CAN現場總線技術在煙草制絲線上的應用

摘要：本文主要介紹CAN現場總線制絲線電控系統中的應用。

關鍵詞：CAN 現場總線 煙草

0 引言

根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協會（ISA）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通訊。目前，國際上各種各樣的現場總線有幾百種之多，較著名的有FF現場總線、HART現場總線、CAN現場總線、LONWORKS現場總線、PROFIBUS現場總線等。

現場總線控制模式具有協議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點，是工業自動化發展的趨勢。而作為在自動化控制方面走在前沿的卷煙生產企業，在近年來的卷煙技術改造過程中充分利用現場總線技術改造傳統的控制系統。其中，對香煙質量起著舉足輕重作用的制絲生產線因其設備分散，且工藝變化多，對控制系統提出了靈活、有柔性、更新換代方便等要求，這些要求正好給現場總線技術提供了大顯身手的舞臺。

1 CAN現場總線概述

CAN（Controller Area Network）總線是一種有較好效率支持分散實時控制系統的串行通訊協議，并具有較高的安全等級。CAN總線可以被用于多主機系統，尤其適合于網絡智能型設備以及系統或子系統中的傳感器和執行器件。在CAN網絡里沒有我們習慣印象中的設備地址號或站號，而是把信息區分成優先次序發送。CAN總線由于其高可靠性及獨特的設計，為許多行業所采用，目前已形成國際標準，并被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

2 現場總線選型說明

卷煙制絲線電控系統現場總線選擇基于以下幾方面的考慮：

①現場總線的性能

②與現場總線連接的控制器的性能

③現場總線、PLC控制器器件提供商所能提供的監控系統軟件及其與數據庫系統連接的性能

通過對比煙草企業常用的CAN總線及PROFIBUS總線，我們確定現場總線系統為Device Net（設備網）和Control Net（控制網）， 基于CAN總線的Device Net是一種易于連接的總線，用于PLC與現場設備之間的通訊網絡。它可連接開關、拖動裝置、固態過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125-500kbps。Device Net通過一個開放的網絡，將底層的設備直接和車間級控制器相連，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接。世界范圍的150多個銷售商支持開放式Device Net。Device Net基于生產者/客戶（Producer/Consumer）的網絡模式，可使控制數據同時到達操作的每一個單元，具有可靠和高效的數據處理能力。

基于CAN總線的Control Net是一種高速確定性網絡，用于對時間有苛刻要求的應用場合的信息傳輸。作為最底層和以太網之間的中間通訊網絡，它為對等通信提供實時控制和報文傳送服務。Control Net同樣基于生產者/客戶（Producer/Consumer）的網絡模式。Control Net具有高吞吐量、資源共享、組態和編程簡單、支持冗余介質、體系結構靈活和安裝費用低等特點。

3 系統結構

按照“以信息為基礎、管理為主導、控制為中心”的設計理念，制絲線電控系統按功能劃分為三個層次（見圖1），即：信息管理層，過程控制層，現場設備層。其中：

3.1 設備控制層：采用Device Net連接各BL20分布式I/O站、變頻器、電子秤、核子秤、水分儀、操作面板等，通過具備現場總線接口的主控制器（SLC504或Logix5555）實現對各工藝段設備的組合和單機控制，以此滿足生產要求。

3.2 集中監控層：作為控制系統的入機交互接口，通過中央監控計算機PC和RSView32監控軟件實現對生產線的組合操作、狀態監控、工藝參數控制參數顯示和設定、故障診斷定位和報警顯示、記錄等。

3.3 信息管理層：負責處理全線運行過程中的綜合信息，包括人工檢測和錄入工藝、設備、質量等數據，并提供完整的統計數據和各種分析圖表等。

4 系統功能

4.1 設備控制層功能

①全線及分段順序啟/停，設備加工動作的自動控制；②采集溫度、壓力、水分、流量等過程參數，進行閉環自動控制；③緊急停機； ④接受中央控制室控制指令、調度指令、參數調節指令，采集現場信息通過網絡傳送至集中監控層和信息管理層；⑤貯柜根據工藝要求自動切換；⑥對被控電機提供完善的過流、過熱、缺相、短路保護功能；⑦采用聲、光報警，具有完善的故障檢測及報警提示功能。

