基于DeviceNet的控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊曉娜，韋 文，吳華濱，莫禮東，覃洪漢

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧530001）

在煙草的制絲生產(chǎn)過(guò)程中，煙葉經(jīng)切絲到煙絲的過(guò)程控制都是通過(guò)可編程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的集成控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于制絲線自動(dòng)化控制的研究使得制絲生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，同時(shí)改善了控制效果，如帶智能積分器的微分先行PID控制器應(yīng)用到加香系統(tǒng)中，提高了了加香精度[1]。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得電氣控制系統(tǒng)的集成化程度更高，工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線技術(shù)在煙草行業(yè)中應(yīng)用廣泛。如工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在電氣控制系統(tǒng)中克服了傳統(tǒng)總線技術(shù)的問(wèn)題[2]；文獻(xiàn)[3]闡述了基于工業(yè)以太網(wǎng)的過(guò)程控制平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法；文獻(xiàn)[4~6]對(duì)DeviceNet的協(xié)議進(jìn)行了研究和分析；文獻(xiàn)[7]中介紹了Device Net等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煙草生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用情況。而對(duì)在Device Net中添加控制平臺(tái)的研究并沒(méi)有提及。同時(shí)，南寧卷煙廠的切絲工序的生產(chǎn)控制是通過(guò)ControlLogix控制器和Device Net遠(yuǎn)程控制來(lái)完成的，大部分的機(jī)械設(shè)備都是通過(guò)操作人員操作觸摸屏來(lái)控制。然而實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)椴僮髌脚_(tái)有限而造成了一人兩地操作的局面，既降低勞動(dòng)效率，又存在操作隱患，因此，根據(jù)南寧卷煙廠實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，添加基于DeviceNet的控制平臺(tái)，來(lái)縮短操作時(shí)間[8~9]。

1 問(wèn)題描述

南寧卷煙廠制絲線切絲工序包含將儲(chǔ)存時(shí)間符合工藝要求的煙葉經(jīng)過(guò)切絲機(jī)之后變成符合工藝要求的葉絲的過(guò)程。切絲是制絲過(guò)程中最為關(guān)鍵的一道工序，直接關(guān)系到最終煙絲的質(zhì)量[10]。切絲過(guò)程中要求切絲機(jī)前煙葉流量穩(wěn)定，切絲機(jī)之后葉絲流量穩(wěn)定，且葉絲的寬度均勻。因此，切絲機(jī)的操作是由現(xiàn)場(chǎng)操作工來(lái)完成的。切絲崗位的操作人員在負(fù)責(zé)切絲機(jī)操作的同時(shí)也要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)葉片頻率以使得煙葉流量穩(wěn)定。

制絲線的整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)備運(yùn)行的是由羅克韋爾的ControlLogix控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并通過(guò)DeviceNet、ControlNet以及EtherNet三層網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成控制及數(shù)據(jù)采集與傳輸。

在原有切絲工序的操作系統(tǒng)中，一個(gè)操作人員既要操作切絲機(jī)又要進(jìn)行負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)葉片的出柜頻率等工作，兩地操作，每次耗費(fèi)在操作上的時(shí)間約有15分鐘，造成勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在故障隱患的問(wèn)題。為了解決這種不利于操作的情況，擬在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的操作平，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，縮短操作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

DeviceNet是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的總線技術(shù)，在ControlLogix集成控制系統(tǒng)中，主要用于解決控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題。Control-Logix的網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)是基于Netlinx網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的，Netlinx分為信息層、控制層、設(shè)備層等三層。DeviceNet是方便連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，主要用來(lái)連接底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備I/O設(shè)備、限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、操作員接口等。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較自由，通常是主干線及分支線組成[11]，高度實(shí)現(xiàn)了分布式解決方案。DeviceNet的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有500Kbps、250Kbps、125Kbps三種速度可選，網(wǎng)絡(luò)上最多可以掛接64個(gè)設(shè)備。每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)分配的物理地址(MACID)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

南寧卷煙廠制絲線電氣控制為RockWell的ControlLogix可編程邏輯控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部控制器之間或者是PC機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)的通訊是基于Net linx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的，實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中電氣控制設(shè)備較為分散。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)的集中性，需添加操作平臺(tái)。所以，在切絲機(jī)旁安裝觸摸屏，需要將Device Net網(wǎng)作為集成控制系統(tǒng)的最底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 操作平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)功能有:

（1）煙葉出柜皮帶頻率調(diào)節(jié)；

（2）當(dāng)前煙葉牌號(hào)顯示；

（3）提升機(jī)調(diào)速；

（4）切絲機(jī)選擇等功能。

ControlLogix控制器和觸摸屏之間進(jìn)行連接通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)通訊是基于Device Net來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3 硬件組態(tài)及程序編寫

