CAN现场总线技术在烟草制丝线上的应用

一、前言

    根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，较著名的有FF现场总线、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线等。

    现场总线控制模式具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点，是工业自动化发展的趋势。而作为在自动化控制方面走在前沿的卷烟生产企业，在近年来的卷烟技术改造过程中充分利用现场总线技术改造传统的控制系统。其中，对香烟质量起着举足轻重作用的制丝生产线因其设备分散，且工艺变化多，对控制系统提出了灵活、有柔性、更新换代方便等要求，这些要求正好给现场总线技术提供了大显身手的舞台。

二、CAN现场总线概述

    CAN（ControllerArea Network）总线是一种有较好效率支持分散实时控制系统的串行通讯协议，并具有较高的安全等级。CAN总线可以被用于多主机系统，尤其适合于网络智能型设备以及系统或子系统中的传感器和执行器件。在CAN网络里没有我们习惯印象中的设备地址号或站号，而是把信息区分成优先次序发送。CAN总线由于其高可靠性及独特的设计，为许多行业所采用，目前已形成国际标准，并被公认为几种最有前途的现场总线之一。

三、现场总线选型说明

    南宁卷烟厂6000kg/h制丝线电控系统现场总线选择基于以下几方面的考虑：

    （1）现场总线的性能

    （2）与现场总线连接的控制器的性能

    （3）现场总线、PLC控制器器件提供商所能提供的监控系统软件及其与数据库系统连接的性能

    通过对比烟草企业常用的CAN总线及PROFIBUS总线，我们确定现场总线系统为DeviceNet（设备网）和ControlNet（控制网），器件厂商选择美国AB公司，系统网络结构图见图1。

    基于CAN总线的DeviceNet是一种易于连接的总线，用于PLC与现场设备之间的通讯网络。它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125-500kbps。DeviceNet通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接。世界范围的150多个销售商支持开放式DeviceNet。DeviceNet基于生产者/客户（Producer/Consumer）的网络模式，可使控制数据同时到达操作的每一个单元，具有可靠和高效的数据处理能力。[page]

    基于CAN总线的ControlNet是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。作为最底层和以太网之间的中间通讯网络，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。ControlNet同样基于生产者/客户（Producer/Consumer）的网络模式。ControlNet具有高吞吐量、资源共享、组态和编程简单、支持冗余介质、体系结构灵活和安装费用低等特点。

四、系统结构

    按照“以信息为基础、管理为主导、控制为中心”的设计理念，南宁卷烟厂6000kg/h制丝线电控系统按功能划分为三个层次（见图2），即：信息管理层，过程控制层，现场设备层。

其中：

    （1）设备控制层：采用DeviceNet连接各BL20分布式I/O站、变频器、电子秤、核子秤、水分仪、操作面板等，通过具备现场总线接口的主控制器（SLC504或Logix5555）实现对各工艺段设备的组合和单机控制，以此满足生产要求。

    （2）集中监控层：作为控制系统的入机交互接口，通过中央监控计算机PC和RSView32监控软件实现对生产线的组合操作、状态监控、工艺参数控制参数显示和设定、故障诊断定位和报警显示、记录等。

    （3）信息管理层：负责处理全线运行过程中的综合信息，包括人工检测和录入工艺、设备、质量等数据，并提供完整的统计数据和各种分析图表等。 [page]

五、系统功能

    1、设备控制层功能

    （1）全线及分段顺序启/停，设备加工动作的自动控制；
    （2）采集温度、压力、水分、流量等过程参数，进行闭环自动控制；
    （3）紧急停机；
    （4）接受中央控制室控制指令、调度指令、参数调节指令，采集现场信息通过网络传送至集中监控层和信息管理层；
    （5）贮柜根据工艺要求自动切换；
    （6）对被控电机提供完善的过流、过热、缺相、短路保护功能；
    （7）采用声、光报警，具有完善的故障检测及报警提示功能。

