現場總線紡絲機變頻調速系統
1 引言
隨著控制、計算機、通信、網絡技術等的發(fā)展，在工業(yè)控制領域出現了一種新興的控制技術，即現場總線?，F場總線是控制系統與現場設備之間建立的一種開放、全數字化、雙向、多站的通信系統?，F場總線系統在技術上具有以下特點：系統的開放性，可互操作性與互換性，現場設備的智能化與功能自制性，系統結構的高度分散性，對現場環(huán)境的適應性。在很多工業(yè)控制系統中，存在著多控制點且分布線長和分散的特點，采用現場總線技術可以把控制室內和現場操作臺所裝備的分布式I/O模塊聯成總線網絡，以數字方式來進行控制數據的串行傳輸，控制系統將具有更佳的抗干擾能力，提供給變頻器的參考值也比較精確。某紡絲廠在紡絲機自動化監(jiān)控系統的改造項目中采用了基于CC-Link現場總線的分布式控制。下面就具體的項目，闡述一下CC-Link網絡的構成方式，和它在應用中的特點。
2 紡絲機自動化監(jiān)控系統
2.1 系統的改造
該紡絲廠原電控系統采用繼電器進行邏輯控制，繼電器控制采用硬接線方式，系統很不穩(wěn)定，故障率高，一旦出現故障難以查找。速度調節(jié)系統采用模擬量的控制，各電機的轉數的設定使用電位器等模擬信號來給定，控制的準確度不夠高、抗干擾能力差、維修和調試都不是很方便。
控制系統采用三菱公司的FX2N系列的PLC對設備進行邏輯控制，實現控制部分的高速采樣數據處理。它通過FX2N-16CCL和變頻器進行數據交換。為實現對生產的監(jiān)控和管理的需要，系統配備了人機界面（GOT970）,該設備一方面監(jiān)視生產的運行情況，包括設備的運行情況、故障報警和報警歷史紀錄，另一方面它可以對系統內的參數進行適當的修改和優(yōu)化。紡絲機的傳動系統由去酸輥電機、升降軸電機、泵輥電機組成，它們分別由三臺變頻器來驅動,它們均采用三菱公司的FA500系列的變頻器，其具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，具有強大的網絡通訊功能，它們通過CC-Link網絡與PLC進行數據交換。通過CC-Link網絡可以實現PLC對各變頻器的控制，包括變頻器的啟動、停止和速度給定。
由于在紡絲車間內產生的化學氣體會影響變頻器的使用壽命，所以要求變頻器在車間外，但是車間內又需要近距離操作。車間內的電氣柜和車間外的電氣柜距離較遠，但又需要協同操作，即在車間內操作時需要隨時監(jiān)控車間外的變頻器工作情況。使用CC-Link網絡后，很容易解決這個問題。
2.2 系統功能流程圖
在該流程圖中可以清楚看出程序執(zhí)行的整個過程，從而也可以看出PLC與觸摸操作屏各自的功能。其中PLC主要完成整個系統的控制功能和參數的分析計算，觸摸操作屏負責參數的設定和動態(tài)顯示生產及參數的記錄。
3 CC-Link現場總線3.1 CC-Link的特性
CC-Link是control&communication Link（控制與通信鏈路系統）的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現場總線，其數據容量大，通信速度可多級選擇，最高可達10Mbps。它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。網絡中主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現場儀表設備。采用第三方廠商生產的網關還可以實現從CC-Link到ASI總線的連接。
3.2 CC-Link數據通信方式
CC-Link的底層通信協議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。于是CC-Link通信方式可分為循環(huán)通信和瞬時通信。
循環(huán)通信的具體方式為：主站將刷新數據RY/RWw發(fā)送到所有從站，與此同時輪詢從站1；從站1對來自主站的輪詢做出響應RX/RWr,并將該響應同時告知其它從站；然后主站輪詢從站2（此時并發(fā)送刷新數據），從站2給出響應，并將該響應告知其它從站；以此類推，不斷循環(huán)，除了廣播輪詢式的循環(huán)通訊方式外，CC-Link還提供主站、本地站及智能設備站之間的信息瞬時傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150字節(jié)為單位分割，并以150字節(jié)傳遞。若從從站傳遞到主站，每批信息數據最大為34字節(jié)。瞬時傳送需用專門指令來完成，但不影響循環(huán)通信時間。
4 系統的軟件設計4.1 下位機軟件設計
系統控制軟件的編制采用三菱公司的GX Developer 7.0來完成，利用該軟件可以很方便地進行PLC工藝流程軟件的編制。
