（机械制造及其自动化专业论文）基于现场总线的自动喷号机的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要摹3 6 8 5 f 8 本论文考察了国内连铸生产线现状，指出目前大部分钢铁企业仍采用人工方 法在连铸钢坯上写号码，而使用进口设备的成本又太高，有必要开发一种自动号 码打印设备。论文比较了现存各种打印方法的优缺点，提出一种新的号码打印方 法七段码喷号，并结合杭州钢铁厂具体情况，确定把趣扬总堡技术应用到自 动喷号机中。论文在对系统总体进行分析的基础上，把自动喷昱扭分为机械系统 和控制系统两部分进行讨论。 ， 第一章对连铸生产进行了介绍，并说明了实行号码自动打印的必要性，介绍 了本课题的来源和意义，对课题进行了任务分析并确定了现场总线技术在研制过 程中的应用。 第二章介绍了目前最主要的几种现场总线协议，根据实际情况选用 l o n w o r k s 现场总线协议。 第三章认真考察了现场的实际情况，对研制过程中会遇到的难点进行了概 括，在比较现有的打印方法基础上，提出了采用七段码喷号的方案，并对喷号机 系统进行了总体设计。 第四章根据总体方案，进行了机械部分及气路部分的设计，对喷头的设计进 行了介绍，给出了气路系统图，并根据现场的高温环境，采取了相应的冷却措施。 第五章讨论了控制系统设计的第一部分p l c 及相关检测模块，介绍了 p l c 的通信协议及程序设计设计了喷号状态检测模块和钢坯到位检测模块。 第六章承接第五章，讨论了控制系统的第二部分控制器及网络接口，采 用单片机和l o n w o r k s 控制模块组成网络接口，单片机同时作为控制器的核 心，分别连接控制模块、p l c 及控制面板。 第七章从企业网络的角度介绍了过程监控层计算机上针对现场控制层喷号 机的监控程序的设计。 第八章对全文进行总结，概括了论文所完成的工作及取得的成果，并指出了 喷号机系统需要改进的方向。卜一 迸，镁缛遂， 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sf 打s tr e v i e w st h ea c t u a l i t yo f d o m e s t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h e nf i g u r e s o u tt h ef a c tt h a tm o s to fd o m e s t i cs t e e l w o r k sa r es t i l l p r i n t i n gn u m b e ro nb i l l e t s m a n u a l l y , w h i c hs h o u l db ed o n ea u t o m a t i c a l l y , s oj tj sn e c e s s a r yt od e v e l o pas p e c i a l p r i n t e rt ot a k eu pt h ej o b an e wm e t h o do f p r i n t i n gi sp u tf o r w a r dw h i c hi sc a l l e d “s e v e n s e g m e n td o p ej e t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fh a n g z h o us t e e l w o r k s ，t h e f i e l d b u st e c h n o l o g yi su s e di nt h ed e v e l o p m e n tt h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi s i n t r o d u c e di nt w om a i np a r t s ：m e c h a n i c a ls y s t e ma n dc o n t r 0 1s y s t e m c h a p t e r 1i n t r o d u c e st h ec o n t i n u o u s c a s t i n gt e c h n o l o g y a n ds h o w st h e i m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo fa u t o m a t i cn u m e r a lp r i m i n g ，t h e na n a l y z e st h et a s ka n d d e t e r m i n e st om a k eu s eo f f i e l d b u st e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n t c h a p t e r2i n t r o d u c e ss e v e r a lp o p u l a rf i e l d b u sp r o t o c o l sb a s e do n t h ec o n t i n u o u s c a s t i n gs i t u a t i o no f h a n g z h o us t e e l w o r k s ，l o n w o r k s i ss e l e c t e df o ru s e c h a p t e r3f i r s tg e n e r a l i z e sp o s s i b l ed i m c a l t i e si nt h ed e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt o t h ec i r c u m s t a n c e so ft h ec o n t i n u o u sc a s t e r , t h e nm a k e sc o m p a r i s o na m o n gs e v e r a l p r i n t i n gm e t h o d an e w n u m e r a lp r i n t i n gm e t h o dc a l l e d “s e v e n - s e g m e n td o p e j e t ”i s p u tf o r w a r da n d t h ed r a f to f t h