前言

近幾年隨著國內(nèi)市場對鋁型材需求量的增大，產(chǎn)量也是快速增長，隨之而來的是大型的鋁型材生產(chǎn)線孕育而生，大量的鋁型材電源被使用在同一條生產(chǎn)線上。怎樣才能使生產(chǎn)更高效、更智能化、更少的人力成本、更穩(wěn)定可靠成為各大廠家的考慮重點，新型的鋁型材電源控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式將所有電源都組成一個網(wǎng)絡(luò)便很好的滿足了這種需求。

1、鋁型材電源的介紹

鋁型材電源大致分為三種：氧化電源、著色電源、電泳電源。

三種電源都是通過電化學(xué)反應(yīng)的方式來使得鋁型材經(jīng)過加工后在顏色、光澤、質(zhì)感以及防腐蝕和耐磨性達(dá)到不同的要求，以滿足不同環(huán)境和場合的需要。

2、鋁型材電源信號系統(tǒng)簡介

鋁型材電源信號系統(tǒng)包括內(nèi)部和外部兩個部分，內(nèi)部信號主要包括冷卻水溫度信號、壓力信號、流量信號、變壓器溫度信號、可控硅溫度信號、調(diào)壓器位置信號、熔斷器信號、伺服驅(qū)動器信號、變頻器信號等各種連鎖保護(hù)和故障信號、輸出電流電壓信號和來自槽端的各種信號，這些信號是控制系統(tǒng)需要采集并且大多數(shù)要用在內(nèi)部控制邏輯當(dāng)中。外部信號主要包括來自DCS的信號、來自上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制信號等，是外設(shè)對整流器的一些控制信號。這些信號來源不同，數(shù)量眾多，對其處理，既要保證實時性，也要滿足穩(wěn)定可靠的要求，同時還要兼顧經(jīng)濟(jì)和方便。這對我們的控制系統(tǒng)組網(wǎng)提出了較高的要求。

3、鋁型材電源控制系統(tǒng)中的主要技術(shù)

3.1 PLC技術(shù)的應(yīng)用

可編程控制器(Programmable Controller)是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。

當(dāng)今世界PLC分為兩個格局，第一種是歐美系，主要代表品牌有德國的西門子和美國的AB等，第二種是日系，主要代表品牌有日本的三菱、歐姆龍、富士等。本系統(tǒng)就用到了德國的西門子S7-200系列的PLC和日本三菱的Q系列PLC作為主要的核心控制部件。西門子的PLC以其極高的性能價格比，在國內(nèi)占有很大的市場份額，在我國的各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200小型PLC，直接應(yīng)用到氧化的整流設(shè)備和控制系統(tǒng)上，我們在銅箔，鋁箔，電解鋁，氯堿行業(yè)，電鍍行業(yè)都用得很多。S7-200和三菱Q系列PLC都屬于模塊式PLC， CPU模塊，信號模塊，功能模塊，接口模塊，通信處理器，電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在導(dǎo)軌上。通過CPU模塊或者通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計算機(jī)，其他PLC或者通信設(shè)備通信。

其具有的特點有：

編程方法簡單易學(xué)；功能性強(qiáng)，性能價格比高；相應(yīng)的硬件配套齊全，實用性強(qiáng)；可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計，安裝，調(diào)試方便；維護(hù)工作量小，維修方便；體積小，耗能低。

PLC的應(yīng)用領(lǐng)域包含開關(guān)量邏輯控制，運動控制，閉環(huán)過程控制，數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)。對于整流機(jī)組和對應(yīng)的生產(chǎn)線的控制，完全可以通過PLC作為控制中心來達(dá)到目的。

西門子S7-200PLC作為底層鋁型材電源的控制核心，并且分布在槽端的AB柜是通過西門子S7-200PLC自帶Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，以達(dá)到AB柜數(shù)據(jù)和控制的同步性。Modbus網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高速、抗干擾性強(qiáng)為實現(xiàn)分布式供電打下了堅實的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)分布式供電的基礎(chǔ)。三菱Q系列PLC利用Profibus-DP現(xiàn)場總線對氧化電源的工作狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定：整流設(shè)備內(nèi)部控制系統(tǒng)中，通過其自身支持的Profibus-DP現(xiàn)場總線做為通訊網(wǎng)絡(luò)，無疑是一種即方便又實用的通訊方案，可以將設(shè)定的工作方式和參數(shù)傳送至整流設(shè)備內(nèi)，只需遠(yuǎn)程控制其啟、停，便可完成工作過程。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在沒有任何標(biāo)準(zhǔn)化組織支持的情況下卻發(fā)展得非常迅速。工業(yè)以太網(wǎng)由于其開放性好、應(yīng)用廣泛以及價格低廉等特點，不但基本壟斷了商業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)市場，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域(主要是在企業(yè)管理層)也得到了大規(guī)模的應(yīng)用。目前許多大公司的工業(yè)控制系統(tǒng)都是采用以太網(wǎng)來統(tǒng)一管理層的通信，而且各種現(xiàn)場總線也大多開發(fā)出以太網(wǎng)接口，因此可以說工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要通信標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)以太網(wǎng)具有如下特點：