4.2 集中監控層功能

4.2.1 監視功能

①模擬顯示各部分設備運行狀況，包括設備主要動作的動態顯示、電機的運行狀況、測控元件狀態；②工藝參數顯示，包括數字、棒圖、趨勢圖等形式；③報警顯示，用文本或窗口彈出的方式顯示當前報警的時間、位置、內容。設報警綜合顯示界面，顯示歷史報警的信息。

4.2.2 控制功能

①全線或局部的啟/停及其它操作；②工藝參數的設定、修改、查詢；③分級授權管理；④在線編程功能。

4.2.3 在線診斷幫助功能

①診斷功能，出現故障時給出故障的內容及解決方案。②幫助功能，提供給操作人員進行操作和維護的在線幫助支持。

4.3 信息管理層功能

①生產管理；②工藝管理；③質量管理；④設備管理；⑤報表生成。

5 系統特性

與傳統的控制模式相比，基于現場總線控制模式的南寧卷煙廠制絲生產線電控系統具有以下特點：

5.1 用分布式I/O代替集中I/O，用總線通訊代替點對點通訊，使系統配置占地面積大大減少，控制電纜、動力電纜和橋架費用減少70%，降低了系統安裝成本。現場I/O箱實現設備就近驅動，大大節約安裝調試時間。

5.2 工藝段劃分合理，本電控系統基本上以物料存貯設備（各類貯柜）作為獨立工藝段的分割點，使得各工藝段的設備工作狀態相對獨立。當其中某工藝段設備故障停機甚至掉電時，并不影響其它工藝段的設備運行。同時基于成本方面的考慮，在控制段的劃分上根據工藝段的歸屬設置統一的CPU。全電控系統包括12個獨立工藝段，由8個控制段分別實現控制。

5.3 系統組態靈活，能迅速適應現場設備的調整。設備數量的變化只需更改對應的現場I/O箱內的配置和控制程序的少量修改。

5.4 充分利用CAN總線的開放性，來自不同廠商的執行器件（如變頻器、電子秤/核子秤）、連續檢測設備（如水分儀、紅外測溫儀）或自帶控制系統的主機設備（如切絲機）均采用現場總線連接，減少了模擬量模塊的數量，提高了數據傳送的快捷性、準確性，節約了安裝時間，方便調試及診斷，從而為進一步實現全線流量、水分、溫度的控制精度提供了保證。整條制絲生產線水分控制精度為1%；溫度控制精度為2～3℃，配比精度為1%。

5.5 充分利用DeviceNet、ControlNet在系統可靠性、實時性、抗干擾性、硬件診斷、系統組態等方面的優良性能及CAN總線確定性的數據傳輸，十分便于系統的調試和維護。

5.6 在元器件的選型上，充分對比了相關牌號的同類產品，從可靠、實用、美觀、性價比高等多方面考慮，選擇了相關元器件。例如選擇了日本Digital公司Proface觸摸屏，選擇TURCK公司B120系列現場I/O產品及電機啟動器，選擇丹佛斯的變頻器等。這些產品通過現場總線端子或網卡與CAN總線有機結合，充分體現了現場總線開放性好、兼容性強的特點。

5.7 在信息管理層采用交換式以太網、基于客戶機/服務器體系的數據庫系統、大容量高可用度磁盤陣列等成熟的計算機技術，為生產管理、數據保存、數據分析提供強有力的保證。

6 結束語

制絲線電控系統檢測數據表明，新制絲線流量、水分、溫度、摻兌的穩定性、均勻性都有較大幅度提高，使卷煙的產品整體質量上升到一個嶄新的水平。同時，該系統在品牌選擇實現最優化組合方面進行了大膽的探索，為新一代煙草制絲線控制系統提供了成功的范例，必將大大促進CAN現場總線技術在煙草行業的更大規模應用。

參考文獻：

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