采用CC-Link和其它通訊網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)BOPP薄膜生產(chǎn)集散控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 引言

BOPP是Biaxial Oriented PolyPropylene （雙向拉伸聚丙烯）的縮寫，BOPP薄膜具有拉伸強(qiáng)度大，透明度高，保鮮性好、光澤明亮、彩印鮮艷、外觀裝飾華貴等優(yōu)點，而且還具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和附著力以及極好的化學(xué)性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性（與名種酸、堿、鹽不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)），耐水耐熱，是一種高級塑料包裝材料，廣泛應(yīng)用于香煙、服裝、食品、印刷品等、也可做粘膠帶基及電容器的電介質(zhì)。

BOPP薄膜生產(chǎn)線工作原理是：根據(jù)薄膜生產(chǎn)工藝要求，將擠出機(jī)及機(jī)頭的各節(jié)筒體分別加熱到不同的工作點，按配方通過料斗不斷地注入料粒；熔融狀的物料由機(jī)頭擠出后，經(jīng)過冷卻輥冷卻，形成窄而厚的薄膜厚片；薄膜厚片經(jīng)過儲片架整理后，被送入縱向拉伸區(qū)，根據(jù)工藝要求由慢速輥和快速輥進(jìn)行2.5～5.0倍的縱向拉伸處理；橫向拉伸區(qū)用于實現(xiàn)薄膜的第二次拉伸，即橫向拉伸，該區(qū)域涉及薄膜的橫拉分區(qū)加熱控制、同步傳動控制、破膜檢測及其處理等問題，是實現(xiàn)有效成膜的關(guān)鍵之一；薄膜經(jīng)過雙向拉伸（即縱拉和橫拉）后，被送入后處理區(qū)域進(jìn)行后續(xù)工藝的處理，再經(jīng)過上卷輥整理，由兩臺收卷輥輪換進(jìn)行恒張力收卷，最終形成成品膜。

BOPP薄膜生產(chǎn)線全長約80米，如圖1所示，其中主要包括1：擠出機(jī)及機(jī)頭系統(tǒng)；2：冷輥裝置；3：前掃描測厚裝置；4：儲片架；5：縱向拉伸區(qū)域；6：橫向拉伸區(qū)域；7：橫拉輥裝置；8：后處理區(qū)域；9：后掃描測厚裝置；10：上卷輥裝置；11：收卷區(qū)域。

為了進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的可靠性和自動化程度，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，提出在原有生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上采用CC-Link現(xiàn)場總線等技術(shù)對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。建立起由PLC、分布式控制模塊、工控機(jī)、單片機(jī)及智能儀表組成的集散控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的集散控制、工藝曲線的實時顯示、關(guān)鍵參數(shù)的存儲等，便于生產(chǎn)管理和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 、集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 CC-Link開放式現(xiàn)場總線

CC-Link是Control Communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的簡稱，是三菱電機(jī)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，最高達(dá)10Mbps。它是一個復(fù)合的、開放的、適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(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)中的主站由PLC擔(dān)當(dāng)，從站可以是遠(yuǎn)程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機(jī)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。

CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播輪詢的方式進(jìn)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［2］。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對來自主站的輪詢作出響應(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（此時并不發(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；依次類推，不斷循環(huán)，圖2所示為廣播輪詢時的數(shù)據(jù)傳輸幀格式。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)。瞬時傳送需由專門指令來完成，但不會影響循環(huán)通訊的時間。

2.2 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到BOPP薄膜的生產(chǎn)工藝特點及其復(fù)雜性等因素，本文設(shè)計并構(gòu)造的集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該CC-Link現(xiàn)場總線網(wǎng)上，Q02CPU是主站，QJ61BT11作為接口模塊。從站有兩大類：一類是遠(yuǎn)程I/O站，由AJ65BTB2-16R和AJ65SBTB1-16D遠(yuǎn)程I/O模塊組成，共8個模塊，每個模塊占用1個邏輯從站資源，主要用于實現(xiàn)對各直流調(diào)速電機(jī)的起停、切換、聯(lián)鎖、故障等控制和檢測；另一類由FX2N-32CCL和A80BDE-J61BT13遠(yuǎn)程設(shè)備模塊構(gòu)成，共5個模塊，考慮到所要傳輸?shù)男畔⒘枯^大，在這里每個模塊被設(shè)計成占用4個邏輯從站資源，主要用于實現(xiàn)與FX2N-80MR PLC和工控機(jī)的連接。因此，整個CC-Link網(wǎng)絡(luò)由一個主站和28個邏輯從站構(gòu)成。

