基于Mesh 网络的黏胶纤维生产线自控系统的设计与实现

杨智利， 张 冉

（1.唐山三友兴达化纤股份有限公司， 河北 唐山063305； 2.唐山工业职业技术学院， 河北 唐山063020）

0 引言

随着黏胶纤维工艺的不断进步和新品种的不断涌现， 黏胶纤维的需求逐年增加， 对黏胶纤维生产线的自动化程度要求不断提高的同时，对自动控制系统稳定性的要求也在不断提高。目前， 国内黏胶纤维生产线控制系统自动化程度低， 维护工作量大， 工作环境恶劣。 针对此现状， 本文中所设计的基于Mesh （网格控制）网络技术的黏胶纤维生产线DCS （集散控制系统）[1]， 将美国I/A 自控系统成功应用在整条黏胶纤维生产线上， 由Mesh 控制网络将现场生产过程数据传送至中央监控站的计算机系统， 实现了整条生产线的远程控制和实时监测， 满足了生产控制系统的稳定、 可靠、 冗余、 自诊断等多项要求， 同时提高了生产线的自动化程度，能够保证黏胶纤维生产稳定高效运行。

1 Mesh 控制网络简介

Mesh 控制网络是美国Invensys 公司根据近年来网络技术的发展而推出的DCS 控制网络，它基于IEEE 802.3u （快速以太网）和IEEE 802.3z(千兆网) 技术， 由一组以太网交换机以各种网状拓扑方式连接而成[2]。 Mesh 控制网络的设计思想是在网络中任意两个设备之间提供多重通讯途径， 从而使得通讯不受单点乃至多点故障的影响， 极大地提高了通讯的冗余性能。 Mesh网络的可利用性非常高， 网络结构简单明了，便于维护。 Mesh 网络的全光纤通讯线缆的布置极大地提高了系统通讯中的抗电磁干扰能力。

Mesh 控制网络将控制站、 输入输出模块和各种工作站集中在一个100 Mb/1 Gb 的交换机以太网中。 这些控制站、 输入输出模块和各种工作站通过Mesh 控制网络连接在一起， 为过程系统的监测、 控制和工厂信息管理提供了一个规模灵活的控制系统网络平台， 它的高速、 多冗余以及点对点的网络通讯性能为控制系统的高性能和安全性提供了可靠基础。 每对控制站、输入输出模块和工作站可以使用冗余连接与Mesh 网上的其他控制站、 输入输出模块和工作站进行通讯。

2 DCS 控制系统设计

在设计时， 考虑到系统的开放性、 可靠性和技术先进性， 本文中的智能DCS 控制系统采用美国FOXBORO 公司I/A Series 8. x 系统， 采用了交换机拓扑式控制网络结构(Mesh Control Network) 作为I/A 系统的通讯平台， 将控制站、输入输出模块(I/O 卡件) 和各种工作站集中在一个100 Mb/1 Gb 的交换机以太网络中， 为过程系统的监测、 控制和工厂信息管理提供了一个规模灵活的控制系统网络平台， 可在整条生产线上实现控制信息的互传共享而没有网关网桥的限制， 极大地提高了网络通信的冗余度和抗电磁干扰的能力， 其高速、 多冗余以及点对点的网络通讯性能为控制系统的高性能和安全性提供了可靠基础。

2. 1 系统构成

DCS 控制系统主要由工程师站、 操作员站、通讯站和现场控制站(I/O 站) 构成。 现场控制站包括主控单元设备和I/O 单元设备。 工程师站和操作员站采用Windows XP 作为系统平台界面， 使用FORTRAN 或C 语言进行程序设计，运行相应的组态管理程序， 实现人机对话， 对整个现场生产过程进行实时监测和控制。

2. 2 硬件设计

系统硬件选用美国FOXBORO 公司I/A Series 系列主控单元和输入/输出模块， 监控层由1台工程师站和5 台操作员站组成， 工程师站( AW7001) 和操作员站 ( WP7002/WP7003/WP7003/WP7004/WP7005) 协调工作， 作为数据输入/输出和工程师接口的主要手段。

