水泥生產(chǎn)線無線通信方案的應(yīng)用
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0引言
伴隨著工業(yè)自動化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異的發(fā)展，無線通信技術(shù)被越來越多地運用到工廠自動化應(yīng)用方案中［1-10］。水泥生產(chǎn)線是生產(chǎn)水泥的一系列設(shè)備組成的水泥設(shè)備生產(chǎn)線，主要由破碎及預(yù)均化、生料制備均化、預(yù)熱分解、水泥熟料的燒成，水泥粉磨包裝等過程構(gòu)成。水泥主生產(chǎn)線一般采用大型DCS系統(tǒng)控制，而堆取料機等需要移動的設(shè)備一般采用小型PLC系統(tǒng)控制。主生產(chǎn)線的自動控制需要配合堆取料機的運行，因此DCS的控制系統(tǒng)需要讀取PLC系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)并且寫入控制PLC的輸出，傳統(tǒng)的MODBUS或者Profibus-DP通信雖然可以實現(xiàn)通信的要求，但是卻要依賴于電纜的連接，這對于隨時需要移動的堆取料機控制系統(tǒng)來說并不適合。BESTWAY水泥項目的方案設(shè)計中借助無線通信設(shè)備，通過無線通信參數(shù)的設(shè)置和組態(tài)軟件編程處理，實現(xiàn)無線通信，達到DCS控制系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的目的。
1無線通信方案的系統(tǒng)配置
1.1系統(tǒng)硬件配置
無線通信的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置，其中工程師站用于軟件組態(tài)和編譯下載，DCS主控器為中控ECS-700系統(tǒng)（CPU為FCU712），以太網(wǎng)通信模塊為COM742，二者通過E-BUS總線網(wǎng)絡(luò)連接。水泥生產(chǎn)線的控制室距離現(xiàn)場堆取料機的駕駛室將近500m，采用多模光纖和光纖跳線連接網(wǎng)絡(luò)交換機。煤粉和混合原料兩套堆取料機共需要4套PLC，兩組6臺無線通信設(shè)備,無線通信距離在80m之內(nèi)。
1.2無線通信設(shè)備配置
無線通信設(shè)備AP模塊（APC2M-EXT），是一款高性能、高穩(wěn)定性的2.4GHz無線多用途產(chǎn)品。產(chǎn)品輸出功率最高可達30dBm，內(nèi)置802.11nMIMO無線內(nèi)核，并配備兩個N型外置天線接口，可連接雙極化天線，其外殼符合IP-65防護標(biāo)準(zhǔn)，適用于需覆蓋廣泛面積的應(yīng)用。APC2M配備可靠、先進、功能豐富的操作系統(tǒng)，且向下兼容802.11b/g產(chǎn)品。該無線通信系統(tǒng)需要兩組共6臺AP模塊，AP1~3為一組，AP4~6為一組。AP-1和AP-4為無線通信設(shè)備的主服務(wù)器端，AP2~3以及AP5~6為客戶端。每臺AP設(shè)備有一套電源轉(zhuǎn)換器，輸出有兩個網(wǎng)口，其中標(biāo)有POE的網(wǎng)口用網(wǎng)線連接AP設(shè)備，另一個標(biāo)有LAN的網(wǎng)口可連接個人電腦，通過電腦進入無線通信設(shè)備網(wǎng)站瀏覽器頁面對每臺AP進行配置。煤粉堆取料機的主服務(wù)器端AP的IP地址設(shè)置為192.168.1.100，兩臺客戶端AP的IP地址設(shè)置為192.168.1.101和192.168.1.102，ID名統(tǒng)一命名為GCS-A。混合原料的主服務(wù)器AP的IP地址設(shè)置為192.168.1.200，兩臺客戶端AP的IP地址設(shè)置為192.168.1.201和192.168.1.202，ID名統(tǒng)一命名為GCS-B。DB增益統(tǒng)一選擇為5DB，每一組三臺AP設(shè)備的信道選擇保持一致，功率選擇為最大。密碼選擇個人WAP2，并且設(shè)定一個口令以便維護。設(shè)置完畢后，可將每組主服務(wù)器AP設(shè)備連接個人電腦，通過網(wǎng)絡(luò)拼通的方式檢測與其他兩臺客端AP無線通信是否良好，也可查看模塊上的通信指示燈顯示。待檢測通信狀況良好之后，可將兩臺客戶端AP模塊的LAN網(wǎng)口分別連接兩臺PLC的CPU模塊的網(wǎng)口。
