基于CAN总线和OPC技术的分布式横向控制系统

石先城 冯郁成，* 曾劲松 陈克复（1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510641；2.制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510641）

·横向控制·

基于CAN总线和OPC技术的分布式横向控制系统

石先城1，2冯郁成1，2，*曾劲松1，2陈克复1，2
（1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510641；
2.制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510641）

针对纸张的横向质量控制是由多组大规模执行器协调控制的结构特点，设计了一种基于CAN总线和OPC技术的分布式横向控制系统，具有扩展性强、实时性高的特点。主控制节点通过CAN总线网络对各组执行器进行实时控制，并通过OPC技术实现了测量数据、现场信息的存取与共享；设计了基于 CAN总线的智能执行器和相应的底层通信软件以完成局部信息处理与底层控制；并通过实际应用效果证明了该系统的可行性和有效性。

横向控制；分布式系统；CAN；OPC

近年来，随着现代造纸机不断往高速、宽幅方向发展，相关工业对纸张质量的需求也在不断提高。纸张质量的横向控制是纸张质量控制系统的核心组成部分，其研究与开发受到广泛重视［1-3］，此外，横向控制还应用于涂层工艺［4］、薄膜 厚度［5］、金 属轧 制［6］等控制领域。

纸张质量的横向控制是一个由多组大规模执行器协调控制的复杂工业控制过程，常规的 RS485串行总线难以达到实时性的控制要求，而基于 PLC的集散控制系统（DCS）封闭、布线繁琐、抗干扰性差、成本高昂。CAN总线是一种有效支持分布式控制的通用串行通信网络，具有实时性高、出错率低、可扩展性强、成本低等优点［7-8］，利用CAN总线组网能够满足纸张质量横向控制系统的实时性、稳定性要求。OPC技术是基于 COM中间件的一系列接口标准，可实现工控领域中自动化控制设备、异构现场总线系统以及企业管理系统之间的信息交互［9］，通过 OPC技术能够实现纸张质量横向控制系统各层信息的存取与共享。

本课题根据纸张质量的横向控制过程，基于CAN总线与以太网对横向控制系统的架构进行设计，然后分别基于OPC技术与CAN总线对系统的主节点、从节点进行了设计，并通过实际应用效果验证了系统的有效性。

1 纸张质量的横向控制过程

纸张质量的主要指标有定量、水分、厚度等，分为造纸机运行方向（纵向）和垂直于造纸机运行方向（横向）两部分，纸张质量横向控制的目标是纸张横向质量保持一致地均匀分布。稀释水加入量或上唇板开度的改变影响纸张的定量、水分、厚度，蒸汽箱蒸汽量的改变影响纸张的水分、厚度，压光区加热辊加热量的改变影响纸张的厚度，因此纸张的横向质量是由一组或多组横向分区执行器实现控制，每组横向执行器包括30至 200个执行器，各组执行器等间隔的分布在横幅方向［1，10］。纸张质量 由 位于造纸机末端的安装在扫描架上往返移动的探头测量得到，探头移动一个周期后测量数据点包括200至 2000个，通过数据处理后从中分离出纸张的纵向质量与横向质量。

纸张质量的横向控制过程如图1所示，扫描架测量的纸张质量原始测量值经过数据预处理（包括滤波、纵横向分离与下采样等）得到与对应组横向执行器维数相同的横向测量值，其与目标值比较后的残差值输入至横向控制算法（包括横向滤波、动态补偿器与曲线平滑等），横向控制算法的输出为对应组横向执行器的设定值，最后横向执行器完成控制动作从而实现对纸张横向质量的控制［11］。

2 系统架构

本课题设计的分布式横向控制系统的系统架构如图2所示。对于某种纸张横向质量控制指标，一组或多组智能执行器是其现场控制装置，一组基于CAN总线的智能执行器与以太网转CAN设备（Ethernet/CAN）组成一个CAN现场网络，CAN现场网络与CAN主节点（监控站）组成CAN主从式网络；监控站通过以太网接入测量服务器以获取纸张质量的测量数据，测量服务器通过其内部的 OPC服务器发布测量数据；监控站根据纸张横向质量的测量值与目标值应用横向控制算法求出相应组智能执行器的输入。Ethernet/CAN设备的引入可以使原本监控站与智能执行器间较长的CAN总线通信距离缩短为智能执行器与Ethernet/CAN间的距离，Ethernet/CAN可以直接安装在控制现场并与监控站间进行以太网通信，在几乎不增加设备成本的前提下显著提高 CAN现场网络的通信速率、增加系统的扩展性。

