基于CAN總線和OPC技術的分布式橫向控制系統

石先城 馮郁成，* 曾勁松 陳克復（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510641；2.制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510641）

·橫向控制·

基于CAN總線和OPC技術的分布式橫向控制系統

石先城1，2馮郁成1，2，*曾勁松1，2陳克復1，2
（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510641；
2.制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510641）

針對紙張的橫向質量控制是由多組大規模執行器協調控制的結構特點，設計了一種基于CAN總線和OPC技術的分布式橫向控制系統，具有擴展性強、實時性高的特點。主控制節點通過CAN總線網絡對各組執行器進行實時控制，并通過OPC技術實現了測量數據、現場信息的存取與共享；設計了基于 CAN總線的智能執行器和相應的底層通信軟件以完成局部信息處理與底層控制；并通過實際應用效果證明了該系統的可行性和有效性。

橫向控制；分布式系統；CAN；OPC

近年來，隨著現代造紙機不斷往高速、寬幅方向發展，相關工業對紙張質量的需求也在不斷提高。紙張質量的橫向控制是紙張質量控制系統的核心組成部分，其研究與開發受到廣泛重視［1-3］，此外，橫向控制還應用于涂層工藝［4］、薄膜 厚度［5］、金 屬軋 制［6］等控制領域。

紙張質量的橫向控制是一個由多組大規模執行器協調控制的復雜工業控制過程，常規的 RS485串行總線難以達到實時性的控制要求，而基于 PLC的集散控制系統（DCS）封閉、布線繁瑣、抗干擾性差、成本高昂。CAN總線是一種有效支持分布式控制的通用串行通信網絡，具有實時性高、出錯率低、可擴展性強、成本低等優點［7-8］，利用CAN總線組網能夠滿足紙張質量橫向控制系統的實時性、穩定性要求。OPC技術是基于 COM中間件的一系列接口標準，可實現工控領域中自動化控制設備、異構現場總線系統以及企業管理系統之間的信息交互［9］，通過 OPC技術能夠實現紙張質量橫向控制系統各層信息的存取與共享。

本課題根據紙張質量的橫向控制過程，基于CAN總線與以太網對橫向控制系統的架構進行設計，然后分別基于OPC技術與CAN總線對系統的主節點、從節點進行了設計，并通過實際應用效果驗證了系統的有效性。

1 紙張質量的橫向控制過程

紙張質量的主要指標有定量、水分、厚度等，分為造紙機運行方向（縱向）和垂直于造紙機運行方向（橫向）兩部分，紙張質量橫向控制的目標是紙張橫向質量保持一致地均勻分布。稀釋水加入量或上唇板開度的改變影響紙張的定量、水分、厚度，蒸汽箱蒸汽量的改變影響紙張的水分、厚度，壓光區加熱輥加熱量的改變影響紙張的厚度，因此紙張的橫向質量是由一組或多組橫向分區執行器實現控制，每組橫向執行器包括30至 200個執行器，各組執行器等間隔的分布在橫幅方向［1，10］。紙張質量 由 位于造紙機末端的安裝在掃描架上往返移動的探頭測量得到，探頭移動一個周期后測量數據點包括200至 2000個，通過數據處理后從中分離出紙張的縱向質量與橫向質量。

紙張質量的橫向控制過程如圖1所示，掃描架測量的紙張質量原始測量值經過數據預處理（包括濾波、縱橫向分離與下采樣等）得到與對應組橫向執行器維數相同的橫向測量值，其與目標值比較后的殘差值輸入至橫向控制算法（包括橫向濾波、動態補償器與曲線平滑等），橫向控制算法的輸出為對應組橫向執行器的設定值，最后橫向執行器完成控制動作從而實現對紙張橫向質量的控制［11］。

2 系統架構

本課題設計的分布式橫向控制系統的系統架構如圖2所示。對于某種紙張橫向質量控制指標，一組或多組智能執行器是其現場控制裝置，一組基于CAN總線的智能執行器與以太網轉CAN設備（Ethernet/CAN）組成一個CAN現場網絡，CAN現場網絡與CAN主節點（監控站）組成CAN主從式網絡；監控站通過以太網接入測量服務器以獲取紙張質量的測量數據，測量服務器通過其內部的 OPC服務器發布測量數據；監控站根據紙張橫向質量的測量值與目標值應用橫向控制算法求出相應組智能執行器的輸入。Ethernet/CAN設備的引入可以使原本監控站與智能執行器間較長的CAN總線通信距離縮短為智能執行器與Ethernet/CAN間的距離，Ethernet/CAN可以直接安裝在控制現場并與監控站間進行以太網通信，在幾乎不增加設備成本的前提下顯著提高 CAN現場網絡的通信速率、增加系統的擴展性。

