通訊網(wǎng)絡(luò)在橡膠機(jī)械上的應(yīng)用

          通訊技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，引發(fā)了工業(yè)控制領(lǐng)域控制方式深刻的技術(shù)變革?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流?？偩€、運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)等作為目前應(yīng)用最為廣泛應(yīng)用的控制通訊技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。輪胎制造業(yè)的興盛把中國(guó)的橡膠機(jī)械行業(yè)推到了世界橡膠行業(yè)制造的前沿位置。伴隨著輪胎制造商們最求更大的產(chǎn)能和更高的效益，輪胎制造機(jī)器的控制也被提升到一個(gè)新的高度。筆者結(jié)合自己的應(yīng)用體會(huì)，以輪胎制造過(guò)程當(dāng)中控制相對(duì)復(fù)雜的輪胎一次法成型機(jī)為例，對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)在其間的應(yīng)用作簡(jiǎn)單的介紹。一般來(lái)講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。在輪胎成型機(jī)電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中我們就依據(jù)三層理論搭建了一個(gè)交互式的控制網(wǎng)絡(luò)。如圖1：

系統(tǒng)說(shuō)明：

該套控制系統(tǒng)的PLC為施耐德公司的Premium系列的集成了以太網(wǎng)和Canopen總線接口的CPU----TSX574823，HMI為施耐德公司的XBTG5330，該HMI集成了以太網(wǎng)接口，遠(yuǎn)程IO為菲尼克斯公司的支持Profibus-DP總線的分布式IO。變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器均為施耐德產(chǎn)品。在該套電控系統(tǒng)中，信息層的主站PLC和HMI信息交換部分我們使用的是以太網(wǎng)通訊，控制層的和遠(yuǎn)程IO的通訊部分我們采用了Profibus-DP總線，而設(shè)備層的控制變頻器部分用的是Canopen總線，控制伺服驅(qū)動(dòng)部分我們采用的是運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)SERCOS（光纖環(huán)網(wǎng)）。

下面為幾種通訊方式的簡(jiǎn)單介紹：

以太網(wǎng)：

如表1：網(wǎng)絡(luò)通訊通常有7層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。通過(guò)TCP/IP的通訊方式，不同的工控產(chǎn)品供應(yīng)商雖然在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，并且與TCP/IP兼容，但是由于通過(guò)不同的通訊協(xié)議，對(duì)不同的層進(jìn)行操作。導(dǎo)致了不同的供應(yīng)商提供的產(chǎn)品互相之間不能操縱的局面，鑒于這種情況，我們的PLC和HMI選用了具有相同應(yīng)用層協(xié)議的產(chǎn)品，即應(yīng)用層都支持Modbus協(xié)議的產(chǎn)品。通過(guò)這種通訊方式，HMI和PLC可以通過(guò)雙絞屏蔽線（電纜的長(zhǎng)度不超過(guò)50米）以10Mb/s的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該通訊速率完全能滿足需要對(duì)大數(shù)據(jù)量、高速度數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合要求。

在該系統(tǒng)中，通過(guò)簡(jiǎn)單的IP地址分配就可以使用以太網(wǎng)進(jìn)行同信息層的數(shù)據(jù)傳輸，我們?cè)谌藱C(jī)界面中可以對(duì)整臺(tái)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)報(bào)警和錯(cuò)誤進(jìn)行處理，還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作完成配方的切換，來(lái)達(dá)到生產(chǎn)不同規(guī)格輪胎的目的，從項(xiàng)目的實(shí)施效果來(lái)看，以太網(wǎng)完全能夠滿足我們預(yù)期的大數(shù)據(jù)量，高速度實(shí)時(shí)通訊的要求。

技術(shù)特點(diǎn)：

·以太網(wǎng)超大的帶寬、
·標(biāo)準(zhǔn)化的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層
·在工廠（信息層）中的廣泛的流行程度

現(xiàn)場(chǎng)總線：

1． Profibus-DP 總線

PROFIBUS根據(jù)不同的控制要求有多種系列，其中PROFIBUS-DP可實(shí)現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。采用RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率從9.6Kbit/s到12Mbit/s，傳輸距離100～1200m（與傳輸速率有關(guān)）。物理介質(zhì)通常采用雙絞屏蔽電纜，總線接頭采用9針D型插頭接線，方便簡(jiǎn)單、容易擴(kuò)展。PROHBUS-DP是以令牌傳遞方式工作的總線，即在一個(gè)邏輯環(huán)中，主站成為一個(gè)確定時(shí)間窗口的令牌保持者，在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，擁有令牌的主站能與其他從站通信，其數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是主從方式的令牌傳遞，主站與從站之間以主從方式通信，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)。

