纺纱厂自动化纺机网络信息集成工程综述 - 文章

纺纱厂自动化纺机网络信息集成工程综述

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摘要：本文主要介绍工业控制网络在棉纺厂的综合应用及其在工厂设备运行管理中的优势，同时介绍台达全系列网络产品。
关键词：纺纱纺机信息集成以太网 GSM无线通讯

1 引言

我国是纺织工业大国，在世界纺织工业市场扮演了重要脚色。纺织工业是我国最早产生的民族工业，在工业生产中占有举足轻重的地位，同时纺织机械自动化也是我国工业自动化发展的重要领域。在20世纪早期以传统的继电器控制方式逐步过渡到以电子装置和自动化仪表为主的控制系统，称为电子工业时代，到了20世纪末，随着生产规模的不断扩大和复杂程度的提高，实际应用对控制系统的要求越来越高，同时计算机信息技术有了突飞猛进的发展及应用，纺纱厂自动化系统也迎来了信息工业时代，在这一时期各种纺机通讯手段被广泛使用，信息化成为重要特色，不仅大大提高了生产效率，也使纺织机械自动化控制翻开了新的篇章，本文主要介绍工业控制网络和产品在纺织厂的具体应用。

2 纺织设备信息集成需求与组网技术

目前在我国纺织机械工业中，单体设备控制的自动化程度已相对比较成熟，可编程控制器、变频器、伺服电机、人机界面、自动化仪表等产品已被广泛应用，能够满足独立工艺设备的控制需求，如以细纱机为例，由于这些产品的应用，操作工人可以通过人机界面对设备工艺参数进行设置，可编程控制器根据预设的参数以及外部传感器信号控制变频器、伺服电机完成细纱工艺过程，包括了实现需要的锭速曲线以及自动集体落纱等等工艺要求。

但是单机自动化这对于纺织厂的生产及管理是远远不够的。中国的纺织产业处于劳动密集型向设备与资本密集型的产业转型阶段。要提高生产效率，必须协调好各种设备及人员，而目前的状况是虽然单机设备有较高的自动化程度，但工厂综合自动化程度往往都很低，各个工序之间、设备之间包括操作员之间不能相互协调，成为信息孤岛，造成资源的浪费和生产管理的缺失。还是以细纱机为例，一个纺织企业中，根据产量情况一般细纱机的台数可达几十台甚至更多，为了应对市场需求的变化，要求调整设备纺纱支数，涉及到相关的工艺参数需要变动，过去通过人工的方式对设备逐台进行调整，而现在完全可以通过网络快速的更换其工艺需求，减少错误，提高效率和可靠性。随着我国纺织工业持续快速的发展，纺织机械工业将以信息技术为主导，以智能化生产为主要特征进入网络化控制，带来人力成本的节约，生产管理效率和产品品质的提高，通过对设备运行状况的监控和统计也可大大提高设备的开机率，从而提高企业的竞争力。

2.1 现场总线

串行通讯：串行通讯是现场总线的物理子集。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行接口一般包括RS232/422/485，其技术简单成熟，性能可靠，价格低廉，所要求的软硬件环境或条件都很低，广泛应用于计算机及自动化控制相关领域。低成本是串行通讯方式的优势，但他也存在数据传输效率低，较易受外部干扰影响等问题，多用于通讯数据量不大，实时控制要求较低的场合。

现场总线：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、多结点的数字通信技术。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化要求。

目前市场中主流现场总线包括DeviceNet、F.F、CANopen、ControlNet、Profibus等等，现场总线具有快速响应及高可靠性，支持主/从式、多主式及对等式多种通讯架构，易于连接各分布式控制器。虽然现场总线还没有一种统一的标准，但如CANopen、DeviceNet这样的完全开放式总线标准受到大家的青睐，越来越多的应用于各种控制场合。

