HART通讯协定在现场仪表远程通讯中的实现

HART通讯协定在现场仪表远程通讯中的实现

一、HART协定简介

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer），可寻址远程传感器高速通道的开放通讯协定，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通讯协定。

　　HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通讯，经过10多年的发展，HART技能在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协定采纳基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的 4mA～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给节制体系模拟信号的大小，保证了与现有模拟体系的兼容性。



　　在HART协定通讯中，重要的变量和节制信息由4mA～20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、历程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协定访问。

　　HART通讯采纳的是半双工的通讯法子。HART协定参考 ISO/OSI（开放体系互连模型），采纳了它的简化三层模型构造，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层利用层。

第一层：物理层。规定了信号的传输法子、传输介质，为了实现模拟通讯和数字通讯同时进行而又互不干扰，HART协定采纳频移键控技能 FSK，即在4mA～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采纳 Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“0”，2200Hz代表逻辑“1”，信号幅值0.5A，如图1所示。



通讯介质的选择视传输距离长短而定。通常采纳双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可到达1500ｍ。线路总阻抗应在230Ω～1100Ω。

　　第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现创建、保护、终结链路通讯功效。HART协定依据冗余检错码信息，采纳主动反复恳求发送机制，打消由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无过错传送。

　　现场仪表要实行HART指令，操作数必需合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停滞位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包括25个字节。

　　第三层：利用层。为HART命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。

二、现场仪表HART协定远程通讯硬件设计

某现场仪表的HART协定部分重要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现对重要变量和测量、历程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。图2是HART协定通讯模块构造设计框图。


HART通讯部分重要由D/A转换和Bell202 MODEM及其从属电路来实现。其中，D/A变换作用是直接将数字信号转换成4mA～20mA电流输出，以输出重要的变量。Bell202 MODEM及其从属电路的作用是对叠加在4mA～20mA环路上的信号进行带通滤波放大后，HART通讯单元如果检测到FSK频移键控信号，则由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”的数字信号，通过串口通讯交MCU，MCU接受命令帧，作相应的数据处理。然后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，波形整形后，经AD421叠加在环路上发出。

　　D/A变换器采纳AD421，它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电，16位数字信号以串行法子输入，可以将数字信号直接转换成4mA～20mA电流输出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决规划，采纳16引脚DIP、TSSOP、SOIC封装，可实现低成本的远程智能工业节制。AD421包括串行输入16位 D/A（数字/电流 ）转换，除自身用电外，还提供可选择的（5V，3.3 V或 3 V）稳压输出供变送器其他部分用电。

　　HART MODEM采纳 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202标准的半双工调制解调器，实现HART协定规定的数字通讯的编码或译码。该芯片专为 HART仪器设计，片内集成了符合 BELL202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测节制电路。性价比较高，16脚 DIP和28脚PLCC封装，在+5V供电时工作电流80μA。HT2012与微节制器交换数字信号，同AD421作模拟信号接口。它一方面与MCU的异步串行通讯口进行串行通讯，一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号，再经AD421叠加在4mA～20mA的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号解调为数字信号，从而实现HART通讯。

　　对于HART MODEM所需要的输入时钟，采纳7.3728MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次4分频，得到16分频的时钟。

　　由于HART数字通讯的要求，有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4mA电流上，因此全部硬件电路必需保证在3.5mA以下还能正常工作，因此实现体系的低功耗设计非常重要。

图3和图4分别是采纳的AD421和HT2012的外围电路图。



三、通讯的软件设计

　　HART通讯程序也即为HART协定数据链路层和利用层的软件实现，是全部现场仪表软件设计的症结。

　　在HART通讯历程中，主机（上位机）发送命令帧，现场仪表通过串行口中止接受到命令帧后，由MCU作相应的数据处理，产生应答帧，由MCU触发发送中止，发出应答帧，从而完成一次命令交换。

　　首先在上电或者看门狗复位后，主程序要对通讯部分进行初始化，重要包括波特率设定、串口工作法子设定、清通讯缓冲区、开中止等。

　　在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接受状态下，一旦上位机有命令发来，HT2012的载波检测口OCD变为低电平，触发中止，启动接受，程序就进入接受部分。然后完成主机命令的解释并依据命令去实行相应的操作，最后按必然的格式生成应答帧并送入通讯缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。

