水泥生產線無線通信方案的應用

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0引言

伴隨著工業自動化和網絡技術的日新月異的發展，無線通信技術被越來越多地運用到工廠自動化應用方案中［1-10］。水泥生產線是生產水泥的一系列設備組成的水泥設備生產線，主要由破碎及預均化、生料制備均化、預熱分解、水泥熟料的燒成，水泥粉磨包裝等過程構成。水泥主生產線一般采用大型DCS系統控制，而堆取料機等需要移動的設備一般采用小型PLC系統控制。主生產線的自動控制需要配合堆取料機的運行，因此DCS的控制系統需要讀取PLC系統的實時數據并且寫入控制PLC的輸出，傳統的MODBUS或者Profibus-DP通信雖然可以實現通信的要求，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來說并不適合。BESTWAY水泥項目的方案設計中借助無線通信設備，通過無線通信參數的設置和組態軟件編程處理，實現無線通信，達到DCS控制系統與PLC系統進行數據交換的目的。

1無線通信方案的系統配置

1.1系統硬件配置

無線通信的系統網絡配置，其中工程師站用于軟件組態和編譯下載，DCS主控器為中控ECS-700系統（CPU為FCU712），以太網通信模塊為COM742，二者通過E-BUS總線網絡連接。水泥生產線的控制室距離現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絡交換機。煤粉和混合原料兩套堆取料機共需要4套PLC，兩組6臺無線通信設備,無線通信距離在80m之內。

1.2無線通信設備配置

無線通信設備AP模塊（APC2M-EXT），是一款高性能、高穩定性的2.4GHz無線多用途產品。產品輸出功率最高可達30dBm，內置802.11nMIMO無線內核，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防護標準，適用于需覆蓋廣泛面積的應用。APC2M配備可靠、先進、功能豐富的操作系統，且向下兼容802.11b/g產品。該無線通信系統需要兩組共6臺AP模塊，AP1~3為一組，AP4~6為一組。AP-1和AP-4為無線通信設備的主服務器端，AP2~3以及AP5~6為客戶端。每臺AP設備有一套電源轉換器，輸出有兩個網口，其中標有POE的網口用網線連接AP設備，另一個標有LAN的網口可連接個人電腦，通過電腦進入無線通信設備網站瀏覽器頁面對每臺AP進行配置。煤粉堆取料機的主服務器端AP的IP地址設置為192.168.1.100，兩臺客戶端AP的IP地址設置為192.168.1.101和192.168.1.102，ID名統一命名為GCS-A。混合原料的主服務器AP的IP地址設置為192.168.1.200，兩臺客戶端AP的IP地址設置為192.168.1.201和192.168.1.202，ID名統一命名為GCS-B。DB增益統一選擇為5DB，每一組三臺AP設備的信道選擇保持一致，功率選擇為最大。密碼選擇個人WAP2，并且設定一個口令以便維護。設置完畢后，可將每組主服務器AP設備連接個人電腦，通過網絡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網口分別連接兩臺PLC的CPU模塊的網口。

2無線通信方案的軟件設計

2.1PLC系統通信設計

兩套堆取料機系統由中控的PLC產品G3系統控制，在G3系統的應用組態軟件中會自動分配給每臺PLC一個網絡IP地址。為了便于區分各臺PLC的每一塊IO模塊，需要用個人電腦連接各個IO模塊的網口進行人為設置硬件地址。煤粉系統的兩套PLC的CPU模塊分別設置為002和008，混合原料兩套CPU模塊地址分別設置為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分配通信數據的緩沖區在G3系統中，需要分配通信數據的緩沖區，用中間變量M278.0~M285.7作為64個DO通信數據緩沖區，其通信地址為5000~5063，中間變量M286.0~M289.7作為32個DO通信數據緩沖區，其通信地址為5064~5095。可自定義變量REG-SED-001~064，表示從G3系統傳送給DCS的緩沖區變量；自定義變量REG-REV-001~032，這32個數據表示從DCS發送到G3系統的緩沖區變量。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編程處理設置完通信數據緩沖區，還需要編程處理數據的交換：

