0. 前言

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋁型材行業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)進(jìn)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(lái)整流設(shè)備的控制地點(diǎn)分散、功能單一、分工過(guò)細(xì)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(shì)下的技術(shù)變革，搭建一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分。

 1. 鋁型材表面處理電源控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

鋁型材整流器信號(hào)系統(tǒng)包括內(nèi)部和外部?jī)刹糠?，?nèi)部信號(hào)也即設(shè)備運(yùn)行所需的各種信號(hào)，包含進(jìn)線電流電壓，冷卻裝置的溫度和壓力信號(hào)、各種連鎖保護(hù)和故障信號(hào)、輸出電流電壓信號(hào)、來(lái)自槽端的各種信號(hào)等，這些信號(hào)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(hào)主要包括來(lái)自DCS的信號(hào)、來(lái)自上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制信號(hào)等，是外設(shè)對(duì)整流器的一些控制信號(hào)。這些信號(hào)來(lái)源不同，數(shù)量眾多，對(duì)其處理，既要保證實(shí)時(shí)性，也要滿足穩(wěn)定可靠的要求，同時(shí)還要兼顧經(jīng)濟(jì)和方便。這對(duì)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(biāo)

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(dòng)控制。這就涉及到設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性和與上位機(jī)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(gè)遠(yuǎn)控箱進(jìn)行控制，方便對(duì)色。同時(shí)在中控室有一個(gè)遠(yuǎn)控臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如果要自動(dòng)控制的廠家，還有一套上位機(jī)系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線行車和整流器進(jìn)行統(tǒng)一控制。各個(gè)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(shí)，很多廠家采用三個(gè)著色槽一起著色，要求三臺(tái)設(shè)備同步運(yùn)行，每臺(tái)設(shè)備之間不能有延遲，同時(shí)要保持輸出高度一致性。這些都對(duì)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(gè)條件：

1）  上位機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集。

3）  要保證通信速度。

4）  要保證能對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行方便的投入與切出，以方便對(duì)單臺(tái)設(shè)備維護(hù)。

5）  由于上位機(jī)一般位于控制室，離整流器較遠(yuǎn)，可達(dá)上百米甚至上千米，網(wǎng)絡(luò)能夠保證在這個(gè)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(jì)

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?yàn)檫@種方式一般應(yīng)用在遠(yuǎn)端只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。如果遠(yuǎn)端要對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作或者控制，在長(zhǎng)距離通信或者多站點(diǎn)通信的時(shí)候，這種通信就不太合適。主要在于實(shí)時(shí)性不好，會(huì)有較大的延時(shí)。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(jìn)行設(shè)備組網(wǎng)。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)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(duì)于每臺(tái)設(shè)備都是一樣的，無(wú)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(jī)要對(duì)下面的設(shè)備進(jìn)行操作，只需要發(fā)送一條指令，下面的設(shè)備幾乎是同時(shí)接收，不存在延時(shí)。非常適合幾臺(tái)設(shè)備同時(shí)控制的場(chǎng)合。

2）              CAN總線的通信距離較長(zhǎng)，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(kuò)展性很好，如果有設(shè)備因?yàn)楣收系仍蛲顺鼍S護(hù)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有任何影響，不會(huì)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(diǎn)，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(tái)著色電源要求同步工作的情況下，其同步性，實(shí)時(shí)性的表現(xiàn)非常讓人驚艷。如下圖：

圖1 三臺(tái)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(chǎng)使用三臺(tái)著色電源進(jìn)行著色的輸出曲線圖，三臺(tái)設(shè)備的電壓輸出曲線保持了驚人的一致，如果不是因?yàn)轭伾膮^(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(chǎng)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(jìn)行通信組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：

1）  組網(wǎng)簡(jiǎn)單，一條網(wǎng)線，就能連接兩個(gè)設(shè)備，再加一個(gè)交換機(jī)，可以連接幾十臺(tái)設(shè)備。包括上位機(jī)，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(shí)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(chǎng)上絕大多數(shù)的控制器進(jìn)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(guò)以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電源控制系統(tǒng)的連接。

圖3 上位機(jī)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(jī)觸摸屏監(jiān)控畫面2

4.  結(jié)束語(yǔ)

隨著單片機(jī)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(gè)簡(jiǎn)單，高效而又符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，成為了電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵課題。未來(lái)的控制系統(tǒng)通信架構(gòu)應(yīng)當(dāng)符合分布式，可擴(kuò)展，拆裝方便，維護(hù)成本低的要求。本文通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)的比較分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，搭建了一個(gè)多臺(tái)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。期待能對(duì)電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些有益的借鑒。

本文對(duì)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(shí)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(shí)際使用過(guò)程中，證明了該網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的實(shí)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(jìn)步，為了國(guó)家鋁型材表面處理工業(yè)的發(fā)展，做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。