DISTRIBUTED ConTROL SYSTEM baseD ON CC-link
FIELDBUS IN THE BOPP FILM PRODUCT LINE
LI Zhong1,2, LI Yan2, YU Meng-hong2, CHEN Hong-wei2 , HE Zu-jun2
（Dept. of Electronics and Information, East China Shipbuilding Institute, Zhenjiang 212003 China）
Abstract The paper introduces a distributed control system based on CC-link fieldbus in the BOPP film product line. Mitsubishi Q02CPU PLC is used in the system and 590 series controller is used as its DC driver. Several measured signals are transmitted to PLC via CC-link and distributed I/O modules such as AJ65SBTB1-16D, FX2N-32CCL, etc. In this paper the process of BOPP film production and the characteristic of CC-link are introduced. Because the product line is continued working, its devices are spread around 80 meters, and its controlled process is complex. For above reasons, the distributed control system is consisted of 4 subsystems with relative independent function. Viz. the speed chain drive control system, the temperature control system, the film thick measured system and the auxiliary control system. The actual application shows that the distributed control system is simple, reliable and good real-time. There is a powerful demonstration for the its further application.
KEY WORDS fieldbus; CC-link; distributed control; BOPP; PLC; IPC; single-chip microcomputer
摘要 本文介紹了一種BOPP薄膜生產(chǎn)線的CC-link現(xiàn)場總線集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用三菱Q02CPU PLC，直流傳動采用590系列直流調速器，多種檢測信號通過分布式I/O組件AJ65SBTB1-16D、FX2N-32CCL等，經(jīng)由 CC-link傳送至PLC。文中簡要介紹了BOPP薄膜生產(chǎn)過程及CC-link結構特點，由于該生產(chǎn)線連續(xù)作業(yè)，設備分布較分散約80米，控制過程較為復雜，因此整個集散控制系統(tǒng)在功能上由4個相對獨立的子系統(tǒng)組成，即速度鏈傳動控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測厚系統(tǒng)及輔助控制系統(tǒng)。實際應用表明該系統(tǒng)簡潔、可靠，實時性強，為今后進一步的應用提供了有力實證。
關鍵詞 現(xiàn)場總線；CC-link；集散控制；BOPP；PLC；工控機；單片機
中圖分類號 TP273，TP391 文獻標識碼：A
1 引言
BOPP是Biaxial Oriented PolyPropylene （雙向拉伸聚丙烯）的縮寫，BOPP薄膜具有拉伸強度大，透明度高，保鮮性好、光澤明亮、彩印鮮艷、外觀裝飾華貴等優(yōu)點，而且還具有很高的機械強度和附著力以及極好的化學性和良好的化學穩(wěn)定性（與名種酸、堿、鹽不發(fā)生化學反應），耐水耐熱，是一種高級塑料包裝材料，廣泛應用于香煙、服裝、食品、印刷品等、也可做粘膠帶基及電容器的電介質。
