A-B现场总线在“乳品加工”行业的应用

    2002年，东北地区某乳品厂进行生产线扩建改造。该厂原来曾采用了众多的PLC-5和SLC500系列产品，并通过DH+连接在一起。此次改造，该厂生产能力将扩大一半以上，改造过程涉及到原有控制系统的升级、替换和删除。
    鲜奶是不易保存的，所以整个乳品厂工程中最关键的问题，是如何在不停产的基础上，将原有功能和原有现场I/O设备的控制完整切换到新系统上。其次，是该如何采用一个更为合理、更为先进、更为可靠的方案，以适应变频器、智能化仪表等设备在工程上的大量应用。
    为此该工程选用了ControlLogix系统，通过其强大的网络功能，包括EtherNet、ControlNet和DH+等，成功地实现了不停产切换和扩建改造。竣工后的系统信息层采用快速以太网为纽带，实现了工控信息的发布和共享；控制层则以ControlNet为骨干，兼容DH+，有效地规划了系统负荷，使网络更快速更安全；设备层选用了RIO和DeviceNet，不仅大大节省了用户投资和现场工作量，还使得信息更全面，实现了更灵活、更智能化的控制。
    A-B现场总线技术概述
    乳品加工是一个复杂的多工艺协调控制系统，它包括产品制造系统：奶源、净乳、配方、浓缩、干燥、干混、包装；服务系统，如：蒸汽、热风、制冷、清洗；此外还有：净化水、污水处理等系统。因为最终产品和人体健康密切相关，所以对控制系统的精度、可靠性和实时性都提出了很高的要求。
    与其它品牌自动化产品相比，A-B强大的网络通讯功能是一大显著优势。NetLinx开放式网络结构包含了信息层、控制层和设备层三层网络，NetLinx结构把网络服务、CIP（控制和信息协议）以及开放式软件接口结合在一起。根据特定的应用需求，用户可以混合搭配一层、两层或全部三层网络，并可以在网络间无缝地传送数据。在该网络结构体系下，罗克韦尔自动化的Logix平台为用户提供了不同格式下控制的兼容性。 
    以太网（Ethernet）
    以太网技术在近十几年来发展得非常迅速。由于其应用的广泛性和技术的先进性，不仅垄断了商用计算机的通信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，而且在工业控制领域也得到了大规模的应用，并且也是今后工业现场网络发展的趋势。EtherNet工业协议（EtherNet/IP）是一个开放式工业网络标准，采用IEEE 802.3物理介质及数据链路标准，提供了实时I/O消息和对等信息通讯。典型情况下，EtherNet/IP网络采用有源星型拓扑结构，设备组按点对点方式连接到交换机。交换机提供虚拟连接，有助于控制网络碰撞并减少网络堵塞。罗克韦尔自动化产品中，PLC-5 E系列和SLC5/05系列及ControlLogix产品都提供了以太网接口。 
    DH+（Data Highway Plus）
    DH+（Data Highway Plus）是一种较早投入使用的工业局域网，可用于PLC、计算机、人机界面产品等之间进行数据传送。所有的增强型PLC-5及SLC5/04都有内置的DH+通讯口，加上DH+使用便宜的网络介质和最长达3000米的传输距离，它在各行业都得到了广泛的应用。但是，由于DH+网采用令牌传送协议，在节点过多时（超过20个）可导致传输实时性的降低，在此情况下，不适合于对安全及连锁控制实时性要求较高的控制场合。 
    ControlNet 
    ControlNet是90年代以后开发和应用的自动化及控制网络，该网络集数种网络的优点于一身，拥有I/O、PLC互锁、信息传输以及在同一网上编程等功能。它是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性网络。同时它允许传送无时间苛求的报文数据，但不会对有时间苛求的数据传送造成冲击。ControlNet采用了生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个的数据源存取相同的数据。其最主要的特点是：更强的系统功能；更高的效率，因为数据的发送与客户的数量无关；精确的同步化，因为数据同时到达每个节点。