該集散控制系統(tǒng)除了應(yīng)用CC-Link網(wǎng)絡(luò)外，還采用了其它通訊網(wǎng)絡(luò)方式對系統(tǒng)各局部區(qū)域進(jìn)行控制，如RS-422、RS-485等。

前部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站9#~12#）通過FX2N-485BD板卡，采用RS-422網(wǎng)絡(luò)對擠出機(jī)、冷輥電機(jī)、慢速輥電機(jī)、快速輥電機(jī)和橫拉輥電機(jī)共5臺直流電機(jī)進(jìn)行控制與檢測；后部傳動控制用FX2N-80MR PLC（從站17#~20#）采用相同的RS-422方式對后處理電機(jī)、上卷輥電機(jī)、收卷1電機(jī)和收卷2電機(jī)共4臺直流電機(jī)進(jìn)行控制與檢測，它們共同實現(xiàn)對速度鏈傳動控制子系統(tǒng)的控制。此外，位于前操控臺的FX2N-80MR PLC（從站13#~16#）和位于后操控臺的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）分別通過其RS-422編程口與各自的單片機(jī)系統(tǒng)相連，用于實現(xiàn)調(diào)速電機(jī)的速度設(shè)定、速度顯示、調(diào)速器內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測等。

工控機(jī)IPC1（從站25#~28#）采用RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)，通過CD901智能儀表對整個溫控子系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，該溫控子系統(tǒng)包括對擠出機(jī)、機(jī)頭、縱向拉伸和橫向拉伸共34個獨立的加熱區(qū)的溫度控制。另外，位于后操控臺的FX2N-80MR PLC（從站21#~24#）還通過FX2N-485BD板卡，采用RS-485通訊方式與張力控制器LE-40MTB相連，用于實現(xiàn)對薄膜左、右張力的檢測與恒張力收卷控制。

工控機(jī)IPC1還有一個重要的任務(wù)就是控制并驅(qū)動前掃描測厚裝置，檢測并顯示薄膜厚片的厚度，以及顯示傳動子系統(tǒng)、溫控子系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)情況，便于工藝技術(shù)人員及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工控機(jī)IPC2主要用于控制、驅(qū)動后掃描測厚裝置，檢測并顯示成品膜的厚度，產(chǎn)品的最終公差分布情況在這里得到充分的體現(xiàn)。IPC1與IPC2被置于同一個電控柜中，由于距離相隔很近，因此采用RS-232C通訊方式將它們連接起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。這兩臺工控機(jī)共同構(gòu)成了薄膜測厚子系統(tǒng)。

2.3 一個集散控制流程簡例

圖4所示是該集散控制系統(tǒng)對其中的后處理電機(jī)進(jìn)行控制的過程，圖中2、3、6、7、9表示CC-Link網(wǎng)絡(luò)，1和8表示從站（21#~24#）通過其RS-422編程口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，4和5表示從站（17#~20#）通過其485BD板卡與直流調(diào)速器進(jìn)行RS-422數(shù)據(jù)通訊。

來自碼盤的數(shù)值經(jīng)1、2、3、4傳輸后，進(jìn)入DC調(diào)速器6，作為后處理電機(jī)的速度設(shè)定值，該調(diào)速器與光碼共同組成一個獨立的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外，后處理電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速值經(jīng)5、6、7、8傳輸后，轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的薄膜生產(chǎn)線的線速度，由LED顯示出來，供操作人員使用，同時該線速度還經(jīng)由9被傳輸至IPC1，供工藝技術(shù)人員集中使用。

3 、集散控制子系統(tǒng)設(shè)計

由于BOPP薄膜生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備及種類繁多、安裝地點較為分散，因此該集散控制系統(tǒng)涉及多CPU類型（PLC、IPC、單片機(jī)）、多種通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（CC-Link、RS-422、RS-485、RS-232C），它們共同組成一個有機(jī)的整體。本文設(shè)計的集散控制系統(tǒng)在控制功能上可以分為四類控制子系統(tǒng)：速度鏈傳動控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測厚系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。

3.1 速度鏈傳動控制系統(tǒng)

3.1.1 速度鏈傳動

生產(chǎn)線的主傳動系統(tǒng)由擠出機(jī)電機(jī)、冷輥電機(jī)、慢速輥電機(jī)、快速輥電機(jī)、橫拉輥電機(jī)、后處理電機(jī)、上卷電機(jī)、收卷1電機(jī)和收卷2電機(jī)組成，它們分別由DC調(diào)速器1～調(diào)速器9來驅(qū)動，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值由操控臺上的碼盤值間接給出。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，除擠出機(jī)電機(jī)單獨控制外，其余7臺電機(jī)（注：收卷1和收卷2不同時使用）必須保持嚴(yán)格的同步速度，即要求按照特定的速度鏈進(jìn)行增/減速，且本級電機(jī)的速度變化只能影響本級和后續(xù)各級，不允許改變前面各級電機(jī)的速度。