BOPP薄膜生產(chǎn)線工作原理是：根據(jù)薄膜生產(chǎn)工藝要求，將擠出機及機頭的各節(jié)筒體分別加熱到不同的工作點，按配方通過料斗不斷地注入料粒；熔融狀的物料由機頭擠出后，經(jīng)過冷卻輥冷卻，形成窄而厚的薄膜厚片；薄膜厚片經(jīng)過儲片架整理后，被送入縱向拉伸區(qū)，根據(jù)工藝要求由慢速輥和快速輥進行2.5～5.0倍的縱向拉伸處理；橫向拉伸區(qū)用于實現(xiàn)薄膜的第二次拉伸，即橫向拉伸，該區(qū)域涉及薄膜的橫拉分區(qū)加熱控制、同步傳動控制、破膜檢測及其處理等問題，是實現(xiàn)有效成膜的關鍵之一；薄膜經(jīng)過雙向拉伸（即縱拉和橫拉）后，被送入后處理區(qū)域進行后續(xù)工藝的處理，再經(jīng)過上卷輥整理，由兩臺收卷輥輪換進行恒張力收卷，最終形成成品膜。
BOPP薄膜生產(chǎn)線全長約80米，如圖1所示，其中主要包括1：擠出機及機頭系統(tǒng)；2：冷輥裝置；3：前掃描測厚裝置；4：儲片架；5：縱向拉伸區(qū)域；6：橫向拉伸區(qū)域；7：橫拉輥裝置；8：后處理區(qū)域；9：后掃描測厚裝置；10：上卷輥裝置；11：收卷區(qū)域。
為了進一步提高控制系統(tǒng)的可靠性和自動化程度，便于系統(tǒng)功能的擴充，提出在原有生產(chǎn)設備的基礎上采用CC-link現(xiàn)場總線等技術對控制系統(tǒng)進行改造。建立起由PLC、分布式控制模塊、工控機、單片機及智能儀表組成的集散控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的集散控制、工藝曲線的實時顯示、關鍵參數(shù)的存儲等，便于生產(chǎn)管理和提高產(chǎn)品質量。
2 集散控制系統(tǒng)結構設計
2.1 CC-link開放式現(xiàn)場總線
CC-link是Control & Communication link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度可多級選擇，最高達10Mbps。它是一個復合的、開放的、適應性強的網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠適應于較高的管理層網(wǎng)絡到較低的傳感器層網(wǎng)絡的不同范圍[1]。CC-link是一個以設備層為主的網(wǎng)絡，整個一層網(wǎng)絡可由一個主站和六十四個從站組成。網(wǎng)絡中的主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現(xiàn)場儀表設備。采用第三方廠商生產(chǎn)的網(wǎng)關還可以實現(xiàn)從CC-link到ASI總線的連接。
CC-link的底層通信協(xié)議遵循RS485，一般情況下，CC-link主要采用廣播輪詢的方式進行通信，CC-link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信[2]。具體方式為：主站將刷新數(shù)據(jù)RY/RWw發(fā)送到所有從站，與此同時輪詢從站1；從站1對來自主站的輪詢作出響應RX/RWr，并將該響應同時告知其它從站；然后主站輪詢從站2（此時并不發(fā)送刷新數(shù)據(jù)），從站2給出響應，并將該響應告知其它從站；依次類推，不斷循環(huán)，圖2所示為廣播輪詢時的數(shù)據(jù)傳輸幀格式。除了廣播輪詢式的循環(huán)通訊方式外，CC-link還提供主站、本地站及智能設備站之間的信息瞬時傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數(shù)據(jù)將以150字節(jié)為單位分割，并以150字節(jié)傳遞。若從從站傳遞到主站，每批信息數(shù)據(jù)最大為34字節(jié)。瞬時傳送需由專門指令來完成，但不會影響循環(huán)通訊的時間。
2.2 集散控制系統(tǒng)結構
考慮到BOPP薄膜的生產(chǎn)工藝特點及其復雜性等因素，本文設計并構造的集散控制系統(tǒng)結構如圖3所示。在該CC-link現(xiàn)場總線網(wǎng)上，Q02CPU是主站，QJ61BT11作為接口
模塊。從站有兩大類：一類是遠程I/O站，由AJ65BTB2-16R和AJ65SBTB1-16D遠程I/O模塊組成，共8個模塊，每個模塊占用1個邏輯從站資源，主要用于實現(xiàn)對各直流調速電機的起停、切換、聯(lián)鎖、故障等控制和檢測；另一類由FX2N-32CCL和A80BDE-J61BT13遠程設備模塊構成，共5個模塊，考慮到所要傳輸?shù)男畔⒘枯^大，在這里每個模塊被設計成占用4個邏輯從站資源，主要用于實現(xiàn)與FX2N-80MR PLC和工控機的連接[3]。因此，整個CC-link網(wǎng)絡由一個主站和28個邏輯從站構成。