图2 系统架构

现代造纸机通常有湿部控制室和干部控制室，两者相隔100～200 m，在湿部控制室和干部控制室内需要同时部署多个监控站以安装包括横向控制系统在内的各种监控系统，便于对纸张质量进行实时监测与定向调控。监控站均可以作为主节点与任意CAN现场网络进行通信，其通过以太网、Ethernet/CAN、CAN总线网络直接将控制信息发送至各组智能执行器，但这只适合常规的控制报文与查询报文，而对于 CAN网络中的错误及心跳等信息，需要固定的主节点与CAN现场网络不间断通信以确保所有反馈信息的正确接收。因此，这里将其中一个监控站设定为主监控站，其他监控站为副监控站，CAN现场网络反馈的系统通过主监控站内的OPC服务器收集与共享，各监控站再从现场 OPC服务器读取现场反馈信息。同时，各监控站之间通过现场OPC服务器共享数据，当任意监控站的共享数据发生改变时都需要更新至现场 OPC服务器以实现各监控站间的数据同步。

3 主节点设计

纸张质量横向控制系统中各组执行器有自动与手动两种状态。自动状态时，各组智能执行器的设定值由系统的主监控站根据横向控制算法产生，同时为了局部定向调控的需要，可以通过将各组内的单个执行器切换至手动状态后对其进行手动控制；根据现场环境的不同，可以对系统的各种参数重新设定；测量数据与现场数据通过OPC服务器来收集与发布，测量数据和现场数据这类实时数据通过其有效期可判断数据的有效性。手动状态时，各组智能执行器的设定值不再由系统产生而需要手动输入，主监控站与各副监控站都可以手动控制各组执行器以实现横向质量的定向调控；同时各监控站间的共享数据，如各种设定状态、算法参数等，通过OPC技术实现各监控站之间的数据一致。

主监控站（或工程师站）的主要功能与结构如图3所示。工程师站内的测量 OPC客户端从测量服务器内的测量 OPC服务器中读取纸张横向质量的测量数据，如果系统状态为自动，则应用横向控制算法算得各组执行器的控制量，如果系统状态为手动，则需用户手动输入各组执行器的控制量，然后将这些控制量封装成CAN报文并通过Ethernet/CAN发送到各组执行器，同时这些控制信息实时更新至现场OPC服务器以与其他监控站同步信息；各组执行器接受CAN报文、执行控制命令并反馈相应的应答信息；现场 OPC服务器及时收集各组执行器反馈的信息、更新信息并发布数据更新通知，然后副监控站通过现场 OPC客户端获取各组执行器的反馈信息。主监控站内的现场 OPC服务器除用于现场数据的收集与发布外，同时用于同步各监控站间的共享数据。在现场OPC服务器内对共享数据建立共享组，各副监控站内现场OPC客户端对共享组的数据更新进行订阅后即可在共享组内任何项的数据更新时接受数据更新通知并同步共享数据。

副监控站（或操作员站）的结构如图4所示，其与主监控站的区别在前者没有现场 OPC服务器而是通过现场OPC客户端连接至后者的现场OPC服务器以获取现场数据与共享数据。当副监控站内的共享数据发生改变时需更新至现场 OPC服务器以保证所有监控站间共享数据的一致。

