WAGO現場總線產品在面粉生產控制系統中的應用

我國是一個農業、糧食生產及消費大國。谷物是我們民族能夠生存和發展的必要條件。面粉加工業是與人類一同永存的。由于面粉加工業是糧食生產向人類消費過渡的橋梁，是食品生產的原料工業和基礎工業，因此無論未來的科學技術如何先進，都不能取消面粉加工業，而必須不斷地促進其提高和發展。近年來，我國人民生活正在向富裕小康型過渡，國民對谷物產品的消費已向優質化，功能化，綠色化方向發展。可以說，生產、開發適應市場要求和人民消費水平的谷物制品，是谷物加工業在新世紀內肩負著的一項重要使命，面粉加工業更是任重道遠。
面粉企業生產的面粉，其中一項很重要的質量指標就是面粉質量的穩定性，這就要求面粉企業對加工設備的連續運行，生產的穩定性有一個良好的把握，一個企業要想在激烈的行業競爭中取得一席之地，就必須用先進的自動化控制技術來武裝自己。
目前，很多知名面粉企業都采用基于PC、PLC產品的分布式控制系統（DCS），其主要特點之一是現場側設備與控制器之間的連接是一對一的連接方式，其傳輸信號為4-20mA（模擬量）或24V DC（開關量）。這種連接方式使設備與設備之間、系統與系統之間、系統與外界之間很難進行信息交流，在一定程度上成為“信息孤島”。隨著現場總線控制系統（FCS）的發展，總線控制技術的特點和優勢越來越明顯，將WAGO現場總線產品應用于面粉生產過程的自動化控制系統中，必將對面粉加工業的自動化水平產生巨大飛躍。
1. 現場總線
1.1 現場總線的特點
現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的全數字化、實時、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。它主要解決現場的智能化儀表，控制器，執行機構等現場設備之間的數字通信問題，以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。
現場總線的通信方式是使用一根通信電纜，將所有符合現場總線標準的現場設備及控制單元相互連接起來，以構成設備級與車間級的數字化通信網絡。
其主要特點為：
1.系統精度及可靠性高，系統集成大大簡化。可維護性好，并能充分發揮現場智能型設備可數字式傳輸的特點。
2.功能分散，反應速度提高，現場儀表具有高層次功能，某種程度上承擔了系統的控制功能。
3.通過增加本安物理通道，可應用于危險區域。（本安防爆：本質安全防爆技術，是一種以抑制電火花和熱效應能量為防爆手段的“安全設計”技術）
4.現場儀表之間可以通信，實現了現場儀表的自律分散控制。
目前，國際電工委員會（IEC），認定通過的8種現場總線為現行的現場總線技術標準。它們分別是：
①基金會現場總線 FF；②ControNET；③ Profibus；
④P-NET；⑤FF高速以太網HSE；⑥SwiftNET；⑦WorldFIP；⑧Interbus-S
2.2 DCS系統與FCS系統的比較
1.DCS系統是一個大系統，其控制器功能強大，在系統中承擔著十分重要的作用，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS系統將功能下放得較徹底，信息處理現代化。數字智能現場設備裝置的廣泛采用，使得控制器的功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用，邊擴，邊投運。
2.DCS系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS系統是開放式系統，用戶可以選擇不同廠商，不同品牌的各種設備連入現場總線，達到最佳的系統集成。
3.DCS系統的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D的轉換。而FCS系統是全數字化，就免去了D/A與A/D的轉換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。
4.FCS系統可以將PID閉環控制功能裝入變送器或執行器中，縮短了控制周期。目前，可以從DCS系統的每秒2~5次，提高到FCS系統的每秒10~20次，從而改善調節性能。
5.DCS系統可以控制和監控工藝全過程，對自身進行診斷，維護和組態。但是，由于自身的致病弱點，其I/O信號采用傳統的模擬信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器，執行器等）進行遠方診斷，維護和組態。FCS系統采用全新數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS系統采用雙向數字通信現場信號制。因此，它可以對現場裝置（含變送器，執行機構等）進行遠方診斷，維護和組態。FCS系統的這一優越性是DCS系統無法比擬的。
