基于Mesh 網(wǎng)絡(luò)的黏膠纖維生產(chǎn)線自控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊智利， 張 冉

（1.唐山三友興達(dá)化纖股份有限公司， 河北 唐山063305； 2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 唐山063020）

0 引言

隨著黏膠纖維工藝的不斷進(jìn)步和新品種的不斷涌現(xiàn)， 黏膠纖維的需求逐年增加， 對黏膠纖維生產(chǎn)線的自動化程度要求不斷提高的同時，對自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求也在不斷提高。目前， 國內(nèi)黏膠纖維生產(chǎn)線控制系統(tǒng)自動化程度低， 維護(hù)工作量大， 工作環(huán)境惡劣。 針對此現(xiàn)狀， 本文中所設(shè)計的基于Mesh （網(wǎng)格控制）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的黏膠纖維生產(chǎn)線DCS （集散控制系統(tǒng)）[1]， 將美國I/A 自控系統(tǒng)成功應(yīng)用在整條黏膠纖維生產(chǎn)線上， 由Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)傳送至中央監(jiān)控站的計算機(jī)系統(tǒng)， 實現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程控制和實時監(jiān)測， 滿足了生產(chǎn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、 可靠、 冗余、 自診斷等多項要求， 同時提高了生產(chǎn)線的自動化程度，能夠保證黏膠纖維生產(chǎn)穩(wěn)定高效運行。

1 Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)簡介

Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)是美國Invensys 公司根據(jù)近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而推出的DCS 控制網(wǎng)絡(luò)，它基于IEEE 802.3u （快速以太網(wǎng)）和IEEE 802.3z(千兆網(wǎng)) 技術(shù)， 由一組以太網(wǎng)交換機(jī)以各種網(wǎng)狀拓?fù)浞绞竭B接而成[2]。 Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思想是在網(wǎng)絡(luò)中任意兩個設(shè)備之間提供多重通訊途徑， 從而使得通訊不受單點乃至多點故障的影響， 極大地提高了通訊的冗余性能。 Mesh網(wǎng)絡(luò)的可利用性非常高， 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單明了，便于維護(hù)。 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的全光纖通訊線纜的布置極大地提高了系統(tǒng)通訊中的抗電磁干擾能力。

Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)將控制站、 輸入輸出模塊和各種工作站集中在一個100 Mb/1 Gb 的交換機(jī)以太網(wǎng)中。 這些控制站、 輸入輸出模塊和各種工作站通過Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)連接在一起， 為過程系統(tǒng)的監(jiān)測、 控制和工廠信息管理提供了一個規(guī)模靈活的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺， 它的高速、 多冗余以及點對點的網(wǎng)絡(luò)通訊性能為控制系統(tǒng)的高性能和安全性提供了可靠基礎(chǔ)。 每對控制站、輸入輸出模塊和工作站可以使用冗余連接與Mesh 網(wǎng)上的其他控制站、 輸入輸出模塊和工作站進(jìn)行通訊。

2 DCS 控制系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計時， 考慮到系統(tǒng)的開放性、 可靠性和技術(shù)先進(jìn)性， 本文中的智能DCS 控制系統(tǒng)采用美國FOXBORO 公司I/A Series 8. x 系統(tǒng)， 采用了交換機(jī)拓?fù)涫娇刂凭W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Mesh Control Network) 作為I/A 系統(tǒng)的通訊平臺， 將控制站、輸入輸出模塊(I/O 卡件) 和各種工作站集中在一個100 Mb/1 Gb 的交換機(jī)以太網(wǎng)絡(luò)中， 為過程系統(tǒng)的監(jiān)測、 控制和工廠信息管理提供了一個規(guī)模靈活的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺， 可在整條生產(chǎn)線上實現(xiàn)控制信息的互傳共享而沒有網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋的限制， 極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的冗余度和抗電磁干擾的能力， 其高速、 多冗余以及點對點的網(wǎng)絡(luò)通訊性能為控制系統(tǒng)的高性能和安全性提供了可靠基礎(chǔ)。

