基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)紡絲機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)

1、 引言

隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù)，即現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間建立的一種開(kāi)放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：系統(tǒng)的開(kāi)放性，可互操作性與互換性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自制性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。在很多工業(yè)控制系統(tǒng)中，存在著多控制點(diǎn)且分布線長(zhǎng)和分散的特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以把控制室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)所裝備的分布式I/O模塊聯(lián)成總線網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字方式來(lái)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，控制系統(tǒng)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(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的改造項(xiàng)目中采用了基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制。下面就具體的項(xiàng)目，闡述一下CC-Link網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方式，和它在應(yīng)用中的特點(diǎn)。

2 、紡絲機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的改造

該紡絲廠原電控系統(tǒng)采用繼電器進(jìn)行邏輯控制，繼電器控制采用硬接線方式，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，故障率高，一旦出現(xiàn)故障難以查找。速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用模擬量的控制，各電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)定使用電位器等模擬信號(hào)來(lái)給定，控制的準(zhǔn)確度不夠高、抗干擾能力差、維修和調(diào)試都不是很方便。

系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)采用三菱公司的FX2N系列的PLC對(duì)設(shè)備進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)控制部分的高速采樣數(shù)據(jù)處理。它通過(guò)FX2N-16CCL和變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理的需要，系統(tǒng)配備了人機(jī)界面（GOT970），該設(shè)備一方面監(jiān)視生產(chǎn)的運(yùn)行情況，包括設(shè)備的運(yùn)行情況、故障報(bào)警和報(bào)警歷史紀(jì)錄，另一方面它可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛢?yōu)化。紡絲機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由去酸輥電機(jī)、升降軸電機(jī)、泵輥電機(jī)組成，它們分別由三臺(tái)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)態(tài)特性，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，它們通過(guò)CC-Link網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)CC-Link網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)各變頻器的控制，包括變頻器的啟動(dòng)、停止和速度給定。

由于在紡絲車間內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)氣體會(huì)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(nèi)又需要近距離操作。車間內(nèi)的電氣柜和車間外的電氣柜距離較遠(yuǎn)，但又需要協(xié)同操作，即在車間內(nèi)操作時(shí)需要隨時(shí)監(jiān)控車間外的變頻器工作情況。使用CC-Link網(wǎng)絡(luò)后，很容易解決這個(gè)問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)功能流程圖

系統(tǒng)功能流程圖如圖2所示。在該流程圖中可以清楚看出程序執(zhí)行的整個(gè)過(guò)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(gè)系統(tǒng)的控制功能和參數(shù)的分析計(jì)算，觸摸操作屏負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)及參數(shù)的記錄。

3、 CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線

3.1 CC-Link的特性

CC-Link是control&communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，是三菱電機(jī)于1996年推出的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度可多級(jí)選擇，最高可達(dá)10Mbps。它是一個(gè)復(fù)合的、開(kāi)放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。CC-Link是一個(gè)以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò)可由1個(gè)主站和64個(gè)從站組成。網(wǎng)絡(luò)中主站由PLC擔(dān)當(dāng)，從站可以是遠(yuǎn)程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機(jī)界面、變頻器及各種測(cè)量儀表、閥門(mén)等現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備。采用第三方廠商生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)從CC-Link到ASI總線的連接。

3.2 CC-Link數(shù)據(jù)通信方式

CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢方式進(jìn)行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設(shè)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(shí)通信。

循環(huán)通信的具體方式為：主站將刷新數(shù)據(jù)RY/RWw發(fā)送到所有從站，與此同時(shí)輪詢從站1;從站1對(duì)來(lái)自主站的輪詢做出響應(yīng)RX/RWr，并將該響應(yīng)同時(shí)告知其它從站;然后主站輪詢從站2（此時(shí)并發(fā)送刷新數(shù)據(jù)），從站2給出響應(yīng)，并將該響應(yīng)告知其它從站;以此類推，不斷循環(huán)，圖3所示為廣播輪詢時(shí)數(shù)據(jù)傳輸幀格式。

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(shè)備站之間的信息瞬時(shí)傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)最大為34字節(jié)。瞬時(shí)傳送需用專門(mén)指令來(lái)完成，但不影響循環(huán)通信時(shí)間。

4 、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件的編制采用三菱公司的GX Developer 7.0來(lái)完成，利用該軟件可以很方便地進(jìn)行PLC工藝流程軟件的編制。

在啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線以前，必須編制通信初始化程序。首先在參數(shù)設(shè)定部分，將整個(gè)系統(tǒng)連接的模塊數(shù)，重試次數(shù)，自動(dòng)返回模塊數(shù)以及當(dāng)CPU癱瘓時(shí)的運(yùn)行規(guī)定（停止）以及各站的信息寫(xiě)入到存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址中。在執(zhí)行刷新指令后緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)的參數(shù)送入內(nèi)部寄存器區(qū)，從而啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接。如果緩沖存儲(chǔ)器參數(shù)能正常啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接，這說(shuō)明通信參數(shù)設(shè)置無(wú)誤，這時(shí)就可以通過(guò)寄存指令將參數(shù)寄存到E2PROM。這是因?yàn)橐坏嚯妰?nèi)部寄存器的參數(shù)是不會(huì)保存的，而E2PROM中參數(shù)即使斷電仍然保存。同時(shí)通信參數(shù)必須一次性地寫(xiě)入E2PROM，即僅在初始化才予以執(zhí)行。此后CPU運(yùn)行就通過(guò)將E2PROM內(nèi)的參數(shù)送入內(nèi)部寄存區(qū)去啟動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接。

初始化程序后，編寫(xiě)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(tái)計(jì)算機(jī)，具有觸摸功能并帶有RS485接口，利用組態(tài)軟件組態(tài)傳動(dòng)裝置及其他要操作設(shè)備的操作界面。在觸摸操作屏上設(shè)有四個(gè)畫(huà)面：主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、解列運(yùn)行畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面。主畫(huà)面顯示設(shè)備在運(yùn)行紡頭的轉(zhuǎn)數(shù)、變頻器的參數(shù)和操作指示;參數(shù)設(shè)定畫(huà)面用來(lái)設(shè)定工藝參數(shù);解列運(yùn)行畫(huà)面在調(diào)試設(shè)備時(shí)使用，顯示設(shè)備各部分獨(dú)立工作時(shí)的運(yùn)行情況;報(bào)警畫(huà)面顯示設(shè)備的故障報(bào)警信息。組態(tài)完成后下載即可和總線建立連接。

5 、結(jié)束語(yǔ)

這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上的控制方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性，主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）降低控制系統(tǒng)的安裝成本和維護(hù)費(fèi)用

在設(shè)備生產(chǎn)線或整個(gè)控制系統(tǒng)中，減小了各種現(xiàn)場(chǎng)布線和維護(hù)費(fèi)用，也減小了控制箱的安裝空間，降低了整個(gè)系統(tǒng)的投資成本。

（2）增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力

可以從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富的信息，現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。

（3）開(kāi)放性和互操作性增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)發(fā)展的靈活性

不同廠家產(chǎn)品只要使用統(tǒng)一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。

（4）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。