ew h o l es y s t e mi sa c c o m p l i s h e d a c c o r d i n gt ot h eb l u e p r i n t ，c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ed e s i g no f t h e j e th e a da n d t h ea i r d r i v e ns y s t e m ，a n dc o o l i n gm e a s u r et op r o t e c tt h es y s t e ma g a i n s tt h ee x t r e m e l y h i g ht e m p e r a t u r e i nc h a p t e r5 ，t h ef i r s tp a r to f t h ec o n t r o ls v s t e m “p l ca n dr e l e v a n td e t e c t i n g m o d u l e i sd i s c u s s e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f t h ep l ca n dt h ep r o g r a m m i n go ni t a r ei n t r o d u c e d ，d e s i g no fs t a t ed e t e c t i n gm o d u l ea n db i l l e tp o s i t i o nd e t e c t i n gm o d u l e a r eg i v e n c h a p t e r6d i s c u s s e st h es e c o n dp a r to ft h ec o n t r 0 1s v s t e m 一“c o n t r o l l e ra n d n e t w o r k i n t e r f a c e ，w h i c hi sc o m p o s e do f s i n g l e c h i pa n d l o n w o r k sc o n t r o lm o d u l e i nc h a p t e r7 ，d e s i g no ft h em o n i t o rp r o g r a mi nt h ec o m p u t e ro ft h e “m o n i t o r l a y e r i si n t r o d u c e df r o m t h ep o i n to f e n t e r p r i s en e t w o r k c h a p t e r8s u m m a r i z e st h ew o r ka n da c c o m p l i s h m e n to f t h et h e s i s ，a n dp o i n t so u t w a y s t oi m p r o v et 1 1 ep r i n t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在钢铁行业中，为了实现质量管理，对钢坯进行质量跟踪，要求对连铸生产 的钢坯进行编号，把钢坯对应的连铸机号、炉座号、炉号、流序号以及反应钢坯 生产时间的时间编号及其它编号共同组成每块钢坯的唯一编号，打印在钢坯的表 面。在钢铁厂后续的检验过程或在客户使用过程中，若发现钢坯的质量问题，可 以根据其编号追踪到生产此坯的连铸机、炉座、炉号、流序及时间等重要信息， 及早发现并解决生产设备中存在的问题。 1 1 连铸概述 所谓连铸，就是将钢液连续注入具有一定形状的水冷结晶器中，使之凝固成连 铸坯的工艺过程。 1 1 1 连铸的优点 连铸的最早概念是十九世纪中叶，由著名的转炉发明者英国人亨利贝 塞麦，把钢液注入到两个水冷辊子之间，使钢液凝固，随即向下拉出，以得到板 状的产品而提出的。直到1 9 3 3 年现代连铸之父容汉斯开发并取得了结晶器振动 系统专利时，连铸技术才奠定了工业生产中大规模采用的基础。 与模铸相比，连铸具有下列优点： 1 、简化了钢坯生产的工艺流程 采用连铸技术，可以把钢液直接浇铸成所需断面的钢坯，省去了整模、脱模、 开坯等工序，简化了工艺流程。 2 、提高金属收得率和成材率 连铸的金属损失包含铸坯首尾切头、中间包残留钢液。模铸开坯的金属 损失包含有每支钢锭的切头、中注管和汤道残钢、盛钢桶注余、开坯时的切头切 尾等。一般成材率可提高1 0 - 1 5 。 3 、节约原材料和能源 连铸省去了砌中注管和底板的耐火砖，因而降低了耐火材料消耗，一般比模 铸低1 5 ；又因省去了开坯钢锭加热工序，热能消耗降低7 0 8 0 。 4 、提高钢坯质量 连铸坯质量在许多方面优于钢锭，如成分偏析小，纯净度高，组织致密等。 特别是炉外精炼、保护浇注、多点矫直、压缩浇铸等连铸技术的采用，使连铸坯 的质量会更理想。 5 、改善劳动条件 模铸中的整模、脱模等工序环境恶劣，劳动强度大，是炼钢生产中最落后的 环节。而连铸生产机械化程度高，所以劳动条件得到很大改善。 6 、有利于实现浇铸过程自动化 连铸把许多工序简化到一套机械设备上进行，连续作业性强，这就为采用机 塑坚查兰堡圭堂垡笙奎 械控制和计算机控制创造了条件，有利于实现自动化。 连铸工艺的出现，无疑是浇铸技术的重大突破和飞跃，它使人们看到了钢铁 生产连续化和自动化的美妙前景。以连铸为中心的工艺技术日益完善，转炉配连 铸已成为现代化钢铁工业的基本工艺，电炉配连铸也十分盛行，平炉配连铸已不 成问题。用连铸工艺代替模铸工艺的发展形势已经成为当代钢铁工业的主要技术 特征和发展方向。 进入9 0 年代连铸技术在我国发展非常迅速，至今己建成连铸机3 0 0 台左右， 连铸比达6 74 ( 1 9 9 8 年) ，连铸机建设速度高，连铸工艺技术及管理也随之进 步。 1 1 2 连铸工艺流程及连铸设备 下面考察一下连铸生产的工艺流程 图1 1连铸生产的工艺流程示意图 由图l l 可见，连铸生产的工艺流程是：炼钢炉出来的合格钢液，通过适当 的炉外精炼，从盛钢桶注入中间包，经连铸机( 结晶器、二次冷却装置、拉坯矫 直机、切割设备) 直接得到钢坯，然后送轧。期间，连铸设备是影响钢坯质量的 主要因素。 连铸设备是一条连续作业线上的一组机组。它包括盛钢桶、及其支承装置、 中间包与中间包小车、结晶器及其振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、引 锭机构、切割装置和输出设备。