新一代集成控制系统在化纤行业中的应用

[摘 要] 本文主要介绍由ControlLogix、FieldBus和工业以太网（EtherNet）结合构成的新一代测控系统在化纤行业中的应用。系统上层网络为以太网，下层为现场总线ControlNet和DeviceNet网络。本系统在济南正昊化纤新材料有限公司中运行结果表明：该系统具有集成成本低、系统稳定性和可靠性高的特点。 [关键词] FCS FieldBus EtherNet ControlNet DeviceNet RSView 32 〔Abstract〕The paper mainly presents the application of a new automation control system which constructed by ControlLogix、Filedbus and EtherNet in fibers industry. The top level of the system is the EtherNet, the lower is the ControlNet and DeviceNet. The system has been running in Jinan Zhenghao Fiber Advanced Company, which verifies that it is a system with low cost, high stability and security. 〔Keyword〕 FCS FieldBus EtherNet ControlNet DeviceNet RSView 32 一 引言 利用嵌入式技术,可以很容易地将以太网技术引入到工业测控领域,与现场总线分工合作，有机结合成为解决当前中、大型自控系统实时性和可靠性矛盾的主要途径之一。 我们在济南正昊化纤新材料有限公司涤纶短纤维后处理控制系统中使用新一代控制系统理念。采用ControlLogix系统，结合工业以太网和现场总线技术,进行系统集成,使得系统的可靠性、先进性、开放性、易维护性及可扩展性大大提高。整个自动化控制过程严格按照涤纶短纤维后处理工艺流程进行，并有多级报警记录，完成不同的过程控制，实现了管控一体化，优化和提高了系统控制的性能和效率。 二 控制系统的构成与配置 济南正昊化纤新材料有限公司目前拥有两条涤纶短纤维生产流水线，年产量为7万吨。控制系统采用的是美国RockWell公司的具有冗余功能的ControlLogix系统，每条生产流水线具有相同的硬件和软件配置。其硬件结构及网络配置如图（一）所示： 系统下层由美国罗克韦尔公司的ControlLogix 5555 PLC、Flex I/O、1336-Force变频器以及欧姆龙小型PLC组成。ControlLogix 5555 PLC与现场Flex I/O之间通过现场总线ControlNet连接；与1336-Force变频器和欧姆龙小型PLC之间通过现场总线ControlNet和DeviceNet连接。DeviceNet与ControlLogix之间通过1788-CN2DN模块连接，共同完成涤纶短纤维后处理的过程控制及现场参数的测量和控制任务。 系统上层采用三台戴尔工控机作为监控站,其中一台作为工程师站，两台作为操作员站。工程师通过工程师站完成网络组态， 建立过程数据库， 建立流程图画面， 编制各种报表， 设计控制程序等功能;操作人员通过操作员站完成对连续和非连续生产过程进行监视和控制，信号报警和报警打印， 趋势打印和显示， 日志和报表打印， 流程图画面显示， 系统状态显示等功。每台工控机上个安装一块1784-PCIC卡(把PC机连上由ControlLogix 5555 PLC与现场Flex I/O之间构成的ControlNet网络),配以Windows 2000 Server操作系统和美国罗克韦尔公司的监控软件RSView 32 为运行环境。系统软件具有丰富的流程操作、监控、通信、报警、管理、趋势记录和诊断功能，完成涤纶短纤维后处理工艺流程控制和各种参数显示。信息中心通过EtherNet与工控机连接,实时采集涤纶短纤维后处理控制的各种参数和生成生产系统报表,实现生产监控和协调管理功能。 （1）、主控站 济南化纤涤纶短纤维后处理的自动化控制系统主控站采用的是美国罗克韦尔公司的具有冗余功能的ControlLogix 系统。ControlLogix 系统具有开发性能好、可靠性高、诊断功能强、编程功能丰富等优点。按照工艺控制功能要求和分散控制的设计思想，每条生产线的主控制站系统有两套硬件完全相同的配置单元,其配置如图（二）所示。 图（二）主控站卡组 其中1756-PA72为电源模块;1756-L55M13为处理器，该处理器具有很大的存储容量(1.5M)和很强的运算功能, 能完成多种操作控制;通过以太网和现场总线ControlNet、DeviceNet网络，实时接受上一级指令和对本单元机组内各控制系统实现协调控制。主控系统通过1756-SRM冗余模块,完成系统的冗余功能;通过1756-CNBR通信模块,连接ControlNet网络.实时接收和发送ControlNet网络上的信息. （2）、现场Flex I/O 美国RockWell 公司生产的Flex I/O 系列产品是一种灵活的、高性能价格比的适合于分布式应用的模块化I/O系统.