2. 1 系統(tǒng)構(gòu)成

DCS 控制系統(tǒng)主要由工程師站、 操作員站、通訊站和現(xiàn)場控制站(I/O 站) 構(gòu)成。 現(xiàn)場控制站包括主控單元設(shè)備和I/O 單元設(shè)備。 工程師站和操作員站采用Windows XP 作為系統(tǒng)平臺界面， 使用FORTRAN 或C 語言進(jìn)行程序設(shè)計，運行相應(yīng)的組態(tài)管理程序， 實現(xiàn)人機(jī)對話， 對整個現(xiàn)場生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。

2. 2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件選用美國FOXBORO 公司I/A Series 系列主控單元和輸入/輸出模塊， 監(jiān)控層由1臺工程師站和5 臺操作員站組成， 工程師站( AW7001) 和操作員站 ( WP7002/WP7003/WP7003/WP7004/WP7005) 協(xié)調(diào)工作， 作為數(shù)據(jù)輸入/輸出和工程師接口的主要手段。

控制站采用三對容錯的ZCP270 控制處理機(jī)(CP1001/CP2001/CP3001) 組成， 均為一用一備，實時交換數(shù)據(jù)。 CP1001、 CP2001、 CP3001 分別由2 個、 4 個、 4 個FCM100Et I/O 站組成， 選用FBM201 (8 通道0 ～ 20 mA 輸入接口組件)、FBM237 (冗余8 通道0 ～ 20 mA 輸出接口組件)、FBM217 (32 通道離散量輸入接口組件) 、FBM242 (16 通道離散量輸出接口組件) 4 種現(xiàn)場總線組件。 通過雙FieldBus 連接各自的FCM100Et 分布式I/O 站， 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)過程的控制。

2. 3 軟件設(shè)計

在軟件方面， I/A Series 應(yīng)用于Microsoft Windows XP 操作系統(tǒng)， 支持多種通信協(xié)議，可通過FORTRAN 和C 編程語言進(jìn)行程序設(shè)計。I/A Series 綜合控制軟件通過復(fù)合塊(Compound)組實現(xiàn)綜合連續(xù)量、 順序量、 梯形邏輯和批量處理等方面的控制策略。 實時軟件包括實時顯示軟件、 操作站窗口軟件、 工廠操作定向顯示軟件、 趨勢子系統(tǒng)、 報警子系統(tǒng)、 操作員信息和報表軟件、 系統(tǒng)管理軟件。 組態(tài)軟件主要包括顯示繪圖和組態(tài)軟件、 多窗口顯示管理組態(tài)軟件、 系統(tǒng)組態(tài)程序、 操作站/環(huán)境組態(tài)程序、顯示實用程序、 過程報警組態(tài)程序等。

2. 4 監(jiān)控功能設(shè)計

DCS 系統(tǒng)監(jiān)控功能由FOXDRAW 監(jiān)控組態(tài)軟件和FoxDraw 工具軟件設(shè)計開發(fā)， 根據(jù)各個生產(chǎn)車間實際生產(chǎn)工序繪制工藝流程畫面， 可以顯示現(xiàn)場設(shè)備實際工作狀態(tài)， 如電機(jī)、 閥門等開關(guān)狀態(tài)， 溫度、 壓力、 流量、 速度等工藝參數(shù)實時數(shù)據(jù)顯示等； 完成對生產(chǎn)設(shè)備的操控包括電機(jī)、 閥門、 泵類的啟停控制以及各工序中調(diào)節(jié)閥、 調(diào)速裝置的自動調(diào)節(jié)與軟手動調(diào)節(jié)、硬手動調(diào)節(jié)的無擾切換[3]。 界面主要包括： 總圖界面、 各個工藝流程圖界面以及報警顯示界面。在總圖界面下， 可自由、 方便的切換進(jìn)入各個工藝流程圖界面， 在各個工藝流程界面下， 操作員可實時查看工藝控制參數(shù)， 監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)， 依據(jù)現(xiàn)場工藝要求修改PID 及批量PHASE 功能塊的相關(guān)參數(shù)， 隨時查看報警記錄、 實時趨勢、 歷史趨勢以及相關(guān)信息。 另外，監(jiān)控站設(shè)置系統(tǒng)工程師和系統(tǒng)操作員兩個級別的訪問權(quán)限， 實行分級管理， 保證系統(tǒng)的安全性。 現(xiàn)場工藝監(jiān)控畫面如圖1 所示。