（1）通過編程將G3系統的DO點傳送給中間變量，通過中間變量通信傳送到DCS系統顯示，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通信數據的緩沖區變量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系統通信設計

水泥生產線的主DCS系統為ECS-700系統。以太網通信模塊COM742-S是ECS-700系統的以太網異構設備接入模塊，通過擴展I/O總線，利用標準協議（MODBUS/TCP協議）將使用同樣通信協議的第三方設備的數據聯入ECS-700系統，該模塊可冗余配置，以保證更高的可靠性。通信參數設置在DCS的組態軟件中，可對通信模塊進行通信參數設置。該通信模塊的IP地址設置為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。設置的原則是與之前CPU設置的硬件地址保持一致。對每臺PLC設備增加讀取和寫入命令。讀取命令需要設置通信功能號為FC01，掃描周期時間為500ms,初始地址為5000，數量為64，位號類型為數字量DI輸入，意味著讀取64個PLC設備的DO輸出變量；寫入命令需要設置通信功能號為FC15，掃描周期時間為500ms,初始地址為5064，數量為32，位號類型為DO輸出，意味著寫入控制32個PLC設備的DO輸出。可采用同樣的方法，給其他幾套PLC設置相關通信參數。掃描新增位號在DCS組態軟件的位號編輯頁面中，通過掃描新增位號，可將上述增加的設備的通信通道掃描到新增的DI和DO通道中，為后續的實驗驗證做準備。

3實驗驗證

3.1DCS系統與PLC系統的數據通信實驗

基于模擬現場進行賦值的方法對通信進行實驗驗證，步驟如下：

（1）在PLC組態軟件中，編程賦值輸出64個DO變量，在DCS組態軟件新增的對應的輸入位號中查看其狀態，是否與PLC系統中的輸出變量的狀態保持一致。將PLC和DCS系統的組態分別編譯下載后實驗。

（2）在DCS系統中對新增的32個DO位號賦值輸出，查看PLC系統的對應的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是否保持一致。將PLC和DCS系統的組態分別編譯下載后實驗。實驗結果表明，通信效果良好，數據準確可靠，PLC系統與DCS系統的通信收發時間差保持在一個掃描期內，完全滿足現場控制要求。

3.2無線通信穩定性試驗

考慮現場堆取料機的環境比較惡劣，為了進一步測試無線通信的穩定性，將AP模塊之間的距離放置較遠，超過80m，且將主服務器AP模塊放置在相對封閉的環境，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系統輸出的32個DO變量中選取若干，強制輸出后，PLC系統得到命令，將對應的DO變量輸出。

（2）將上述PLC系統的DO變量輸出，通過通信反饋傳送給DCS系統顯示。

（3）在DCS系統的歷史趨勢中分別增加從DCS系統主動輸出的DO變量和從PLC系統反饋得到的DO變量。通過循環1s強制輸出和關斷的編程處理，觀察一段時間內二者的趨勢是否保持一致。二者的歷史趨勢有1s之內的滯后時差，但狀態變化趨勢保持一致，考慮通信程序掃描時間以及硬件反應時間滯后的問題，基本符合現場通信穩定性要求。

4結語

該無線通信方案在巴基斯坦境內的一條4000T/D的BESTWAY水泥生產線的改造中得到應用。還可以在以下方面繼續探索和研究：

（1）根據現場實際情況的控制要求，方案中的數據通信只選擇了數字量DO輸出變量，可增加數字量輸入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備的能力，需要根據現場實際環境以及通信距離的要求合理選擇無線通信設備，距離較遠以及惡劣的現場環境將會對無線通信設備提出更高的要求。

（3）可探索將此無線通信方案應用于其他工業自動化生產中，使其發揮更大的作用。

作者：欒極 馬太 史發明 王飛 李猛 孫國平 單位：浙江中控技術股份有限公司