(1) 應(yīng)用廣泛

工業(yè)以太網(wǎng)是在商用以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它與商用以太網(wǎng)一樣有著廣泛的應(yīng)用。采用工業(yè)以太網(wǎng)，可以保證有多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境可供選擇。

(2)成本低廉

由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，已有多種硬件產(chǎn)品可供用戶選擇，而且硬件價格也相對低廉。目前工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線通訊卡的1/10，而且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價格還會進(jìn)一步下降。

(3)通信速率高

目前工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率為10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s速率的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，更高速的通訊速率正在研究。其速率比目前的現(xiàn)場總線快得多，可以滿足對帶寬有更高要求的需要。

(4)軟硬件資源豐富

由于以太網(wǎng)已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉。將其直接運用到工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中，大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

(5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

在這信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程序上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。

因此，如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用工業(yè)以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺，可以避免現(xiàn)場總線技術(shù)游離于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場總線技術(shù)和一般網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)，共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，在技術(shù)升級方面無需單獨的研究投入。這一點是任何現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)所無法比擬的。同時機(jī)器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)有更高的帶寬、更好的性能，通信協(xié)議有更高的靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)都能很好地滿足這些要求。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢：

由于以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，目前它已經(jīng)在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的資源管理層、執(zhí)行制造層得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)向下延伸直接應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的趨勢。從目前國際、國內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展來看，目前工業(yè)以太網(wǎng)在制造執(zhí)行層已得到廣泛應(yīng)用，并成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。未來工業(yè)以太網(wǎng)將在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的互連和信息集成中發(fā)揮越來越重要的作用?？偟膩碚f，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)實時通信技術(shù)

其中采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實時性。

(2)總線供電技術(shù)

采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。

(3)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

采用網(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)超小時滯中繼以及光纖等技術(shù)解決以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸問題。

(4)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離。

(5)可靠性技術(shù)

采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計、EMC設(shè)計、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計技術(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備可靠性，經(jīng)實驗室EMC測試，設(shè)備可靠性符合工業(yè)現(xiàn)場控制要求。

3.3 現(xiàn)場總線

按照國際電工委員會的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線技術(shù)是在80年代后期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的現(xiàn)場工業(yè)控制技術(shù)，它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字一模擬信號控制的局限性，構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線具有以下突出特點：開放性、互操作性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應(yīng)性。

現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的，它可以使用雙絞線、同軸電纜、光纜、電力線和無線的方式來傳送數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

目前影響力和已經(jīng)占有市場份額較大的總線包括：德國西門子公司推出的PROFIBUS（Process Field BUS）、德國BOSCH公司推出的CAN(Controller Area Network)、ISP 基金會和World FIP(北美)兩大集團(tuán)合并成立的FF(Foudation Fieldbus) 、美國Rockwell Automation企業(yè)開創(chuàng)的ControlNet/DeviveNet、丹麥ProcessData公司的P-net等等。

由于整流設(shè)備的控制部分采用SIEMENS 公司S7-200系列PLC，所以現(xiàn)場設(shè)備層通訊無疑必選PROFIBUS-DP協(xié)議的現(xiàn)場總線。

3.4 串口通訊網(wǎng)絡(luò)

串口通訊是計算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，同時也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議。

串口通信的概念非常簡單,串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢,但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。典型地,串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線,（2）發(fā)送,（3）接收。由于串口通信是異步的,端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手,但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。

常用的串行連接標(biāo)準(zhǔn)包括RS-232、RS-422、RS-485：

RS-232（ANSI/EIA-232標(biāo)準(zhǔn)）是IBM-PC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谠S多用途,比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者M(jìn)odem,同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動和連線的改進(jìn),實際應(yīng)用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值。RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點對點的通信。RS-232串口通信最遠(yuǎn)距離是50英尺。

RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh計算機(jī)的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。RS-422使用差分信號,RS-232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號,對比RS-232,它能更好的抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠(yuǎn)的傳輸距離是一個很大的優(yōu)點。