圖2 系統架構

現代造紙機通常有濕部控制室和干部控制室，兩者相隔100～200 m，在濕部控制室和干部控制室內需要同時部署多個監控站以安裝包括橫向控制系統在內的各種監控系統，便于對紙張質量進行實時監測與定向調控。監控站均可以作為主節點與任意CAN現場網絡進行通信，其通過以太網、Ethernet/CAN、CAN總線網絡直接將控制信息發送至各組智能執行器，但這只適合常規的控制報文與查詢報文，而對于 CAN網絡中的錯誤及心跳等信息，需要固定的主節點與CAN現場網絡不間斷通信以確保所有反饋信息的正確接收。因此，這里將其中一個監控站設定為主監控站，其他監控站為副監控站，CAN現場網絡反饋的系統通過主監控站內的OPC服務器收集與共享，各監控站再從現場 OPC服務器讀取現場反饋信息。同時，各監控站之間通過現場OPC服務器共享數據，當任意監控站的共享數據發生改變時都需要更新至現場 OPC服務器以實現各監控站間的數據同步。

3 主節點設計

紙張質量橫向控制系統中各組執行器有自動與手動兩種狀態。自動狀態時，各組智能執行器的設定值由系統的主監控站根據橫向控制算法產生，同時為了局部定向調控的需要，可以通過將各組內的單個執行器切換至手動狀態后對其進行手動控制；根據現場環境的不同，可以對系統的各種參數重新設定；測量數據與現場數據通過OPC服務器來收集與發布，測量數據和現場數據這類實時數據通過其有效期可判斷數據的有效性。手動狀態時，各組智能執行器的設定值不再由系統產生而需要手動輸入，主監控站與各副監控站都可以手動控制各組執行器以實現橫向質量的定向調控；同時各監控站間的共享數據，如各種設定狀態、算法參數等，通過OPC技術實現各監控站之間的數據一致。

主監控站（或工程師站）的主要功能與結構如圖3所示。工程師站內的測量 OPC客戶端從測量服務器內的測量 OPC服務器中讀取紙張橫向質量的測量數據，如果系統狀態為自動，則應用橫向控制算法算得各組執行器的控制量，如果系統狀態為手動，則需用戶手動輸入各組執行器的控制量，然后將這些控制量封裝成CAN報文并通過Ethernet/CAN發送到各組執行器，同時這些控制信息實時更新至現場OPC服務器以與其他監控站同步信息；各組執行器接受CAN報文、執行控制命令并反饋相應的應答信息；現場 OPC服務器及時收集各組執行器反饋的信息、更新信息并發布數據更新通知，然后副監控站通過現場 OPC客戶端獲取各組執行器的反饋信息。主監控站內的現場 OPC服務器除用于現場數據的收集與發布外，同時用于同步各監控站間的共享數據。在現場OPC服務器內對共享數據建立共享組，各副監控站內現場OPC客戶端對共享組的數據更新進行訂閱后即可在共享組內任何項的數據更新時接受數據更新通知并同步共享數據。

副監控站（或操作員站）的結構如圖4所示，其與主監控站的區別在前者沒有現場 OPC服務器而是通過現場OPC客戶端連接至后者的現場OPC服務器以獲取現場數據與共享數據。當副監控站內的共享數據發生改變時需更新至現場 OPC服務器以保證所有監控站間共享數據的一致。

圖3 主監控站

圖4 副監控站

4 從節點設計

4.1硬件設計

智能執行器是由控制器、執行機構和傳感器等組成，其具體硬件結構如圖5所示：集成有CAN控制器的數字信號處理器（DSP）作為智能執行器的核心，歸功于低成本但功能強大的 DSP，從而使得智能執行器能夠對傳感器的數據預處理、執行機構的閉環控制和閥門位置的間隙補償等進行現場實時處理，橫向控制器通過智能執行器的反饋信息和紙張橫向質量的測量信息來控制和協調各組智能執行器，實現了系統的分布式控制、集中管理；執行機構包括步進電機、減速箱和開度閥，控制信息由CAN總線經過CAN收發器、CAN控制器傳遞到DSP，DSP控制步進電機轉動，然后通過減速箱控制開度閥到達指定的開度；傳感器負責測量開度閥的實際開度，DSP對收到的測量數據進行預處理，同時 DSP對執行結構進行閉環控制，待執行機構執行完成后進行閥門間隙補償，最后通過CAN控制器、CAN收發器將反饋信息發送到CAN總線網絡。

