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 1  引言

    新型鋁電磁場快速鑄軋技術是利用電磁感應裝置產生一個交變復合磁場，對鑄軋區內的鋁熔體進行電磁攪拌、電磁擾動等綜合作用，改變鋁及鋁合金凝固結晶條件，從而達到細化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

    鋁電磁場快速鑄軋復雜大系統包含電磁鑄軋電源控制系統、溫度與熔煉控制系統和軋機傳動控制系統等多個地理分散的子系統。鋁電磁場快速鑄軋技術的研究和發展、系統管理和控制要求的不斷增加，客觀上需要將分散在現場的多個控制子系統進行綜合管理和信息集成。采用分布式網絡解決方案，構建一個網絡化的鋁電磁場快速鑄軋系統可以使傳統的封閉式體系轉變為開放分布式體系，滿足“管控一體化”的要求。網絡化控制系統是控制系統日趨復雜化的體現，它是3C（Control，Computer，Communication）學科交叉的產物。網絡化控制系統充分利用計算機網絡的特點，使分布在不同地域的控制節點和控制系統有機地連接成一體，達到寬廣地域的遠程監視與控制。目前，網絡化控制系統已在過程自動化、制造自動化、航空航天、無線通信、機器人、交通系統、智能建筑、國防等領域獲得了廣泛的應用，并成為國內外自動控制領域中的研究熱點。鋁電磁場快速鑄軋網絡化控制系統將打破傳統自動化系統的“信息孤島”現象，實現數據的集中管理與遠程傳送，為鋁電磁場快速鑄軋生產過程的管理控制一體化與綜合自動化創造條件。

2  鋁電磁場快速鑄軋網絡化控制系統的結構

    按照網絡的功能結構，可以將鋁電磁場快速鑄軋網絡化控制系統劃分為以下三層：生產管理網、車間生產過程網和設備控制網，它們分別對應頂層、中間層和現場控制層三個層次。以上各層完成各自不同的控制任務，層與層之間通過通信網絡互連，形成一個分布式的控制系統，具體方案如圖1所示：

圖1  網絡化電磁鑄軋系統的三層網絡結構

（1）頂層――生產管理網

    該層網絡主要完成鋁電磁場快速鑄軋生產計劃和生產數據的統計與報表生成，電磁鑄軋電源控制系統、溫度與熔煉控制系統和軋機傳動控制系統三個子系統的調度管理與參數優化等也在該層的工作站上完成，這是一個采用基于TCP/IP協議的工業以太網（10/100M Ethernet）構成的數據網絡，網絡節點為各計算機工作站和服務器。

工業以太網技術是普通以太網技術在工業控制領域延伸的產物，它一方面具有較高的通信實時性，提高了環境適應性與可靠性設計，滿足工業現場的需要，另一方面又有助于控制系統網絡與互聯網和其他采用以太網技術的外網的融合，無需經過通信協議轉換即可直接連至互聯網和其他外網，實現Intranet與Internet的無縫連接。

（2）中間層――車間生產過程網

    中間層同樣采用基于TCP/IP協議的工業以太網（10/100M Ethernet）構成數據網絡，各個控制系統的工作站是車間生產過程網的網絡節點。現場總線在中間層與現場層之間構筑了一條通信鏈路，從而在工作站上可以進行整個鋁電磁場快速鑄軋系統的遠程監測、遠程分析、遠程診斷和生產過程的在線優化。

    電磁攪拌規律是通過對電磁感應裝置的控制來實現的，由于工作站與現場數字化網絡化的控制設備和儀表之間存在可靠的數據通路，因此通過鑄軋電源控制工作站可以進行鑄軋電源輸出參數（如頻率、幅值、跳頻、相序轉換時間等）的設定、實時參數顯示、動態曲線與趨勢圖（錄波）繪制等，同時也為電磁攪拌規律的摸索和在線實時優化控制提供了一個靈活方便的人機交互界面。溫度與熔煉控制工作站、軋機過程控制工作站也同樣地實現了對子系統的遠程監視與控制、遠程診斷、遠程調試、在線優化等功能。

（3）現場控制層――設備控制網

    現場控制層為現場總線構成的設備控制網，處于鋁電磁場快速鑄軋網絡化控制系統的底層。具有通信能力的網絡化智能控制器、測量控制儀表和設備是控制網絡的網絡節點，現場總線在各儀表和設備之間構筑起溝通數據信息的通道，并與上層計算機工作站之間實現數據通信。現場控制層為鋁電磁場快速鑄軋復雜大系統提供底層基本信息。

    鋁電磁場快速鑄軋技術的實現要有以下兩個關鍵條件：①有能產生特殊復合磁場的電磁感應裝置；②有能滿足電磁場快速鑄軋工藝要求的對電磁感應裝置供電的電氣控制系統。位于現場控制層的電磁場鑄軋電源就是用來對電磁感應裝置供電的，因此在整個鋁電磁場快速鑄軋系統中地位尤為重要。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、相位差均分別獨立可控，施加交變磁場于鑄軋區；輔助電源主回路采用三相全控橋整流電路，產生的附加磁場與交變磁場迭加，得到電磁鑄軋所需要的復合磁場，電磁場鑄軋電源的主回路原理圖如圖2所示。

    電磁攪拌規律的摸索和優化是鋁電磁場快速鑄軋技術的重要研究內容，通過現場總線，上位機工作站可以與具有通信功能的各網絡化智能控制器進行實時通信，實現遠程控制、參數修改、在線優化等等。圖3所示的控制回路框圖采用了RS485和CAN現場總線兩種通訊方式，提高了系統的通訊可靠性。

    控制網絡與數據網絡不同，對實時性要求高，數據突發性小，頻繁，數據包相對較小。為了滿足現場控制系統對實時性、可靠性和開放性的要求，選擇CAN總線作為現場總線。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，具有可靠性高、支持多主處理、支持優先級仲裁、鏈路簡單、配置靈活、價格低廉等特點，傳輸介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖。RS485總線作為備用的通信網絡，提高了通信可靠性和通用性。

圖2  電磁場鑄軋電源控制裝置主回路原理圖

圖3  電磁場鑄軋電源控制裝置控制回路框圖

3  控制系統的網絡集成

    不同網絡的集成化是當前網絡化控制系統的主要特點之一。多種網絡系統的集成一方面達到了控制信息的共享和綜合，實現了設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。在鋁電磁場快速鑄軋網絡化控制系統中，主要存在TCP/IP、CAN總線和RS485三種通訊協議。底層的現場總線控制網與中間層的車間生產過程網可以經由通訊控制器實現不同網絡在控制系統中的集成，利用通訊控制器實現通信協議的轉換和信息的互訪。頂層的生產管理網與中間層的車間生產過程網由于采用統一的TCP/IP協議，因此沒有通訊協議轉換的問題，還可以應用以太網交換機，使接入的節點各自獨占一條線路，不僅可以避免沖突，確保信息準確、快速、完整地傳輸，還極大地簡化了系統設計，也可以很方便地與其他外網實現無縫集成。

4  結語

    網絡化控制系統是計算機控制系統發展的必然趨勢，是生產過程和控制系統規模擴大化、復雜化的需求。網絡技術與鋁電磁場快速鑄軋技術的有機結合，將極大地提高系統的整體水平，保持新型鋁電磁場快速鑄軋技術的先進性，正是由于網絡的作用，控制子系統之間、不同網絡層次之間才能夠互相通信，形成一個有機整體共同完成復雜的控制任務，適應鋁生產過程管控一體化和綜合自動化的需要。

參考文獻

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