佟為明1，田民2，林景波1 (1哈爾濱工業(yè)大學(xué)羅克韋爾自動化實(shí)驗(yàn)室 ，150001 2黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，150090)

　　摘要：針對大豆分離蛋白生產(chǎn)工藝及要求， 設(shè)計(jì)了一套以ControlNet為主的包括羅克韋爾自動化NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括羅克韋爾自動化公司A-B品牌的4個(gè)ControlLogix機(jī)架、EtherNet、ControlNet、DeviceNet通信模塊、多個(gè)I/O模塊、多個(gè)變頻器和軟啟動器以及兩個(gè)操作站等。系統(tǒng)居國內(nèi)大豆精深加工行業(yè)技術(shù)的領(lǐng)先地位，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，使企業(yè)的生產(chǎn)水平及產(chǎn)品質(zhì)量和國外著名企業(yè)形成同等競爭優(yōu)勢，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：ControlNet ControlLogix 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

　　一、引言

　　大豆分離蛋白的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量控制要求嚴(yán)格。我國現(xiàn)有的絕大部分大豆分離蛋白生產(chǎn)線工藝設(shè)備落后，生產(chǎn)過程控制水平低下，因而產(chǎn)品質(zhì)量不高，無法形成競爭優(yōu)勢。2000年哈爾濱某大豆食品公司引進(jìn)國外先進(jìn)的工藝及關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，聯(lián)合國內(nèi)有關(guān)單位設(shè)計(jì)了一套以ControlNet為主的包括羅克韋爾自動化NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，建成了一條具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量現(xiàn)代化大豆分離蛋白自動控制生產(chǎn)線。

　　二、大豆分離蛋白生產(chǎn)工藝簡介

　　大豆分離蛋白工藝過程主要有以下幾道工序：（1）浸出工序，（2）酸沉分離工序，（3）中和工序，（4）閃蒸工序，（5）干燥工序。

　　整個(gè)生產(chǎn)車間分為濕區(qū)和干區(qū)。濕區(qū)完成浸出、酸沉分離及中和三道工序，工藝較復(fù)雜，檢測控制點(diǎn)較多，有溫度、流量、酸堿度等被控量，并要求對這些被控量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制；干區(qū)完成閃蒸和干燥兩道工序，被控量主要是壓力和溫度，且生產(chǎn)中干區(qū)的壓力和溫度都較高，對工藝過程有嚴(yán)格的先后順序要求及互鎖要求，需要嚴(yán)格的安全保護(hù)。為提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，要求對濕區(qū)和干區(qū)分別進(jìn)行控制，并進(jìn)行通信、相互協(xié)調(diào)。

　　大豆分離蛋白生產(chǎn)線生產(chǎn)的蛋白粉可作為多種食品的原料，其生產(chǎn)配方多達(dá)十幾種。在不同的配方工藝生產(chǎn)過程中，需要添加的組份種類不同、甚至配比也不同，而且生產(chǎn)過程的酸堿度、浸出酸沉溫度、老化溫度及時(shí)間、噴霧干燥壓力及溫度等也都各不相同，需要靈活方便的配方生產(chǎn)控制。

　　三、以ControlNet為主的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　針對生產(chǎn)線分散程度大、對實(shí)時(shí)控制及互鎖邏輯控制要求高、需要靈活方便的配方生產(chǎn)控制等特點(diǎn)，采用了以羅克韋爾自動化公司的ControlNet為主的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大豆分離蛋白生產(chǎn)全過程的自動控制。系統(tǒng)能夠可靠有效地完成實(shí)時(shí)、精確的過程控制、順序邏輯控制、連鎖保護(hù)、參數(shù)報(bào)警、歷史記錄、趨勢圖、數(shù)據(jù)處理和打印報(bào)表等功能，并具有優(yōu)異的開放式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展方便靈活、可靠性高。

　　系統(tǒng)以羅克韋爾自動化公司A-B品牌的ControlLogix系列產(chǎn)品為核心，包含NetLinx的所有三層網(wǎng)絡(luò)：信息層、控制層、設(shè)備層。信息層采用EtherNet，它主要連接兩個(gè)操作站計(jì)算機(jī)和ControlLogix控制器，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制器之間大量信息的高速交換，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，并可用于組建企業(yè)信息網(wǎng)�？刂茖硬捎酶咚�、確定性的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制器之間的通信及對遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O的控制。設(shè)備層采用高效、低價(jià)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對底層現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