6.FCS系統由于信息處理現場化，與DCS系統相比，可以省去相當數量的隔離器，端子柜，I/O終端，I/O卡件，I/O文件及I/O柜，同時節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計，安裝和維護費用 。
7.FCS系統相對于DCS系統組態簡單，由于結構，性能標準化，便于安裝，運行，維護。
2．面粉廠的工藝特點及其控制要求
面粉生產過程是一個要求高度連續、穩定的生產過程。面粉生產的工藝流程復雜，一個完整的工藝一般包括原糧的接受、毛麥清理、二次著水、光麥清理、研磨、風運和篩理、面粉的后處理等工段；設備數量多，面粉生產過程中電機數量一般有一、二百臺，閘閥門、料位等現場檢測設備也有幾十到幾百個；設備布置分散，電機的分布既有集中又有分散，閘閥門、料位等又主要分布于距離總控室較遠的倉上和倉下。面粉生產過程特別能夠體現現場總線系統的兩大優勢，一是能節省大量的現場布線成本，二是因為它執行的是雙向數字通信信號制，可以實現遠程控制、診斷和維護。基于面粉廠的工藝特點，對面粉生產自動控制的要求如下：
1.對面粉生產工藝流程的實時監控，對面粉生產工藝設備和電機運行情況以及各種現場檢測設備（裝置）的狀態實時地顯示和控制。
2.對各工藝段完成程序啟動，程序停止及故障檢測和處理。
3.對生產過程中的故障及現場檢測裝置的狀態實時檢測，記錄并產生報警輸出。
4.對毛麥秤，凈麥秤和面粉打包秤等生產數據實時采集，并通過計算機的運算處理形成生產數據的各種報告，曲線及趨勢圖。
3．WAGO現場總線產品構成的面粉廠控制系統
3.1 主站的組成
采用OMRON公司的C200HG-CPU43型PLC，它由底板（3槽位），CPU主模塊，電源模塊（PA204），開關量I/O模塊，DeviceNet主站單元（C200HW-DRM21-V1），PLC編程軟件（CX—PROGRAMMER）和網絡配置軟件等組成。
3.2 從站的組成（WAGO-I/O-SYSTEM）
本系統根據工藝特點和控制要求，設立6個從站分別對各樓層電機、麥倉上下設備、粉倉上下設備進行控制。
每個從站由適配器、輸入/輸出模塊及一個終端模塊三部分組成：
1、總線適配器為750—306型。它有8個DIP開關：前六個是負責從站編號的設定，6個二進制數可以確定1到64共64個編號地址。后兩個是負責確定通訊速率。
2、輸入/輸出模塊選用了750-430（8點24VDC數字量輸入模塊）；750-530（8點24VDC數字量輸出模塊），750-402（4點24VDC數字量輸入模塊），750-516（4點24VDC數字量輸出模塊）。依據DeviceNet網絡協議，一個主站可帶64個從站。WAGO公司可提供具有控制功能和通訊功能的總線控制器及具有通訊功能的總線適配器。總線控制器在DeviceNet 系統中即可以作為主站也可以作為從站。在該項目中所選用的是DeviceNet 總線適配器，用于接收主站指令，按主站指令驅動I/O模塊，并將I/O數據及故障診斷等信息返回給主站。WAGO從站上的I/O地址是由主站統一定義的，這樣在主站編程時使用WAGO從站I/O與使用主站I/O就沒有區別了。 DeviceNet主站和WAGO從站之間的用戶數據傳輸是主站按照確定的傳遞順序自動進行。在對總線系統進行組態時，用戶對從站和主站的關系作出規定。確定哪些從站被納入信息交換的循環周期，哪些被排在外。
3、終端模塊，終端模塊表示一個從站配置的結束。
3.3 系統的特點：
1、節約成本
采用WAGO現場總線產品構成的面粉廠生產控制系統可節省大量的導線、連接附件（包括接線端子、電纜橋架等）。將傳統集中控制系統中的幾百根甚至幾千根電纜減少到一根總線電纜。
減少了大量的設計、安裝、調試、維護的費用，原來繁瑣的原理圖、布線圖設計變得簡單。良好的模塊化結構設計，使I/O模塊在拆卸的過程中可以不使用任何工具。強大的診斷功能使系統的調試和維護變得很輕松。
2．提高系統性能
WAGO現場總線產品具有可靠的數據傳輸、快速的數據響應、強大的抗干擾能力。采用數字信號通訊能有效地提高系統的測量和控制精度。各種開關量和模擬量信號就近轉變為數字信號，避免了信號的衰減和變形。
3．系統擴展方便
采用現場總線方式，由于只需用一根電纜就可以將一些現場總線節點、智能設備等連接到主控單元。若要擴展一個現場總線節點，只需將總線延伸，連接到這個節點即可，不會增加布線的煩惱和過高的費用問題。
現場總線是工業控制技術發展的必由之路，較之與PLC系統，DCS系統相比，FCS系統有明顯的優勢。
現場總線將傳統的控制級與設備級兩層網絡結構簡化為現場總線結構，它包括多種不同網絡協議。它是一種開放、低價、高效和高可靠的數據網絡，是目前最先進的工業網絡技術，并且在工業控制中取得了廣泛的應用。隨著計算機技術，控制技術，網絡技術，通信技術的發展，現場總線將會得到更加長足的發展，我們可以做這樣的預測，不久的將來，完善的現場總線系統及相關產品必將成為世界現場技術的主流，并推動面粉生產控制自動化水平的提高和發展。