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€、運動控制網(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)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。輪胎制造業(yè)的興盛把中國的橡膠機(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新的高度。筆者結(jié)合自己的應(yīng)用體會，以輪胎制造過程當(dāng)中控制相對復(fù)雜的輪胎一次法成型機(jī)為例，對通訊網(wǎng)絡(luò)在其間的應(yīng)用作簡單的介紹。一般來講，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交互式的控制網(wǎng)絡(luò)。如圖1：

系統(tǒng)說明：

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)動部分我們采用的是運動控制網(wǎng)絡(luò)SERCOS（光纖環(huán)網(wǎng)）。

下面為幾種通訊方式的簡單介紹：

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、會話層、表示層和應(yīng)用層。通過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，但是由于通過不同的通訊協(xié)議，對不同的層進(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。通過這種通訊方式，HMI和PLC可以通過雙絞屏蔽線（電纜的長度不超過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大數(shù)據(jù)量、高速度數(shù)據(jù)交換的場合要求。

在該系統(tǒng)中，通過簡單的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，我們在人機(jī)界面中可以對整臺機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對報警和錯誤進(jìn)行處理，還可以通過簡單的操作完成配方的切換，來達(dá)到生產(chǎn)不同規(guī)格輪胎的目的，從項目的實施效果來看，以太網(wǎng)完全能夠滿足我們預(yù)期的大數(shù)據(jù)量，高速度實時通訊的要求。

技術(shù)特點：

·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，即在一個邏輯環(huán)中，主站成為一個確定時間窗口的令牌保持者，在這個時間窗口內(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)字量點多且分散的特點，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，通過各從站相對集中的數(shù)據(jù)采集，和各從站和主站之間的相對分散，我們很好地解決了線路搭接復(fù)雜，效率低的問題。

技術(shù)特點：

·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個終端需要安裝120Ω的終端電阻；如果節(jié)點數(shù)目大于2，中間節(jié)點不需要安裝120Ω的終端電阻。對于分支連接，其長度不應(yīng)超過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 :每一個連接到總線的站點都在接收其它站點的信息.然后決定他們的動作,是否回答相關(guān)指令。 CAN 協(xié)議授權(quán)所有的站點同步訪問總線。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便，我們選用了使用變頻器自身支持的總線方案，通過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)速控制變得更加簡單。

技術(shù)特點：

·CANopen網(wǎng)絡(luò)中，則采用了中心授權(quán)機(jī)制，通過一個NMT-Master對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理
·CANopen的通信機(jī)制簡單，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)

運動控制網(wǎng)絡(luò)：

二十世紀(jì)九十年代初期問世的SERCOS（串行光纖鏈路）是第一種被廣泛采用的開放式運動控制網(wǎng)絡(luò)（IEC/EN 61491）。它采用光纖傳輸信號，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，最多可帶254個節(jié)點。SERCOS可以高性能、穩(wěn)定地運行，支持超過500余種標(biāo)準(zhǔn)IDN功能（IDN=識別號，用于訪問對象和屬性）。

在本系統(tǒng)中，如圖3：采用光纖環(huán)網(wǎng)的SERCOS伺服運動控制系統(tǒng)對成型機(jī)上的伺服電機(jī)進(jìn)行控制,使每個軸的伺服驅(qū)動器與伺服運動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：

·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
·通過網(wǎng)絡(luò)，運動控制器可以直接對驅(qū)動器進(jìn)行配置，避免采用其它單獨的驅(qū)動器配置軟件帶來的不便
·在設(shè)備替換時，自動對驅(qū)動器進(jìn)行配置
·為運動控制器提供全面、豐富的驅(qū)動器診斷和狀態(tài)信息
·支持高分辨率、多轉(zhuǎn)絕對位置反饋
·支持?jǐn)?shù)字式、高分辨率控制命令
·支持驅(qū)動器位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制運行模式。其中，位置模式可以實現(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)范簡潔的網(wǎng)絡(luò)得到大大改善。在該項目實施過程中，我們成功解決了一次法成型機(jī)要求的自動化程度高，響應(yīng)速度快，精度高，操作要求簡單化這一系列難題。并最終得到用戶的認(rèn)可。