通讯网络在橡胶机械上的应用

通讯技术的不断发展进步，引发了工业控制领域控制方式深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。总线、运动控制网络及以太网等作为目前应用最为广泛应用的控制通讯技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。轮胎制造业的兴盛把中国的橡胶机械行业推到了世界橡胶行业制造的前沿位置。伴随着轮胎制造商们最求更大的产能和更高的效益，轮胎制造机器的控制也被提升到一个新的高度。笔者结合自己的应用体会，以轮胎制造过程当中控制相对复杂的轮胎一次法成型机为例，对通讯网络在其间的应用作简单的介绍。一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。在轮胎成型机电控系统的网络结构中我们就依据三层理论搭建了一个交互式的控制网络。如图1： 系统说明： 该套控制系统的PLC为施耐德公司的Premium系列的集成了以太网和Canopen总线接口的CPU----TSX574823，HMI为施耐德公司的XBTG5330，该HMI集成了以太网接口，远程IO为菲尼克斯公司的支持Profibus-DP总线的分布式IO。变频器和伺服驱动器均为施耐德产品。在该套电控系统中，信息层的主站PLC和HMI信息交换部分我们使用的是以太网通讯，控制层的和远程IO的通讯部分我们采用了Profibus-DP总线，而设备层的控制变频器部分用的是Canopen总线，控制伺服驱动部分我们采用的是运动控制网络SERCOS（光纤环网）。 下面为几种通讯方式的简单介绍： 以太网： 如表1：网络通讯通常有7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过TCP/IP的通讯方式，不同的工控产品供应商虽然在物理层和数据链路层都遵循IEEE 802.3标准，并且与TCP/IP兼容，但是由于通过不同的通讯协议，对不同的层进行操作。导致了不同的供应商提供的产品互相之间不能操纵的局面，鉴于这种情况，我们的PLC和HMI选用了具有相同应用层协议的产品，即应用层都支持Modbus协议的产品。通过这种通讯方式，HMI和PLC可以通过双绞屏蔽线（电缆的长度不超过50米）以10Mb/s的速度进行数据交换。该通讯速率完全能满足需要对大数据量、高速度数据交换的场合要求。 在该系统中，通过简单的IP地址分配就可以使用以太网进行同信息层的数据传输，我们在人机界面中可以对整台机器状态进行监视，对报警和错误进行处理，还可以通过简单的操作完成配方的切换，来达到生产不同规格轮胎的目的，从项目的实施效果来看，以太网完全能够满足我们预期的大数据量，高速度实时通讯的要求。 技术特点： ·以太网超大的带宽、 ·标准化的物理层和数据链路层 ·在工厂（信息层）中的广泛的流行程度 现场总线： 1． Profibus-DP 总线 PROFIBUS根据不同的控制要求有多种系列，其中PROFIBUS-DP可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输。采用RS485通信标准，传输速率从9.6Kbit/s到12Mbit/s，传输距离100～1200m（与传输速率有关）。物理介质通常采用双绞屏蔽电缆，总线接头采用9针D型插头接线，方便简单、容易扩展。PROHBUS-DP是以令牌传递方式工作的总线，即在一个逻辑环中，主站成为一个确定时间窗口的令牌保持者，在这个时间窗口内，拥有令牌的主站能与其他从站通信，其数据链路协议是主从方式的令牌传递，主站与从站之间以主从方式通信，各主站之间由令牌协议决定总线数据发送权。 在该系统中，考虑到机器比较复杂、数字量点多且分散的特点，我们选用了使用PROFIBUS-DP通讯协议的菲尼克斯分布式IO的方案，通过各从站相对集中的数据采集，和各从站和主站之间的相对分散，我们很好地解决了线路搭接复杂，效率低的问题。 