    2、集中监控层功能

    （1）监视功能

    a.模拟显示各部分设备运行状况，包括设备主要动作的动态显示、电机的运行状况、测控元件状态；
    b.工艺参数显示，包括数字、棒图、趋势图等形式；
c.报警显示，用文本或窗口弹出的方式显示当前报警的时间、位置、内容。设报警综合显示界面，显示历史报警的信息；

    （2）控制功能

    a.全线或局部的启/停及其它操作
    b.工艺参数的设定、修改、查询
    c.分级授权管理
    d.在线编程功能

    （3）在线诊断帮助功能

    a.诊断功能，出现故障时给出故障的内容及解决方案。
    b.帮助功能，提供给操作人员进行操作和维护的在线帮助支持。

    3、信息管理层功能

    （1）生产管理
    （2）工艺管理
    （3）质量管理
    （4）设备管理
    （5）报表生成

六、系统特性

    与传统的控制模式相比，基于现场总线控制模式的南宁卷烟厂制丝生产线电控系统具有以下特点：

    （1）用分布式I/O代替集中I/O，用总线通讯代替点对点通讯，使系统配置占地面积大大减少，控制电缆、动力电缆和桥架费用减少70%，降低了系统安装成本。现场I/O箱实现设备就近驱动，大大节约安装调试时间。

    （2）工艺段划分合理，本电控系统基本上以物料存贮设备（各类贮柜）作为独立工艺段的分割点，使得各工艺段的设备工作状态相对独立。当其中某工艺段设备故障停机甚至掉电时，并不影响其它工艺段的设备运行。同时基于成本方面的考虑，在控制段的划分上根据工艺段的归属设置统一的CPU。全电控系统包括12个独立工艺段，由8个控制段分别实现控制。

    （3）系统组态灵活，能迅速适应现场设备的调整。设备数量的变化只需更改对应的现场I/O箱内的配置和控制程序的少量修改。

    （4）充分利用CAN总线的开放性，来自不同厂商的执行器件（如变频器、电子秤/核子秤）、连续检测设备（如水分仪、红外测温仪）或自带控制系统的主机设备（如切丝机）均采用现场总线连接，减少了模拟量模块的数量，提高了数据传送的快捷性、准确性，节约了安装时间，方便调试及诊断，从而为进一步实现全线流量、水分、温度的控制精度提供了保证。整条制丝生产线水分控制精度为1%；温度控制精度为2～3℃，配比精度为1%。

    （5）充分利用DeviceNet、ControlNet在系统可靠性、实时性、抗干扰性、硬件诊断、系统组态等方面的优良性能及CAN总线确定性的数据传输，十分便于系统的调试和维护。

    （6）在元器件的选型上，充分对比了相关牌号的同类产品，从可靠、实用、美观、性价比高等多方面考虑，选择了相关元器件。例如选择了日本Digital公司Proface触摸屏，选择TURCK公司B120系列现场I/O产品及电机启动器，选择丹佛斯的变频器等。这些产品通过现场总线端子或网卡与CAN总线有机结合，充分体现了现场总线开放性好、兼容性强的特点。

    （7）在信息管理层采用交换式以太网、基于客户机/服务器体系的数据库系统、大容量高可用度磁盘阵列等成熟的计算机技术，为生产管理、数据保存、数据分析提供强有力的保证。

七、结束语

    南宁卷烟厂6000kg/h制丝线电控系统由中国火箭运载技术研究院下属北京长征高科技公司承制，于2003年5月投入运行。检测数据表明，新制丝线流量、水分、温度、掺兑的稳定性、均匀性都有较大幅度提高，使南宁卷烟厂的产品整体质量上升到一个崭新的水平。同时，该系统在品牌选择实现最优化组合方面进行了大胆的探索，为新一代烟草制丝线控制系统提供了成功的范例，必将大大促进CAN现场总线技术在烟草行业的更大规模应用。