佟為明1，田民2，林景波1 (1哈爾濱工業大學羅克韋爾自動化實驗室 ，150001 2黑龍江省科學院自動化研究所，150090)
摘要： 針對大豆分離蛋白生產工藝及要求， 設計了一套以ControlNet為主的包括羅克韋爾自動化NetLinx三層網絡的現場總線控制系統。系統包括羅克韋爾自動化公司A-B品牌的4個ControlLogix機架、EtherNet、ControlNet、DeviceNet通信模塊、多個I/O模塊、多個變頻器和軟啟動器以及兩個操作站等。系統居國內大豆精深加工行業技術的領先地位，達到了國際先進水平，使企業的生產水平及產品質量和國外著名企業形成同等競爭優勢，為企業帶來了巨大的經濟效益。
關鍵詞： ControlNet ControlLogix 現場總線控制系統(FCS)
一、引言
大豆分離蛋白的生產工藝復雜、質量控制要求嚴格。我國現有的絕大部分大豆分離蛋白生產線工藝設備落后，生產過程控制水平低下，因而產品質量不高，無法形成競爭優勢。2000年哈爾濱某大豆食品公司引進國外先進的工藝及關鍵生產設備，聯合國內有關單位設計了一套以ControlNet為主的包括羅克韋爾自動化NetLinx三層網絡的現場總線控制系統，建成了一條具有我國自主知識產權的高質量現代化大豆分離蛋白自動控制生產線。
二、大豆分離蛋白生產工藝簡介
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。
整個生產車間分為濕區和干區。濕區完成浸出、酸沉分離及中和三道工序，工藝較復雜，檢測控制點較多，有溫度、流量、酸堿度等被控量，并要求對這些被控量進行實時監測控制；干區完成閃蒸和干燥兩道工序，被控量主要是壓力和溫度，且生產中干區的壓力和溫度都較高，對工藝過程有嚴格的先后順序要求及互鎖要求，需要嚴格的安全保護。為提高控制系統的實時響應速度，保證控制系統的正常運行，要求對濕區和干區分別進行控制，并進行通信、相互協調。
大豆分離蛋白生產線生產的蛋白粉可作為多種食品的原料，其生產配方多達十幾種。在不同的配方工藝生產過程中，需要添加的組份種類不同、甚至配比也不同，而且生產過程的酸堿度、浸出酸沉溫度、老化溫度及時間、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控制。
三、以ControlNet為主的現場總線控制系統
針對生產線分散程度大、對實時控制及互鎖邏輯控制要求高、需要靈活方便的配方生產控制等特點，采用了以羅克韋爾自動化公司的ControlNet為主的現場總線控制系統，實現了大豆分離蛋白生產全過程的自動控制。系統能夠可靠有效地完成實時、精確的過程控制、順序邏輯控制、連鎖保護、參數報警、歷史記錄、趨勢圖、數據處理和打印報表等功能，并具有優異的開放式網絡體系結構，擴展方便靈活、可靠性高。
系統以羅克韋爾自動化公司A-B品牌的ControlLogix系列產品為核心，包含NetLinx的所有三層網絡：信息層、控制層、設備層。信息層采用EtherNet，它主要連接兩個操作站計算機和ControlLogix控制器，實現計算機與控制器之間大量信息的高速交換，對生產過程進行監控，并可用于組建企業信息網。控制層采用高速、確定性的ControlNet網絡，實現控制器之間的通信及對遠程擴展I/O的控制。設備層采用高效、低價的DeviceNet網絡，實現對底層現場設備的監控。
