的特點是：更強的系統(tǒng)功能；更高的效率，因為數(shù)據(jù)的發(fā)送與客戶的數(shù)量無關(guān)；精確的同步化，因為數(shù)據(jù)同時到達每個節(jié)點。

DeviceNet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)，可以將底層的設(shè)備直接與車間級控制器相連，如：限位開關(guān)、光電傳感器、變頻器、電力監(jiān)控模塊及觸摸屏等，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接。這種連接極大的改進了設(shè)備間的通訊功能，并可提供診斷、預(yù)測故障等功能。

工程實施過程

在此工程中，舊系統(tǒng)核心部分是一個PLC-5/80處理器，其RIO接口連接著十余個Flex I/O節(jié)點。切換過程分為三步進行。第一步，在ControlLogix機架上安裝一1756-DHRIO模塊，通道1組態(tài)為DH+類型，與PLC-5/80連接；通道2組態(tài)為RIO類型，并按新舊節(jié)點之和進行配置。此機架上處理器被稱為“IOProcessor”。

第二步，在生產(chǎn)線清洗間隙將原有節(jié)點移到新網(wǎng)絡(luò)上，程序中作如下改動：屏蔽PLC-5/80程序中的通信錯誤告警；通過DH+網(wǎng)將設(shè)備控制文件傳送到IOProcessor進行輸出，執(zhí)行后設(shè)備反饋再傳回PLC-5/80。重復(fù)這一步驟，直到將所有Flex I/O節(jié)點全部連接到基于IOProcessor控制的網(wǎng)絡(luò)上，此時邏輯與I/O控制已分離，在新的人機界面上可以實現(xiàn)所有設(shè)備的手動控制。

第三步，在稱作“Logic”的ControlLogix處理器上進行功能測試。調(diào)試階段，新老處理器執(zhí)行同樣的操作員指令，新處理器將仿真輸出的結(jié)果與老處理器進行比較、修正。調(diào)試通過后，屏蔽老處理器該功能和與IOProcessor的通訊，并將Logic的輸出指令通過背板傳送到IOProcessor中。同時，按生產(chǎn)工藝變動情況補充新代碼。就這樣，在保證生產(chǎn)正常進行的前提下，成功完成了系統(tǒng)的升級換代。

在新上的蒸發(fā)器和干燥塔系統(tǒng)中，通過帶DeviceNet適配器的Flex I/O實現(xiàn)了限位開關(guān)、過程變量等參數(shù)的采集和閥門、電機、變頻器的控制。

作為網(wǎng)絡(luò)掃描器的1756-DNB它最多可以容納63個節(jié)點，輸入輸出容量分別為124、123個雙字。在網(wǎng)絡(luò)配置中，每個1794-ADN占用1個輸入字；開關(guān)量模塊（1794-IB16和1794-OB16）分別占用1個輸入或輸出字；模擬量模塊（1794-IE8和1794-OE4）每通路占用1個輸入或輸出字；變頻器通過播碼或軟件設(shè)置為3個輸入和輸出雙字，這樣，處理器可從變頻器上最多采集包括頻率在內(nèi)的5路參數(shù)，并且其中4路可通過人機界面進行選擇切換并顯示。

Panelview取代了大量的控制按鈕和現(xiàn)場指示儀表，整個系統(tǒng)極為簡潔和高效。根據(jù)電力監(jiān)控模塊1年來的數(shù)據(jù)分析，由于變頻器等設(shè)備的大量采用，新系統(tǒng)生產(chǎn)耗電量較同等規(guī)模原系統(tǒng)節(jié)省30%以上。

調(diào)試結(jié)束后，按照標(biāo)準(zhǔn)配置組態(tài)了數(shù)個空節(jié)點作為備用。在2個月后進行的新維生素和玉米油項目中，都作到了邊生產(chǎn)邊擴建，最大限度節(jié)省了用戶的時間，保證了經(jīng)濟效益。這也充分體現(xiàn)出DeviceNet高度的靈活性。

通訊網(wǎng)絡(luò)的重新架構(gòu)是本工程的一大特色。該廠原有控制系統(tǒng)都采用的是PLC-5或SLC500系列產(chǎn)品，通過DH+網(wǎng)進行連接，網(wǎng)絡(luò)負荷重，通訊速度慢。以ControlNet為骨干，根據(jù)物理分布和邏輯關(guān)系將原有網(wǎng)絡(luò)拆分為3段DH+網(wǎng)絡(luò)，不同DH+網(wǎng)間傳輸信息通過ControlLogix的消息指令中轉(zhuǎn)或采用LinkID方式進行。信息層采用了百兆以太網(wǎng)，通過雙絞線和光纖將新老廠區(qū)及網(wǎng)管中心連接在一起。主要功能有三：

1）與人機界面的通訊，如數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控等。以太網(wǎng)的通用性使人機界面的擴展變得非常簡單，且無需使用昂貴的專用插件。同時，在軟件中可以廣泛利用發(fā)展中的各種計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)具有近乎無限的擴展能力。

2）與網(wǎng)管中心聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)軟件采用Windows 2000 Server和成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理軟件。通過MSSQL數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，軟件將控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)化到MSSQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，進而完成全廠關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、能源材料消耗等信息的統(tǒng)計，為高效生產(chǎn)、合理調(diào)度及設(shè)備維修更換提供了科學(xué)依據(jù)。Windows 2000 Server的IIS （Internet Information Service）功能使全廠的相關(guān)部門可通過Web瀏覽器方式瀏覽數(shù)據(jù)庫信息及檢索數(shù)據(jù)。

3）以太網(wǎng)也可作為兩廠區(qū)控制網(wǎng)絡(luò)的備用路由。

應(yīng)用效果

系統(tǒng)運行一年多來的實際結(jié)果表明，A-B現(xiàn)場總線產(chǎn)品的應(yīng)用，在安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了重要作用，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了前所未有的可維護性和可擴展性，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量均有了穩(wěn)步的提高，新產(chǎn)品也被不斷地開發(fā)出來。更為突出的是，工控系統(tǒng)與信息技術(shù)的結(jié)合，有效地實現(xiàn)了企業(yè)的進銷存規(guī)范化管理，帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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