在該系統(tǒng)中，考慮到機(jī)器比較復(fù)雜、數(shù)字量點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，我們選用了使用PROFIBUS-DP通訊協(xié)議的菲尼克斯分布式IO的方案，通過(guò)各從站相對(duì)集中的數(shù)據(jù)采集，和各從站和主站之間的相對(duì)分散，我們很好地解決了線路搭接復(fù)雜，效率低的問(wèn)題。

技術(shù)特點(diǎn)：

·PROHBUS-DP是以令牌傳遞方式工作的總線
·較強(qiáng)的抗干擾能力
·良好的產(chǎn)品兼容性

2． Canopen總線

Can是由ISO定義的串行通訊總線，由德國(guó)Bosch在1980年為汽車行業(yè)而研發(fā),如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域, CAN-bus網(wǎng)絡(luò)采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，總線的2個(gè)終端需要安裝120Ω的終端電阻；如果節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于2，中間節(jié)點(diǎn)不需要安裝120Ω的終端電阻。對(duì)于分支連接，其長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)0.3米；如果應(yīng)用CAN-bus高層協(xié)議，將有更嚴(yán)格的要求。CANopen 是CAN應(yīng)用層協(xié)議，它基于信息廣播的通訊概念 :每一個(gè)連接到總線的站點(diǎn)都在接收其它站點(diǎn)的信息.然后決定他們的動(dòng)作,是否回答相關(guān)指令。 CAN 協(xié)議授權(quán)所有的站點(diǎn)同步訪問(wèn)總線。然后根據(jù) COB-ID ( each request is sending with a COB-ID )給予優(yōu)先權(quán)。

在該系統(tǒng)中，變頻器ATV31的控制部分（如圖2），考慮到節(jié)省模擬量模塊和接線簡(jiǎn)便，我們選用了使用變頻器自身支持的總線方案，通過(guò)SDO和PDO的有機(jī)結(jié)合，我們使用發(fā)送命令字，監(jiān)控狀態(tài)字的方法，使調(diào)速控制變得更加簡(jiǎn)單。

技術(shù)特點(diǎn)：

·CANopen網(wǎng)絡(luò)中，則采用了中心授權(quán)機(jī)制，通過(guò)一個(gè)NMT-Master對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理
·CANopen的通信機(jī)制簡(jiǎn)單，可以降低設(shè)備的復(fù)雜程度
·適合于所有機(jī)械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)

運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)：

二十世紀(jì)九十年代初期問(wèn)世的SERCOS（串行光纖鏈路）是第一種被廣泛采用的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)（IEC/EN 61491）。它采用光纖傳輸信號(hào)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，最多可帶254個(gè)節(jié)點(diǎn)。SERCOS可以高性能、穩(wěn)定地運(yùn)行，支持超過(guò)500余種標(biāo)準(zhǔn)IDN功能（IDN=識(shí)別號(hào)，用于訪問(wèn)對(duì)象和屬性）。

在本系統(tǒng)中，如圖3：采用光纖環(huán)網(wǎng)的SERCOS伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)成型機(jī)上的伺服電機(jī)進(jìn)行控制,使每個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服運(yùn)動(dòng)控制器之間的硬接線連接變成只需要用一根光纖連接，大幅減少了安裝時(shí)間和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)抗電磁干擾的能力，也節(jié)省了控制機(jī)柜的空間。

技術(shù)特點(diǎn)：

·利用單一的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)代替多達(dá)20根以上的硬接線
·具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力
·通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)動(dòng)控制器可以直接對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置，避免采用其它單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器配置軟件帶來(lái)的不便
·在設(shè)備替換時(shí)，自動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置
·為運(yùn)動(dòng)控制器提供全面、豐富的驅(qū)動(dòng)器診斷和狀態(tài)信息
·支持高分辨率、多轉(zhuǎn)絕對(duì)位置反饋
·支持?jǐn)?shù)字式、高分辨率控制命令
·支持驅(qū)動(dòng)器位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行模式。其中，位置模式可以實(shí)現(xiàn)高性能的

應(yīng)用總結(jié)：

通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大的沖擊的傳統(tǒng)的控制方式，過(guò)去在控制中大量使用的數(shù)字量采集方式和模擬量控制方式，已為性能更高，操作更加簡(jiǎn)便的，各種總線、網(wǎng)絡(luò)所替代。并且，以往復(fù)雜設(shè)備難以維護(hù)的局面，也由于使用規(guī)范簡(jiǎn)潔的網(wǎng)絡(luò)得到大大改善。在該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，我們成功解決了一次法成型機(jī)要求的自動(dòng)化程度高，響應(yīng)速度快，精度高，操作要求簡(jiǎn)單化這一系列難題。并最終得到用戶的認(rèn)可。