0. 前言
近幾年來，國內(nèi)鋁型材行業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)進步不斷加快。網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在整流電源中得到了廣泛應(yīng)用，大大改變了原來整流設(shè)備的控制地點分散、功能單一、分工過細的狀況，目前正朝著變電、整流、工藝綜合監(jiān)控方向發(fā)展。為了適應(yīng)新形勢下的技術(shù)變革，搭建一個結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的整流器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使之能方便的融入綜合控制系統(tǒng)，成為了整流器設(shè)計的一個關(guān)鍵部分。
1. 鋁型材表面處理電源控制系統(tǒng)簡介
1.1控制系統(tǒng)核心
我公司生產(chǎn)的鋁型材表面處理電源，包含普通高頻電源，高頻同步整流電源，可控硅整流電源，多波形著色電源，采用的控制系統(tǒng)均為自己研發(fā)的數(shù)字控制系統(tǒng)，較之上一代的基于PLC的模擬控制系統(tǒng)，在性能上得到了極大的提升。
1.2鋁型材整流電源信號系統(tǒng)簡介
鋁型材整流器信號系統(tǒng)包括內(nèi)部和外部兩部分，內(nèi)部信號也即設(shè)備運行所需的各種信號，包含進線電流電壓，冷卻裝置的溫度和壓力信號、各種連鎖保護和故障信號、輸出電流電壓信號、來自槽端的各種信號等，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、來自上位機的遠程控制信號等，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)濟和方便。這對我們的控制系統(tǒng)組網(wǎng)提出了較高的要求。
2. 鋁型材表面處理整流器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)目標
一般的鋁材廠都有專門表面處理車間，涉及到整條生產(chǎn)線表面處理整流器的聯(lián)網(wǎng)自動控制。這就涉及到設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性和與上位機之間的有效通信。以著色電源為例，著色槽一般要求在槽邊有一個遠控箱進行控制，方便對色。同時在中控室有一個遠控臺進行遠程控制，如果要自動控制的廠家，還有一套上位機系統(tǒng)，對生產(chǎn)線行車和整流器進行統(tǒng)一控制。各個整流器控制終端要很好的協(xié)調(diào)匹配，不能出現(xiàn)誤操作。同時，很多廠家采用三個著色槽一起著色，要求三臺設(shè)備同步運行，每臺設(shè)備之間不能有延遲，同時要保持輸出高度一致性。這些都對系統(tǒng)組網(wǎng)提出了非常高的要求。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的架構(gòu)，應(yīng)當(dāng)至少滿足以下幾個條件：
1） 上位機要支持相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議。
2） 該網(wǎng)絡(luò)要方便的支持多站點數(shù)據(jù)采集。
3） 要保證通信速度。
4） 要保證能對各個站點進行方便的投入與切出，以方便對單臺設(shè)備維護。
5） 由于上位機一般位于控制室，離整流器較遠，可達上百米甚至上千米，網(wǎng)絡(luò)能夠保證在這個距離內(nèi)通信的有效和穩(wěn)定。
3. 鋁型材表面處理整流器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
基于上面幾條考慮，我們首先排除了基于RS232或者RS485的MODBUS通信方式，因為這種方式一般應(yīng)用在遠端只進行數(shù)據(jù)采集，并且對實時性要求不高的場合。如果遠端要對設(shè)備進行操作或者控制，在長距離通信或者多站點通信的時候，這種通信就不太合適。主要在于實時性不好，會有較大的延時。我們公司采用了以下兩種組網(wǎng)方式提供給客戶：
3.1 基于CAN總線的組網(wǎng)方式
是用CAN網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備組網(wǎng)。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。
CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點如下：
1） 由于CAN網(wǎng)絡(luò)的特性，數(shù)據(jù)在CAN總線上傳輸，對于每臺設(shè)備都是一樣的，無所謂主從的概念，所以其數(shù)據(jù)的同步性非常好。也就是上位機要對下面的設(shè)備進行操作，只需要發(fā)送一條指令，下面的設(shè)備幾乎是同時接收，不存在延時。非常適合幾臺設(shè)備同時控制的場合。
2） CAN總線的通信距離較長，通信速率非常高，在工業(yè)環(huán)境下，一般200米左右能保持250K的通信波特率。通信速度很快
3） CAN網(wǎng)絡(luò)的擴展性很好，如果有設(shè)備因為故障等原因退出維護，對整個網(wǎng)絡(luò)沒有任何影響，不會造成網(wǎng)絡(luò)通信的延遲，能繼續(xù)穩(wěn)定的通信。
以上這些特點，非常適合于鋁型材表面處理電源的聯(lián)網(wǎng)控制，再以著色電源為例，在3臺著色電源要求同步工作的情況下，其同步性，實時性的表現(xiàn)非常讓人驚艷。如下圖：
圖1 三臺鋁型材表面處理電源設(shè)備曲線圖
如圖所示，這是我們客戶現(xiàn)場使用三臺著色電源進行著色的輸出曲線圖，三臺設(shè)備的電壓輸出曲線保持了驚人的一致，如果不是因為顏色的區(qū)分，幾乎看不出是三條曲線的重合。
目前，基于CAN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式在客戶現(xiàn)場已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用。
3.2 基于以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式
以太網(wǎng)在我們的生活中已經(jīng)非常熟悉了，在工業(yè)應(yīng)用中，也是如火如荼，使用以太網(wǎng)進行通信組網(wǎng)的優(yōu)點非常明顯：
1） 組網(wǎng)簡單，一條網(wǎng)線，就能連接兩個設(shè)備，再加一個交換機，可以連接幾十臺設(shè)備。包括上位機，觸摸屏等各種控制終端。
2） 增減設(shè)備方便，直接插拔網(wǎng)線，就實現(xiàn)了設(shè)備的增減。
3） 速率高，一般都是10M/100M網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)也應(yīng)用得非常廣泛。
4） 目前應(yīng)用的各種設(shè)備，幾乎都支持以太網(wǎng)的方式，并且協(xié)議也普遍都支持TCP/IP協(xié)議，所以該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用十分廣泛。
目前我公司研發(fā)的以太網(wǎng)通信模塊，能和市場上絕大多數(shù)的控制器進行互聯(lián)，包括各種PLC，觸摸屏，組態(tài)軟件等。網(wǎng)絡(luò)圖如下：
圖2 網(wǎng)絡(luò)圖
控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到上位機，實現(xiàn)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)對電源控制系統(tǒng)的連接。
圖3 上位機觸摸屏監(jiān)控畫面1
圖4 鋁材表面處理電源設(shè)備上位機觸摸屏監(jiān)控畫面2
4. 結(jié)束語
隨著單片機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，如何在鋁型材表面處理電源控制系統(tǒng)中搭建一個簡單，高效而又符合未來發(fā)展趨勢的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，成為了電源控制系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵課題。未來的控制系統(tǒng)通信架構(gòu)應(yīng)當(dāng)符合分布式，可擴展，拆裝方便，維護成本低的要求。本文通過對幾種常見網(wǎng)絡(luò)的比較分析，結(jié)合現(xiàn)場投運經(jīng)驗，搭建了一個多臺設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)平臺。期待能對電源控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一些有益的借鑒。
本文對鋁型材表面處理電源控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究和討論，實現(xiàn)了基于CAN總線和以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的鋁型材表面處理電源組網(wǎng)。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。當(dāng)然，技術(shù)的更新日新月異，我們期待能和大家共同學(xué)習(xí)，共同進步，為了國家鋁型材表面處理工業(yè)的發(fā)展，做出應(yīng)有的貢獻。