1 引言
隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù)，即現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間建立的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：系統(tǒng)的開放性，可互操作性與互換性，現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自制性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性，對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。[1][3]在很多工業(yè)控制系統(tǒng)中，存在著多控制點且分布線長和分散的特點，采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以把控制室內(nèi)和現(xiàn)場操作臺所裝備的分布式I/O模塊聯(lián)成總線網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字方式來進行控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，控制系統(tǒng)將具有更佳的抗干擾能力，提供給變頻器的參考值也比較精確。某紡絲廠在紡絲機自動化監(jiān)控系統(tǒng)的改造項目中采用了基于CC-Link現(xiàn)場總線的分布式控制。下面就具體的項目，闡述一下CC-Link網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方式，和它在應(yīng)用中的特點。
2 紡絲機自動化監(jiān)控系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)的改造
該紡絲廠原電控系統(tǒng)采用繼電器進行邏輯控制，繼電器控制采用硬接線方式，系統(tǒng)很不穩(wěn)定，故障率高，一旦出現(xiàn)故障難以查找。速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用模擬量的控制，各電機的轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)定使用電位器等模擬信號來給定，控制的準確度不夠高、抗干擾能力差、維修和調(diào)試都不是很方便。
系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)采用三菱公司的FX2N系列的PLC對設(shè)備進行邏輯控制，實現(xiàn)控制部分的高速采樣數(shù)據(jù)處理。它通過FX2N-16CCL和變頻器進行數(shù)據(jù)交換。為實現(xiàn)對生產(chǎn)的監(jiān)控和管理的需要，系統(tǒng)配備了人機界面（GOT970）,該設(shè)備一方面監(jiān)視生產(chǎn)的運行情況，包括設(shè)備的運行情況、故障報警和報警歷史紀錄，另一方面它可以對系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進行適當?shù)男薷暮蛢?yōu)化。紡絲機的傳動系統(tǒng)由去酸輥電機、升降軸電機、泵輥電機組成，它們分別由三臺變頻器來驅(qū)動,它們均采用三菱公司的FA500系列的變頻器，其具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，它們通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)與PLC進行數(shù)據(jù)交換。通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)PLC對各變頻器的控制，包括變頻器的啟動、停止和速度給定。
由于在紡絲車間內(nèi)產(chǎn)生的化學氣體會影響變頻器的使用壽命，所以要求變頻器在車間外，但是車間內(nèi)又需要近距離操作。車間內(nèi)的電氣柜和車間外的電氣柜距離較遠，但又需要協(xié)同操作，即在車間內(nèi)操作時需要隨時監(jiān)控車間外的變頻器工作情況。使用CC-Link網(wǎng)絡(luò)后，很容易解決這個問題。
2.2 系統(tǒng)功能流程圖
系統(tǒng)功能流程圖如圖2所示。在該流程圖中可以清楚看出程序執(zhí)行的整個過程，從而也可以看出PLC與觸摸操作屏各自的功能。其中PLC主要完成整個系統(tǒng)的控制功能和參數(shù)的分析計算，觸摸操作屏負責參數(shù)的設(shè)定和動態(tài)顯示生產(chǎn)及參數(shù)的記錄。
3 CC-Link現(xiàn)場總線3.1 CC-Link的特性
CC-Link是control&communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度可多級選擇，最高可達10Mbps。它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。CC-Link是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，整個一層網(wǎng)絡(luò)可由一個主站和六十四個從站組成。網(wǎng)絡(luò)中主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現(xiàn)場儀表設(shè)備。采用第三方廠商生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)還可以實現(xiàn)從CC-Link到ASI總線的連接。