这些设备彼此之间相互联系，却又有独立的职能 和机构特点。 l 、盛钢桶 盛钢桶是在出钢到连铸过程中容纳和运载钢液的容器。其作用是盛接从炉子 中流出来的钢液和部分炉渣，并进行部分脱氧和合金化操作。同时，可在盛钢桶 内对钢液调整成分和温度，促使钢中非金属夹杂物上浮。 2 、中间包 在连铸机上，中间包是安放在盛钢桶与结晶器之间的中间容器。在连铸过程 中，采用中间包可以保证中间包内的钢液有一定的深度，从而保证钢液能在较小 2 浙江大学硕士学位论文 而稳定的压力下，平稳地注入到结晶器中，减少注入结晶器内的钢液因冲击力大 而引起的飞溅和紊流，使结晶器内的钢液面保持平稳；同时，钢液在中间包内停 留的过程中，内部的非金属夹杂物有上浮的时间，从而净化了钢液；在多流连铸 上起到分流的作用。随着对钢质量要求日益提高，中间包也可作为一个连续的冶 金反应器。可见，中间包的作用主要是减压、稳流、去夹杂、贮存和分流钢液、 中间包冶金等。 3 、结晶器 连铸机的结晶器是连铸设备中的一个非常重要的部件。钢液浇入结晶器后与 结晶器水冷内壁接触，将热量传至结晶器内壁，再由结晶器的冷却水带走，使钢 液初步凝固成形，结成一定厚度的坯壳。钢液在结晶器内的凝固过程，是在铸坯 与结晶器之间具有连续的相对运动下进行的，它应能在保证铸坯出结晶器下水 时，有一定厚度的均匀坯壳，既不会被拉断，也不会产生歪扭变形和裂纹等缺陷， 这与结晶器的型式、构造、工艺参数、润滑方式及振动方式等因素密切相关。 4 、二次冷却装置 钢液进入结晶器之后，在水冷结晶器的作用下，凝固成具有一定形状和厚度 的坯壳，但其坯壳较薄，只有1 0 2 0 毫米，如果这种带液i i , 的铸坯不继续冷却和 采用一定方式支撑，带液心的高温铸坯在钢液静压力下就会产生变形，甚至漏钢。 二次冷却装置就是在结晶器之后，对铸坯进行第二次冷却和支撑的装置。 5 、拉坯矫直装置 拉坯矫直装置也称拉坯矫直机，它是由辊子或夹辊组成。这些辊子既有拉坯 作用，又有矫直铸坯的作用。 在拉坯过程中，拉坯速度能根据钢种、 不同条件的要求，在一定范围内进行调节； 生。 浇注温度、铸坯断面、异常情况等的 在矫直时，应能避免裂纹等缺陷的产 6 、引锭机构 引锭机构的作用是在开浇时堵住结晶器下口，使钢液不会漏下。开浇后，钢 液在结晶器上和引锭头凝固在一起，通过拉辊的牵引，使铸坯向下运行，当引锭 杆拉出拉矫机后，就把引锭杆脱走，进入正常的拉坯状态。 7 、切割装置 对于经过拉矫机后的连铸坯，还需要按照一定的定尺要求对铸坯进行切割。 连铸用的切割装置应能精确地切出定尺长度的铸坯或数倍定尺长度的铸坯； 能与铸坯同步运行，并在运行中完成切割；并具有一定的切割速度，以防止出现 质量缺陷和事故。切割装置有火焰切割机和机械剪切两种。 8 、输出设备 主要包括输送辊道、铸坯的横移设备、铸坯的冷却设备、铸坯表面清理设备、 铸坯的吊具等。 浙江大学硕士学位论文 9 、打印设备 打印设备在连铸坯的头部或侧面准确无误地打下所需的标志。 1 2 打印号码 打印号码指的是上述的连铸中的最后一个环节，在钢坯表面打印所需标志。 1 2 1 打印号码的必要性 炼钢生产是由许多环节组成的，各个环节之间相互衔接、相互制约。在炼钢 生产各个环节中，冶炼和连铸是两个重要的组成部分。冶炼的任务是炼制出化学 成分、温度及纯净度符合要求的钢液；连铸的任务则是将钢液铸成表面质量良好， 内部纯净、均匀、致密的固体钢坯。也就是说，连铸应完成液态到固态的转变， 得到炼钢生产的成品固体钢坯。为了获得质量优良的连铸坯，提高炼钢厂的 生产技术经济指标，除炉前炼钢冶炼出符合要求的钢液外，在很大程度上取决于 连铸工作的好坏；应该认为，钢的大多数缺陷，其产生的原因与连铸关系更直接、 更密切。 为了加强钢坯生产的质量管理，提高出产钢坯的质量，必须对出产的钢坯及 时的打印号码。把与生产相关的信息，如：连铸机号、炉座号、流序号、生产日 期等重要信息打印在钢坯表面，为以后查找问题和解决问题提供了可靠的依据。 1 2 2 国内外钢坯打印机 在国外，如日本等发达国家已经有对钢坯实行自动打印号码的产品，日本研 制了一种由电脑控制，机械手书写号码的数控设备，其辅助设备很多，价格高昂， 每台设备大约一百万美元，使用费用也很高，其他国家生产的同类产品的价格也 是异常高昂，目前国内只有少数几家钢铁企业( 如宝钢、鞍钢等) 配备了进口的 标号机，而大部分钢铁企业无力投资。看一下国内的研制情况，仅有的研制产品 有：北京钢铁设计研究院在8 0 年代研制“小方坯高温自动喷号机”、上海第三钢 铁厂在8 0 年代研制的“接触式高温自动喷号机”和浙江省临安市魏云虎在9 0 年 代研制的“热钢坯喷号机”。可见，国内在这方面的非常薄弱，而且从使用及推 广情况来看，产品的性能不能满足要求、技术含量不高，不能为钢厂解决实际问 题。 国内钢铁行业急切期盼能有一种工作可靠、使用方便、价格便宜的号码打印 设备，以彻底改变落后的打号方法，为工厂实现全面质量管理扫清障碍。 塑婆盔兰堡主兰垡堡壅 一 1 3 课题来源及任务分析 1 3 1 杭州钢铁厂打号方法 杭州钢铁厂转炉分厂现有连铸机3 台，与国内大部分的钢铁厂一样，都采用 人工方法在钢坯上写编号。 当钢坯完成切割在连铸机轨道上运动的时候，工人是不可能去写编号的，而 必须待钢坯离开连铸机之后写号，实际情况是待钢坯叠放起来之后去写号，失去 了实时性，由此而导致工人写编号时已经不知道每块钢坯准确的炉座号、炉号、 流序号等信息，钢坯的编号不准确；同时，尽管钢坯离开连铸机有一段时间，可 是仍然有好几百度的高温，工人的工作环境异常恶劣；另外，人工写的编号，其 可读性较差。落后的写号方式严重制约着质量管理的实施。 为了改善工人的工作环境，提高标号的自动化水平和钢坯质量，杭州钢铁厂 要求进行钢坯自动打印机的研制。 1 3 2 主要任务 打印号码的方法很多，研制时首先要确定打印方法，它应该适应连铸机现场 的要求，工作稳定可靠，操作和安装维修方便。 另外，钢坯自动打印机作为连铸生产现场的控制设备，其研制要考虑到现场 测控技术的发展趋势。 现场总线控制系统f c s 是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟 仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。 由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系 统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控 制系统d c s 、可编程控制器p l c 产品面临体系结构、功能等方面的重大变革， 导致工业自动化产品的又一次更新换代。 