該集散控制系統(tǒng)除了應用CC-link網(wǎng)絡外，還采用了其它通訊網(wǎng)絡方式對系統(tǒng)各局部區(qū)域進行控制，如RS-422、RS-485等。
前部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站9#~12#）通過FX2N-485BD板卡，采用RS-422網(wǎng)絡對擠出機、冷輥電機、慢速輥電機、快速輥電機和橫拉輥電機共5臺直流電機進行控制與檢測；后部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站17#~20#）采用相同的RS-422方式對后處理電機、上卷輥電機、收卷1電機和收卷2電機共4臺直流電機進行控制與檢測，它們共同實現(xiàn)對速度鏈傳動控制子系統(tǒng)的控制。此外，位于前操控臺的FX2N-80MR PLC（從站13#~16#）和位于后操控臺的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）分別通過其RS-422編程口與各自的單片機系統(tǒng)相連，用于實現(xiàn)調速電機的速度設定、速度顯示、調速器內部狀態(tài)監(jiān)測等。
工控機IPC1（從站25#~28#）采用RS-485通訊網(wǎng)絡，通過CD901智能儀表對整個溫控子系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制，該溫控子系統(tǒng)包括對擠出機、機頭、縱向拉伸和橫向拉伸共34個獨立的加熱區(qū)的溫度控制。另外，位于后操控臺的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）還通過FX2N-485BD板卡，采用RS-485通訊方式與張力控制器LE-40MTB相連，用于實現(xiàn)對薄膜左、右張力的檢測與恒張力收卷控制。
工控機IPC1還有一個重要的任務就是控制并驅動前掃描測厚裝置，檢測并顯示薄膜厚片的厚度，以及顯示傳動子系統(tǒng)、溫控子系統(tǒng)的關鍵工藝參數(shù)情況，便于工藝技術人員及時調整相關參數(shù)，保證產(chǎn)品質量。工控機IPC2主要用于控制、驅動后掃描測厚裝置，檢測并顯示成品膜的厚度，產(chǎn)品的最終公差分布情況在這里得到充分的體現(xiàn)。IPC1與IPC2被置于同一個電控柜中，由于距離相隔很近，因此采用RS-232C通訊方式將它們連接起來，進行數(shù)據(jù)共享。這兩臺工控機共同構成了薄膜測厚子系統(tǒng)。
2.3 一個集散控制流程簡例
圖4所示是該集散控制系統(tǒng)對其中的后處理電機進行控制的過程，圖中2、3、6、7、9表示CC-link網(wǎng)絡，1和8表示從站（21#~24#）通過其RS-422編程口與單片機進行數(shù)據(jù)交換，4和5表示從站（17#~20#）通過其485BD板卡與直流調速器進行RS-422數(shù)據(jù)通訊。來自碼盤的數(shù)值經(jīng)1、2、3、4傳輸后，進入DC調速器6，作為后處理電機的速度設定值，該調速器與光碼共同組成一個獨立的轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外，后處理電機的實際轉速值經(jīng)5、6、7、8傳輸后，轉換為當前的薄膜生產(chǎn)線的線速度，由LED顯示出來，供操作人員使用，同時該線速度還經(jīng)由9被傳輸至IPC1，供工藝技術人員集中使用。
3 集散控制子系統(tǒng)設計
由于BOPP薄膜生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝復雜、生產(chǎn)設備及種類繁多、安裝地點較為分散，因此該集散控制系統(tǒng)涉及多CPU類型（PLC、IPC、單片機）、多種通訊網(wǎng)絡結構（CC-link、RS-422、RS-485、RS-232C），它們共同組成一個有機的整體。本文設計的集散控制系統(tǒng)在控制功能上可以分為四類控制子系統(tǒng)：速度鏈傳動控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測厚系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。