控制站采用三对容错的ZCP270 控制处理机(CP1001/CP2001/CP3001) 组成， 均为一用一备，实时交换数据。 CP1001、 CP2001、 CP3001 分别由2 个、 4 个、 4 个FCM100Et I/O 站组成， 选用FBM201 (8 通道0 ～ 20 mA 输入接口组件)、FBM237 (冗余8 通道0 ～ 20 mA 输出接口组件)、FBM217 (32 通道离散量输入接口组件) 、FBM242 (16 通道离散量输出接口组件) 4 种现场总线组件。 通过双FieldBus 连接各自的FCM100Et 分布式I/O 站， 实现对数据的采集和生产过程的控制。

2. 3 软件设计

在软件方面， I/A Series 应用于Microsoft Windows XP 操作系统， 支持多种通信协议，可通过FORTRAN 和C 编程语言进行程序设计。I/A Series 综合控制软件通过复合块(Compound)组实现综合连续量、 顺序量、 梯形逻辑和批量处理等方面的控制策略。 实时软件包括实时显示软件、 操作站窗口软件、 工厂操作定向显示软件、 趋势子系统、 报警子系统、 操作员信息和报表软件、 系统管理软件。 组态软件主要包括显示绘图和组态软件、 多窗口显示管理组态软件、 系统组态程序、 操作站/环境组态程序、显示实用程序、 过程报警组态程序等。

2. 4 监控功能设计

DCS 系统监控功能由FOXDRAW 监控组态软件和FoxDraw 工具软件设计开发， 根据各个生产车间实际生产工序绘制工艺流程画面， 可以显示现场设备实际工作状态， 如电机、 阀门等开关状态， 温度、 压力、 流量、 速度等工艺参数实时数据显示等； 完成对生产设备的操控包括电机、 阀门、 泵类的启停控制以及各工序中调节阀、 调速装置的自动调节与软手动调节、硬手动调节的无扰切换[3]。 界面主要包括： 总图界面、 各个工艺流程图界面以及报警显示界面。在总图界面下， 可自由、 方便的切换进入各个工艺流程图界面， 在各个工艺流程界面下， 操作员可实时查看工艺控制参数， 监控现场设备的运行状态， 依据现场工艺要求修改PID 及批量PHASE 功能块的相关参数， 随时查看报警记录、 实时趋势、 历史趋势以及相关信息。 另外，监控站设置系统工程师和系统操作员两个级别的访问权限， 实行分级管理， 保证系统的安全性。 现场工艺监控画面如图1 所示。

图1 工艺监控画面

3 网络通信设计

根据系统要求， 通信结构设计分为2 层：监控网络(SNET) 和控制网络(CNET)[4]。 第一层是监控网络， 实现中心交换机与各个通讯节点(操作员站、 工程师站、 现场控制站) 的连接， 系统通信采用Mesh 控制网络(Mesh Control Network)， 它基于IEEE802. 3u (快速以太网) 和IEEE802. 3z (千兆网) 技术， 由四台24 点交换机组成环形拓扑结构， 通过网络中任意两个设备之间的多重通讯途径， 使得通信不受单点以及多点故障的影响， 极大地提高了通讯的冗余性能和抗电磁干扰的能力。 传输介质采用全光纤通信线缆， 通信速率为1 GBps， 对所管理的交换机可通过就地接口进行网络管理与配置，系统管理软件可监视Mesh 控制网络的状态， 并管理系统内的所有设备， 可在整条生产线上达到信息的互传共享而没有网关网桥的限制。 第二层为控制网络， 实现ZCP270FT 控制处理机与FCM100Et I/O 站的通信， 采用FieldBus 现场总线协议， 传输介质为全光纤通信线缆。 Mesh 网络通信结构设计如图2 所示。

图2 Mesh 网络通信结构示意图

4 程序组态

对于各个车间控制设备的组态， 除了泵类及电机、 风机的启停， 设备自身及相互间的连锁等生产控制操作， 对于核心设备的生产连续性组态， 是保证生产线稳定高效运行的重要条件[5]。