图5是串行接受恳求帧、回复应答帧程序的流程图。


在发送应答帧之后，再次进入期待状态，期待下一条主机命令。

四、结语

　　实践证明，上述法子具有构造简略、工作可靠的特点，完全符合HART协定，具有较好的通用性。

　　由于HART众多不容置疑的长处，使得它成为全球利用最广的现场通讯协定，已成为工业上适用的标准。因此在今后很长一段时代内，HART协定产品在国内仍然具有十分辽阔的市场。
HART通讯协定在现场仪表远程通讯中的实现

一、HART协定简介

　　HART（Highway Addressable Remote Transducer），可寻址远程传感器高速通道的开放通讯协定，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通讯协定。

　　HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通讯，经过10多年的发展，HART技能在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协定采纳基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的 4mA～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给节制体系模拟信号的大小，保证了与现有模拟体系的兼容性。



　　在HART协定通讯中，重要的变量和节制信息由4mA～20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、历程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协定访问。

　　HART通讯采纳的是半双工的通讯法子。HART协定参考 ISO/OSI（开放体系互连模型），采纳了它的简化三层模型构造，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层利用层。

第一层：物理层。规定了信号的传输法子、传输介质，为了实现模拟通讯和数字通讯同时进行而又互不干扰，HART协定采纳频移键控技能 FSK，即在4mA～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采纳 Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“0”，2200Hz代表逻辑“1”，信号幅值0.5A，如图1所示。



通讯介质的选择视传输距离长短而定。通常采纳双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可到达1500ｍ。线路总阻抗应在230Ω～1100Ω。

　　第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现创建、保护、终结链路通讯功效。HART协定依据冗余检错码信息，采纳主动反复恳求发送机制，打消由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无过错传送。

　　现场仪表要实行HART指令，操作数必需合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停滞位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包括25个字节。

　　第三层：利用层。为HART命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。

二、现场仪表HART协定远程通讯硬件设计

某现场仪表的HART协定部分重要完成数字信号到模拟电流信号的转换，并实现对重要变量和测量、历程参数、设备组态、校准及诊断信息的访问。图2是HART协定通讯模块构造设计框图。


HART通讯部分重要由D/A转换和Bell202 MODEM及其从属电路来实现。其中，D/A变换作用是直接将数字信号转换成4mA～20mA电流输出，以输出重要的变量。Bell202 MODEM及其从属电路的作用是对叠加在4mA～20mA环路上的信号进行带通滤波放大后，HART通讯单元如果检测到FSK频移键控信号，则由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”的数字信号，通过串口通讯交MCU，MCU接受命令帧，作相应的数据处理。然后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，波形整形后，经AD421叠加在环路上发出。

　　D/A变换器采纳AD421，它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电，16位数字信号以串行法子输入，可以将数字信号直接转换成4mA～20mA电流输出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决规划，采纳16引脚DIP、TSSOP、SOIC封装，可实现低成本的远程智能工业节制。AD421包括串行输入16位 D/A（数字/电流 ）转换，除自身用电外，还提供可选择的（5V，3.3 V或 3 V）稳压输出供变送器其他部分用电。

　　HART MODEM采纳 Smar公司的 HT2012，是符合Bell202标准的半双工调制解调器，实现HART协定规定的数字通讯的编码或译码。该芯片专为 HART仪器设计，片内集成了符合 BELL202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测节制电路。性价比较高，16脚 DIP和28脚PLCC封装，在+5V供电时工作电流80μA。HT2012与微节制器交换数字信号，同AD421作模拟信号接口。它一方面与MCU的异步串行通讯口进行串行通讯，一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号，再经AD421叠加在4mA～20mA的回路上输出，或者将回路信号经带通滤波、放大整形后取出FSK信号解调为数字信号，从而实现HART通讯。

　　对于HART MODEM所需要的输入时钟，采纳7.3728MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次4分频，得到16分频的时钟。

　　由于HART数字通讯的要求，有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4mA电流上，因此全部硬件电路必需保证在3.5mA以下还能正常工作，因此实现体系的低功耗设计非常重要。

图3和图4分别是采纳的AD421和HT2012的外围电路图。



三、通讯的软件设计

　　HART通讯程序也即为HART协定数据链路层和利用层的软件实现，是全部现场仪表软件设计的症结。

　　在HART通讯历程中，主机（上位机）发送命令帧，现场仪表通过串行口中止接受到命令帧后，由MCU作相应的数据处理，产生应答帧，由MCU触发发送中止，发出应答帧，从而完成一次命令交换。