2無線通信方案的軟件設(shè)計
2.1PLC系統(tǒng)通信設(shè)計
兩套堆取料機系統(tǒng)由中控的PLC產(chǎn)品G3系統(tǒng)控制，在G3系統(tǒng)的應(yīng)用組態(tài)軟件中會自動分配給每臺PLC一個網(wǎng)絡(luò)IP地址。為了便于區(qū)分各臺PLC的每一塊IO模塊，需要用個人電腦連接各個IO模塊的網(wǎng)口進行人為設(shè)置硬件地址。煤粉系統(tǒng)的兩套PLC的CPU模塊分別設(shè)置為002和008，混合原料兩套CPU模塊地址分別設(shè)置為014和021。無線通信的控制要求：DCS需要實時讀取每臺PLC的64個數(shù)字量DO輸出值以及寫入控制其他32個DO的輸出。
2.1.1分配通信數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)在G3系統(tǒng)中，需要分配通信數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，用中間變量M278.0~M285.7作為64個DO通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其通信地址為5000~5063，中間變量M286.0~M289.7作為32個DO通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其通信地址為5064~5095?？勺远x變量REG-SED-001~064，表示從G3系統(tǒng)傳送給DCS的緩沖區(qū)變量；自定義變量REG-REV-001~032，這32個數(shù)據(jù)表示從DCS發(fā)送到G3系統(tǒng)的緩沖區(qū)變量。另外可增加32個變量spare02-001~032來接收從DCS傳送來的寫入控制變量。
2.1.2編程處理設(shè)置完通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，還需要編程處理數(shù)據(jù)的交換：
（1）通過編程將G3系統(tǒng)的DO點傳送給中間變量，通過中間變量通信傳送到DCS系統(tǒng)顯示，將DO輸出變量Q20_0傳送給中間緩存變量REG_SED_001。
（2）把從DCS接收到信號傳送給中間變量，然后控制DO輸出,將含有DCS通信數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)變量REG_REV_001傳送到中間變量spare001，然后傳送控制DO輸出DO135變量。
2.2DCS系統(tǒng)通信設(shè)計
水泥生產(chǎn)線的主DCS系統(tǒng)為ECS-700系統(tǒng)。以太網(wǎng)通信模塊COM742-S是ECS-700系統(tǒng)的以太網(wǎng)異構(gòu)設(shè)備接入模塊，通過擴展I/O總線，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（MODBUS/TCP協(xié)議）將使用同樣通信協(xié)議的第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)聯(lián)入ECS-700系統(tǒng)，該模塊可冗余配置，以保證更高的可靠性。通信參數(shù)設(shè)置在DCS的組態(tài)軟件中，可對通信模塊進行通信參數(shù)設(shè)置。該通信模塊的IP地址設(shè)置為172.20.1.40，并且需要對要通信的4臺PLC的CPU模塊的IP地址進行設(shè)置：煤粉的堆取料機的地址為172.20.1.2和172.20.1.8，混合原料的堆取料機的地址為172.20.1.14和172.20.21。