在啟動現場總線以前，必須編制通信初始化程序。首先在參數設定部分，將整個系統連接的模塊數，重試次數，自動返回模塊數以及當CPU癱瘓時的運行規(guī)定（停止）以及各站的信息寫 入到存儲器相應的地址中。在執(zhí)行刷新指令后緩沖存儲器內的參數送入內部寄存器區(qū)，從而啟動數據鏈接。如果緩沖存儲器參數能正常啟動數據鏈接，這說明通信參數設置無誤，這時就可以通過寄存指令將參數寄存到E2PROM。這是因為一旦斷電內部寄存器的參數是不會保存的，而E2PROM中參數即使斷電仍然保存。同時通信參數必須一次性地寫入E2PROM，即僅在初始化才予以執(zhí)行。此后CPU運行就通過將E2PROM內的參數送入內部寄存區(qū)去啟動數據鏈接[4>。
初始化程序后，編寫主站PLC與變頻器的通訊程序，其程序如下所示：
4.2 觸摸操作屏
觸摸操作屏采用GOT970,它是一臺計算機，具有觸摸功能并帶有RS485接口，利用組態(tài)軟件組態(tài)傳動裝置及其他要操作設備的操作界面。在觸摸操作屏上設有四個畫面：主畫面、參數設定畫面、解列運行畫面和報警畫面。主畫面顯示設備在運行紡頭的轉數、變頻器的參數和操作指示；參數設定畫面用來設定工藝參數；解列運行畫面在調試設備時使用，顯示設備各部分獨立工作時的運行情況；報警畫面顯示設備的故障報警信息。組態(tài)完成后下載即可和總線建立連接。
5 結束語
這種基于現場總線基礎上的控制方案，系統結構得到簡化，使控制系統從設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優(yōu)越性，主要包括以下幾點。
（1） 降低控制系統的安裝成本和維護費用。在設備生產線或整個控制系統中，減小了各種現場布線和維護費用，也減小了控制箱的安裝空間，降低了整個系統的投資成本。
（2） 增強了現場級信息集成能力，可以從現場設備獲取大量豐富的信息，現場總線數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號， 還可以實現設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送。
（3） 開放性和互操作性增加了系統設計和系統發(fā)展的靈活性。不同廠家產品只要使用統一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。
（4）提高了系統的準確性與可靠性。基于現場總線的自動化監(jiān)控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備遠程參數設定、修改等工作，也增強了系統的可維護性。
隨著控制、計算機、通信、網絡技術等的發(fā)展，在工業(yè)控制領域出現了一種新興的控制技術，即現場總線?，F場總線是控制系統與現場設備之間建立的一種開放、全數字化、雙向、多站的通信系統?，F場總線系統在技術上具有以下特點：系統的開放性，可互操作性與互換性，現場設備的智能化與功能自制性，系統結構的高度分散性，對現場環(huán)境的適應性。在很多工業(yè)控制系統中，存在著多控制點且分布線長和分散的特點，采用現場總線技術可以把控制室內和現場操作臺所裝備的分布式I/O模塊聯成總線網絡，以數字方式來進行控制數據的串行傳輸，控制系統將具有更佳的抗干擾能力，提供給變頻器的參考值也比較精確。某紡絲廠在紡絲機自動化監(jiān)控系統的改造項目中采用了基于CC-Link現場總線的分布式控制。下面就具體的項目，闡述一下CC-Link網絡的構成方式，和它在應用中的特點。
2 紡絲機自動化監(jiān)控系統
2.1 系統的改造
該紡絲廠原電控系統采用繼電器進行邏輯控制，繼電器控制采用硬接線方式，系統很不穩(wěn)定，故障率高，一旦出現故障難以查找。速度調節(jié)系統采用模擬量的控制，各電機的轉數的設定使用電位器等模擬信號來給定，控制的準確度不夠高、抗干擾能力差、維修和調試都不是很方便。
控制系統采用三菱公司的FX2N系列的PLC對設備進行邏輯控制，實現控制部分的高速采樣數據處理。它通過FX2N-16CCL和變頻器進行數據交換。為實現對生產的監(jiān)控和管理的需要，系統配備了人機界面（GOT970）,該設備一方面監(jiān)視生產的運行情況，包括設備的運行情況、故障報警和報警歷史紀錄，另一方面它可以對系統內的參數進行適當的修改和優(yōu)化。紡絲機的傳動系統由去酸輥電機、升降軸電機、泵輥電機組成，它們分別由三臺變頻器來驅動,它們均采用三菱公司的FA500系列的變頻器，其具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，具有強大的網絡通訊功能，它們通過CC-Link網絡與PLC進行數據交換。通過CC-Link網絡可以實現PLC對各變頻器的控制，包括變頻器的啟動、停止和速度給定。
由于在紡絲車間內產生的化學氣體會影響變頻器的使用壽命，所以要求變頻器在車間外，但是車間內又需要近距離操作。車間內的電氣柜和車間外的電氣柜距離較遠，但又需要協同操作，即在車間內操作時需要隨時監(jiān)控車間外的變頻器工作情況。使用CC-Link網絡后，很容易解決這個問題。
