WAGO现场总线产品在面粉生产控制系统中的应用

我国是一个农业、粮食生产及消费大国。谷物是我们民族能够生存和发展的必要条件。面粉加工业是与人类一同永存的。由于面粉加工业是粮食生产向人类消费过渡的桥梁，是食品生产的原料工业和基础工业，因此无论未来的科学技术如何先进，都不能取消面粉加工业，而必须不断地促进其提高和发展。近年来，我国人民生活正在向富裕小康型过渡，国民对谷物产品的消费已向优质化，功能化，绿色化方向发展。可以说，生产、开发适应市场要求和人民消费水平的谷物制品，是谷物加工业在新世纪内肩负着的一项重要使命，面粉加工业更是任重道远。
面粉企业生产的面粉，其中一项很重要的质量指标就是面粉质量的稳定性，这就要求面粉企业对加工设备的连续运行，生产的稳定性有一个良好的把握，一个企业要想在激烈的行业竞争中取得一席之地，就必须用先进的自动化控制技术来武装自己。
目前，很多知名面粉企业都采用基于PC、PLC产品的分布式控制系统（DCS），其主要特点之一是现场侧设备与控制器之间的连接是一对一的连接方式，其传输信号为4-20mA（模拟量）或24V DC（开关量）。这种连接方式使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间很难进行信息交流，在一定程度上成为“信息孤岛”。随着现场总线控制系统（FCS）的发展，总线控制技术的特点和优势越来越明显，将WAGO现场总线产品应用于面粉生产过程的自动化控制系统中，必将对面粉加工业的自动化水平产生巨大飞跃。
1. 现场总线
1.1 现场总线的特点
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、实时、双向传输、多分支结构的通信网络。它主要解决现场的智能化仪表，控制器，执行机构等现场设备之间的数字通信问题，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
现场总线的通信方式是使用一根通信电缆，将所有符合现场总线标准的现场设备及控制单元相互连接起来，以构成设备级与车间级的数字化通信网络。
其主要特点为：
1.系统精度及可靠性高，系统集成大大简化。可维护性好，并能充分发挥现场智能型设备可数字式传输的特点。
2.功能分散，反应速度提高，现场仪表具有高层次功能，某种程度上承担了系统的控制功能。
3.通过增加本安物理通道，可应用于危险区域。（本安防爆：本质安全防爆技术，是一种以抑制电火花和热效应能量为防爆手段的“安全设计”技术）
4.现场仪表之间可以通信，实现了现场仪表的自律分散控制。
目前，国际电工委员会（IEC），认定通过的8种现场总线为现行的现场总线技术标准。它们分别是：
①基金会现场总线 FF；②ControNET；③ Profibus；
④P-NET；⑤FF高速以太网HSE；⑥SwiftNET；⑦WorldFIP；⑧Interbus-S
2.2 DCS系统与FCS系统的比较
1.DCS系统是一个大系统，其控制器功能强大，在系统中承担着十分重要的作用，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS系统将功能下放得较彻底，信息处理现代化。数字智能现场设备装置的广泛采用，使得控制器的功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用，边扩，边投运。
2.DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商，不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。
3.DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有D/A与A/D的转换。而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D的转换，高集成化高性能，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。
4.FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期。目前，可以从DCS系统的每秒2~5次，提高到FCS系统的每秒10~20次，从而改善调节性能。
5.DCS系统可以控制和监控工艺全过程，对自身进行诊断，维护和组态。但是，由于自身的致病弱点，其I/O信号采用传统的模拟信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器，执行器等）进行远方诊断，维护和组态。FCS系统采用全新数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS系统采用双向数字通信现场信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器，执行机构等）进行远方诊断，维护和组态。FCS系统的这一优越性是DCS系统无法比拟的。
