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铝型材表面处理电源组网研究与实现

2019-07-22
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近几年来,国内铝型材行业发展迅速,技术进步不断加快。网络控制技术在整流电源中得到了广泛应用,大大改变了原来整流设备的控制地点分散、功能单一、分工过细的状况,目前正朝着变电、整流、工艺综合监控方向发展 。为了适应新形势下的技术变革,搭建一个结构简单,成本低廉的整流器控制系统网络架构,使之能方便的融入综合控制系统,成为了整流器设计的一个关键部分。

1.铝型材表面处理电源控制系统简介

1.1 控制系统核心

我公司生产的铝型材表面处理电源,包含普通高频电源,高频同步整流电源,可控硅整流电源,多波形着色电源,采用的控制系统均为自己研发的数字控制系统,较之上一代的基于PLC的模拟控制系统,在性能上得到了极大的提升。

1.2 铝型材整流电源信号系统简介

铝型材整流器信号系统包括内部和外部两部分,内部信号也即设备运行所需的各种信号,包含进线电流电压,冷却装置的温度和压力信号、各种连锁保护和故障信号、输出电流电压信号、来自槽端的各种信号等,这些信号是控制系统需要采集并且大多数要用在内部控制逻辑当中。

外部信号主要包括来自DCS的信号、来自上位机的远程控制信号等,是外设对整流器的一些控制信号。这些信号来源不同,数量众多,对其处理,既要保证实时性,也要满足稳定可靠的要求,同时还要兼顾经济和方便。这对我们的控制系统组网提出了较高的要求。

2.铝型材表面处理整流器系统网络目标

一般的铝材厂都有专门表面处理车间,涉及到整条生产线表面处理整流器的联网自动控制。这就涉及到设备之间的协调性和与上位机之间的有效通信。

以着色电源为例,着色槽一般要求在槽边有一个远控箱进行控制,方便对色。同时在中控室有一个远控台进行远程控制,如果要自动控制的厂家,还有一套上位机系统,对生产线行车和整流器进行统一控制。各个整流器控制终端要很好的协调匹配,不能出现误操作。同时,很多厂家采用三个着色槽一起着色,要求三台设备同步运行,每台设备之间不能有延迟,同时要保持输出高度一致性。这些都对系统组网提出了非常高的要求。该网络结构的架构,应当至少满足以下几个条件:

1)上位机要支持相应的网络接口和通信协议。

2)该网络要方便的支持多站点数据采集。

3)要保证通信速度。

4)要保证能对各个站点进行方便的投入与切出,以方便对单台设备维护。

5)由于上位机一般位于控制室,离整流器较远,可达上百米甚至上千米,网络能够保证在这个距离内通信的有效和稳定。

3.铝型材表面处理整流器系统网络设计

基于上面几条考虑,我们首先排除了基于RS232或者RS485的MODBUS通信方式,因为这种方式一般应用在远端只进行数据采集,并且对实时性要求不高的场合。如果远端要对设备进行操作或者控制,在长距离通信或者多站点通信的时候,这种通信就不太合适。主要在于实时性不好,会有较大的延时。我们公司采用了以下两种组网方式提供给客户:

3.1 基于CAN总线的组网方式

是用CAN网络进行设备组网。CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的,并最终成为国际标准,是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧,CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线,并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

近年来,其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视,被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN网络的优点如下:

1)由于CAN网络的特性,数据在CAN总线上传输,对于每台设备都是一样的,无所谓主从的概念,所以其数据的同步性非常好。也就是上位机要对下面的设备进行操作,只需要发送一条指令,下面的设备几乎是同时接收,不存在延时。非常适合几台设备同时控制的场合。

2)CAN总线的通信距离较长,通信速率非常高,在工业环境下,一般200米左右能保持250K的通信波特率,通信速度很快;

3)CAN网络的扩展性很好,如果有设备因为故障等原因退出维护,对整个网络没有任何影响,不会造成网络通信的延迟,能继续稳定的通信。

以上这些特点,非常适合于铝型材表面处理电源的联网控制,再以着色电源为例,在3台着色电源要求同步工作的情况下,其同步性,实时性的表现非常让人惊艳。如下图:

这是我们客户现场使用三台着色电源进行着色的输出曲线图,三台设备的电压输出曲线保持了惊人的一致,如果不是因为颜色的区分,几乎看不出是三条曲线的重合。

目前,基于CAN网络的组网方式在客户现场已经得到了较好的应用。

3.2 基于以太网的组网方式

以太网在我们的生活中已经非常熟悉了,在工业应用中,也是如火如荼,使用以太网进行通信组网的优点非常明显:

1)组网简单,一条网线,就能连接两个设备,再加一个交换机,可以连接几十台设备。包括上位机,触摸屏等各种控制终端。

2)增减设备方便,直接插拔网线,就实现了设备的增减。

3)速率高,一般都是10M/100M网,千兆以太网也应用得非常广泛。

4)目前应用的各种设备,几乎都支持以太网的方式,并且协议也普遍都支持TCP/IP协议,所以该网络应用十分广泛。

目前我公司研发的以太网通信模块,能和市场上绝大多数的控制器进行互联,包括各种PLC,触摸屏,组态软件等。网络图如下:

控制系统的数据通过以太网传送到上位机,实现了上位机监控系统对电源控制系统的连接。

4.结束语

本文对铝型材表面处理电源控制系统网络架构的研究和讨论,实现了基于CAN总线和以太网联网的铝型材表面处理电源组网。在用户的实际使用过程中,证明了该网络通信架构的实用性和合理性。当然,技术的更新日新月异,我们期待能和大家共同学习,共同进步,为了国家铝型材表面处理工业的发展,做出应有的贡献。