　　系統(tǒng)中應(yīng)用了4個(gè)ControlLogix機(jī)架：ControlLogix1至ControlLogix4。ControlLogix1至ControlLogix3主要用于對濕區(qū)的控制，ControlLogix4主要作為干區(qū)的控制單元。ControlLogix1機(jī)架中插有2個(gè)處理器模塊Logix5550，1個(gè)ControlNet通信模塊1756-CNBR，1個(gè)EtherNet通信模塊1756-ENET，1個(gè)DeviceNet掃描器模塊1756-DNB，多個(gè)1756 I/O模塊。ControlLogix2和ControlLogix3機(jī)架中各插有1個(gè)ControlNet通信模塊和多個(gè)I/O模塊，機(jī)架中沒有處理器，通過ControlNet通信模塊連接到ControlNet網(wǎng)絡(luò)上，作為ControlLogix1的遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O。ControlLogix1處理器控制本機(jī)架中的I/O模塊以及ControlLogix2和ControlLogix3的遠(yuǎn)程擴(kuò)展I/O模塊，并處理EtherNet、ControlNet以及DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的信息，其任務(wù)非常繁重，因此采用雙處理器熱備，以提高系統(tǒng)的可靠性。ControlLogix4作為干區(qū)的控制單元，機(jī)架上插有1個(gè)處理器模塊、1個(gè)ControlNet通信模塊及多個(gè)I/O模塊。其處理器完成對干區(qū)閃蒸和干燥兩道工序的控制，實(shí)現(xiàn)各工藝環(huán)節(jié)的邏輯控制、互鎖控制以及生產(chǎn)中過程量的實(shí)時(shí)控制，并通過ControlNet通信模塊與ControlLogix1處理器進(jìn)行通信協(xié)調(diào)，以將生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲僮髡?和操作站2。

　　ControlLogix1處理器通過DeviceNet掃描器控制DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上連接的多個(gè)變頻器和軟啟動器，完成對現(xiàn)場電動機(jī)的驅(qū)動與控制。

　　本系統(tǒng)按照工藝要求采用PID和模糊控制等控制手段完成大豆分離蛋白生產(chǎn)線上設(shè)備的電氣自動控制、順序邏輯控制、儀表控制、回路調(diào)節(jié)等功能，并對工藝過程信息進(jìn)行檢測、記錄及數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)控制及工藝過程的自動調(diào)節(jié)、報(bào)警等，從而完成對整個(gè)生產(chǎn)過程的自動控制。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地完成各項(xiàng)控制功能，各檢測點(diǎn)及控制點(diǎn)都能達(dá)到控制要求的檢測精度及控制精度，同時(shí)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾性，能夠在比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中正常工作。操作站1和操作站2由技術(shù)人員操作，分別監(jiān)控濕區(qū)和干區(qū)，并可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理以及報(bào)表打印等功能。兩年來系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)使生產(chǎn)產(chǎn)品完全達(dá)到了質(zhì)量要求，使生產(chǎn)效率大幅度提高，節(jié)約了大量資源，有效提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。專家對本系統(tǒng)評定后一致認(rèn)為，本系統(tǒng)居國內(nèi)大豆精深加工行業(yè)技術(shù)的領(lǐng)先地位，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

　　四、ControlNet網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試

　　大豆分離蛋白生產(chǎn)線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是以ControlNet網(wǎng)絡(luò)為主構(gòu)成的，因此ControlNet網(wǎng)絡(luò)的組建與調(diào)試是至關(guān)重要的。ControlNet網(wǎng)絡(luò)組建的基本步驟如下：