設(shè)置的原則是與之前CPU設(shè)置的硬件地址保持一致。對每臺PLC設(shè)備增加讀取和寫入命令。讀取命令需要設(shè)置通信功能號為FC01，掃描周期時間為500ms,初始地址為5000，數(shù)量為64，位號類型為數(shù)字量DI輸入，意味著讀取64個PLC設(shè)備的DO輸出變量；寫入命令需要設(shè)置通信功能號為FC15，掃描周期時間為500ms,初始地址為5064，數(shù)量為32，位號類型為DO輸出，意味著寫入控制32個PLC設(shè)備的DO輸出。可采用同樣的方法，給其他幾套PLC設(shè)置相關(guān)通信參數(shù)。掃描新增位號在DCS組態(tài)軟件的位號編輯頁面中，通過掃描新增位號，可將上述增加的設(shè)備的通信通道掃描到新增的DI和DO通道中，為后續(xù)的實驗驗證做準(zhǔn)備。
3實驗驗證
3.1DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信實驗
基于模擬現(xiàn)場進行賦值的方法對通信進行實驗驗證，步驟如下：
（1）在PLC組態(tài)軟件中，編程賦值輸出64個DO變量，在DCS組態(tài)軟件新增的對應(yīng)的輸入位號中查看其狀態(tài)，是否與PLC系統(tǒng)中的輸出變量的狀態(tài)保持一致。將PLC和DCS系統(tǒng)的組態(tài)分別編譯下載后實驗。
（2）在DCS系統(tǒng)中對新增的32個DO位號賦值輸出，查看PLC系統(tǒng)的對應(yīng)的DO變量是否也隨之輸出，可在模塊的DO通道顯示指示燈和程序中分別檢測查看狀態(tài)是否保持一致。將PLC和DCS系統(tǒng)的組態(tài)分別編譯下載后實驗。實驗結(jié)果表明，通信效果良好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通信收發(fā)時間差保持在一個掃描期內(nèi)，完全滿足現(xiàn)場控制要求。
3.2無線通信穩(wěn)定性試驗
考慮現(xiàn)場堆取料機的環(huán)境比較惡劣，為了進一步測試無線通信的穩(wěn)定性，將AP模塊之間的距離放置較遠(yuǎn)，超過80m，且將主服務(wù)器AP模塊放置在相對封閉的環(huán)境，同時保證AP模塊上的通信強度燈仍然有較弱的顯示。實驗步驟為：
（1）從DCS系統(tǒng)輸出的32個DO變量中選取若干，強制輸出后，PLC系統(tǒng)得到命令，將對應(yīng)的DO變量輸出。
（2）將上述PLC系統(tǒng)的DO變量輸出，通過通信反饋傳送給DCS系統(tǒng)顯示。
（3）在DCS系統(tǒng)的歷史趨勢中分別增加從DCS系統(tǒng)主動輸出的DO變量和從PLC系統(tǒng)反饋得到的DO變量。通過循環(huán)1s強制輸出和關(guān)斷的編程處理，觀察一段時間內(nèi)二者的趨勢是否保持一致。二者的歷史趨勢有1s之內(nèi)的滯后時差，但狀態(tài)變化趨勢保持一致，考慮通信程序掃描時間以及硬件反應(yīng)時間滯后的問題，基本符合現(xiàn)場通信穩(wěn)定性要求。
4結(jié)語
該無線通信方案在巴基斯坦境內(nèi)的一條4000T/D的BESTWAY水泥生產(chǎn)線的改造中得到應(yīng)用。還可以在以下方面繼續(xù)探索和研究：
（1）根據(jù)現(xiàn)場實際情況的控制要求，方案中的數(shù)據(jù)通信只選擇了數(shù)字量DO輸出變量，可增加數(shù)字量輸入DI變量，以及模擬量輸入輸出AI,AO變量的通信實驗，方法步驟基本一致；
（2）無線通信距離是基于無線通信設(shè)備的能力，需要根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境以及通信距離的要求合理選擇無線通信設(shè)備，距離較遠(yuǎn)以及惡劣的現(xiàn)場環(huán)境將會對無線通信設(shè)備提出更高的要求。
（3）可探索將此無線通信方案應(yīng)用于其他工業(yè)自動化生產(chǎn)中，使其發(fā)揮更大的作用。
作者：欒極 馬太 史發(fā)明 王飛 李猛 孫國平 單位：浙江中控技術(shù)股份有限公司
