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 1  引言

    新型鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)是利用電磁感應(yīng)裝置產(chǎn)生一個(gè)交變復(fù)合磁場(chǎng)，對(duì)鑄軋區(qū)內(nèi)的鋁熔體進(jìn)行電磁攪拌、電磁擾動(dòng)等綜合作用，改變鋁及鋁合金凝固結(jié)晶條件，從而達(dá)到細(xì)化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

    鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋復(fù)雜大系統(tǒng)包含電磁鑄軋電源控制系統(tǒng)、溫度與熔煉控制系統(tǒng)和軋機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)地理分散的子系統(tǒng)。鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)的研究和發(fā)展、系統(tǒng)管理和控制要求的不斷增加，客觀上需要將分散在現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)控制子系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理和信息集成。采用分布式網(wǎng)絡(luò)解決方案，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的封閉式體系轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放分布式體系，滿足“管控一體化”的要求。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜化的體現(xiàn)，它是3C（Control，Computer，Communication）學(xué)科交叉的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使分布在不同地域的控制節(jié)點(diǎn)和控制系統(tǒng)有機(jī)地連接成一體，達(dá)到寬廣地域的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。目前，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已在過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、航空航天、無線通信、機(jī)器人、交通系統(tǒng)、智能建筑、國(guó)防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并成為國(guó)內(nèi)外自動(dòng)控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)將打破傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的“信息孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理與遠(yuǎn)程傳送，為鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋生產(chǎn)過程的管理控制一體化與綜合自動(dòng)化創(chuàng)造條件。

2  鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    按照網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)，可以將鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)劃分為以下三層：生產(chǎn)管理網(wǎng)、車間生產(chǎn)過程網(wǎng)和設(shè)備控制網(wǎng)，它們分別對(duì)應(yīng)頂層、中間層和現(xiàn)場(chǎng)控制層三個(gè)層次。以上各層完成各自不同的控制任務(wù)，層與層之間通過通信網(wǎng)絡(luò)互連，形成一個(gè)分布式的控制系統(tǒng)，具體方案如圖1所示：

圖1  網(wǎng)絡(luò)化電磁鑄軋系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）頂層――生產(chǎn)管理網(wǎng)

    該層網(wǎng)絡(luò)主要完成鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與報(bào)表生成，電磁鑄軋電源控制系統(tǒng)、溫度與熔煉控制系統(tǒng)和軋機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)度管理與參數(shù)優(yōu)化等也在該層的工作站上完成，這是一個(gè)采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)（10/100M Ethernet）構(gòu)成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為各計(jì)算機(jī)工作站和服務(wù)器。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域延伸的產(chǎn)物，它一方面具有較高的通信實(shí)時(shí)性，提高了環(huán)境適應(yīng)性與可靠性設(shè)計(jì)，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，另一方面又有助于控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)和其他采用以太網(wǎng)技術(shù)的外網(wǎng)的融合，無需經(jīng)過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換即可直接連至互聯(lián)網(wǎng)和其他外網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)Intranet與Internet的無縫連接。

（2）中間層――車間生產(chǎn)過程網(wǎng)

    中間層同樣采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)（10/100M Ethernet）構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)控制系統(tǒng)的工作站是車間生產(chǎn)過程網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)總線在中間層與現(xiàn)場(chǎng)層之間構(gòu)筑了一條通信鏈路，從而在工作站上可以進(jìn)行整個(gè)鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程分析、遠(yuǎn)程診斷和生產(chǎn)過程的在線優(yōu)化。

    電磁攪拌規(guī)律是通過對(duì)電磁感應(yīng)裝置的控制來實(shí)現(xiàn)的，由于工作站與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的控制設(shè)備和儀表之間存在可靠的數(shù)據(jù)通路，因此通過鑄軋電源控制工作站可以進(jìn)行鑄軋電源輸出參數(shù)（如頻率、幅值、跳頻、相序轉(zhuǎn)換時(shí)間等）的設(shè)定、實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、動(dòng)態(tài)曲線與趨勢(shì)圖（錄波）繪制等，同時(shí)也為電磁攪拌規(guī)律的摸索和在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制提供了一個(gè)靈活方便的人機(jī)交互界面。溫度與熔煉控制工作站、軋機(jī)過程控制工作站也同樣地實(shí)現(xiàn)了對(duì)子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試、在線優(yōu)化等功能。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制層――設(shè)備控制網(wǎng)