3.2 CC-Link數(shù)據(jù)通信方式
CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設(shè)備站之間的瞬間通信。于是CC-Link通信方式可分為循環(huán)通信和瞬時通信。
循環(huán)通信的具體方式為：主站將刷新數(shù)據(jù)RY/RWw發(fā)送到所有從站，與此同時輪詢從站1；從站1對來自主站的輪詢做出響應(yīng)RX/RWr,并將該響應(yīng)同時告知其它從站；然后主站輪詢從站2（此時并發(fā)送刷新數(shù)據(jù)），從站2給出響應(yīng)，并將該響應(yīng)告知其它從站；以此類推，不斷循環(huán)，圖3所示為廣播輪詢時數(shù)據(jù)傳輸幀格式。[2]
圖3 幀格式圖
除了廣播輪詢式的循環(huán)通訊方式外，CC-Link還提供主站、本地站及智能設(shè)備站之間的信息瞬時傳送功能。信息從主站傳遞到從站，信息數(shù)據(jù)將以150字節(jié)為單位分割，并以150字節(jié)傳遞。若從從站傳遞到主站，每批信息數(shù)據(jù)最大為34字節(jié)。瞬時傳送需用專門指令來完成，但不影響循環(huán)通信時間。
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 下位機軟件設(shè)計
系統(tǒng)控制軟件的編制采用三菱公司的GX Developer 7.0來完成，利用該軟件可以很方便地進行PLC工藝流程軟件的編制。
在啟動現(xiàn)場總線以前，必須編制通信初始化程序。首先在參數(shù)設(shè)定部分，將整個系統(tǒng)連接的模塊數(shù)，重試次數(shù)，自動返回模塊數(shù)以及當CPU癱瘓時的運行規(guī)定（停止）以及各站的信息寫入到存儲器相應(yīng)的地址中。在執(zhí)行刷新指令后緩沖存儲器內(nèi)的參數(shù)送入內(nèi)部寄存器區(qū)，從而啟動數(shù)據(jù)鏈接。如果緩沖存儲器參數(shù)能正常啟動數(shù)據(jù)鏈接，這說明通信參數(shù)設(shè)置無誤，這時就可以通過寄存指令將參數(shù)寄存到E2PROM。這是因為一旦斷電內(nèi)部寄存器的參數(shù)是不會保存的，而E2PROM中參數(shù)即使斷電仍然保存。同時通信參數(shù)必須一次性地寫入E2PROM，即僅在初始化才予以執(zhí)行。此后CPU運行就通過將E2PROM內(nèi)的參數(shù)送入內(nèi)部寄存區(qū)去啟動數(shù)據(jù)鏈接[4]。
初始化程序后，編寫主站PLC與變頻器的通訊程序，其程序如下所示：
4.2 觸摸操作屏
觸摸操作屏采用GOT970,它是一臺計算機，具有觸摸功能并帶有RS485接口，利用組態(tài)軟件組態(tài)傳動裝置及其他要操作設(shè)備的操作界面。在觸摸操作屏上設(shè)有四個畫面：主畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、解列運行畫面和報警畫面。主畫面顯示設(shè)備在運行紡頭的轉(zhuǎn)數(shù)、變頻器的參數(shù)和操作指示；參數(shù)設(shè)定畫面用來設(shè)定工藝參數(shù)；解列運行畫面在調(diào)試設(shè)備時使用，顯示設(shè)備各部分獨立工作時的運行情況；報警畫面顯示設(shè)備的故障報警信息。組態(tài)完成后下載即可和總線建立連接。
5 結(jié)束語
這種基于現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上的控制方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性，主要包括以下幾點。
（1） 降低控制系統(tǒng)的安裝成本和維護費用。在設(shè)備生產(chǎn)線或整個控制系統(tǒng)中，減小了各種現(xiàn)場布線和維護費用，也減小了控制箱的安裝空間，降低了整個系統(tǒng)的投資成本。
（2） 增強了現(xiàn)場級信息集成能力，可以從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富的信息，現(xiàn)場總線數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號， 還可以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。
（3） 開放性和互操作性增加了系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)發(fā)展的靈活性。不同廠家產(chǎn)品只要使用統(tǒng)一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。
（4）提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備遠程參數(shù)設(shè)定、修改等工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。