　　首先在上电或者看门狗复位后，主程序要对通讯部分进行初始化，重要包括波特率设定、串口工作法子设定、清通讯缓冲区、开中止等。

　　在初始化完成之后通讯部分就一直处在准备接受状态下，一旦上位机有命令发来，HT2012的载波检测口OCD变为低电平，触发中止，启动接受，程序就进入接受部分。然后完成主机命令的解释并依据命令去实行相应的操作，最后按必然的格式生成应答帧并送入通讯缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。

图5是串行接受恳求帧、回复应答帧程序的流程图。


在发送应答帧之后，再次进入期待状态，期待下一条主机命令。

四、结语

　　实践证明，上述法子具有构造简略、工作可靠的特点，完全符合HART协定，具有较好的通用性。

　　由于HART众多不容置疑的长处，使得它成为全球利用最广的现场通讯协定，已成为工业上适用的标准。因此在今后很长一段时代内，HART协定产品在国内仍然具有十分辽阔的市场。

现场总线技术在聚丙烯双向拉伸薄膜生产线中的应用

摘要：本文主要分析了多种现场总线技术在聚丙烯双向拉伸薄膜生产线中的应用，介绍了几种总线的技术特点，分析了该控制系统的系统结构，阐述了多种现场总线应用于同一生产装置的可能性及在应用中存在的一些问题。

关键词：PLC；现场总线；工业以太网；网络化控制系统

Abstract: This paper analyzes the application of multiple field BUSes techniques in Biaxial
Oriented Polypropylene production lines.  The properties of Several BUSesand the systematic structure
of this control system are also introduced. .The possibility that multiple field BUSes are applied to
one BOPP line and their possible problem are introduced.

Key words: PLC; FieldBUS; Industrial Ethernet; Network control system

1 前言

   现场总线是一种计算机的网络通讯总线，是位于现场间的多个现场总线仪表与远端的监视控制计算机装置间的通信系统。广义上来说现场总线分为三类：即最低一级的执行器传感器现场总线、中间一级的设备现场总线和最高一级的全服务现场总线。执行器传感器现场总线适用于简单的开关量和输入输出位的通信，数据宽度仅限于“位”，如ASI总线等；设备现场总线适用于以字节为单位的设备和装置类通信，如Profibus-DP总线、Interbus总线等等；全服务现场总线又称为数据流现场总线，以报文通信为主，如Profibus总线、WORLDFIP总线、基金会现场总线（FF）等等。

2 系统简介

   聚丙烯公司的双向拉伸薄膜生产线由法国DMT公司引进2万吨/年双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生产线，控制系统采用施耐德公司TSX P574823M PLC，上位机采用监控软件iFIX，现场应用了ASI总线、WORLDFIP总线、Profibus总线、Interbus总线等几种现场总线。这套控制系统中，最底层采用ASI现场总线控制，用简单经济的方式将自动化控制层的最底层的执行器和传感器连接起来，与PLC或上层现场总线（Profibus， WORLDFIP ，Interbus）相连，从而控制聚丙烯双向拉伸薄膜生产线。

   系统组成如图1所示，PC1、PC2、PC3、PC5是操作站，PC8为工程师站，PC4为测厚系统的操作站。5套 PLC对生产线现场信号进行采集、处理和控制，并通过Ethway / TCP/IP 模块TSX ETY 110与Ethernet switch相连，连接到4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5进行监控，4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5通过Ethernet switch相连，可以直接通讯交换数据互不干扰、互不依赖，在4台操作站上可以相互调用、操作其它控制站所控设备；PC4测厚系统操作站通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过路由器连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯，组成聚丙烯双向拉伸薄膜生产线控制系统（CPCS）。




                     图1   双向拉伸薄膜生产线控制系统的系统结构

3 系统结构

3.1 ASI系统构成及技术特点

   ASI是（Actuator-Sensor-Interface) 是执行器-传感器-接口的英文缩写，是一种用来在控制器（主站MASTER）和传感器/执行器（从站SLAVE）之间双向交换信息的总线网络系统，针对的是工厂控制中最底层的位式传感器和执行器，ASI总线体系为主从结构，ASI主机和控制器（IPC、PLC、DC）总称为系统主站。从站有两种，一种是带有ASI通信芯片的智能传感器/执行器，另一种是分离型I/O 模块连接普通的传感器/执行器。主从站之间使用非屏蔽非绞接的两芯电缆，其中使用的标准ASI扁平电缆使用专利的穿刺安装方法，连接简单可靠。在2芯电缆上除传输信号外，还传输网络电源，是属于现场总线下层设备层的监控网络系统。