2.2工业以太网

工业以太网是商用信息网络领域衍生的工业网络协议，惯指IEEE 802.3协议。如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大优点是简单，经济实用，易为人们所掌握。与现场总线相比，以太网具有以下几个方面的特点:

（1）兼容性好，有广泛的技术支。基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，不同厂商的设备很容易互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。

（2）易于与Internet连接。以太网支持几乎所有流行的网络协议，能够在任何地方通过Internet对企业进行监控，能便捷地访问远程系统，共享/访问多数据库。

（3）成本低廉。由于以太网的大量应用，因此其硬件成本相对低廉。

（4）可持续发展潜力大。以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术的持续发展。

（5）通信速率高。目前以太网的通信速率为10M或100M，其速率比目前的现场总线为高，可以满足大数据量通讯要求。

3 基于台达FCS系统的信息集成工程案例

为提高纺织厂生产管理效率，降低成本，提高产品品质，增强行业内竞争能力，国内一部分纺机设备厂家已率先采用网络产品应用于设备中，整合生产过程各部分控制机能，实现了纺织厂设备运行的综合管理。下面以河北一间纺织厂实际控制方案为例，说明网络产品的自动化控制中的综合应用。

3.1方案设计

本方案设计首先是考虑设备运行的稳定性和可靠性，以此保证设备的正常无故障运行。其次是保证自控系统的先进性、可维护性以及可扩展性，这是保障系统在将来技术的领先和设备易于维护、扩展。

（1）纺机设备。方案是根据纺织厂生产的具体要求，按国家相关规定而设计的开放式集散控制系统，体现了现代控制系统的集中管理、分散控制、信息共享的思想。方案采用台达DVP系列产品配置网络自控系统。该纺织厂网络自控工程包括从梳棉到絡筒的各种设备，具体如下：6台梳棉机；2套并条机（分为头并、二并）；3台悬锭式粗纱机；20台细纱机；2台络筒机。

（2）纺机信息项目。工程控制系统内容。各设备的系统工艺参数的监测及设置，各运行数据的采集、处理及管理。具体内容包括：

·设备监测：对梳棉机、并条机、粗纱机、细纱机、络筒机设备的各种工艺参数进行检测和设置。

·设备控制：对各设备控制回路按工艺流程实施优化闭环控制，根据设备当前的运行状况调整相关其他设备。

·联锁报警：对每台设备的各种故障进行分级处理，根据不同级别进行本体报警，关联设备报警处理，并可建立设备运行档案，提高设备开机率。

·历史数据：对生产过程关键参数、每班生产状况进行历史数据存储，为生产管理提供现场数据。

·品质追溯：通过生产全过程的监控以及历史数据存储查询，当成品或后工序产品出现品质问题时，可通过追溯的方式查找出现故障的工艺环节，从而快速排除和调整，避免更大的损失。

（3）台达FCS主控制系统。该方案配置为台达FCS系统作为主控制系统，对设备进行全面控制和监视，以实现生产管理的智能化。台达长期以来一直致力于自动化控制系统的研发与应用，在各行业中有广泛应用，提供客户完善的综合解决方案，取得了良好的实际应用效果。通过多年的实践和大量项目的实际应用，DVP系列产品具有可靠性高，实用性强，系统稳定，运算速度快，操作界面友好等优点，是自动化控制优选方案，并且由于产品运用的广泛性，所以维护、备品、备件都十分容易。FCS（Fieldbus Control System）系统是具有数字化的通信方式、全分散的系统结构、开放的互联网络、多种传输媒介和拓扑结构、高度的环境适应性等特点的现场总线（Fieldbus）技术，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为设备层、控制层和信息层。DVP系列FCS系统的基本组成包括上位机监控管理站、设备操作站和三层通讯网络架构，如图1所示。

图1 台达FCS系统控制结构示意图

3.2信息层设计

信息层由上位计算机、网络交换机和组态软件构成，采用EtherNet网络通讯，一方面实现与现场系统的数据采集和交换，另一方面实现数据存储、分析、管理。甚至可实现远程IE监控和MODEM拨号监控，如图2所示。