图3 主监控站

图4 副监控站

4 从节点设计

4.1硬件设计

智能执行器是由控制器、执行机构和传感器等组成，其具体硬件结构如图5所示：集成有CAN控制器的数字信号处理器（DSP）作为智能执行器的核心，归功于低成本但功能强大的 DSP，从而使得智能执行器能够对传感器的数据预处理、执行机构的闭环控制和阀门位置的间隙补偿等进行现场实时处理，横向控制器通过智能执行器的反馈信息和纸张横向质量的测量信息来控制和协调各组智能执行器，实现了系统的分布式控制、集中管理；执行机构包括步进电机、减速箱和开度阀，控制信息由CAN总线经过CAN收发器、CAN控制器传递到DSP，DSP控制步进电机转动，然后通过减速箱控制开度阀到达指定的开度；传感器负责测量开度阀的实际开度，DSP对收到的测量数据进行预处理，同时 DSP对执行结构进行闭环控制，待执行机构执行完成后进行阀门间隙补偿，最后通过CAN控制器、CAN收发器将反馈信息发送到CAN总线网络。

图5 从节点硬件结构

4.2软件设计

在纸张质量的分布式横向控制系统中，CAN总线网络内的传输信息可以分为8类：①网络管理指令，系统启动时检测 CAN总线上所有从节点（智能执行器）的有效性，在系统正式投入运行前对其进行初始化、状态转换、使能和关闭等操作；②设置指令，针对各种步进电机、传感器、CAN控制器等参数进行设置；③控制指令，由横向控制器发出的控制指令中包含步进电机运行速度、运行转数等控制指令；④查询指令，从节点中大部分的信息都可以被查询；⑤应答指令，当主节点发送查询指令、或者指令要求返回数据时，从节点将返回应答指令到 CAN总线网络并由主节点接收；⑥自定义错误指令，当发生步进电机过载、指令没有定义、指令数据有误等错误时，从节点会返回自定义错误指令，错误信息包含在数据字段内；⑦心跳指令，对于某些不是经常执行控制指令的节点（如靠近纸边的节点），可能长时间不会有信息交互，这时，设置基于时间限制的心跳指令可以检测这些节点的状态是否正常；⑧同步时钟，基于时间的心跳指令需要全局时钟，为达到全局时钟的同步，同步时钟指令由主节点广播，每隔 1 s主节点广播 1次，所有的从节点都接收同步时钟指令并同步时钟。上述信息中只有⑤、⑥、⑦三种是由 CAN从节点反馈至主节点，其他信息则由 CAN主节点发送至从节点。

以DSP为核心的智能执行器（从节点）可以完成采集数据预处理和执行机构底层控制、接受主节点的控制并将状态反馈至CAN总线网络并由主监控站内 OPC服务器收集与共享。从节点完成初始化后开始工作，具体工作流程如图6所示。从节点不断监听CAN总线以接收主节点的指令，由于CAN报文为广播通信形式，所以首先根据组ID和节点ID判断报文是否有效，如果有效则将报文接受并通过指令码和应答位判断下一步需要进行的操作。如果指令码未定义或指令执行有误则反馈自定义错误报文；如果当前时间为心跳周期则反馈心跳报文；执行器正常执行完请求后如果要求反馈则返回应答报文。

图6 从节点工作流程图

5 系统的应用

本系统已在多个造纸机上成功应用。在广州造纸厂5#机的流浆箱改造项目中应用了该系统，结果是纸张横向质量控制指标（2δ值）由原来的 1.2～1.8改善至 0.29～0.4，纸张质量得到明显提高；该系统应用于国家 “十一五”科技支撑计划重点项目“国产高速造纸机的研制”的白水稀释型水力式流浆箱中，控制纸张横向质量控制指标 2δ值为 0.1～0.2，达到国外同类纸机的水平。图 7显示了该分布式横向控制系统应用于河南江河纸业 6#机项目中的应用效果，横向质量控制指标2δ值已达到国际先进水平。

图7 系统应用效果

6 结 语

基于CAN总线和OPC技术的分布式横向控制系统扩展性强、实用性高。通过以太网与 CAN总线两层网络设计的分布式系统结构易于扩展，适合横向控制过程的多组大规模执行器协调控制的结构特点；设计的基于 CAN总线的智能执行器和底层通信软件有效地完成了局部信息处理与底层控制；基于OPC通信的主节点控制软件满足了系统的实际需求和控制要求；实践证明，基于 CAN总线和 OPC技术的纸张质量分布式横向控制系统是可行、有效的，纸张横向质量控制指标达到先进水平。此外，这种分布式系统结构也可应用于其他大规模分布式控制过程。

［1］ VanAntwerp JG，Featherstone A P，Braatz R D，et al：Cross-directional control of sheet and film processes［J］.Automatica，2007（43）：191.