   ASI总线为主从结构，ASI主站是ASI总线系统的核心，由ASI主机和控制器(如PC、PLC等)组成。向下它要和各个从站之间进行通信，向上通过网关可以和多种现场总线进行连接，每个ASI 总线系统只有一个主站，最多可以带31个从站。它是一种低价位、高可靠性的现场总线，控制信息的传递非常简单和实用。ASI总线系统由主站、从站及传输系统3部分组成；而传输系统又由两芯传输电缆、ASI电源及数据解耦电路构成。

   ASI通信协议把主机的通信过程分为四层结构：传输物理层，传输控制层，执行控制层和主机接口层。它分别与OSI网络参考模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层相对应。传输物理层描述的是主机与ASI电缆的电气连接特性，其作用是监控收发脉冲的状况和保护电缆的传输信号不受各种干扰的影响，传输控制层主要负责主机与从机交换报文的管理工作。

   一个ASI报文由主站请求、主站暂停、从站应答和从站暂停4个环节组成。所有的主站请求都是14位，从站应答为7位，每一位的时间长度为6?s。主站暂停最少为3位，最多为10位。如果从站是同步信号，在主站3位暂停后从站就可以发送应答信号。如果不是同步信号，那么从站就必须在5位暂停后发送应答信号，因为在这段时间内从站会在接收到完整有效的请求信号后监测主站的暂停情况，看看是否还会有其它信息。但是如果主站在10个暂停位后没有接收到从站的应答信号的起始位，主站会认为不再有应答信号而发出下一个地址的请求信号。从站的暂停只有1位或2位的时间。主机呼叫的报文格式为：



ST SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 PB EB


   其中ST是起始位为0，SB是控制位A4~A0是从站地址，I0~I4是数据位，PB是奇偶校验位，EB是结束位为1。

   执行控制层位于传输控制层之上，执行相应的指令以实现其他层与该层的数据交换；主机接口层是用户和执行控制层之间命令传送的接口。

   ASI总线系统采用请求-应答的访问方式。主站先发出一个请求信号，信号中包括从站的地址。接到请求的从站会在规定的时间内给予应答，在任何时间只有1个主站和最多31个从站进行通信。一般访问方式有两种：一种是带有令牌传递的多主机访问方式；另一种是CSMA/CD方式，它带有优先级选择和帧传输过程。而ASI的访问方式比较简单，为了降低从站的费用、提高灵活性，一方面在不增加传输周期的条件下尽量包括更多的参数和信息，另一方面传输周期的时间应能自动调整，例如系统中只有6个从站时，传输周期为1ms，而有31个从站时周期约为5ms。如果在网上有短暂的干扰时，主站没有收到从站的应答信号或收到的是错误无效的信号时，主站可以重发信息而无需重复整个传输周期。

   ASI总线的传输系统是连接网络系统中主站、从站、电源、控制器、传感器/执行器的通路和桥梁。报文信号在传输系统中要经过多次的变换和恢复，并要抵抗各种外界的干扰以保证准确、快捷、可靠的信息交换，它是ASI总线系统中重要的组成部分。

3.2 WorldFip的特点

   WorldFip总线是面向工业控制的，其主要特点可归纳为实时性、同步性、可靠性。 WorldFip 目前使用的传输速率是31.5K、1M和2.5M。典型速率为1M bit/s。典型的传输介质是工业级屏蔽双绞线。对接线盒、9针D型插头座等都有严格的规定。每个网段最长为1公里。通过中继器(Repeater)以后可扩展到5公里。 WorldFip与Internet类似，使用曼彻斯特码传输，但它是一种令牌网，网络由仲裁器和若干用户站组成。

   WorldFip 将信息分为：周期性同步数据、周期性异步数据和非周期性消息包。同步数据严格地按确定的时序呼叫，接下去是周期性异步数据，用于对同步性要求不太高的数据传送，最后呼叫消息包。