图2 信息层画面

3.3控制层设计

控制层由DVP系列网络产品构成，包括主机、以太网模块、总线模块等，针对各类设备共配置5套，主要实现对每类设备的管理和控制，并且将数据上传至上位机，同时将上位机的控制命令和数据下达到每台设备。

（1）电源模块：DRP-024V120，提供主机直流电源。
（2）主机：DVP-28SV，现场控制主站。
（3）以太网模块：DVPEN01-SL，与上位机实现以太网通讯，分配不同IP地址。
（4）CAN总线模块：DVPCOPM-SL，作为CANOPEN主站与下层每台设备进行总线通讯，采用主/从结构控制多台设备。

3.4 设备层设计

设备层控制每台设备完成其工艺要求，多数采用RS485串行通讯方式控制，采用DVP-COA02与上层CANOPEN总线通讯。由于台达网络产品采用开放的标准总线CANOPEN及DEVICENET，因此也可兼容其它厂商符合总线标准的设备层控制系统。设备层系统主要配置如表1所示。

表1 系统主要配置

3.5 网络控制系统应用特点

采用串行总线(RS485)进行设备层各类设备组网通讯，并可兼容其它厂商产品的分类（欧姆龙、施耐德、西门子等）组网通讯；可以满足某些纺织厂原来已有设备控制系统多样化的网络控制升级改造。具有各班班产统计及显示、速度显示、效率显示等主要工艺参数的采集。各种报警统计，对故障进行分级（一般、严重、致命），且报警（故障）列表与视频监控（现场反馈）相结合（支持故障现场实时视频数据显示）。各班产量及关键参数存入数据库并保存一年，并具有Chart 统计显示功能。支持自定义报表格式及定时、实时报表打印功能。扩充能力强，支持各个品牌的PLC入网。支持纺织工艺参数单个设定及批量修改。支持品质追溯功能，提高产品质量。

3.6台达全系列网络产品介绍

台达长期致力于工控自动化的开发和研究，到目前为止，已推出全系列的EtherNet、DeviceNet、CanOpen各种网络产品，可以方便的搭建各种控制网络架构，满足不同应用场合需求，且以其高性价比、高可靠性得到广泛应用，以下简单介绍台达网络产品：

（1）EtherNet以太网产品：DVPEN01-SL：TCP/IP主站模块；DVPENA01-MOD：TCP/IP转RS485模块；RTU-EN01：以太网远程模块。

（2）DeviceNet总线产品：DVPDNET-SL：DeviceNet主站模块；DVPDT01-S：DeviceNET从站模块；DVPDNA02：DeviceNET转RS485模块；RTU-DNET：DeviceNET远程模块。

（3）CanOpen总线产品：DVPCOPM-SL：CANopen主站模块；DVPCOA02：Can BUS转RS485模块；RTU-COPM：CANopen远程模块。

（4）串行通讯产品：IFD-8500：带隔离的RS-232 to RS-485/RS-422通讯转换模块；IFD-8510：带隔离的RS-485/RS-422通讯中继器；IFD-8520：带隔离可设定站号RS-485；RTU-485：RS-485远程模块。

4 结束语

步入21世纪以来，我国纺织企业随着其设备的扩充和工人的增加，设备和人员的管理问题日益突出，特别是对于一些大型的纺织企业，需要在生产和设备管理上投入大量的人力物力，而由于客观因素，人为主观因素的影响，经常无法满足市场对企业的要求，许多生产信息设备信息无法及时准确地反馈到企业领导者的手中，因而制约了决策者的决策给企业带来很大的损失。鉴于以上因素，充分整合了计算机、网络通讯等高新控制技术的纺织厂网络控制系统，不仅可以满足纺织厂生产管理需要，而且可以最大限度的来降低用户的使用成本，为企业带来更大的经济效益和社会效益。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/18/2008)


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