与集散控制系统d c s 相比，由于现场总线中把控制和计算功能下放到现场 的自动化仪表或控制器，而且现场的设备之间具有网络通讯功能，这样，在控制 主机瘫痪时不会导致整个系统的崩溃，从而提高了系统的鲁棒性。 杭州钢铁厂连铸线有大量的测量控制设备，目前基本上是采取集散系统方式 进行连接，然而，集散系统本身的弱点决定了某一台上位机的故障必然导致其控 制的整个系统的崩溃。为此，杭钢将采用现场总线技术对其连铸线进行逐步改造， 把本来由上位机控制的测控设备解放出来，利用现场总线技术实现它们之间的网 络连接，并提高它们的计算机能力，同时，保证它们与上位监控计算机之间的通 讯，使操作人员能够及时了解现场情况。 基于以上考虑，在钢坯打印机控制系统的设计过程中，充分考虑到它的智能 化和网络化，成为智能网络节点。 浙江大学硕士学位论文 1 4 论文内容安排 全文共八章，第二章介绍了现阶段主要的现场总线技术及其应用状况；第三 章针对连铸生产现场环境，提出了在钢坯上打印号码的基本方法喷号，并对 自动喷号机系统进行总体设计；第四章介绍了自动喷号机的机械部分及气路系统 等；自动喷号机的控制系统设计分两章进行论述，第五章详细介绍了控制系统的 p l c 部分及相关检测模块，第六章介绍了控制器及网络接口；第七章对监控层计 算机上喷号机监控软件的设计进行了介绍；第八章是总结与展望。 1 5 本章小结 简要介绍了连铸生产的各个环节及连铸的重要性，指出目前国内连铸生产线 普遍存在的落后面貌是：对生产出的钢坯仍然采用人工的方法写号码，造成工人 劳动强度大，钢坯编号混乱，制约着质量管理的实现。在杭州钢铁厂，为实现在 钢坯上自动打印号码，并根据现代测控技术发展的需要，要求研制基于现场总线 的、能自动在钢坯上打印号码的设备。 6 塑坚奎堂堡主堂堡笙苎 一 第二章现场总线技术概况及应用 2 1 现场总线技术 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化 领域的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。而现场总 线正是这场深刻变革中的重要技术。 现场总线控制系统f c s 是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟 仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。 由于它适应了工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展方向，给自动化系统 的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制 系统d c s 、可编程控制器p l c 产品面临结构、功能等方面的重大变革，导致工 业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线已经成为世界范围的自控技术热 点，被誉为跨世纪的自控技术。 自动号码打印机作为自动的控制设备，在研制时引入了现场总线技术，下面 先来讨论一下现场总线技术及其应用。 2 1 1 现场总线简介 1 、背景 5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表也处于发展的初级 阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场，只具备简单测控功能的基地式气动 仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通操作信息，操作人员只能通过生产现场的 巡视，了解生产过程的状况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要 同时按多点的信息实现操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合仪表， 出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如o 0 2 0 1 m p a 的气压信号，0 1 0 m a 、4 2 0 m a 的直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往 集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元 仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传送需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，信号传输的抗 干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。 由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控 制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统。但由于当时数字计算机 的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪，生产 停产的严重局面，这种危险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 濒江大学硕士学位论文 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器，可编程 控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。 这就是今天正在被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中，测量变送仪表一般 为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟 仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的 优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系 统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一 起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 2 、现场总线 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、 企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。 