    DeviceNet是一个开放的网络，可以将底层的设备直接与车间级控制器相连，如：限位开关、光电传感器、变频器、电力监控模块及触摸屏等，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接。这种连接极大的改进了设备间的通讯功能，并可提供诊断、预测故障等功能。[page]
    工程实施过程 
    在此工程中，旧系统核心部分是一个PLC-5/80处理器，其RIO接口连接着十余个Flex I/O节点。切换过程分为三步进行。第一步，在ControlLogix机架上安装一1756-DHRIO模块，通道1组态为DH+类型，与PLC-5/80连接；通道2组态为RIO类型，并按新旧节点之和进行配置。此机架上处理器被称为“IOProcessor”。
    第二步，在生产线清洗间隙将原有节点移到新网络上，程序中作如下改动：屏蔽PLC-5/80程序中的通信错误告警；通过DH+网将设备控制文件传送到IOProcessor进行输出，执行后设备反馈再传回PLC-5/80。重复这一步骤，直到将所有Flex I/O节点全部连接到基于IOProcessor控制的网络上，此时逻辑与I/O控制已分离，在新的人机界面上可以实现所有设备的手动控制。
    第三步，在称作“Logic”的ControlLogix处理器上进行功能测试。调试阶段，新老处理器执行同样的操作员指令，新处理器将仿真输出的结果与老处理器进行比较、修正。调试通过后，屏蔽老处理器该功能和与IOProcessor的通讯，并将Logic的输出指令通过背板传送到IOProcessor中。同时，按生产工艺变动情况补充新代码。就这样，在保证生产正常进行的前提下，成功完成了系统的升级换代。
    在新上的蒸发器和干燥塔系统中，通过带DeviceNet适配器的Flex I/O实现了限位开关、过程变量等参数的采集和阀门、电机、变频器的控制。
    作为网络扫描器的1756-DNB它最多可以容纳63个节点，输入输出容量分别为124、123个双字。在网络配置中，每个1794-ADN占用1个输入字；开关量模块（1794-IB16和1794-OB16）分别占用1个输入或输出字；模拟量模块（1794-IE8和1794-OE4）每通路占用1个输入或输出字；变频器通过播码或软件设置为3个输入和输出双字，这样，处理器可从变频器上最多采集包括频率在内的5路参数，并且其中4路可通过人机界面进行选择切换并显示。
    Panelview取代了大量的控制按钮和现场指示仪表，整个系统极为简洁和高效。根据电力监控模块1年来的数据分析，由于变频器等设备的大量采用，新系统生产耗电量较同等规模原系统节省30%以上。 
    调试结束后，按照标准配置组态了数个空节点作为备用。在2个月后进行的新维生素和玉米油项目中，都作到了边生产边扩建，最大限度节省了用户的时间，保证了经济效益。这也充分体现出DeviceNet高度的灵活性。
    通讯网络的重新架构是本工程的一大特色。该厂原有控制系统都采用的是PLC-5或SLC500系列产品，通过DH+网进行连接，网络负荷重，通讯速度慢。以ControlNet为骨干，根据物理分布和逻辑关系将原有网络拆分为3段DH+网络，不同DH+网间传输信息通过ControlLogix的消息指令中转或采用LinkID方式进行。信息层采用了百兆以太网，通过双绞线和光纤将新老厂区及网管中心连接在一起。主要功能有三： 
    1）与人机界面的通讯，如数据采集、实时监控等。以太网的通用性使人机界面的扩展变得非常简单，且无需使用昂贵的专用插件。同时，在软件中可以广泛利用发展中的各种计算机和网络技术，系统具有近乎无限的扩展能力。 
    2）与网管中心联网。系统软件采用Windows 2000 Server和成熟的关系数据库管理软件。通过MSSQL数据库结构，软件将控制系统的实时数据库转化到MSSQL关系数据库中，进而完成全厂关键设备参数、能源材料消耗等信息的统计，为高效生产、合理调度及设备维修更换提供了科学依据。Windows 2000 Server的IIS (Internet Information Service)功能使全厂的相关部门可通过Web浏览器方式浏览数据库信息及检索数据。 
    3）以太网也可作为两厂区控制网络的备用路由。
    应用效果