   网络仲裁器是整个网络通信的主宰者。网络仲裁器轮番呼叫每一个用户站。整个网线上总是有信号的。如果若干时间间隔内(例如几十毫秒)没有监听到网上的信号、则可以诊断为网络故障，此时可以自动将冗余热备份网线切换上去，也可以设计成各用户站回本质安全态。WorldFip 在网络安全性方面的考虑有其独到之处。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器。在任意给定时刻，只有一个在起作用，其他处于热备份态，监听网络状态。

   除用户层外，WorldFip使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理层。

   WorldFip用的总线驱动器与其它总线驱动器的不同之处在于，除了实现曼彻斯特编码、解码功能之外，它还提供总线监听与看门狗功能，这为总线的热备份、总线冗余提供了方便，提高了总线的安全性。WorldFip使用的类似标准有Fip、FipIO等等。WorldFip现场总线依照工业控制系统的要求，不但严格定义了通信协议，也严格定义了符合工业标准的传输介质、接线盒、插头座等，在实时性、同步性、冗余性方面独具特色。速度更高的、以光纤为介质的高速网也不断推出。

   在这套控制系统中，WorldFip  Fipio总线主要用于处理生产线的速度及与最底层的总线进行通讯，通过总线型拓补结构与变频器的通讯卡进行通讯，如图2所示。




                          图2   Fipio总线结构

3.3 控制系统构成

   BOPP控制系统是由5套PLC和若干组ASI总线构成ASI总线控制系统。ASI总线系统是一个开放的系统，它通过主站中的网关可以和多种现场总线（如FF、Profibus、DeviceNet、Ethernet等）相连接。ASI主站作为上层现场总线的一个节点，同时又可以完全分散地挂接一定量的ASI从站。每个ASI总线控制系统由一个主站(M)（ASI  SAY1000），以及下挂的从站（S）构成，若ASI总线的电缆超过100米时，可以通过ASI中继器(Repeater)进行扩展。主站和从站通过ASI总线实现双向通讯，多个ASI主站构成一套PLC系统，如图3、图4所示。




                      图3   ASI系统构成(a)




                       图4   ASI系统构成(ｂ)

   这套控制系统主要作用是控制生产线的速度、温度、重量和张力、料位。在这套控制系统中，生产线速度是由PLC的控制器通过WorldFip 的FIPIO总线直接与变频器的通信卡通信，进行速度控制。而压力、张力的测量则是通过重量模块（ISPY100）带现场重力传感器进行测量，计数是通过快速计数模块（CTY2C）和现场计数编码器完成。而温度测量和大量的开关量信号则是应用了ASI现场总线。ASI总线系统通过ASI电缆下挂许多从站，如模拟量信号（IFM2606、IFM2610 、IFM2611）、数字量（ABE-8），ASI的现场电/气执行元件等，从站可以与ASI主站进行通信，并具有远程设定、远程诊断等功能。这些从站连接着现场各类传感器，如温度传感器、压力传感器、位置传感器、光电开关等各种传感器，将生产线各点的开关量信号和模拟量信号通过ASI从站转换成ASI协议的信号，通过ASI总线传输给ASI主站，并根据主站的指令完成对现场设备的控制，如现场调节阀、电/气动执行机构等。测厚系统通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过HUB连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯。

3.4 现场总线结构

   CPU处理器为TSX P574823M，其包含有一个内存扩展槽(PCMCIA 1型卡)及一个通讯卡（PCMCIA Ⅲ型卡）以太网接口，可以与FIPWAY、 Modbus Plus、 Modbus、 RS 232C, RS 485,以太网、等通讯，还有集成的Fipio连接（总线管理器）,可实现最多127个连接点。通过Profibus DP  TSX PBY 100模块可以与Profibus总线通讯。如图5所示。




                        图5   现场总线构成

   5套PLC对生产线现场信号进行采集、处理和控制，并通过Ethway / TCP/IP 模块TSX ETY 110与Ethernet switch相连，以太网是星形连接，在Ethernet switch内有缓冲器，安装确定性软件，在以太网的软件编制采用“隧道技术”，把原来通过RS232、RS485传递的信息包嵌入以太网；连接到4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5进行监控，4台操作站PC1、PC2、PC3、PC5通过Ethernet switch相连，可以直接通讯交换数据互不干扰、互不依赖，在4台操作员站屏幕上可以相互调用、操作其它操作站所控设备；PC4测厚系统操作站通过Profibus连接到现场控制器，控制模头膨胀螺栓的温度，达到控制薄膜厚度的目的，通过HUB连接到Ethernet从而与现场的薄膜扫描控制器系统进行通讯。Profibus总线还下挂西门子S7300，控制薄膜生产线的电晕系统。组成聚丙烯双向拉伸薄膜生产线控制系统（CPCS）。