2.2 系統功能流程圖
在該流程圖中可以清楚看出程序執(zhí)行的整個過程，從而也可以看出PLC與觸摸操作屏各自的功能。其中PLC主要完成整個系統的控制功能和參數的分析計算，觸摸操作屏負責參數的設定和動態(tài)顯示生產及參數的記錄。
3 CC-Link現場總線3.1 CC-Link的特性
CC-Link是control&communication Link（控制與通信鏈路系統）的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現場總線，其數據容量大，通信速度可多級選擇，最高可達10Mbps。它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。網絡中主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現場儀表設備。采用第三方廠商生產的網關還可以實現從CC-Link到ASI總線的連接。
3.2 CC-Link數據通信方式
CC-Link的底層通信協議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。于是CC-Link通信方式可分為循環(huán)通信和瞬時通信。
循環(huán)通信的具體方式為：主站將刷新數據RY/RWw發(fā)送到所有從站，與此同時輪詢從站1；從站1對來自主站的輪詢做出響應RX/RWr,并將該響應同時告知其它從站；然后主站輪詢從站2（此時并發(fā)送刷新數據），從站2給出響應，并將該響應告知其它從站；以此類推，不斷循環(huán)，除了廣播輪詢式的循環(huán)通訊方式外，CC-Link還提供主站、本地站及智能設備站之間的信息瞬時傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數據將以150字節(jié)為單位分割，并以150字節(jié)傳遞。若從從站傳遞到主站，每批信息數據最大為34字節(jié)。瞬時傳送需用專門指令來完成，但不影響循環(huán)通信時間。
4 系統的軟件設計4.1 下位機軟件設計
系統控制軟件的編制采用三菱公司的GX Developer 7.0來完成，利用該軟件可以很方便地進行PLC工藝流程軟件的編制。
在啟動現場總線以前，必須編制通信初始化程序。首先在參數設定部分，將整個系統連接的模塊數，重試次數，自動返回模塊數以及當CPU癱瘓時的運行規(guī)定（停止）以及各站的信息寫 入到存儲器相應的地址中。在執(zhí)行刷新指令后緩沖存儲器內的參數送入內部寄存器區(qū)，從而啟動數據鏈接。如果緩沖存儲器參數能正常啟動數據鏈接，這說明通信參數設置無誤，這時就可以通過寄存指令將參數寄存到E2PROM。這是因為一旦斷電內部寄存器的參數是不會保存的，而E2PROM中參數即使斷電仍然保存。同時通信參數必須一次性地寫入E2PROM，即僅在初始化才予以執(zhí)行。此后CPU運行就通過將E2PROM內的參數送入內部寄存區(qū)去啟動數據鏈接[4>。
初始化程序后，編寫主站PLC與變頻器的通訊程序，其程序如下所示：
4.2 觸摸操作屏
觸摸操作屏采用GOT970,它是一臺計算機，具有觸摸功能并帶有RS485接口，利用組態(tài)軟件組態(tài)傳動裝置及其他要操作設備的操作界面。在觸摸操作屏上設有四個畫面：主畫面、參數設定畫面、解列運行畫面和報警畫面。主畫面顯示設備在運行紡頭的轉數、變頻器的參數和操作指示；參數設定畫面用來設定工藝參數；解列運行畫面在調試設備時使用，顯示設備各部分獨立工作時的運行情況；報警畫面顯示設備的故障報警信息。組態(tài)完成后下載即可和總線建立連接。
5 結束語
這種基于現場總線基礎上的控制方案，系統結構得到簡化，使控制系統從設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優(yōu)越性，主要包括以下幾點。
（1） 降低控制系統的安裝成本和維護費用。在設備生產線或整個控制系統中，減小了各種現場布線和維護費用，也減小了控制箱的安裝空間，降低了整個系統的投資成本。
（2） 增強了現場級信息集成能力，可以從現場設備獲取大量豐富的信息，現場總線數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號， 還可以實現設備狀態(tài)、故障、參數信息傳送。
（3） 開放性和互操作性增加了系統設計和系統發(fā)展的靈活性。不同廠家產品只要使用統一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。
（4）提高了系統的準確性與可靠性。基于現場總線的自動化監(jiān)控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備遠程參數設定、修改等工作，也增強了系統的可維護性。
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