乳品加工是個多區域、多工藝協調運作的控制過程。因為最終產品和人體健康密切相關，所以對控制系統的精度、可靠性和實時性都提出了很高的要求。本文介紹了某乳品企業在對生產線進行改造時，成功地將A-B設備層、控制層、信息層網絡應用到整個生產的自動化管理，大規模應用現場總線技術，并取得了巨大的經濟效益。 2002年，東北地區某乳品廠進行生產線擴建改造。該廠原來曾采用了眾多的PLC-5和SLC500系列產品，并通過DH+連接在一起。此次改造，該廠生產能力將擴大一半以上，改造過程涉及到原有控制系統的升級、替換和刪除。 鮮奶是不易保存的，所以整個乳品廠工程中最關鍵的問題，是如何在不停產的基礎上，將原有功能和原有現場I/O設備的控制完整切換到新系統上。其次，是該如何采用一個更為合理、更為先進、更為可靠的方案，以適應變頻器、智能化儀表等設備在工程上的大量應用。 為此該工程選用了ControlLogix系統，通過其強大的網絡功能，包括EtherNet、ControlNet和DH+等，成功地實現了不停產切換和擴建改造。竣工后的系統信息層采用快速以太網為紐帶，實現了工控信息的發布和共享；控制層則以ControlNet為骨干，兼容DH+，有效地規劃了系統負荷，使網絡更快速更安全；設備層選用了RIO和DeviceNet，不僅大大節省了用戶投資和現場工作量，還使得信息更全面，實現了更靈活、更智能化的控制。 A-B現場總線技術概述 乳品加工是一個復雜的多工藝協調控制系統，它包括產品制造系統：奶源、凈乳、配方、濃縮、干燥、干混、包裝；服務系統，如：蒸汽、熱風、制冷、清洗；此外還有：凈化水、污水處理等系統。因為最終產品和人體健康密切相關，所以對控制系統的精度、可靠性和實時性都提出了很高的要求。 與其它品牌自動化產品相比，A-B強大的網絡通訊功能是一大顯著優勢。NetLinx開放式網絡結構包含了信息層、控制層和設備層三層網絡，NetLinx結構把網絡服務、CIP（控制和信息協議）以及開放式軟件接口結合在一起。根據特定的應用需求，用戶可以混合搭配一層、兩層或全部三層網絡，并可以在網絡間無縫地傳送數據。在該網絡結構體系下，羅克韋爾自動化的Logix平臺為用戶提供了不同格式下控制的兼容性。 以太網（Ethernet） 以太網技術在近十幾年來發展得非常迅速。由于其應用的廣泛性和技術的先進性，不僅壟斷了商用計算機的通信領域和過程控制領域中上層的信息管理與通信，而且在工業控制領域也得到了大規模的應用，并且也是今后工業現場網絡發展的趨勢。EtherNet工業協議（EtherNet/IP）是一個開放式工業網絡標準，采用IEEE 802.3物理介質及數據鏈路標準，提供了實時I/O消息和對等信息通訊。典型情況下，EtherNet/IP網絡采用有源星型拓撲結構，設備組按點對點方式連接到交換機。交換機提供虛擬連接，有助于控制網絡碰撞并減少網絡堵塞。羅克韋爾自動化產品中，PLC-5 E系列和SLC5/05系列及ControlLogix產品都提供了以太網接口。 DH+（Data Highway Plus） DH+（Data Highway Plus）是一種較早投入使用的工業局域網，可用于PLC、計算機、人機界面產品等之間進行數據傳送。所有的增強型PLC-5及SLC5/04都有內置的DH+通訊口，加上DH+使用便宜的網絡介質和最長達3000米的傳輸距離，它在各行業都得到了廣泛的應用。但是，由于DH+網采用令牌傳送協議，在節點過多時（超過20個）可導致傳輸實時性的降低，在此情況下，不適合于對安全及連鎖控制實時性要求較高的控制場合。 ControlNet ControlNet是90年代以后開發和應用的自動化及控制網絡，該網絡集數種網絡的優點于一身，擁有I/O、PLC互鎖、信息傳輸以及在同一網上編程等功能。它是一種用于對信息傳送有時間苛刻要求的、高速確定性網絡。同時它允許傳送無時間苛求的報文數據，但不會對有時間苛求的數據傳送造成沖擊。ControlNet采用了生產者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網絡上的所有節點，同時從單個的數據源存取相同的數據。其最主要的特點是：更強的系統功能；更高的效率，因為數據的發送與客戶的數量無關；精確的同步化，因為數據同時到達每個節點。 