3.1 速度鏈傳動控制系統(tǒng)
3.1.1 速度鏈傳動
生產(chǎn)線的主傳動系統(tǒng)由擠出機電機、冷輥電機、慢速輥電機、快速輥電機、橫拉輥電機、后處理電機、上卷電機、收卷1電機和收卷2電機組成，它們分別由DC調速器1～調速器9來驅動，電機轉速設定值由操控臺上的碼盤值間接給出。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，除擠出機電機單獨控制外，其余7臺電機（注：收卷1和收卷2不同時使用）必須保持嚴格的同步速度，即要求按照特定的速度鏈進行增/減速，且本級電機的速度變化只能影響本級和后續(xù)各級，不允許改變前面各級電機的速度。
設碼盤值M0~M6分別表示調速器2～調速器8的轉速設定系數(shù)，N0～N6分別表示調速器2～調速器8的轉速設定值的百分比。則速度鏈由下式表示：
其中Ki表示對應碼盤值的基值常數(shù)。由式（1）易知，N0僅受自身碼盤M0的控制，與其它碼盤值無關。另外，當任一碼盤值Mi改變時，它只影響自身和其后的設定值Ni~N6，而不影響其前面的設定值N0～Ni-1。
3.1.2 傳動控制
主傳動控制分為前部傳動控制和后部傳動控制兩部分，它們獨立構成自己的二級RS－422網(wǎng)絡。前部傳動控制由從站9#~12# PLC與調速器1～5組成，后部傳動控制由從站17#~20# PLC與調速器6～9組成，其中，從站9#~12# PLC和從站17#~20# PLC既作為CC-link網(wǎng)絡的從站，又作為二級RS－422網(wǎng)絡的主站。圖5所示表示該二級網(wǎng)絡的主站與單臺調速器進行參數(shù)的讀寫通訊過程，與多臺調速器進行讀寫控制時，是采用逐臺通訊、輪換進行的，通訊波特率最高為19200波特，實踐表明完全滿足系統(tǒng)的實時性要求。
圖6所示表示快速輥在速度鏈傳動控制過程中的轉速控制方式。根據(jù)單機/聯(lián)動選擇開關可以實現(xiàn)快速輥的單個控制方式和速度鏈控制方式，圖中的“碼盤值”表示快速輥的速度可以由操控臺上的碼盤進行在線修改；“固定值1”表示穿片速度，此時快速輥與慢速輥的線速度相同；“固定值2”表示在薄膜生產(chǎn)過程中，若出現(xiàn)破膜信號，則快速輥及其后續(xù)主傳動輥立即降至某一固定值，便于操作人員進行處理。
3.2 溫控系統(tǒng)
溫控系統(tǒng)主要由工控機、34套CD901溫控儀、RS－232C/RS－485轉換器、功率模塊等組成。工控機對溫控系統(tǒng)的溫度設定及實時溫度監(jiān)測是采用RS－485通訊方式實現(xiàn)的，圖7所示為溫控系統(tǒng)的通訊控制過程。系統(tǒng)采用ASCII碼傳輸模式，可以對設備地址、波特率、數(shù)據(jù)位和校驗位等進行設定。本系統(tǒng)采用9600bps、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗、1位停止位，ID地址范圍為1～34。首先工控機發(fā)送EOT（04H）進行數(shù)據(jù)初始化，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，表1表示工控機查詢參數(shù)的數(shù)據(jù)格式。溫控儀接收到數(shù)據(jù)后，便發(fā)出相應的響應數(shù)據(jù)，表2表示溫控儀響應工控機查詢過程的數(shù)據(jù)格式。表3表示工控機參數(shù)寫入過程的數(shù)據(jù)格式，當溫控儀接收到正確的參數(shù)寫入命令后，則發(fā)出ACK（06H）響應信號；當接收到不正確的指令數(shù)據(jù)時，則發(fā)出NAK（15H）信號。其中Device address為溫控儀的ID地址，STX（02H）表示開始控制字符，Identifier為操作符，DATA表示操作數(shù)據(jù)，ETX（03H）為數(shù)據(jù)結束字符，BCC為校驗碼（異或和）。
溫度的設定與監(jiān)測都要首先由工控機向溫控儀發(fā)送數(shù)據(jù)，每批數(shù)據(jù)的發(fā)送均要占用一定的系統(tǒng)時間（約3ms）。由于CD901的通訊為應答式方式，因此不能只是不斷地向溫控儀發(fā)送數(shù)據(jù)，而應采取分時方式進行處理。為確保通訊過程的正常進行，用10ms的時間發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，若通訊失敗就重復發(fā)送，重復次數(shù)超過3次則認為通訊故障并報警。