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ControlNet及其在宝钢新增彩涂线的应用 |
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作者：宝山钢铁股份公司 朱亚斌 周砚 |
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摘 要：首先系统地介绍了Rockwell Automatic 公司的ControlNet 网络系统。该网络采用生产者/消费者(producer/consumer)模式，是一种高性能的工业局域网。其扩展性强，同时可共享I/O，并具有方便的网络组态、强大的诊断功能以及优越的可靠性。然后描述了其在宝钢新增彩涂生产线自动控制系统中的应用。实际运行表明：网络稳定可靠，基于此构建的自控系统，也很好地满足了生产工艺控制的需求。
关键词：控制网生产者/消费者模式通信 彩涂线
引言
在宝钢的自动控制系统中，采用较多的是西门子、日立、三菱等公司的控制系统解决方案。美国Rockwell Automatic公司用得比较少，而该公司是北美最大，同时也是全球知名的专注于提供世界领先工业自动化动力、控制和信息技术解决方案的供应商，只不过它进入中国市场相对较晚，尤其在冶金领域，因此，我们大家可能对它还不是很熟悉。本文主要介绍了以该公司为主开发的工控网ControlNet及其在宝钢新建彩涂机组的控制解决方案中的应用，或多或少可以帮助大家对该公司典型控制解决方案有个粗略的了解。
1 ControlNet 网络特点
ControlNet 已成为工业自动化领域的标准网络，其技术由美国Rockwell Automatic 在1995 年开发，1996 年由现场总线国际组织管理，规范和协议是开放的，符合IEC61158 国际标准。
1.1 高性能
ControlNet 采用生产者/消费者(producer/consumer)模式，而非传统的源/目模式，每发送一条信息就需要一个确定的源/目的地址数据包。传统模式的最大弊病在于：同样的信息如果要传输到网络上多个节点，可能要重复传输多次，这极大地浪费了网络带宽、降低了网络效率，而采用生产者/消费者模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是提供了下述功能：提高了效率，因为数据的发送与消费者的数量无关；精确的同步化，因为数据同时到达每个节点。它可以灵活调整网络以满足苛刻的控制响应要求，提供响应更好、更灵活和更高效的系统。在应用需要时，主动把I/O 和处理器状态事件提供到需要的地方。这是通过逢变则报、I/O 共享、规划、周期方式（基于时间）等实现的。此模型不需要单独的源/目的地址，代之以数据标识，因此不同的消费者（信息接收者）可以根据数据标识同时接收来自生产者（信息产生者）的信息，如果某些信息是不需要的可以忽略，而只处理那些它所需要的信息。这种全新的网络模式极大地提高了网络的效率。
另外，由于ControlNet 采用了生产者/消费者的网络模式，使得其网络速度和效率一般不随网络上节点数目和网络距离而变化，并且用户可以预先组态网络上节点的信息传输时间(毫秒级)，使用者无需编写通信程序便可确保全部信息在预先设定的时间间隔内得到传输。即对一个基本的时间段（网络刷新时间NUT，最小可达2 ms），先对每个预定的节点进行周期变量的传送，之后在剩余的时间能进行非预定的数据传输。信号的有效带宽得到充分的利用，而实时的预定数据不会受到非实时的非预定数据干扰。ControlNet 采用的时间片技术从原理上杜绝了网络发生阻塞的可能。
1.2 网络及组态和诊断功能
可构成星形、树形或总线结构，距离能长达30 km，使用中继器时距离更长；同时能将I/O 控制与编程置于同一物理介质链路上进行；能作为控制器（PLC）和远程I/O 的现场总线，也能作为控制器之间通信的控制总线，还能作为控制器和上位计算机之间通信的控制网络；数种电缆可选择，包括适用于各种应用领域和环境的光纤；简化设计：无需复杂的公式来计算电缆的长度，而以基于分接器数量和电缆长度的图表为依据；具有良好的兼容性。
ControlNet 具有极强的网络组态及诊断功能用户可以从网上任何一个PLC 节点的网络编程口进入网络，对网络进行编程和组态。网络组态软件为图形化Windows 软件，用户界面友好。一旦某一节点发生故障可及时发现,大大提高网络诊断功能。
1.3 其它
传统的控制网络一般无法实现I/O 共享，但在ControlNet 上，每个PLC 处理器可以拥有它自己的I/O，也可以拥有共同的I/O；由于ControlNet 是一个标准的完全开放的网络，故而具有良好的可扩展性；ControlNet 介质层可选择冗余结构，具有较高的可靠性。
2 ControlNet 在宝钢彩涂线的应用
宝钢股份新增彩涂机组是以镀铝锌基板为特征的高强度、薄规格建筑用彩色涂层钢卷生产线，完全由宝钢自主设计建成，其基础自动化系统具有控制高精度、快速响应和高可靠性，并有自诊断、易维护特点。
2.1 基础自动化系统PLC 功能划分