    現(xiàn)場(chǎng)控制層為現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的設(shè)備控制網(wǎng)，處于鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的底層。具有通信能力的網(wǎng)絡(luò)化智能控制器、測(cè)量控制儀表和設(shè)備是控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線在各儀表和設(shè)備之間構(gòu)筑起溝通數(shù)據(jù)信息的通道，并與上層計(jì)算機(jī)工作站之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)場(chǎng)控制層為鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋復(fù)雜大系統(tǒng)提供底層基本信息。

    鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要有以下兩個(gè)關(guān)鍵條件：①有能產(chǎn)生特殊復(fù)合磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)裝置；②有能滿足電磁場(chǎng)快速鑄軋工藝要求的對(duì)電磁感應(yīng)裝置供電的電氣控制系統(tǒng)。位于現(xiàn)場(chǎng)控制層的電磁場(chǎng)鑄軋電源就是用來對(duì)電磁感應(yīng)裝置供電的，因此在整個(gè)鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋系統(tǒng)中地位尤為重要。鑄軋電源包括主電源和輔助電源兩部分，主電源主回路采用交―交變頻電路的形式，要求三相電流幅值、頻率、相位差均分別獨(dú)立可控，施加交變磁場(chǎng)于鑄軋區(qū)；輔助電源主回路采用三相全控橋整流電路，產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)迭加，得到電磁鑄軋所需要的復(fù)合磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)鑄軋電源的主回路原理圖如圖2所示。

    電磁攪拌規(guī)律的摸索和優(yōu)化是鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容，通過現(xiàn)場(chǎng)總線，上位機(jī)工作站可以與具有通信功能的各網(wǎng)絡(luò)化智能控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、參數(shù)修改、在線優(yōu)化等等。圖3所示的控制回路框圖采用了RS485和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線兩種通訊方式，提高了系統(tǒng)的通訊可靠性。

    控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)據(jù)突發(fā)性小，頻繁，數(shù)據(jù)包相對(duì)較小。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和開放性的要求，選擇CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、支持多主處理、支持優(yōu)先級(jí)仲裁、鏈路簡(jiǎn)單、配置靈活、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖。RS485總線作為備用的通信網(wǎng)絡(luò)，提高了通信可靠性和通用性。

圖2  電磁場(chǎng)鑄軋電源控制裝置主回路原理圖

圖3  電磁場(chǎng)鑄軋電源控制裝置控制回路框圖

3  控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成

    不同網(wǎng)絡(luò)的集成化是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一。多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成一方面達(dá)到了控制信息的共享和綜合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互換性和互操作性，另一方面也滿足了不同的控制要求。在鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，主要存在TCP/IP、CAN總線和RS485三種通訊協(xié)議。底層的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)與中間層的車間生產(chǎn)過程網(wǎng)可以經(jīng)由通訊控制器實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的集成，利用通訊控制器實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和信息的互訪。頂層的生產(chǎn)管理網(wǎng)與中間層的車間生產(chǎn)過程網(wǎng)由于采用統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，因此沒有通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題，還可以應(yīng)用以太網(wǎng)交換機(jī)，使接入的節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)占一條線路，不僅可以避免沖突，確保信息準(zhǔn)確、快速、完整地傳輸，還極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以很方便地與其他外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫集成。

4  結(jié)語(yǔ)

    網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是生產(chǎn)過程和控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大化、復(fù)雜化的需求。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將極大地提高系統(tǒng)的整體水平，保持新型鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)的先進(jìn)性，正是由于網(wǎng)絡(luò)的作用，控制子系統(tǒng)之間、不同網(wǎng)絡(luò)層次之間才能夠互相通信，形成一個(gè)有機(jī)整體共同完成復(fù)雜的控制任務(wù)，適應(yīng)鋁生產(chǎn)過程管控一體化和綜合自動(dòng)化的需要。

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