若發(fā)送成功，此時還不能立即發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)，要等溫控儀返回正確的通訊數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)。工控機發(fā)送的數(shù)據(jù)指令含有ID地址，當數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，只有符合指定ID地址的溫控儀才會返回正確的應答數(shù)據(jù)，這樣就可以根據(jù)工控機發(fā)送的ID號來鑒別是哪個溫控儀返回的數(shù)據(jù)了。由于該RS－485通訊的波特率設置為9600bps，而溫控系統(tǒng)慣性大，溫度變化較慢，實際應用證明完全滿足工程要求。
此外，考慮到溫度設定過程的隨機性特點，在本系統(tǒng)中建立了一個監(jiān)控線程來專門監(jiān)測設定溫度值的變化情況，一旦設定值發(fā)生變化就將溫度監(jiān)測線程掛起，發(fā)送新的溫度設定值，設定成功后繼續(xù)恢復對實時溫度值的監(jiān)測。這樣利用MFC自帶的多線程功能，充分利用了Windows的多任務處理功能。多串口數(shù)據(jù)的接收也采用線程的方法，建立一個線程來監(jiān)視串口是否有新的數(shù)據(jù)，一旦有新數(shù)據(jù)則將其保存，并繼續(xù)監(jiān)測串口。
3.3 測厚系統(tǒng)
BOPP薄膜測厚系統(tǒng)由兩個獨立部分組成，一個是前掃描測厚系統(tǒng)，用于測量薄膜厚片的厚度；另一個是后掃描測厚系統(tǒng)，用于測量成品膜的厚度。它們分別由IPC1和IPC2工控機進行測控，雖然它們地處生產(chǎn)線不同位置，且相對獨立，但測量原理、基本功能及結構大致相似。均由V型掃描架、掃描驅動裝置、控制器及掃描傳感器等組成，在掃描架上裝有自動/手動、掃描、退出、樣品、參考等觸點開關和方式、狀態(tài)指示燈等，同時還配有電機用來驅動掃描傳感器的往復運動等。
測厚系統(tǒng)軟件采用VC編寫，以充分利用其圖形和對硬件接口的直接操作功能，軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理模塊和掃描工作模塊兩部分。系統(tǒng)管理模塊主要用于系統(tǒng)參數(shù)的修改、顯示測量曲線、復制圖表、在線打印工作參數(shù)及控制掃描架工作狀態(tài)等。掃描工作模塊受系統(tǒng)管理模塊控制，主要具有4種工作方式：掃描工作方式、退出掃描方式、參考工作方式和樣品工作方式。圖8所示為后掃描工作模塊程序流程圖。
掃描工作方式是4種工作方式的核心部分，用于完成對測量系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集及后續(xù)處理等功能。退出掃描方式用于當出現(xiàn)破膜現(xiàn)象時，系統(tǒng)自動退出當前對薄膜的掃描測量過程，為進入其它工作方式作準備。參考工作方式用于檢查傳感器的穩(wěn)定性，此時系統(tǒng)自動進行背景計數(shù)、空氣計數(shù)和旗計數(shù)，并自動計算出旗空比，若旗空比為0.75，則表明傳感器的工作是穩(wěn)定的。樣品工作方式用于進行樣品試驗，由于生產(chǎn)原料的差異性，會造成薄膜測厚的基準的變化，因此當改變原料時，通過對新樣品的試驗，獲得對新基準的修正參數(shù)，校正測量值以提高測量的準確性。
3.4 輔助控制系統(tǒng)
輔助控制系統(tǒng)主要包括對儲片架升降、換卷系統(tǒng)、羅茨風機、排風風機、跟緊輥、自動注油系統(tǒng)、恒張力收卷等的控制。圖9所示是雙收卷輥在自動換卷方式下的狀態(tài)轉移圖[4]。
4 結束語
本文所述集散控制系統(tǒng)已于2002年11月成功應用于常州市絕緣材料總廠BOPP薄膜生產(chǎn)線上，至今生產(chǎn)線運行可靠，控制性能良好。實踐還表明該系統(tǒng)可擴展性好，適應性強，明顯縮短了系統(tǒng)的研制周期，節(jié)省了大量控制線纜。本系統(tǒng)的成功應用為今后進一步的類似使用提供了有力實證。
參考文獻
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李眾: 男，1964年3月出生，副教授，南京航空航天大學自動化學院博士研究生。現(xiàn)工作單位：華東船舶工業(yè)學院電子與信息系，已發(fā)表論文三十余篇，已獲省、部級科技進步二、三等獎多項。研究方向為電氣自動化、智能控制。本課題為企業(yè)重點攻關項目。
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