4. 1 电机与开关阀组态

电机/开关阀的组态主要由数字信号输入模块 （FBM217）， 马达控制输出模块 （MTR） /开关阀控制模块（VLV）， 信号输出模块（COUT），数字量输出模块 （FBM242） 组成， 采用闭环控制， 电机/阀门控制命令经由COUT 模块发出后，检测在规定的时间内现场返回的电机/开关阀实际开关状态与控制命令是否相符， 如相符， 则在监视画面上显示电机/阀门的正确开关状态；否则在监视画面上会有报警提示。

4. 2 调节阀的PID 控制组态

调节阀的PID 控制组态主要由模拟量输入模块 (AIN)， PID 调节模块， 模拟量输出模块(AOUT) 组成， AIN 模块将FBM201 来的测量信号进行修正、 标度、 报警等处理， 其输出被连到PID 模块的测量输入参数MEAS。 PID 模块根据测量值和设定值SPT 的偏差及P、 I、 D 整定参数的设置进行运算， 其输出连接到AOUT 模块的输入MEAS。 AOUT 模块对信号进行输出修正后送到FBM237 的输出点， 控制调节阀开度，实现对现场工艺参数的调节。

4. 3 原液浸渍桶液位串级控制组态

浆粕通过送粕机 (EU01)、 喂粕机 (EU02)送入浸渍桶， 利用浸渍桶搅拌叶将浆粕撕碎，浸入由加碱自控阀(FC01) 加入的烧碱， 使纤维素吸碱、 膨胀反应， 生成碱纤维素， 并搅拌成浆粥状， 再由浆粥泵(EU03) 打入压榨机。 浸渍桶液位(LC01) 控制是一个动态平衡的过程， 为了实现这过程， 就要求根据LC01 的实际值控制送粕机、 喂粕机的进料速度 （SC01、 SC02）， 同时根据SC01、 SC02 的速度计算烧碱的加入量并控制FC01 加入适当比例的烧碱， 以满足化学反应的充分进行， 这个过程就需要LC01 与SC01、SC02 的皮带控制进行串级控制。 该串级调节回路由两个AIN 模块， 两个PID 模块和一个AOUT 模块组成， 当闭环运行时副调节器处于远方设定状态， SC01/SC02 的远方设定参数RSP 连接到LC01 的输出参数OUT。 为了实现无扰动切换到闭环控制， LC01 的初始输入信号 （INITI）取自SC01/SC02 的初始化输出信号 (INITO)。LC1 的反计算输入信号 （BCALCI） 取自SC01/SC02 的 反 计 算 输 出 信 号 （BCALCO）。 同 时SC01/SC02 的初始化输入信号和反计算输入信号分别与AOUT 模块的初始化输入信号和反计算输出信号连接。

4. 4 黄化机、 溶解机的Batch 组态

黄化是黏胶短纤维工艺生产中黏胶制备最重要的工序， 主要是碱纤维素与CS2进行反应生产纤维素黄酸酯的过程， 为连续稳定地制备出合格的黏胶， 黄化和溶解采用I/A Batch 配方软件程序进行控制。 每个配方步骤都执行对应本步的反应条件检测， 一旦有连锁发生， 工艺会要求控制程序根据不同的连锁原因转入不同的子步骤中， 直到连锁条件完全解除， 只有满足检测条件， 继续该条生产线的运行。

根据黄化工序的工艺要求， 可将配方程序划分为开始、 等待、 安全排放、 真空测试、 排空、 打开碱纤下料阀、 黄化机进料、 关闭黄化碱纤下料阀、 抽真空、 真空检测、 加CS2、 黄化1、 黄化2、 黄化结束、 溶解碱加入1、 搅拌、通风、 打开黄化机、 排放、 预排料、 排料1、 溶解碱加入2、 关黄化机、 溶解碱加入3、 冲洗、放料2、 黄化机排空、 结束这28 个步骤。 溶解机的配方程序可分为十个步骤， 分别为： 开始、等待、 放料1、 粗均化、 放料2、 调宽间隙、 调小间隙、 切换、 排料、 结束。 只有当每步的工艺参数和检测条件满足时， 才能转入下一步的执行。 下面以溶解机的Batch 组态配方程序为例， 进行详细说明：