設(shè)碼盤值M0~M6分別表示調(diào)速器2～調(diào)速器8的轉(zhuǎn)速設(shè)定系數(shù)，N0～N6分別表示調(diào)速器2～調(diào)速器8的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的百分比。則速度鏈由下式表示：

其中Ki表示對應(yīng)碼盤值的基值常數(shù)。由式（1）易知，N0僅受自身碼盤M0的控制，與其它碼盤值無關(guān)。另外，當(dāng)任一碼盤值Mi改變時，它只影響自身和其后的設(shè)定值Ni~N6，而不影響其前面的設(shè)定值N0～Ni-1。

3.1.2 傳動控制

主傳動控制分為前部傳動控制和后部傳動控制兩部分，它們獨立構(gòu)成自己的二級RS－422網(wǎng)絡(luò)。前部傳動控制由從站9#~12# PLC與調(diào)速器1～5組成，后部傳動控制由從站17#~20# PLC與調(diào)速器6～9組成，其中，從站9#~12# PLC和從站17#~20# PLC既作為CC-Link網(wǎng)絡(luò)的從站，又作為二級RS－422網(wǎng)絡(luò)的主站。圖5所示表示該二級網(wǎng)絡(luò)的主站與單臺調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)的讀寫通訊過程，與多臺調(diào)速器進(jìn)行讀寫控制時，是采用逐臺通訊、輪換進(jìn)行的，通訊波特率最高為19200波特，實踐表明完全滿足系統(tǒng)的實時性要求。

圖6所示表示快速輥在速度鏈傳動控制過程中的轉(zhuǎn)速控制方式。根據(jù)單機(jī)/聯(lián)動選擇開關(guān)可以實現(xiàn)快速輥的單個控制方式和速度鏈控制方式，圖中的“碼盤值”表示快速輥的速度可以由操控臺上的碼盤進(jìn)行在線修改；“固定值1”表示穿片速度，此時快速輥與慢速輥的線速度相同；“固定值2”表示在薄膜生產(chǎn)過程中，若出現(xiàn)破膜信號，則快速輥及其后續(xù)主傳動輥立即降至某一固定值，便于操作人員進(jìn)行處理。

3.2 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)主要由工控機(jī)、34套CD901溫控儀、RS－232C/RS－485轉(zhuǎn)換器、功率模塊等組成。工控機(jī)對溫控系統(tǒng)的溫度設(shè)定及實時溫度監(jiān)測是采用RS－485通訊方式實現(xiàn)的，圖7所示為溫控系統(tǒng)的通訊控制過程。系統(tǒng)采用ASCII碼傳輸模式，可以對設(shè)備地址、波特率、數(shù)據(jù)位和校驗位等進(jìn)行設(shè)定。本系統(tǒng)采用9600bps、1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗、1位停止位，ID地址范圍為1～34。首先工控機(jī)發(fā)送EOT（04H）進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，表1表示工控機(jī)查詢參數(shù)的數(shù)據(jù)格式。溫控儀接收到數(shù)據(jù)后，便發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，表2表示溫控儀響應(yīng)工控機(jī)查詢過程的數(shù)據(jù)格式。表3表示工控機(jī)參數(shù)寫入過程的數(shù)據(jù)格式，當(dāng)溫控儀接收到正確的參數(shù)寫入命令后，則發(fā)出ACK（06H）響應(yīng)信號；當(dāng)接收到不正確的指令數(shù)據(jù)時，則發(fā)出NAK（15H）信號。其中Device address為溫控儀的ID地址，STX（02H）表示開始控制字符，Identifier為操作符，DATA表示操作數(shù)據(jù)，ETX（03H）為數(shù)據(jù)結(jié)束字符，BCC為校驗碼（異或和）。

溫度的設(shè)定與監(jiān)測都要首先由工控機(jī)向溫控儀發(fā)送數(shù)據(jù)，每批數(shù)據(jù)的發(fā)送均要占用一定的系統(tǒng)時間（約3ms）。由于CD901的通訊為應(yīng)答式方式，因此不能只是不斷地向溫控儀發(fā)送數(shù)據(jù)，而應(yīng)采取分時方式進(jìn)行處理。為確保通訊過程的正常進(jìn)行，用10ms的時間發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，若通訊失敗就重復(fù)發(fā)送，重復(fù)次數(shù)超過3次則認(rèn)為通訊故障并報警。若發(fā)送成功，此時還不能立即發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)，要等溫控儀返回正確的通訊數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)。工控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令含有ID地址，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，只有符合指定ID地址的溫控儀才會返回正確的應(yīng)答數(shù)據(jù)，這樣就可以根據(jù)工控機(jī)發(fā)送的ID號來鑒別是哪個溫控儀返回的數(shù)據(jù)了。由于該RS－485通訊的波特率設(shè)置為9600bps，而溫控系統(tǒng)慣性大，溫度變化較慢，實際應(yīng)用證明完全滿足工程要求。