根據(jù)總體方案，要在原控制系統(tǒng)中添加觸摸屏，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：給觸摸屏添加DeviceNet網(wǎng)網(wǎng)卡，可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏和控制器之間的通訊；

第二步：分配DeviceNet網(wǎng)地址。MACID對(duì)于DeviceNet模塊來(lái)說(shuō)最多可以連接64個(gè)DeviceNet網(wǎng)設(shè)備，站號(hào)從00-63.，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)的情況，分配未被使用的DeviceNet網(wǎng)地址。

第三步：使用羅克韋爾的RSNetWorx組態(tài)軟件對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)；

第四步：根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求添加需要控制設(shè)備的操作畫面，用觸摸屏的GP-face設(shè)計(jì)軟件設(shè)置與生產(chǎn)需求符合的功能，如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)葉片出柜底帶頻率畫面

如表格1所示，表中給出了部分功能按鈕的設(shè)定地址[12]。對(duì)每一個(gè)功能鍵都要設(shè)置地址，并對(duì)應(yīng)程序中使用的程序地址。

表1 設(shè)置觸摸屏功能鍵的地址

第五步：設(shè)置觸摸屏功能之后，利用RSLogix5000軟件對(duì)添加的功能進(jìn)行程序的修改和編寫。為了確保程序修改和數(shù)據(jù)通訊能夠成功，并確保功能鍵在GP-face中的地址與程序中的地址一一關(guān)聯(lián)。

2.4 設(shè)備調(diào)試和安裝

完成程序編寫和畫面設(shè)置之后，進(jìn)入設(shè)備調(diào)試和安裝階段。使用Rockwell的可編程控制器的服務(wù)器軟件RSLinx進(jìn)行上位機(jī)程序的下載安裝。相應(yīng)的功能按鈕均可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的控制，并能實(shí)時(shí)反映煙葉牌號(hào)。如圖3所示為控制平臺(tái)的初始畫面，顯示當(dāng)前的牌號(hào)、批次，生產(chǎn)日期等；圖4為觸摸屏的二級(jí)操作畫面，在此操作畫面上可以對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，使葉片流量穩(wěn)定地供給給切絲機(jī)。

圖3 煙葉牌號(hào)的顯示畫面

圖4 控制平臺(tái)控制提升機(jī)的操作畫面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)制絲線切絲工序中因?yàn)椴僮髟蛟斐傻牟僮餍瘦^低的問(wèn)題，添加了一個(gè)Gp-face的操作屏幕。將此操作平臺(tái)通過(guò)Device Net與ControlLogix控制器進(jìn)行連接，進(jìn)而進(jìn)行基于Device Net網(wǎng)的組態(tài)及程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)通訊。此操作平臺(tái)已經(jīng)在生產(chǎn)過(guò)程中投入使用，根據(jù)使用的情況可知，操作員工不用兩地操作，縮短了操作時(shí)間。同時(shí)此觸摸屏式開(kāi)放式的，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要添加需要改進(jìn)的功能，以使操作更加方便人性化。

[1]任宏程，張 勇，向鳳紅.卷煙廠制絲線加香控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煙草科技，2008(4):23-25.

[2]EtherNet/IP賴林，萬(wàn) 鈾，王建新，等.工業(yè)以太網(wǎng)在制絲線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煙草科技，2007(7):14-17.

[3]魏柏林.基于以太網(wǎng)的過(guò)程控制平臺(tái)的研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[4]陳嵐嵐，鄧海濤，戴瑜興.DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用，2005,24(8):66-68.

[5]吳文慧.基于DeviceNet的從站通訊接口設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶郵電大學(xué),2006.

[6]閏 曉，孫 韜，汪晉寬.DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)的分析[J].儀器與儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4):537-540.

[7]安淑玉，鄭 路，李曉荃.現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議分析及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用[J].煙草科技，2004(9):23-26.

[8]徐繼寧，李正熙.基于DeviceNet總線的溫度變送器設(shè)計(jì)[J].儀器與儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8):659-661

[9]奚培鋒.一種DeviceNet模擬量遠(yuǎn)程I/O模塊的設(shè)計(jì)[J].通用低壓電器，2007(1):30-31.

[10]姚二民，褚國(guó)海.卷煙機(jī)械[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005.

[11]鄧 李.ControlLogix系統(tǒng)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[12]杜宏祺，王會(huì)東，韓仲芳.Pro-face觸摸屏可編程顯示技術(shù)在機(jī)床上的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2009(4)：74-75.