DeviceNet是一個開放的網絡，可以將底層的設備直接與車間級控制器相連，如：限位開關、光電傳感器、變頻器、電力監控模塊及觸摸屏等，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接。這種連接極大的改進了設備間的通訊功能，并可提供診斷、預測故障等功能。 工程實施過程 在此工程中，舊系統核心部分是一個PLC-5/80處理器，其RIO接口連接著十余個Flex I/O節點。切換過程分為三步進行。第一步，在ControlLogix機架上安裝一1756-DHRIO模塊，通道1組態為DH+類型，與PLC-5/80連接；通道2組態為RIO類型，并按新舊節點之和進行配置。此機架上處理器被稱為“IOProcessor”。 第二步，在生產線清洗間隙將原有節點移到新網絡上，程序中作如下改動：屏蔽PLC-5/80程序中的通信錯誤告警；通過DH+網將設備控制文件傳送到IOProcessor進行輸出，執行后設備反饋再傳回PLC-5/80。重復這一步驟，直到將所有Flex I/O節點全部連接到基于IOProcessor控制的網絡上，此時邏輯與I/O控制已分離，在新的人機界面上可以實現所有設備的手動控制。 第三步，在稱作“Logic”的ControlLogix處理器上進行功能測試。調試階段，新老處理器執行同樣的操作員指令，新處理器將仿真輸出的結果與老處理器進行比較、修正。調試通過后，屏蔽老處理器該功能和與IOProcessor的通訊，并將Logic的輸出指令通過背板傳送到IOProcessor中。同時，按生產工藝變動情況補充新代碼。就這樣，在保證生產正常進行的前提下，成功完成了系統的升級換代。 在新上的蒸發器和干燥塔系統中，通過帶DeviceNet適配器的Flex I/O實現了限位開關、過程變量等參數的采集和閥門、電機、變頻器的控制。 作為網絡掃描器的1756-DNB它最多可以容納63個節點，輸入輸出容量分別為124、123個雙字。在網絡配置中，每個1794-ADN占用1個輸入字；開關量模塊（1794-IB16和1794-OB16）分別占用1個輸入或輸出字；模擬量模塊（1794-IE8和1794-OE4）每通路占用1個輸入或輸出字；變頻器通過播碼或軟件設置為3個輸入和輸出雙字，這樣，處理器可從變頻器上最多采集包括頻率在內的5路參數，并且其中4路可通過人機界面進行選擇切換并顯示。 Panelview取代了大量的控制按鈕和現場指示儀表，整個系統極為簡潔和高效。根據電力監控模塊1年來的數據分析，由于變頻器等設備的大量采用，新系統生產耗電量較同等規模原系統節省30%以上。 調試結束后，按照標準配置組態了數個空節點作為備用。在2個月后進行的新維生素和玉米油項目中，都作到了邊生產邊擴建，最大限度節省了用戶的時間，保證了經濟效益。這也充分體現出DeviceNet高度的靈活性。 通訊網絡的重新架構是本工程的一大特色。該廠原有控制系統都采用的是PLC-5或SLC500系列產品，通過DH+網進行連接，網絡負荷重，通訊速度慢。以ControlNet為骨干，根據物理分布和邏輯關系將原有網絡拆分為3段DH+網絡，不同DH+網間傳輸信息通過ControlLogix的消息指令中轉或采用LinkID方式進行。信息層采用了百兆以太網，通過雙絞線和光纖將新老廠區及網管中心連接在一起。主要功能有三： 1）與人機界面的通訊，如數據采集、實時監控等。以太網的通用性使人機界面的擴展變得非常簡單，且無需使用昂貴的專用插件。同時，在軟件中可以廣泛利用發展中的各種計算機和網絡技術，系統具有近乎無限的擴展能力。 2）與網管中心聯網。系統軟件采用Windows 2000 Server和成熟的關系數據庫管理軟件。通過MSSQL數據庫結構，軟件將控制系統的實時數據庫轉化到MSSQL關系數據庫中，進而完成全廠關鍵設備參數、能源材料消耗等信息的統計，為高效生產、合理調度及設備維修更換提供了科學依據。Windows 2000 Server的IIS (Internet Information Service)功能使全廠的相關部門可通過Web瀏覽器方式瀏覽數據庫信息及檢索數據。 3）以太網也可作為兩廠區控制網絡的備用路由。 應用效果 系統運行一年多來的實際結果表明，A-B現場總線產品的應用，在安全生產、節能降耗等方面發揮了重要作用，設備和網絡表現出了前所未有的可維護性和可擴展性，產品的產量和質量均有了穩步的提高，新產品也被不斷地開發出來。更為突出的是，工控系統與信息技術的結合，有效地實現了企業的進銷存規范化管理，帶來了巨大的經濟和社會效益。