此外，考慮到溫度設(shè)定過程的隨機(jī)性特點，在本系統(tǒng)中建立了一個監(jiān)控線程來專門監(jiān)測設(shè)定溫度值的變化情況，一旦設(shè)定值發(fā)生變化就將溫度監(jiān)測線程掛起，發(fā)送新的溫度設(shè)定值，設(shè)定成功后繼續(xù)恢復(fù)對實時溫度值的監(jiān)測。這樣利用MFC自帶的多線程功能，充分利用了Windows的多任務(wù)處理功能。多串口數(shù)據(jù)的接收也采用線程的方法，建立一個線程來監(jiān)視串口是否有新的數(shù)據(jù)，一旦有新數(shù)據(jù)則將其保存，并繼續(xù)監(jiān)測串口。

3.3 測厚系統(tǒng)

BOPP薄膜測厚系統(tǒng)由兩個獨立部分組成，一個是前掃描測厚系統(tǒng)，用于測量薄膜厚片的厚度；另一個是后掃描測厚系統(tǒng)，用于測量成品膜的厚度。它們分別由IPC1和IPC2工控機(jī)進(jìn)行測控，雖然它們地處生產(chǎn)線不同位置，且相對獨立，但測量原理、基本功能及結(jié)構(gòu)大致相似。均由V型掃描架、掃描驅(qū)動裝置、控制器及掃描傳感器等組成，在掃描架上裝有自動/手動、掃描、退出、樣品、參考等觸點開關(guān)和方式、狀態(tài)指示燈等，同時還配有電機(jī)用來驅(qū)動掃描傳感器的往復(fù)運(yùn)動等。

測厚系統(tǒng)軟件采用VC編寫，以充分利用其圖形和對硬件接口的直接操作功能，軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理模塊和掃描工作模塊兩部分。系統(tǒng)管理模塊主要用于系統(tǒng)參數(shù)的修改、顯示測量曲線、復(fù)制圖表、在線打印工作參數(shù)及控制掃描架工作狀態(tài)等。掃描工作模塊受系統(tǒng)管理模塊控制，主要具有4種工作方式：掃描工作方式、退出掃描方式、參考工作方式和樣品工作方式。圖8所示為后掃描工作模塊程序流程圖。

掃描工作方式是4種工作方式的核心部分，用于完成對測量系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集及后續(xù)處理等功能。退出掃描方式用于當(dāng)出現(xiàn)破膜現(xiàn)象時，系統(tǒng)自動退出當(dāng)前對薄膜的掃描測量過程，為進(jìn)入其它工作方式作準(zhǔn)備。參考工作方式用于檢查傳感器的穩(wěn)定性，此時系統(tǒng)自動進(jìn)行背景計數(shù)、空氣計數(shù)和旗計數(shù)，并自動計算出旗空比，若旗空比為0.75，則表明傳感器的工作是穩(wěn)定的。樣品工作方式用于進(jìn)行樣品試驗，由于生產(chǎn)原料的差異性，會造成薄膜測厚的基準(zhǔn)的變化，因此當(dāng)改變原料時，通過對新樣品的試驗，獲得對新基準(zhǔn)的修正參數(shù)，校正測量值以提高測量的準(zhǔn)確性。

3.4 輔助控制系統(tǒng)

輔助控制系統(tǒng)主要包括對儲片架升降、換卷系統(tǒng)、羅茨風(fēng)機(jī)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)、跟緊輥、自動注油系統(tǒng)、恒張力收卷等的控制。圖9所示是雙收卷輥在自動換卷方式下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

4、 結(jié)束語

本文所述集散控制系統(tǒng)已于2002年11月成功應(yīng)用于常州市絕緣材料總廠BOPP薄膜生產(chǎn)線上，至今生產(chǎn)線運(yùn)行可靠，控制性能良好。實踐還表明該系統(tǒng)可擴(kuò)展性好，適應(yīng)性強(qiáng)，明顯縮短了系統(tǒng)的研制周期，節(jié)省了大量控制線纜。本系統(tǒng)的成功應(yīng)用為今后進(jìn)一步的類似使用提供了有力實證。

責(zé)任編輯：gt