3.5 监控软件

   监控软件iFIX3.5，具有全中文显示、界面友好、易操作的特点，操作人员根据操作、维护系统的实际需要可进入各个画面进行监护和操作。

3.6 控制系统存在的问题及解决方案

   由于 ASI总线的抗干扰能力很强，所以在最底层采用ASI总线控制，通过PCMCIA Ⅲ型卡与WorldFip总线相连、通过TSX PBY100与Profibus总线相连、通过以太网接口与Interbus总线相连，共同来控制BOPP薄膜生产线，在同一控制系统中成功地应用了四种现场总线。在应用的过程中也出现过一些问题，如ASI中继器工作状态不稳定，导致其下挂的ASI卡件报警及网络通讯故障，后经排查发现ASI电缆长度超过100米、中继器所在的控制柜温度过高，经采取缩短ASI电缆长度及控制柜降温，故障率大大降低。由于ASI电缆不带屏蔽层，虽然抗干扰能力比较强，但和电力电缆一起敷设，仍然会产生干扰，后经ASI电缆和电力电缆分开敷设，网络通讯的报警大大降低。

4 结束语

   在这套控制系统中成功的应用了四种现场总线，该系统已正常运行了四年多，从运行的效果来看完全能够满足薄膜生产的要求，并具有准确性、稳定性、易操作性等特点。系统的正常运行必将对企业生产和经营产生深远的影响。

参考文献

[1] 俞金寿.工业过程先进控制[M]. 北京: 中国石化出版社, 2002.

[2] 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程(第二版) [M]. 北京: 中国石化出版社,2004.

[3] 夏德海.现场总线技术[M].. 北京:中国电力出版社,2003.

[4] 张新薇,陈旭东. 集散系统及系统开放[M].. 北京:机械工业出版社,2005.

安川VS 616G5变频器在造纸机中应用
1 引言　　
   安川VS-616G5是全数字多功能电流矢量控制变频器具有良好的驱动性能，先进的自动控制功能和完善的保护功能。

   矢量控制是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流,It1相当于与转矩成正比的电枢电流）既将力矩电流，励磁电流分量进行解耦。使解耦的磁通与力矩控制器使二者互不影响，而使电机的速度，力矩连续可调。从而可实现在低速状态时的平滑运行和高力矩高精度的速度、力矩控制。

   具有4种控制方式可选:（1）无PG矢量控制;（2）带PG矢量控制;（3）无PG V/F控制;（4）带PG V/F控制。Auto-tuning（自学习）功能可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式以其极高的速度控制精度（+0.02%）极高的零起动转矩（0r/min时150%）并可实现力矩控制，与PLC配合使用，可以实现速度链控制、自动负荷控制、自动速差控制等功能，在造纸机传动中得到大量应用，并取得了较好的控制效果。

   2 纸机传动对电气控制系统的要求

   （1） 该纸机为1880/250 m/min长网多缸文化纸机，生产40～65g/m2高级文化用纸,纸机结构简如图1所示。




   该纸机由长网部、真空吸移+四辊二压区复合压榨部、干燥部、施胶部、压光部、卷取部组成。共16个传动点，总功率324kW，各传动点功率及变频器型号如附表所示。
   （2） 纸机对传动系统的工艺要求

   为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对传动系统有如下的工艺要求:




   a） 纸机工作速度要有较大的调节范围:为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性（如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等），纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度，调速范围D=1:8。

b） 车速要有较高的稳定裕度:总车速提升、下降要平稳。纸机速度常因电源的电压、频率以及纸机负荷等因素的变化而波动。为了稳定纸的定量和和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度±0.5～1%。

   c） 各分部间速比可调、稳定:纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩。因此纸机各分部的线速度稍有差异。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此，造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的，在±10～15%。同时，为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，就要保持各分部间速比的稳定。当出现负荷变化或其它干扰导致某分部的速度变化时，应保持能及时调整，使分部速比的变化不超过规定的范围。

   d） 单个分部点的具有速度微升，微降功能，引纸操作时的紧纸功能。同时具有软连接的传动分部，网部的真空伏辊和驱网辊之间，具有刚性联结的施胶上辊与施胶下辊之间，具有刚性联结与软联结的传动分部，真空吸移、真空压辊、一压辊、二压辊之间，这些有负荷关联的传动点之间要能进行负荷动态调节。由于某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如果不及时进行自动的调节（因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力），这些传动点间有的负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器、损坏毛布。并且在这些分部中，应具有单动、联动功能。并可以同时起动、停止。必要的显示，如:线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等。
　　
   e） 爬行速度 为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况，各分部应有15～50m/min可调的爬行速度。
　　
   f） 纸机传动为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，以满足纸机控制系通正常工作的需要。