技术特点： ·PROHBUS-DP是以令牌传递方式工作的总线 ·较强的抗干扰能力 ·良好的产品兼容性 2． Canopen总线 Can是由ISO定义的串行通讯总线，由德国Bosch在1980年为汽车行业而研发,如今已广泛应用于工业控制领域, CAN-bus网络采用直线拓朴结构，总线的2个终端需要安装120Ω的终端电阻；如果节点数目大于2，中间节点不需要安装120Ω的终端电阻。对于分支连接，其长度不应超过0.3米；如果应用CAN-bus高层协议，将有更严格的要求。CANopen 是CAN应用层协议，它基于信息广播的通讯概念 :每一个连接到总线的站点都在接收其它站点的信息.然后决定他们的动作,是否回答相关指令。 CAN 协议授权所有的站点同步访问总线。然后根据 COB-ID ( each request is sending with a COB-ID )给予优先权。 在该系统中，变频器ATV31的控制部分（如图2），考虑到节省模拟量模块和接线简便，我们选用了使用变频器自身支持的总线方案，通过SDO和PDO的有机结合，我们使用发送命令字，监控状态字的方法，使调速控制变得更加简单。 技术特点： ·CANopen网络中，则采用了中心授权机制，通过一个NMT-Master对网络进行管理 ·CANopen的通信机制简单，可以降低设备的复杂程度 ·适合于所有机械的嵌入式网络 运动控制网络： 二十世纪九十年代初期问世的SERCOS（串行光纤链路）是第一种被广泛采用的开放式运动控制网络（IEC/EN 61491）。它采用光纤传输信号，速度快，抗干扰能力强，最多可带254个节点。SERCOS可以高性能、稳定地运行，支持超过500余种标准IDN功能（IDN=识别号，用于访问对象和属性）。 在本系统中，如图3：采用光纤环网的SERCOS伺服运动控制系统对成型机上的伺服电机进行控制,使每个轴的伺服驱动器与伺服运动控制器之间的硬接线连接变成只需要用一根光纤连接，大幅减少了安装时间和成本，提高了系统的可靠性，增加了系统抗电磁干扰的能力，也节省了控制机柜的空间。 技术特点： ·利用单一的网络介质代替多达20根以上的硬接线 ·具有较强的抗电磁干扰能力 ·通过网络，运动控制器可以直接对驱动器进行配置，避免采用其它单独的驱动器配置软件带来的不便 ·在设备替换时，自动对驱动器进行配置 ·为运动控制器提供全面、丰富的驱动器诊断和状态信息 ·支持高分辨率、多转绝对位置反馈 ·支持数字式、高分辨率控制命令 ·支持驱动器位置、速度、转矩控制运行模式。其中，位置模式可以实现高性能的 应用总结： 通讯技术的广泛应用，极大的冲击的传统的控制方式，过去在控制中大量使用的数字量采集方式和模拟量控制方式，已为性能更高，操作更加简便的，各种总线、网络所替代。并且，以往复杂设备难以维护的局面，也由于使用规范简洁的网络得到大大改善。在该项目实施过程中，我们成功解决了一次法成型机要求的自动化程度高，响应速度快，精度高，操作要求简单化这一系列难题。并最终得到用户的认可。 主要参考文献： 1.Modicon:《Lexium 17S Series SERCOS Servo Drive User Guide》890 USE 121 00 Eng 2.Modicon:《Lexium 17S Series SERCOS Servo Drive User Guide》890 USE 121 00 Eng 3. 《PL7 Junior/Pro Premium PLC Applications Movement Control with TSX CSY 84 SERCOS® Module Application Setup Manual》TLX DS 57 PL7 xx eng 4．阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999. 5．雷霖.现场总线控制网络技术.北京:电子工业出版社,2004. 6．凌澄.PC总线控制系统精粹.北京:清华大学出版社,1998参考文献 7．马国华 监控组态软件及其应用 2000 清华大学出版社 8．《 EtherNet/IP》 作者：罗克韦尔自动化公司 9．《Can Bus CanOpen通讯》作者：施耐德自动化公司 王有庆