根据现场控制功能需要，基础自动化系统PLC 处理器（CPU）划分6 类，分别为MACH、LINE、DRIVE、TRACK、OVEN 和WET。
MACH：是基础自动控制中最基层的控制器，完成顺序控制和具体设备的动作。它根据现场状态，将来自操作台或由LINE 发来的命令结合安全连锁后，对现场具体设备发出动作命令，同时监视其反馈信号，并在HMI画面上显示。
LINE：是全线控制系统的核心，控制生产线的速度，带钢张力和带钢定位等，并将来自HMI 画面或过程计算机的设定速度和张力在经过处理后送给DRIVE，使之达到设定的速度和张力。各段的LINE 控制器相互联系、牵制、跟随，最终实现生产线的稳定运行。
DRIVE：是变频器的工艺参数控制中心。当接收到来自LINE 的速度或张力设定值及控制命令后，DRIVE控制器经过程序处理，将不同的转速、张力等参数分别发送到各传动装置，并对各变频器进行动态转矩补偿等。
TRACK：是基础自动控制中最高层的控制器，负责带钢的焊缝跟踪和物料跟踪及缺陷跟踪。Track 在带钢缝合结束后就开始了当前带钢的跟踪。它精确计算焊缝的位置，及时向控制相关设备控制器发出信号，使之产生相应的动作。
OVEN & WET：是生产线上的专门从事仪表控制的控制器，前者负责烘烤炉和后燃烧器的温度控制，各炉区风机的顺序启动/停止，故障监视和报警等；后者专门实现清洗段各循环系统的温度、液体浓度、电导率、液位等工艺参数的控制。
6 类13 个控制器（CPU）相对独立，又互相联系，共同完成全线的信号处理、自动控制、仪表控制、故障监视以及带钢跟踪等功能，其中ControlNet 完成它们之间的通信任务。
2.2 ControlNet 在基础自动化系统通信中的应用。
新建彩涂线基础自动化及 ControlNet 网络配置如图1 所示。
基础自动化控制系统主要由4 套PLC 构成，内含13 个CPU 模块（处理器）及18 个ControlNet 网卡等组成，采用Rockwell 新推出的Control Logix PLC，结合ControlNet 控制网、远程I/O 模板，构成集散控制系统，由控制网ControlNet 完成其通信任务。CPU 模块型号为ControlLogix5563 1756-L63；ControlNet 网卡型号为1756CNB/D；ControlNet 网络中继器1786－RPT。
同一框架内 CPU 间通过背板总线进行内部数据通信，不同框架内CPU 间通过ControlNet 进行外部数据通信，并连接各自的输入输出电气设备，包括传动控制、1756 远程I/O 与自动化单元的连接。同时基础自动化控制系统也通过ControlNet 与HMI 画面监控系统及过程计算机系统相连，实现实时监控和生产过程控制管理。由于PLC 位于出口电气室，距离现场入口较远，因此采用了网络中继器来延伸网络。各网段主要功能如表1 所示。
两台 L1 HMI 服务器和一台L2 服务器为PC 服务器，各配有一块1784-PCICS ControlNet 网卡，并安装有RA 的RSLinx 软件包。RSLinx 包括了完整的ControlNet 通信驱动程序，为ControlNet 网络提供更新、更强的通信功能，为通过ControlNet 将现场设备连接众多罗克韦尔软件提供全套的通信服务。这些软件包括RSLogix5000（安装在工程师站上，为PLC 梯形图编程软件包，具有功能强大而丰富的指令）、RSView32（安装在L1 HMI 服务器上，用于进行生产控制L1 HMI 监控系统开发）和RSSql（安装在L2 主机服务器上，用于ODBC 数据库与PLC 之间的数据绑定传输）等，可以通过运行RSLinx 将任意节点连接在一起。RSLinx 集成了众多设备配置和监视工具，用户图形界面友好，指定网间穿梭的路径，仅需用鼠标选取和点击所需设备就可以完成相应的操作。
ControlNet 网络通信配置操作比较简单。首先，利用ControlLogxi5000 软件，将发送PLC 内需发送的数据设置为Producer 类型；接着将接收PLC 内数据设置为Consumer 类型，且指明对应发送PLC 内的数据是哪个，还要设定该数据的刷新时间（必须大于网络刷新NUT 时间）；最后，在网络物理连接已经完成的基础下，利用RSNETWorks 软件对某一网段设定网络刷新时间NUT，即可完成配置。ControlNet 网段功能划分如表1 所示。表1 网段功能划分表
 3 结束语
现场实际运行情况表明, 基于ControlNet 网的彩涂机组自动化控制系统运行稳定，完全满足了生产工艺的需求。
参考文献
1 Rockwell Automation. Allen Bradley ControlNet Network system overview[M]. Release 1.5, 1998.(end)
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(12/31/2010) |
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