圖1 工藝監(jiān)控畫面

3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求， 通信結(jié)構(gòu)設(shè)計分為2 層：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SNET) 和控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)[4]。 第一層是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)中心交換機(jī)與各個通訊節(jié)點(操作員站、 工程師站、 現(xiàn)場控制站) 的連接， 系統(tǒng)通信采用Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)(Mesh Control Network)， 它基于IEEE802. 3u (快速以太網(wǎng)) 和IEEE802. 3z (千兆網(wǎng)) 技術(shù)， 由四臺24 點交換機(jī)組成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 通過網(wǎng)絡(luò)中任意兩個設(shè)備之間的多重通訊途徑， 使得通信不受單點以及多點故障的影響， 極大地提高了通訊的冗余性能和抗電磁干擾的能力。 傳輸介質(zhì)采用全光纖通信線纜， 通信速率為1 GBps， 對所管理的交換機(jī)可通過就地接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理與配置，系統(tǒng)管理軟件可監(jiān)視Mesh 控制網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)， 并管理系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備， 可在整條生產(chǎn)線上達(dá)到信息的互傳共享而沒有網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋的限制。 第二層為控制網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)ZCP270FT 控制處理機(jī)與FCM100Et I/O 站的通信， 采用FieldBus 現(xiàn)場總線協(xié)議， 傳輸介質(zhì)為全光纖通信線纜。 Mesh 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 Mesh 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意圖

4 程序組態(tài)

對于各個車間控制設(shè)備的組態(tài)， 除了泵類及電機(jī)、 風(fēng)機(jī)的啟停， 設(shè)備自身及相互間的連鎖等生產(chǎn)控制操作， 對于核心設(shè)備的生產(chǎn)連續(xù)性組態(tài)， 是保證生產(chǎn)線穩(wěn)定高效運行的重要條件[5]。

4. 1 電機(jī)與開關(guān)閥組態(tài)

電機(jī)/開關(guān)閥的組態(tài)主要由數(shù)字信號輸入模塊 （FBM217）， 馬達(dá)控制輸出模塊 （MTR） /開關(guān)閥控制模塊（VLV）， 信號輸出模塊（COUT），數(shù)字量輸出模塊 （FBM242） 組成， 采用閉環(huán)控制， 電機(jī)/閥門控制命令經(jīng)由COUT 模塊發(fā)出后，檢測在規(guī)定的時間內(nèi)現(xiàn)場返回的電機(jī)/開關(guān)閥實際開關(guān)狀態(tài)與控制命令是否相符， 如相符， 則在監(jiān)視畫面上顯示電機(jī)/閥門的正確開關(guān)狀態(tài)；否則在監(jiān)視畫面上會有報警提示。

4. 2 調(diào)節(jié)閥的PID 控制組態(tài)

調(diào)節(jié)閥的PID 控制組態(tài)主要由模擬量輸入模塊 (AIN)， PID 調(diào)節(jié)模塊， 模擬量輸出模塊(AOUT) 組成， AIN 模塊將FBM201 來的測量信號進(jìn)行修正、 標(biāo)度、 報警等處理， 其輸出被連到PID 模塊的測量輸入?yún)?shù)MEAS。 PID 模塊根據(jù)測量值和設(shè)定值SPT 的偏差及P、 I、 D 整定參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行運算， 其輸出連接到AOUT 模塊的輸入MEAS。 AOUT 模塊對信號進(jìn)行輸出修正后送到FBM237 的輸出點， 控制調(diào)節(jié)閥開度，實現(xiàn)對現(xiàn)場工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。

4. 3 原液浸漬桶液位串級控制組態(tài)