RS-485（EIA-485標(biāo)準(zhǔn)）是RS-422的改進(jìn),因為它增加了設(shè)備的個數(shù),從10個增加到32個,同時定義了在最大設(shè)備個數(shù)情況下的電氣特性,以保證足夠的信號電壓。有了多個設(shè)備的能力,你可以使用一個單個RS-422口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。出色抗噪和多設(shè)備能力,在工業(yè)應(yīng)用中建立連向PC機(jī)的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、其他數(shù)據(jù)收集控制器、HMI或者其他操作時,串行連接會選擇RS-485。RS-485是RS-422的超集,因此所有的RS-422設(shè)備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進(jìn)行串行通行。

利用鉑電阻或熱電偶等檢測元件，對槽體內(nèi)的槽液溫度和高溫爐內(nèi)的溫度進(jìn)行測量，并將采集信號（13個槽體溫度）連至帶通訊功能的數(shù)顯表，不僅可以在槽溫集中控制柜面板上實時、全面的觀察到每個槽體的溫度狀態(tài)，而且還可以利用其RS485通訊口，與工控機(jī)連接，便于采集和控制溫度參數(shù)，從而實現(xiàn)恒溫控制。

4、鋁型材電源控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用

鋁型材氧化車間分布式供電的全自動電源綜合控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如下： 

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖2 氧化槽分布式供電示意圖

在此項目中每一個氧化槽都是由AB柜分布在槽兩端同時進(jìn)行供電的，A柜為主柜它通過Modbus通訊向B柜發(fā)送開機(jī)/停機(jī)、穩(wěn)壓/穩(wěn)流、遠(yuǎn)控/近控等控制指令，還向B柜傳輸電壓、電流、工作時間、軟起時間、預(yù)浸時間等工作參數(shù)。同時B柜會把它的工作的電壓、電流等工況參數(shù)和工作狀態(tài)回傳給A柜，使AB柜的工作狀態(tài)始終保持在同步狀態(tài)。

A柜在與B柜保持同步的同時通過Profibus DP模塊EM277把所有的氧化電源接入Profibus DP總線后向上與三菱Q系列PLC進(jìn)行DP通訊把AB柜的數(shù)據(jù)和狀態(tài)都傳送給三菱Q系列PLC，同時三菱Q系列PLC還要向AB柜發(fā)送工作參數(shù)和控制指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)控臺的遠(yuǎn)端操作。

在中控室為了和生產(chǎn)線進(jìn)行對接和實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的全自動化控制，三菱Q系列PLC把所有數(shù)據(jù)連接到我方的上位機(jī)并且還要與CCR上位機(jī)通過MNET/H網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實現(xiàn)在上位機(jī)上就可以對整個氧化車間的所有設(shè)備進(jìn)行全局的控制。

以下為全自動分布式供電的綜合控制系統(tǒng)的主要操作監(jiān)控畫面：

圖3 氧化電源操作監(jiān)控畫面

圖4 上位機(jī)監(jiān)控畫面

5、結(jié)束語

隨著國內(nèi)鋁型材行業(yè)不斷的發(fā)展，鋁型材表面處理用整流電源相關(guān)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。鋁型材表面處理行業(yè)發(fā)展到今天，其生產(chǎn)的規(guī)?；?，管理的現(xiàn)代化和智能化，以及流水線的生產(chǎn),都對整流器設(shè)備提出了較高的要求，不僅僅要求整流器的輸出穩(wěn)定和可靠,更要求整流器的組網(wǎng)方便，穩(wěn)定易，擴(kuò)展。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)在工廠自動化和過程自動化中的應(yīng)用迅速增長，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)大量使用。網(wǎng)絡(luò)通信方式的多樣化和通信速度的提高，使信息交換領(lǐng)域從現(xiàn)場設(shè)備控制層到企業(yè)管理層的不斷擴(kuò)大，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革。以網(wǎng)絡(luò)為主干的自動化分布式控制系統(tǒng)成為行業(yè)趨勢。作為電源生產(chǎn)商，結(jié)合實際經(jīng)驗來研究和分析網(wǎng)絡(luò)通信在鋁型材整流器中的應(yīng)用。

本文對鋁型材電源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究和討論，實現(xiàn)了基于RS485的MODBUS網(wǎng)絡(luò)為下層基礎(chǔ)，Profibus-DP總線為上下連接的骨干支架，以太網(wǎng)為上層建筑的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。在用戶的實際使用過程中，證明了該網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的實用性和合理性。