圖5 從節點硬件結構

4.2軟件設計

在紙張質量的分布式橫向控制系統中，CAN總線網絡內的傳輸信息可以分為8類：①網絡管理指令，系統啟動時檢測 CAN總線上所有從節點（智能執行器）的有效性，在系統正式投入運行前對其進行初始化、狀態轉換、使能和關閉等操作；②設置指令，針對各種步進電機、傳感器、CAN控制器等參數進行設置；③控制指令，由橫向控制器發出的控制指令中包含步進電機運行速度、運行轉數等控制指令；④查詢指令，從節點中大部分的信息都可以被查詢；⑤應答指令，當主節點發送查詢指令、或者指令要求返回數據時，從節點將返回應答指令到 CAN總線網絡并由主節點接收；⑥自定義錯誤指令，當發生步進電機過載、指令沒有定義、指令數據有誤等錯誤時，從節點會返回自定義錯誤指令，錯誤信息包含在數據字段內；⑦心跳指令，對于某些不是經常執行控制指令的節點（如靠近紙邊的節點），可能長時間不會有信息交互，這時，設置基于時間限制的心跳指令可以檢測這些節點的狀態是否正常；⑧同步時鐘，基于時間的心跳指令需要全局時鐘，為達到全局時鐘的同步，同步時鐘指令由主節點廣播，每隔 1 s主節點廣播 1次，所有的從節點都接收同步時鐘指令并同步時鐘。上述信息中只有⑤、⑥、⑦三種是由 CAN從節點反饋至主節點，其他信息則由 CAN主節點發送至從節點。

以DSP為核心的智能執行器（從節點）可以完成采集數據預處理和執行機構底層控制、接受主節點的控制并將狀態反饋至CAN總線網絡并由主監控站內 OPC服務器收集與共享。從節點完成初始化后開始工作，具體工作流程如圖6所示。從節點不斷監聽CAN總線以接收主節點的指令，由于CAN報文為廣播通信形式，所以首先根據組ID和節點ID判斷報文是否有效，如果有效則將報文接受并通過指令碼和應答位判斷下一步需要進行的操作。如果指令碼未定義或指令執行有誤則反饋自定義錯誤報文；如果當前時間為心跳周期則反饋心跳報文；執行器正常執行完請求后如果要求反饋則返回應答報文。

圖6 從節點工作流程圖

5 系統的應用

本系統已在多個造紙機上成功應用。在廣州造紙廠5#機的流漿箱改造項目中應用了該系統，結果是紙張橫向質量控制指標（2δ值）由原來的 1.2～1.8改善至 0.29～0.4，紙張質量得到明顯提高；該系統應用于國家 “十一五”科技支撐計劃重點項目“國產高速造紙機的研制”的白水稀釋型水力式流漿箱中，控制紙張橫向質量控制指標 2δ值為 0.1～0.2，達到國外同類紙機的水平。圖 7顯示了該分布式橫向控制系統應用于河南江河紙業 6#機項目中的應用效果，橫向質量控制指標2δ值已達到國際先進水平。

圖7 系統應用效果

6 結 語

基于CAN總線和OPC技術的分布式橫向控制系統擴展性強、實用性高。通過以太網與 CAN總線兩層網絡設計的分布式系統結構易于擴展，適合橫向控制過程的多組大規模執行器協調控制的結構特點；設計的基于 CAN總線的智能執行器和底層通信軟件有效地完成了局部信息處理與底層控制；基于OPC通信的主節點控制軟件滿足了系統的實際需求和控制要求；實踐證明，基于 CAN總線和 OPC技術的紙張質量分布式橫向控制系統是可行、有效的，紙張橫向質量控制指標達到先進水平。此外，這種分布式系統結構也可應用于其他大規模分布式控制過程。

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（責任編輯：馬 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，在讀博士研究生；主要從事先進控制、人工智能與系統集成研究。

TP273

A

0254-508X（2015）08-0044-05

2015-04-01（修改稿）

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07213001）；制造強國戰略研究輕工專題（N2130070）。

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