概括地说，现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制 网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应 用前景。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有 了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个 测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多 个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据与信 息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测 量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、 共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众 多分散的计算机被网络连接在一起，使用计算机的功能、作用发生了变化。现场 总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息 网络的行列。可以说，现场总线技术是控制技术新时代的开端。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作 为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络 系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控 制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 塑望查堂堡主竺焦堡塞 3 、现场总线的特点 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连接，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室 的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理 连接。 ( a ) 传统控制系统结构示意图( b ) 现场总线控制系统示意图 图2 - i 现场总线控制系统与传统控制系统结构的比较 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原来d c s 系统中处于控制 室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现 场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够 不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号( 包 括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源； 现场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、 节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线系统的技术特点 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开 放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通 信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要 致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来 自不同供应商的产品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放 互连系统。 9 浙江大学硕士学位论文 互可操作性与互用性 互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意 味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现 有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠 性。 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设 计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的 抗干扰能力，能采用两线制实现供电并满足本质安全防爆要求等。 4 、现场总线的优点 由于现场总线在结构和技术上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使 控制系统从设计、安装、搬运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警 和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等， 也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可 以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资。 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设 备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作 量也大为减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在 原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验 工程的测算资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化，连线简单而减少了维护工作量。 1 0 塑垩查兰堡主兰垒笙兰 一 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。 提高了系统的准确性和可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连 线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可 靠性。 现场总线拥有以上优点，是工业现场测控技术发展的必然趋势。 2 1 2 几种主要的现场总线协议及现状 自8 0 年代以来，以世界各国的大公司为背景，产生了多种在工业领域有影 响力的现场总线协议，它们各有特点，并试图争夺在这领域的领导地位。其中 以基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、p r o f i b u s 、c a n 、w o r l d f i p 、 l o n w o r k s 最为突出。 一、基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛 支持和具有良好发展前景的技术，其前身是以美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首， 联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l d f i p 协议。屈于用户的压力， 这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上 统一的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数 据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用 户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描 述语言规定了通用的功能集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对 工业底层网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展方向的 能力，因而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。 舟户层 应用层 数据链路层 物理层 系统 翠；l 冀i l 堡量塑蕉il 功能i l 举 厨譬铲 管理 i 块对功能 内核 划刨畿 系统 管理 、c r s 内核 网络 协议 i 信息规范子层 i 层管理 管理 信息 l 总线访问子层 层管理 库 l数据链路层 层管理 i物理层层管理 l 图2 2 通信模型的主要组成部分及其相互关系 浙江大学硕士学位论文 f f 现场总线的通信模型及相互关系如图2 2 所示。从图中可知，f f 现场总 线的通信模型有四层，除了从i s o o s i 七层参考模型中简化而来的三层之外，它 还在应用层之上加上一层：用户层。用户层是用于组成用户所需要的应用程序， 如规定标准的功能块，设备描述，实现网络管理、系统管理等。在另外的三层中， 应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式； 数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；物理层规定了信号如何发 送：v c r s 是指通信实体、系统管理内核、功能应用进程等各部分之间的虚拟通 信关系( v i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p ) 。 f f 分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b i t s ，h 2 的传输速率有1 m 和2 5 m b i t s 两种。但是f f 的发展缓慢，至今h 2 高速总线仍 未推出，h i 低速总线通过了一致性与可互操作性测试，但经过登记的产品并不 多。 二、p r o f l b u s p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写) 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标 准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自 动化领域的应用；f m s 的意思是现场信息规范，p r o f i b u s f m s 适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等；而p a 型则是用于过程自动化的总线 类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、 研究所共同推出的。它采用了i s o o s i 七层参考模型中的物理层、数据链路层。 p r o f i b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统几种传输方式。 p r o f i b u s 的传输速率为96 k b i t s - 1 2 k b i t s 。其产品品种比较齐全，从芯片 软件到开发工具，已有1 5 0 0 余种产品，并有一定的市场份额，现已有2 5 0 个产 品供应商，安装了2 0 多万套，用户分布于2 0 个国家，6 5 0 个成员。其不足之处 是：p a 是1 9 9 6 年才推出，还在发展中。高速芯片只有西门子公司独家生产。 三、c a n c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 控制局域网络，最早由德国b o s c h 公司 推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，其总线规范现已被i s o 国 际标准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 c a n 的通信模型采用了o s i 底层的物理层、数据链路层和顶上的应用层。 