漿粕通過送粕機(jī) (EU01)、 喂粕機(jī) (EU02)送入浸漬桶， 利用浸漬桶攪拌葉將漿粕撕碎，浸入由加堿自控閥(FC01) 加入的燒堿， 使纖維素吸堿、 膨脹反應(yīng)， 生成堿纖維素， 并攪拌成漿粥狀， 再由漿粥泵(EU03) 打入壓榨機(jī)。 浸漬桶液位(LC01) 控制是一個動態(tài)平衡的過程， 為了實現(xiàn)這過程， 就要求根據(jù)LC01 的實際值控制送粕機(jī)、 喂粕機(jī)的進(jìn)料速度 （SC01、 SC02）， 同時根據(jù)SC01、 SC02 的速度計算燒堿的加入量并控制FC01 加入適當(dāng)比例的燒堿， 以滿足化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行， 這個過程就需要LC01 與SC01、SC02 的皮帶控制進(jìn)行串級控制。 該串級調(diào)節(jié)回路由兩個AIN 模塊， 兩個PID 模塊和一個AOUT 模塊組成， 當(dāng)閉環(huán)運行時副調(diào)節(jié)器處于遠(yuǎn)方設(shè)定狀態(tài)， SC01/SC02 的遠(yuǎn)方設(shè)定參數(shù)RSP 連接到LC01 的輸出參數(shù)OUT。 為了實現(xiàn)無擾動切換到閉環(huán)控制， LC01 的初始輸入信號 （INITI）取自SC01/SC02 的初始化輸出信號 (INITO)。LC1 的反計算輸入信號 （BCALCI） 取自SC01/SC02 的 反 計 算 輸 出 信 號 （BCALCO）。 同 時SC01/SC02 的初始化輸入信號和反計算輸入信號分別與AOUT 模塊的初始化輸入信號和反計算輸出信號連接。

4. 4 黃化機(jī)、 溶解機(jī)的Batch 組態(tài)

黃化是黏膠短纖維工藝生產(chǎn)中黏膠制備最重要的工序， 主要是堿纖維素與CS2進(jìn)行反應(yīng)生產(chǎn)纖維素黃酸酯的過程， 為連續(xù)穩(wěn)定地制備出合格的黏膠， 黃化和溶解采用I/A Batch 配方軟件程序進(jìn)行控制。 每個配方步驟都執(zhí)行對應(yīng)本步的反應(yīng)條件檢測， 一旦有連鎖發(fā)生， 工藝會要求控制程序根據(jù)不同的連鎖原因轉(zhuǎn)入不同的子步驟中， 直到連鎖條件完全解除， 只有滿足檢測條件， 繼續(xù)該條生產(chǎn)線的運行。

根據(jù)黃化工序的工藝要求， 可將配方程序劃分為開始、 等待、 安全排放、 真空測試、 排空、 打開堿纖下料閥、 黃化機(jī)進(jìn)料、 關(guān)閉黃化堿纖下料閥、 抽真空、 真空檢測、 加CS2、 黃化1、 黃化2、 黃化結(jié)束、 溶解堿加入1、 攪拌、通風(fēng)、 打開黃化機(jī)、 排放、 預(yù)排料、 排料1、 溶解堿加入2、 關(guān)黃化機(jī)、 溶解堿加入3、 沖洗、放料2、 黃化機(jī)排空、 結(jié)束這28 個步驟。 溶解機(jī)的配方程序可分為十個步驟， 分別為： 開始、等待、 放料1、 粗均化、 放料2、 調(diào)寬間隙、 調(diào)小間隙、 切換、 排料、 結(jié)束。 只有當(dāng)每步的工藝參數(shù)和檢測條件滿足時， 才能轉(zhuǎn)入下一步的執(zhí)行。 下面以溶解機(jī)的Batch 組態(tài)配方程序為例， 進(jìn)行詳細(xì)說明：

在配方程序中溶解機(jī)相關(guān)設(shè)備為： 細(xì)均化器電機(jī) (EU11、 EU12、 EU13、 EU14、 EU15)、細(xì)均化調(diào)偏電機(jī)(EU21、 EU22、 EU23、 EU24、EU25)、 溶 解 桶 下 方 黏 膠 泵 (EU31、 EU32、EU33)、 進(jìn)膠閥門(KS34)、 膠循環(huán)閥門(KS35)、出膠閥門(KS36)。

(1) 開始， PAHSE = 1， 啟動本步計時器，對溶解工藝相關(guān)的各電機(jī)、 閥門進(jìn)行本步狀態(tài)初始化， 即關(guān)閉所有電機(jī)閥門， 本步結(jié)束；

(2) 等待。 PAHSE = 2， 啟動本步計時器，啟動細(xì)均化調(diào)偏電機(jī)調(diào)至寬間隙位置， 關(guān)閉其余所有電機(jī)及閥門， 檢測溶解機(jī)是否準(zhǔn)備好，查看黃化機(jī)是否在第20 步， 滿足這些條件后，本步結(jié)束；