　�。�1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：根據(jù)系統(tǒng)需要選擇節(jié)點(diǎn)、同軸電纜或光纖介質(zhì)，進(jìn)行合理布線規(guī)劃；
　�。�2）網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)測試與硬件設(shè)備連接：進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)測試，并將ControlNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上；
　　（3）節(jié)點(diǎn)預(yù)配置：ControlNet網(wǎng)絡(luò)的通信波特率為5Mbit/s ，每個(gè)網(wǎng)段最多允許有99個(gè)節(jié)點(diǎn)，且不允許有節(jié)點(diǎn)地址重復(fù)的設(shè)備，因此應(yīng)當(dāng)按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃給設(shè)備分配節(jié)點(diǎn)地址，地址一般應(yīng)連續(xù)，并且信息優(yōu)先級高的設(shè)備節(jié)點(diǎn)地址應(yīng)當(dāng)盡量小，以保證其信息及時(shí)傳送；
　　（4）安裝和啟動羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件RSNetworx for ControlNet；
　�。�5）將編程終端連接到網(wǎng)絡(luò)上，并建立通信：在編程終端連接到網(wǎng)絡(luò)上之后，根據(jù)編程終端所使用的ControlNet通信板卡，在羅克韋爾通信軟件RSLinx下配置相應(yīng)的ControlNet驅(qū)動程序 —— 1784-KTCX for ControlNet、1784-PCC for ControlNet或1784-PCIC（S） for ControlNet（該操作只能在在線模式下進(jìn)行）；
　�。�6）配置ControlNet設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：ControlNet節(jié)點(diǎn)允許通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行參數(shù)配置，如預(yù)定I/O數(shù)據(jù)傳輸、非預(yù)定數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備本身的運(yùn)行參數(shù)（如變頻器的啟動方式、最大頻率及其它運(yùn)行參數(shù)，軟起動器的啟動時(shí)間、啟動方式等）。通過掃描網(wǎng)絡(luò)上的處理器，RSNetworx for ControlNet軟件能計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載情況，并給出合理的網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間，通過合理配置使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)化；
　�。�7）保存配置參數(shù)：將設(shè)備配置參數(shù)下載到節(jié)點(diǎn)設(shè)備和ControlNet Keeper中，并保存到網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件的配置文件中（用于離線查看網(wǎng)絡(luò)信息或配置相同的網(wǎng)絡(luò)）。

　　在進(jìn)行ContolNet網(wǎng)絡(luò)硬件安裝調(diào)試及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)應(yīng)注意：

　　（1）推薦選用羅克韋爾等公司的ControlNet網(wǎng)絡(luò)同軸電纜或光纖及連接組件（這可使硬件安裝大大簡化，并提高可靠性）；
　　（2）網(wǎng)絡(luò)總線兩端應(yīng)安裝正確的終端電阻（75Ω，可選配羅克韋爾等公司隨系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)終端電阻），在系統(tǒng)不連接任何節(jié)點(diǎn)時(shí)，測試同軸電纜兩信號線之間的電阻值應(yīng)在35-40Ω；
　�。�3）合理設(shè)置最大預(yù)定節(jié)點(diǎn)地址Smax和最大未預(yù)定節(jié)點(diǎn)地址Umax，以減小網(wǎng)絡(luò)掃描時(shí)間，并應(yīng)保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；
　�。�4）合理設(shè)置ControlNet的網(wǎng)絡(luò)刷新周期NUT，因NUT太小時(shí)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，NUT太大時(shí)可能導(dǎo)致實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸。

　　五、結(jié)論

　　大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅使企業(yè)的產(chǎn)品占領(lǐng)了國內(nèi)市場并遠(yuǎn)銷世界各地，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也產(chǎn)生了非常顯著的社會效益。它的應(yīng)用大大提高了我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)品深加工領(lǐng)域的自動化水平，使我國大豆分離蛋白的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量和國外著名企業(yè)形成同等競爭優(yōu)勢，推動了我國大豆及農(nóng)產(chǎn)品深加工行業(yè)的發(fā)展，前景十分廣闊。

　　本系統(tǒng)在哈爾濱某大豆食品公司的大豆分離蛋白生產(chǎn)線上應(yīng)用成功后，在社會上相關(guān)行業(yè)中影響很大。瑞士雀巢公司經(jīng)過多方考察比較，最后決定在雙城雀巢奶粉生產(chǎn)線上采用同類系統(tǒng)。現(xiàn)系統(tǒng)已投入運(yùn)行，效果良好，使企業(yè)的生產(chǎn)自動化水平和生產(chǎn)能力大為提高，產(chǎn)品質(zhì)量也有了明顯提高。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 佟為明，林景波. 現(xiàn)場總線概述. 低壓電器, 2002, (4)：34-39
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　　[3] Rockwell Software. RSNetworx for ControlNet Getting Results. Jan 2000
　　[4] Rockwell Software. Getting Results with RSLogix5000. Jul 1998

　　作者簡介：

　　佟為明，男、1964年10月出生、博士、教授、博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與電器研究所所長；《低壓電器》編委，中國電源學(xué)會理事，中國電源學(xué)會特種電源專委會委員；著作部分：發(fā)表論文90余篇；主要研究方向：現(xiàn)場總線，數(shù)字式繼電繼電保護(hù)測控裝置與系統(tǒng)，電磁兼容技術(shù)，變頻電源與諧波抑制。