它可以提供那些由大型的、机架安装的I/O系统所能提供的所有功能.通过Flex I/O,可以独立地选择I/O类型和网络(Remoto I/O;Profibus-DP; ControlNet;EtherNet/IP等)来满足饮用的需要. 济南正昊化纤新材料有限公司涤纶短纤维生产线中每条生产线配置六个现场Flex I/O (1-6)站. 现场的Flex I/O站是以点对点的接线连接到现场传感器或现场仪表设备，完成实时数据采集或控制输出。由主控站处理器通过ControlNet网络下达的各种命令控制信息，以完成各种实际操作。现场Flex I/O (1-6)中,各单元分别由适配器模块(1794-ACRN15);开关量输入/输出模块(1794-IB16XOB16P;1794-IB16;1794-OB16);模拟量输入/输出模块(1794-IE8,1794-OE8)和RTD模块(1794-IR8)组成.以现场Flex I/O—2为例,其配置如图（三）所示。 图（三）现场 Flex I/O-2 其中1794-ACRN15是一种适配器模块,用于Flex I/O连接ControlNet网络并与主控系统进行通信,传递各种信号和命令的通道。每个适配器可以驱动8个端子模块,允许最大点数:256点数字I/O，64点模拟I/O输入，32点模拟I/O输出。1794-IR8是RTD输入模块,它提供(16位)8路RTD输入,能将现场铂电阻信号直接转换成数字量信号,大大提高控制的速度和精度. （3）设备层DeviceNet现场总线系统 济南正昊化纤新材料有限公司现场设备层采用现场总线DeviceNet，DeviceNet的特点有：减少安装成本和硬件的费用;减少启动时间; 开放的技术和有独立的组织管理—ODVA.采用Producer/Consumer技术;同一电缆中包括动力线和信号线;移出、插入和替换设备无需断电;在线组态网络（初始化和运行时）;自动重新组态所替换的故障设备. 系统中现场总线DeviceNet主要用于1336-Force变频器、欧姆龙PLC和主控系统之间的连接. 通过DeviceNet网络接收和发送变频器的上百个参数实时显示和实时控制;同时保证欧姆龙PLC所采集的烘干、切断和打包等现场单元所有数据实时传送到上位机监控系统.通过DeviceNet网络把采集的数据和相关的处理和控制信息通过ControlNet和以太网传输到管理层,实现了管控一体化. (4) 动力单元 济南正昊化纤新材料有限公司涤纶短纤维生产线中动力单元选用美国A-B公司1336 FORCE变频器. 1336 FORCE变频器在传统交流变频器的基础上集成了高性能的马达控制、数字通讯和先进的动力结构。同时1336 FORCE变频器提供非常简单的参数设定和操作、罕见的灵活性和突出的控制功能。 1336 FORCE变频器使用的IGBT（绝缘栅双极型三极管）功率模块和高级的控制算法，以提供任何速度下的平稳的性能、超常的转矩，使电动机低噪声、高效率的运行。 1336 FORCE变频器具备基于DeviceNet现场总线接口外，最大可连接64个 FORCE 逆变器、采用广播方式进行通讯，提供标准参数的编程.有了此功能,充分保证同步控制的可靠性. 三、实时监控系统 济南正昊新材料有限公司涤纶短纤维生产线的人机监控系统由位于主控室的两套RSView 32计算机操作员站和一套RSView 32工程师站组成。操作员站和工程师站安装Windows 2000操作系统作为RSView 32运行平台。监控系统通过工业以太网（EtherNet）与ControlLogix 系统通信，实现实时监控。 监控系统由系统主画面和100多幅子画面组成，全面直观反映了涤纶短纤维生产的全部过程。画面之间的切换用鼠标简单的击点工艺画面键或功能指示键即可,操作十分简便。 （1）监控画面及主要功能 主要功能画面有： 反映设备状态的生产准备画面，反映网络系统配置的示意图，如系统硬件结构及网络连接图，监视操作站和PLC的工作状态，并监视操作站与主控系统、现场Flex I/O和动力单元之间的通讯网状态。 反映实时控制系统图，如生产工艺流程图;PID控制图;同步控制系统图等,直接显示涤纶短纤维后处理过程中的所有工艺参数，PID调节中的各个参数及同步控制中各个参数。通过对这些参数的实时监控，保证了系统的稳定性同步控制的可靠性。 该监控系统具有很强的报警和数据管理功能。在涤纶短纤维后处理的过程中，各类工艺参数或设备发生异常时，除了他们所在的画面会自动显示出来，故障总表中会记录故障发生的时间、来源和恢复的时间。便于及时找出故障原因并予以排除，提高了现场处理故障的能力。各类工艺参数或设备的数据根据用户的需要可以实时保存在各个系统所对应的数据库里，同时根据用户的设定一个星期或一个月或一年或几年数据库更新一次。按照工艺的要求，实时或定时从数据库里打印各种报表，如各班生产统计表、日生产量表、月生产量表和各种故障信息表。 （2）系统的安全策略 本系统的安全策略，利用Windows 2000和RSView 32提供的双重安全功能。Windows 2000在企业网络系统层面负责管理操作人员或系统管理员登录，而RSView 32通过设置不同的安全级别在应用层面对用户的操作权限进行控制，从而保证系统和正常操作，防止越权操作。为保证系统的安全可靠运行，监