3 电气控制系统组成
　　
   （1） 系统硬件组成
   变频器采用电流矢量控制安川VS-616G5型式，PLC选用S7-226型，电机采用变频专用电动机。变频器设定为带PG失量控制模式，整机处于速度控制模式, 系统硬件组成如图2所示。
　　
   4 控制系统功能
　　
   该纸机传动系统采用由PLC作为系统的控制中心。由功能较强大的安川VS-616G5型矢量变频器为驱动单元，由欧姆龙编码器提供速度反馈信号，使纸机传动在闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度0.02%,由PLC通过Modbus协议、RS485网络与变频器实现速度链功能，速差控制，负荷分配功能，总车速升、降，各分部点的速度升、降及紧纸功能。性能较理想地满足纸机正常工作需求。
　　
   （1） 速度链结构 速度链结构采用主链与子链相结合的思路。纸机总的车速由二压来确定。速度链的传递关系由图2来体现，由PLC软件实现。每一级的速度由总车速点速度乘以相应的速比来确定。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级。适应纸机操作引纸的顺序要求。
　　
   速度链结构如图2所示。




   

图2 系统硬件组成

　　
   （2） 负荷分配的实现 在纸机传动系统中，因为在有机械相联系的传动点由于所位置不同，毛布的包角大小不一样，承受的载荷在不同的工作状态下不一样，是一个变量。所以单纯的速度链无法满足造纸机工作的需要。实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi为i电机所承担负载功率，Pie为电机额定功率）。在实际控制当中，由于电机功率是一间接量。实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率。进行读取计算、调节。PLC通过总线得到电机电流或转矩，利用上述原理计算，并以PID调节算法调节变频器的输出使电机电流或转矩百分比一样，完成负荷分配的自动控制的目的。负荷不平衡度不大于3%。如果负荷不平衡度大于3%，PLC才进行调整，如果负荷分配不平衡度调整量设置太小，容易造成震荡。同时设置最大不平衡限幅值，防止机械发生损害。




   

图3 纸机速度链结构图

　　
   负荷分配分3部分:如图2虚线范围内部分。a）驱网辊与伏辊; b）吸移辊、真空压榨辊与一压辊与二压辊;c）施胶上辊与施胶下辊。为了保证系统在起动阶段和出现异常调节的状况时，直流过压问题。负荷相联系的分部进行变频器直流母线并联措施。将需负荷分配的两部分各分部伏辊与驱网辊的变频器，伏辊、驱网辊，吸移辊、真空压榨辊、一压辊、二压辊，施胶上辊与施胶下辊，使用10mm（耐压800V）导线按同极性将直流母线相连接，线长一些，并串一电阻，并保证有直流母线相连变频器的电源要同时通断。
　　
   （3）参数的优化 不同的纸机使用场所，须进行相应的参数设定,变频器参数的优化设置是充分发挥该变频器功能的保证。参数优化需要大量实际经验的积累和对造纸机机械设备、造纸工艺的了解及对变频理论与电机拖动理论的掌握。
　　
   （4）变频器的自学习 变频器对电机（不带负载）进行自学习过程。在自学习过程中，变频器将对电机的参数进行最优的识别，寻找最优的矢量控制测量，发挥变频器与电机的最优控制特性。
　　
   （5）调整卷纸机变频器的基频为60Hz，使该点的机械特性变软一些有利于从压光机到卷纸机的顺利引纸。
　　
   该纸机在内蒙一纸厂运行以经近2年，控制系统稳定，纸机运行可靠。
　　
   5 结束语
　　
   因为造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度跟随一致性，又要有一定的速度差异，既速差。速差与工作车速、纸种、浆料特性等有关。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡既负荷分配。安川VS-616G5变频器具有矢量控制功能，具有很高的可靠性和和完善的功能实现，通过参数组态与PLC协调工作完全可以满足造纸机对传动要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。可以在中高速纸机上应用。