通信速率最高可达1 m b i t s ，可挂接设备数量最多可达1 1 0 个。c a n 的信号传输 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。 有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的8 2 5 2 7 ， m o t o r o l a 的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等。 四、w o r l d f i p w o r l d f i p 成立于1 9 8 7 年3 月，是以法国几个跨国公司( c e g e l e c 、 g e c a l s t h o m 、s c h n e i d e r 等) 为基础的跨国、跨行业的技术协会，其宗旨是 研穷摊广f m ( 工厂仪表协议) 现场总线系列产品和技术。w o r l d f i p 协会己拥有 1 0 0 多个成员，生产3 0 0 多个w o d d f i p 现场总线产品。 w o r i d f i p 的特点是它具有单一的总线，可用于过程控制及离散控制，而且 没有任何网桥或网关；低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决；易于与 i m r a n e t e x t r a n e t i n t e m e t 相连接。 五、l o n w o r k s l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司推出并由它与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡 导，于1 9 9 0 年正式公布。它采用了i s o o s i 模型的全部7 层通信协议，其模型 分层如图2 - 3 所示；采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计 简化为参数设置；其通信速率从3 0 0 b i t s 1 5 m b i t s 不等，直接通信距离可达 2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ，双绞线) ，被誉为通用控制网络。 模型分层作用服务 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络应用程序 标准网络变量类型：组态性能；文件传送；网络服务 数据表示网络变量：外部帧传送 远程传送控制请求响应；确认 端一端传输可靠性 单路多路应答服务i 重复信息服务；复制检查 报文传递 单路多路寻址，路径 成帧；数据编码：e r e 校验； 媒体访问与成帧 冲突回避仲裁；优先级 电气连接 媒体特殊细节( 如调制) ；收发种类；物理连接 图2 - 3l o n w o r k s 模型分层 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在名为n e u r o n 的芯片中并得以 实现。神经元芯片中有3 个8 位c p u ，分别完成通信模型中不同层次的功能。 l o n w o r k s 技术的不断推广促成了神经元芯片成本的降低( 每片价格约5 - 9 美元) ，而芯片的低成本又反过来促进了l o n w o r k s 技术的推广应用，形成了良 性循环，到1 9 9 8 年，其安装的节点数已超过6 0 0 万。 2 2 采用l o n w o r k s 现场总线 2 2 1 技术改造方案 杭州钢铁集团转炉分厂共有三台连铸机，l 号和3 号连铸机都是4 流，其中 1 号机主要生产长的小方坯，而2 、3 号机主要生产短的小方坯；2 号机只有3 流， 技术比较落后，工作环境较差，将在短期内进行技术改造。分厂拟在2 号连铸机 的技术改造中采用l o n w o r k s 现场总线技术，以提高系统的可靠性和工作效率。 本课题研制的钢坯自动打印机作为2 号连铸机的一部分，也应当考虑其在现 场总线上的应用，采用l o n w o r k s 技术，使自动打印设备成为现场总线上的一个 智能网络节点。 l o n w o r k s 使用的开放式通信协议l o n t a l k 为设备之间交换控制状态信息建 立了一个通用的标准。在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融 为一体，形成一个网络控制系统。网络变量使点之间的数据传递只是通过各个网 络变量的互相连接便可完成。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术的核 心，它不仅是l o n w o r k s 总线的通信处理器，同时也可以作为采集和控制的通用 处理器，l o n w o r k s 技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。按 照l o n w o r k s 标准网络变量来定义数据结构，可以解决和不同厂家产品的互操作 性问题。l o n m a r k 是与e c h e l o n 公司无关的l o n w o r k s 用户标准化组织，按照 l o n m a r k 规范设计的l o n w o r k s 产品，均可非常容易地集成在一起，用户不必为 网络日后的维护和扩展费用担心。 2 2 2l o n w o r k s 的系统结构 下面简单介绍一下l o n w o r k s 的系统结构： l o n w o r k s 的现场控制节点可以直接采用神经元芯片作为通信处理器和测控 处理器，或者是以神经元芯片为基础的h o s tb a s e 节点、通信介质和通信协议。 l o n w o r k s 技术有以下组成部分： l o n w o r k s 节点和路由器 l o n t a l k 协议 l o n w o r k s 收发器 l o n w o r k s 网络和节点开发工具 1 、l o n w o r k s 节点 现场控制节点主要有以下功能块：应用c p u 、i o 处理单元、通信处理器、 收发器和电源。 以神经元芯片为核心的控制节点 神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，通过独具特色的硬件、固件相结合的 技术，使一个神经元芯片几乎包含一个现场节点的大部分功能块应用c p u 、 1 4 浙江大学硕士