6.FCS系统由于信息处理现场化，与DCS系统相比，可以省去相当数量的隔离器，端子柜，I/O终端，I/O卡件，I/O文件及I/O柜，同时节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积，可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计，安装和维护费用 。
7.FCS系统相对于DCS系统组态简单，由于结构，性能标准化，便于安装，运行，维护。
2．面粉厂的工艺特点及其控制要求
面粉生产过程是一个要求高度连续、稳定的生产过程。面粉生产的工艺流程复杂，一个完整的工艺一般包括原粮的接受、毛麦清理、二次着水、光麦清理、研磨、风运和筛理、面粉的后处理等工段；设备数量多，面粉生产过程中电机数量一般有一、二百台，闸阀门、料位等现场检测设备也有几十到几百个；设备布置分散，电机的分布既有集中又有分散，闸阀门、料位等又主要分布于距离总控室较远的仓上和仓下。面粉生产过程特别能够体现现场总线系统的两大优势，一是能节省大量的现场布线成本，二是因为它执行的是双向数字通信信号制，可以实现远程控制、诊断和维护。基于面粉厂的工艺特点，对面粉生产自动控制的要求如下：
1.对面粉生产工艺流程的实时监控，对面粉生产工艺设备和电机运行情况以及各种现场检测设备（装置）的状态实时地显示和控制。
2.对各工艺段完成程序启动，程序停止及故障检测和处理。
3.对生产过程中的故障及现场检测装置的状态实时检测，记录并产生报警输出。
4.对毛麦秤，净麦秤和面粉打包秤等生产数据实时采集，并通过计算机的运算处理形成生产数据的各种报告，曲线及趋势图。
3．WAGO现场总线产品构成的面粉厂控制系统
3.1 主站的组成
采用OMRON公司的C200HG-CPU43型PLC，它由底板（3槽位），CPU主模块，电源模块（PA204），开关量I/O模块，DeviceNet主站单元（C200HW-DRM21-V1），PLC编程软件（CX—PROGRAMMER）和网络配置软件等组成。
3.2 从站的组成（WAGO-I/O-SYSTEM）
本系统根据工艺特点和控制要求，设立6个从站分别对各楼层电机、麦仓上下设备、粉仓上下设备进行控制。
每个从站由适配器、输入/输出模块及一个终端模块三部分组成：
1、总线适配器为750—306型。它有8个DIP开关：前六个是负责从站编号的设定，6个二进制数可以确定1到64共64个编号地址。后两个是负责确定通讯速率。
2、输入/输出模块选用了750-430（8点24VDC数字量输入模块）；750-530（8点24VDC数字量输出模块），750-402（4点24VDC数字量输入模块），750-516（4点24VDC数字量输出模块）。依据DeviceNet网络协议，一个主站可带64个从站。WAGO公司可提供具有控制功能和通讯功能的总线控制器及具有通讯功能的总线适配器。总线控制器在DeviceNet 系统中即可以作为主站也可以作为从站。在该项目中所选用的是DeviceNet 总线适配器，用于接收主站指令，按主站指令驱动I/O模块，并将I/O数据及故障诊断等信息返回给主站。WAGO从站上的I/O地址是由主站统一定义的，这样在主站编程时使用WAGO从站I/O与使用主站I/O就没有区别了。 DeviceNet主站和WAGO从站之间的用户数据传输是主站按照确定的传递顺序自动进行。在对总线系统进行组态时，用户对从站和主站的关系作出规定。确定哪些从站被纳入信息交换的循环周期，哪些被排在外。
3、终端模块，终端模块表示一个从站配置的结束。
3.3 系统的特点：
1、节约成本
采用WAGO现场总线产品构成的面粉厂生产控制系统可节省大量的导线、连接附件（包括接线端子、电缆桥架等）。将传统集中控制系统中的几百根甚至几千根电缆减少到一根总线电缆。
减少了大量的设计、安装、调试、维护的费用，原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单。良好的模块化结构设计，使I/O模块在拆卸的过程中可以不使用任何工具。强大的诊断功能使系统的调试和维护变得很轻松。
2．提高系统性能
WAGO现场总线产品具有可靠的数据传输、快速的数据响应、强大的抗干扰能力。采用数字信号通讯能有效地提高系统的测量和控制精度。各种开关量和模拟量信号就近转变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。
3．系统扩展方便
采用现场总线方式，由于只需用一根电缆就可以将一些现场总线节点、智能设备等连接到主控单元。若要扩展一个现场总线节点，只需将总线延伸，连接到这个节点即可，不会增加布线的烦恼和过高的费用问题。
现场总线是工业控制技术发展的必由之路，较之与PLC系统，DCS系统相比，FCS系统有明显的优势。
现场总线将传统的控制级与设备级两层网络结构简化为现场总线结构，它包括多种不同网络协议。它是一种开放、低价、高效和高可靠的数据网络，是目前最先进的工业网络技术，并且在工业控制中取得了广泛的应用。随着计算机技术，控制技术，网络技术，通信技术的发展，现场总线将会得到更加长足的发展，我们可以做这样的预测，不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必将成为世界现场技术的主流，并推动面粉生产控制自动化水平的提高和发展。