系統中應用了4個ControlLogix機架：ControlLogix1至ControlLogix4。ControlLogix1至ControlLogix3主要用于對濕區的控制，ControlLogix4主要作為干區的控制單元。ControlLogix1機架中插有2個處理器模塊Logix5550，1個ControlNet通信模塊1756-CNBR，1個EtherNet通信模塊1756-ENET，1個DeviceNet掃描器模塊1756-DNB，多個1756 I/O模塊。ControlLogix2和ControlLogix3機架中各插有1個ControlNet通信模塊和多個I/O模塊，機架中沒有處理器，通過ControlNet通信模塊連接到ControlNet網絡上，作為ControlLogix1的遠程擴展I/O。ControlLogix1處理器控制本機架中的I/O模塊以及ControlLogix2和ControlLogix3的遠程擴展I/O模塊，并處理EtherNet、ControlNet以及DeviceNet網絡上的信息，其任務非常繁重，因此采用雙處理器熱備，以提高系統的可靠性。ControlLogix4作為干區的控制單元，機架上插有1個處理器模塊、1個ControlNet通信模塊及多個I/O模塊。其處理器完成對干區閃蒸和干燥兩道工序的控制，實現各工藝環節的邏輯控制、互鎖控制以及生產中過程量的實時控制，并通過ControlNet通信模塊與ControlLogix1處理器進行通信協調，以將生產信息實時傳輸到操作站1和操作站2。
ControlLogix1處理器通過DeviceNet掃描器控制DeviceNet網絡上連接的多個變頻器和軟啟動器，完成對現場電動機的驅動與控制。
本系統按照工藝要求采用PID和模糊控制等控制手段完成大豆分離蛋白生產線上設備的電氣自動控制、順序邏輯控制、儀表控制、回路調節等功能，并對工藝過程信息進行檢測、記錄及數據處理，實現設備運轉控制及工藝過程的自動調節、報警等，從而完成對整個生產過程的自動控制。系統能夠穩定可靠地完成各項控制功能，各檢測點及控制點都能達到控制要求的檢測精度及控制精度，同時系統具有很強的抗干擾性，能夠在比較惡劣的工業現場環境中正常工作。操作站1和操作站2由技術人員操作，分別監控濕區和干區，并可實現生產過程監控、數據處理以及報表打印等功能。兩年來系統的運行實踐表明，系統使生產產品完全達到了質量要求，使生產效率大幅度提高，節約了大量資源，有效提高了企業的經濟效益。專家對本系統評定后一致認為，本系統居國內大豆精深加工行業技術的領先地位，達到了國際先進水平。
四、ControlNet網絡組建與調試
大豆分離蛋白生產線現場總線控制系統是以ControlNet網絡為主構成的，因此ControlNet網絡的組建與調試是至關重要的。ControlNet網絡組建的基本步驟如下：
（1）網絡規劃：根據系統需要選擇節點、同軸電纜或光纖介質，進行合理布線規劃；
在進行ContolNet網絡硬件安裝調試及網絡組態時應注意：
（1）推薦選用羅克韋爾等公司的ControlNet網絡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）；
五、結論
大豆分離蛋白現場總線控制系統的成功應用，不僅使企業的產品占領了國內市場并遠銷世界各地，給企業帶來了顯著的經濟效益，同時也產生了非常顯著的社會效益。它的應用大大提高了我國農業產品深加工領域的自動化水平，使我國大豆分離蛋白的生產水平和產品質量和國外著名企業形成同等競爭優勢，推動了我國大豆及農產品深加工行業的發展，前景十分廣闊。
本系統在哈爾濱某大豆食品公司的大豆分離蛋白生產線上應用成功后，在社會上相關行業中影響很大。瑞士雀巢公司經過多方考察比較，最后決定在雙城雀巢奶粉生產線上采用同類系統。現系統已投入運行，效果良好，使企業的生產自動化水平和生產能力大為提高，產品質量也有了明顯提高。
參考文獻
[1] 佟為明，林景波. 現場總線概述. 低壓電器, 2002, (4)：34-39
作者簡介：
佟為明，男、1964年10月出生、博士、教授、博士生導師，哈爾濱工業大學網絡與電器研究所所長；《低壓電器》編委，中國電源學會理事，中國電源學會特種電源專委會委員；著作部分：發表論文90余篇；主要研究方向：現場總線，數字式繼電繼電保護測控裝置與系統，電磁兼容技術，變頻電源與諧波抑制。