在配方程序中溶解机相关设备为： 细均化器电机 (EU11、 EU12、 EU13、 EU14、 EU15)、细均化调偏电机(EU21、 EU22、 EU23、 EU24、EU25)、 溶 解 桶 下 方 黏 胶 泵 (EU31、 EU32、EU33)、 进胶阀门(KS34)、 胶循环阀门(KS35)、出胶阀门(KS36)。

(1) 开始， PAHSE = 1， 启动本步计时器，对溶解工艺相关的各电机、 阀门进行本步状态初始化， 即关闭所有电机阀门， 本步结束；

(2) 等待。 PAHSE = 2， 启动本步计时器，启动细均化调偏电机调至宽间隙位置， 关闭其余所有电机及阀门， 检测溶解机是否准备好，查看黄化机是否在第20 步， 满足这些条件后，本步结束；

(3) 放料1。 PAHSE = 3， 启动本步计时器，启动细均化电机， 打开进胶阀门KS34， 关闭其余电机及阀门， 检测溶解桶液位是否达到设定值， 满足条件后， 本步结束；

(4) 粗均化。 PAHSE = 4， 启动本步计时器，启动黏胶泵， 打开KS35， 关闭其余电机及阀门，计时器时间达到相位参数设定值后， 本步骤结束。 本步相位参数： TIME = 20 s；

(5) 放料2。 PAHSE = 5， 启动本步计时器，启动细均化电机， 打开KS34， 关闭其余电机及阀门， 检测溶解桶液位是否达到设定值， 满足条件后， 本步结束。 本步相位参数： 设定值＝85%；

(6) 调宽间隙。 PAHSE = 6， 启动本步计时器， 启动黏胶泵、 细均化电机， 打开KS35， 关闭其余电机及阀门， 计时器时间达到相位参数设定值后， 本步结束。 本步相位参数： TIME =30 s；

(7) 调小间隙。 PAHSE = 7， 启动本步计时器， 启动黏胶泵、 细均化电机、 调间隙电机(运行至窄间隙位置)， 打开KS35， 关闭其余电机及阀门， 计时器时间是否已达到相位参数设定值，后面工序中的黏胶桶是否具备放料条件？ 满足这些条件后， 本步结束。 本步相位参数： TIME= 3 600 s；

(8) 切换。 PAHSE = 8， 启动本步计时器， 启动黏胶泵、 细均化电机， 打开KS36， 关闭其余电机及阀门， 检测KS35 是否关闭， KS36 是否打开， 满足条件后， 本步结束；

(9) 排料。 PAHSE = 9， 启动本步计时器， 启动黏胶泵、 细均化电机、 调间隙电机 （运行至宽间隙位置）， 打开KS36， 关闭其余电机及阀门。 检测溶解桶液位是否达到设定值， 生产批次是否有变化， 若无变化， 转向第二步， 本步结束。 若有变化， 转向第十步， 本步结束；

(10) 结束。 PAHSE = 10， 启动本步计时器，对溶解工艺相关的各电机、 阀门进行本步状态初始化， 即关闭所有电机阀门。 本步结束。

5 结束语

该系统采用了交换机拓扑式控制网络结构作为系统的通讯平台， 即使出现一台交换机出现故障的情况， 也能通过其他线路进行通讯，保证了通信的稳定。 同时容错的中央处理器保证了即使一台处理器出现故障也不会影响生产线的正常运行， 依然可以将现场采集到的实时信号及时准确的传输到中央计算机系统， 同时将中央计算机系统的控制指令传达到现场的设备。 现场运行证明， 该系统运行稳定、 可靠性高、 操作方便、 维护量小， 具有一定的推广价值。

[1] 查方兴.浅谈Foxboro I/A Series 系统的先进性[J] .中国通讯， 2007 （2）： 3 - 5 .

[2] 韩萍. 从I/A 系统升级谈DCS 的发展[J] . 川化，2007 （4）： 5 - 8 .

[3] 卢伯英， 于海勋， 译. 现代控制工程[M] . 4 版.北京： 电子工业出版社， 2007 .

[4] 袁秀英. 组态控制技术[M] . 北京： 电子工业出版社， 2006 .

[5] 郭宗仁. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术[M] . 北京： 人民邮电出版社， 2002 .