［2］ ZHANG Hui，WANGShu-mei，CHENG Jin-lan，et al：Advances in Pulping and Papermaking Equipment Science and Technology［J］.China Pulp＆amp；Paper，2011，30（4）：54.

张 辉，王淑梅，程金兰，等.我国制浆造纸装备科学技术的发展［J］.中国造纸，2011，30（4）：54.

［3］ SONG Zhi-huan，LIPing，SUN You-xian，et al.Cross-directional basis weight profile modeling and its GPC parallel algorithms in papermachines［J］.Journal of Zhejiang U-niversity，1998，32（1）：22.宋执环，李 平，孙优贤，等.纸机定量横向分布建模与GPC并行算法［J］.浙江大学学报，1998，32（1）：22.

［4］ Braatz R D，Tyler M L，Morari M，et al.Identification and Cross-directional control of coating processes［J］.AICHE Journal，1992，38（9）：1329.

［5］ CHEN Zeng-qiang，YUAN Zhu-zhi，LIUZhong-xin，et al：Neural-Net-based self-tuning predictive control for cross direction distribution of a polyster film and sheet spread line［J］.ACTA Automatica Sinica，2001，27（3）：332.陈增强，袁著祉，刘忠信，等.涤纶片基拉膜生产线横向分布神经网络自校正预测控制［J］.自动化学报，2001，27（3）：332.

［6］ Duncan SR，Allwood JM，Garimella SS.The analysis and design of spatial control systems in strip metal rolling［J］.IEEE Transactions on control systems technology，1998，6（2）：220.

［7］ YU Hai-sheng.The Design and Implementation of CAN Bus Industrial Control Network［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2001，Vol.2（1）：17.于海生.CAN总线工业测控网络系统的设计与实现［J］.仪器仪表学报，2001，22（1）：17.

［8］ Hansson H A，Nolte T，Norstrom C，et al.Integrating reliability and timing analysis of CAN-based systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49（6）：1240.

［9］ SHEN Zhong-li，HUANG Xian，LISheng，et al.Study on middleware and OPC in industrial control system［J］.Electric Power Automation Equipment，2006，26（1）：89.申忠利，黄 仙，李 晟，等.工控系统中间件研究兼论 OPC ［J］.电力自动化设备，2006，26（1）：89.

［10］ Haznedar B，Arkun Y.Single and multiple property CD control of sheet forming process via reduced order infinite horizon MPC algorithm［J］.Journal of Process Control，2002（12）：175.

［11］ Stewart G E，Gorinevsky D M，Dumout G A.Feedback controller design for a spatially distributed system：The papermachine problem ［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，2003，11（5）：612.CPP

（责任编辑：马 忻）

Distributed Cross-Direction Control System Based on CAN-bus and OPC Technology

SHIXian-cheng1，2FENG Yu-cheng1，2，*ZENG Jin-song1，2CHEN Ke-fu1，2
（1.School of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510641；
2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，Guangzhou，Guangdong Province，510641）
（*E-mail：fengyc@scut.edu.cn）

In order to solve the large-scale cross-direction control problem in paper machine，a distributed cross-direction control system based on CAN-bus and OPC technology was designed，which has the characteristics of powerful expansibility and strong real-time performance.Multiple-array intelligent actuators were closed-loop controlled by the main monitor station through Ethernet and CAN-bus，and the measured data and field information were accessed and shared among themonitor stations via OPC technology.An intelligent actuator based on CAN-bus and corresponding underlying communication software were designed to process local information and control underlying hardware.Finally，the feasibility and validity of the system were verified with practical applications.

cross-direction control；distributed system；CAN；OPC

石先城先生，在读博士研究生；主要从事先进控制、人工智能与系统集成研究。

TP273

A

0254-508X（2015）08-0044-05

2015-04-01（修改稿）

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07213001）；制造强国战略研究轻工专题（N2130070）。

*通信作者：冯郁成先生，E-mail：fengyc@scut.edu.cn。