(3) 放料1。 PAHSE = 3， 啟動本步計時器，啟動細(xì)均化電機(jī)， 打開進(jìn)膠閥門KS34， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門， 檢測溶解桶液位是否達(dá)到設(shè)定值， 滿足條件后， 本步結(jié)束；

(4) 粗均化。 PAHSE = 4， 啟動本步計時器，啟動黏膠泵， 打開KS35， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門，計時器時間達(dá)到相位參數(shù)設(shè)定值后， 本步驟結(jié)束。 本步相位參數(shù)： TIME = 20 s；

(5) 放料2。 PAHSE = 5， 啟動本步計時器，啟動細(xì)均化電機(jī)， 打開KS34， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門， 檢測溶解桶液位是否達(dá)到設(shè)定值， 滿足條件后， 本步結(jié)束。 本步相位參數(shù)： 設(shè)定值＝85%；

(6) 調(diào)寬間隙。 PAHSE = 6， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細(xì)均化電機(jī)， 打開KS35， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門， 計時器時間達(dá)到相位參數(shù)設(shè)定值后， 本步結(jié)束。 本步相位參數(shù)： TIME =30 s；

(7) 調(diào)小間隙。 PAHSE = 7， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細(xì)均化電機(jī)、 調(diào)間隙電機(jī)(運行至窄間隙位置)， 打開KS35， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門， 計時器時間是否已達(dá)到相位參數(shù)設(shè)定值，后面工序中的黏膠桶是否具備放料條件？ 滿足這些條件后， 本步結(jié)束。 本步相位參數(shù)： TIME= 3 600 s；

(8) 切換。 PAHSE = 8， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細(xì)均化電機(jī)， 打開KS36， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門， 檢測KS35 是否關(guān)閉， KS36 是否打開， 滿足條件后， 本步結(jié)束；

(9) 排料。 PAHSE = 9， 啟動本步計時器， 啟動黏膠泵、 細(xì)均化電機(jī)、 調(diào)間隙電機(jī) （運行至寬間隙位置）， 打開KS36， 關(guān)閉其余電機(jī)及閥門。 檢測溶解桶液位是否達(dá)到設(shè)定值， 生產(chǎn)批次是否有變化， 若無變化， 轉(zhuǎn)向第二步， 本步結(jié)束。 若有變化， 轉(zhuǎn)向第十步， 本步結(jié)束；

(10) 結(jié)束。 PAHSE = 10， 啟動本步計時器，對溶解工藝相關(guān)的各電機(jī)、 閥門進(jìn)行本步狀態(tài)初始化， 即關(guān)閉所有電機(jī)閥門。 本步結(jié)束。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了交換機(jī)拓?fù)涫娇刂凭W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的通訊平臺， 即使出現(xiàn)一臺交換機(jī)出現(xiàn)故障的情況， 也能通過其他線路進(jìn)行通訊，保證了通信的穩(wěn)定。 同時容錯的中央處理器保證了即使一臺處理器出現(xiàn)故障也不會影響生產(chǎn)線的正常運行， 依然可以將現(xiàn)場采集到的實時信號及時準(zhǔn)確的傳輸?shù)街醒胗嬎銠C(jī)系統(tǒng)， 同時將中央計算機(jī)系統(tǒng)的控制指令傳達(dá)到現(xiàn)場的設(shè)備。 現(xiàn)場運行證明， 該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、 可靠性高、 操作方便、 維護(hù)量小， 具有一定的推廣價值。

[1] 查方興.淺談Foxboro I/A Series 系統(tǒng)的先進(jìn)性[J] .中國通訊， 2007 （2）： 3 - 5 .

[2] 韓萍. 從I/A 系統(tǒng)升級談DCS 的發(fā)展[J] . 川化，2007 （4）： 5 - 8 .

[3] 盧伯英， 于海勛， 譯. 現(xiàn)代控制工程[M] . 4 版.北京： 電子工業(yè)出版社， 2007 .

[4] 袁秀英. 組態(tài)控制技術(shù)[M] . 北京： 電子工業(yè)出版社， 2006 .

[5] 郭宗仁. 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M] . 北京： 人民郵電出版社， 2002 .