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铝型材表面处理电源组网研究与实现

近几年来,国内铝型材行业发展迅速,技术进步不断加快。网络控制技术在整流电源中得到了广泛应用,大大改变了原来整流设备的控制地点分散、功能单一、分工过细的状况,目前正朝着变电、整流、工艺综合监控方向发展 。为了适应新形势下的技术变革,搭建一个结构简单,成本低廉的整流器控制系统网络架构,使之能方便的融入综合控制系统,成为了整流器设计的一个关键部分。

1.铝型材表面处理电源控制系统简介

1.1 控制系统核心

我公司生产的铝型材表面处理电源,包含普通高频电源,高频同步整流电源,可控硅整流电源,多波形着色电源,采用的控制系统均为自己研发的数字控制系统,较之上一代的基于PLC的模拟控制系统,在性能上得到了极大的提升。

1.2 铝型材整流电源信号系统简介

铝型材整流器信号系统包括内部和外部两部分,内部信号也即设备运行所需的各种信号,包含进线电流电压,冷却装置的温度和压力信号、各种连锁保护和故障信号、输出电流电压信号、来自槽端的各种信号等,这些信号是控制系统需要采集并且大多数要用在内部控制逻辑当中。

外部信号主要包括来自DCS的信号、来自上位机的远程控制信号等,是外设对整流器的一些控制信号。这些信号来源不同,数量众多,对其处理,既要保证实时性,也要满足稳定可靠的要求,同时还要兼顾经济和方便。这对我们的控制系统组网提出了较高的要求。

2.铝型材表面处理整流器系统网络目标

一般的铝材厂都有专门表面处理车间,涉及到整条生产线表面处理整流器的联网自动控制。这就涉及到设备之间的协调性和与上位机之间的有效通信。

以着色电源为例,着色槽一般要求在槽边有一个远控箱进行控制,方便对色。同时在中控室有一个远控台进行远程控制,如果要自动控制的厂家,还有一套上位机系统,对生产线行车和整流器进行统一控制。各个整流器控制终端要很好的协调匹配,不能出现误操作。同时,很多厂家采用三个着色槽一起着色,要求三台设备同步运行,每台设备之间不能有延迟,同时要保持输出高度一致性。这些都对系统组网提出了非常高的要求。该网络结构的架构,应当至少满足以下几个条件:

1)上位机要支持相应的网络接口和通信协议。

2)该网络要方便的支持多站点数据采集。

3)要保证通信速度。

4)要保证能对各个站点进行方便的投入与切出,以方便对单台设备维护。

5)由于上位机一般位于控制室,离整流器较远,可达上百米甚至上千米,网络能够保证在这个距离内通信的有效和稳定。

3.铝型材表面处理整流器系统网络设计

基于上面几条考虑,我们首先排除了基于RS232或者RS485的MODBUS通信方式,因为这种方式一般应用在远端只进行数据采集,并且对实时性要求不高的场合。如果远端要对设备进行操作或者控制,在长距离通信或者多站点通信的时候,这种通信就不太合适。主要在于实时性不好,会有较大的延时。我们公司采用了以下两种组网方式提供给客户:

3.1 基于CAN总线的组网方式

是用CAN网络进行设备组网。CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的,并最终成为国际标准,是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧,CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线,并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

近年来,其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视,被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN网络的优点如下:

1)由于CAN网络的特性,数据在CAN总线上传输,对于每台设备都是一样的,无所谓主从的概念,所以其数据的同步性非常好。也就是上位机要对下面的设备进行操作,只需要发送一条指令,下面的设备几乎是同时接收,不存在延时。非常适合几台设备同时控制的场合。

2)CAN总线的通信距离较长,通信速率非常高,在工业环境下,一般200米左右能保持250K的通信波特率,通信速度很快;

3)CAN网络的扩展性很好,如果有设备因为故障等原因退出维护,对整个网络没有任何影响,不会造成网络通信的延迟,能继续稳定的通信。

以上这些特点,非常适合于铝型材表面处理电源的联网控制,再以着色电源为例,在3台着色电源要求同步工作的情况下,其同步性,实时性的表现非常让人惊艳。如下图:

这是我们客户现场使用三台着色电源进行着色的输出曲线图,三台设备的电压输出曲线保持了惊人的一致,如果不是因为颜色的区分,几乎看不出是三条曲线的重合。

目前,基于CAN网络的组网方式在客户现场已经得到了较好的应用。

3.2 基于以太网的组网方式

以太网在我们的生活中已经非常熟悉了,在工业应用中,也是如火如荼,使用以太网进行通信组网的优点非常明显:

1)组网简单,一条网线,就能连接两个设备,再加一个交换机,可以连接几十台设备。包括上位机,触摸屏等各种控制终端。

2)增减设备方便,直接插拔网线,就实现了设备的增减。

3)速率高,一般都是10M/100M网,千兆以太网也应用得非常广泛。

4)目前应用的各种设备,几乎都支持以太网的方式,并且协议也普遍都支持TCP/IP协议,所以该网络应用十分广泛。

目前我公司研发的以太网通信模块,能和市场上绝大多数的控制器进行互联,包括各种PLC,触摸屏,组态软件等。网络图如下:

控制系统的数据通过以太网传送到上位机,实现了上位机监控系统对电源控制系统的连接。

4.结束语

本文对铝型材表面处理电源控制系统网络架构的研究和讨论,实现了基于CAN总线和以太网联网的铝型材表面处理电源组网。在用户的实际使用过程中,证明了该网络通信架构的实用性和合理性。当然,技术的更新日新月异,我们期待能和大家共同学习,共同进步,为了国家铝型材表面处理工业的发展,做出应有的贡献。