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| 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在配料系統(tǒng)中的應(yīng)用 | 2020-01-15 |
| 摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化配料系統(tǒng)、稱重儀表等終端稱重配料系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制終端和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多大型工廠和稱重配料系統(tǒng)廠商的高度重視。以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線在智能工業(yè)控制稱重配料系統(tǒng)中的應(yīng)用為例,研討現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在傳統(tǒng)配料系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1引言 隨著微電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)日益成為國(guó)內(nèi)外配料系統(tǒng)的關(guān)注焦點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制技術(shù),以其數(shù)字化、分布式、開放性、互操作性、雙向串行傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)迅速獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的自動(dòng)化配料系統(tǒng)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn),取而代之的將是具有開放性的現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此,研究現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在傳統(tǒng)配料系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。 2現(xiàn)場(chǎng)總線概述 2.1現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)總線可以稱作是第五代控制系統(tǒng)，即：FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。代為氣動(dòng)信號(hào)控制系PCS，第二代為4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)，第三代為數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)DDC，第四代為集散式分布控制系統(tǒng)DCS?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS打破了DCS系統(tǒng)被束縛于通信專用網(wǎng)絡(luò)的局面，形成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能從根本上轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)。關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際電工委員會(huì)于1985年著手制訂國(guó)際性現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，此后，美國(guó)配料系統(tǒng)學(xué)會(huì)參與其中，但由于雙方意見不一致而使該標(biāo)準(zhǔn)遲遲未出臺(tái)，各國(guó)家便開始制訂各自的標(biāo)準(zhǔn)。截止到1994年年初，在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)分別形成了Porifbus，IFP，ISA等幾種主要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上的ISP和WorldIFP兩大現(xiàn)場(chǎng)總線組織合并，統(tǒng)一了IEC/SP50標(biāo)準(zhǔn)，此后，近200家配料系統(tǒng)廠、公司成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(FF)。目前，市場(chǎng)上的現(xiàn)場(chǎng)總線及相關(guān)產(chǎn)品包括主要用于工業(yè)控制的FF，用于樓宇自動(dòng)化為的美國(guó)LON、以汽車工業(yè)為目標(biāo)的德國(guó)CAN，傳統(tǒng)的DCS等自動(dòng)化控制系統(tǒng)逐漸被這種開放的自動(dòng)化系統(tǒng)取而代之，整個(gè)測(cè)量與控制領(lǐng)域迎來發(fā)展的新時(shí)期。 2.2現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線作為21世紀(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以其優(yōu)勢(shì)對(duì)自動(dòng)化配料系統(tǒng)與系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響，在很大程度上影響著測(cè)量與控制行業(yè)的發(fā)展。 2.2.1系統(tǒng)的開放性 開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各廠家稱重配料系統(tǒng)通過互連實(shí)現(xiàn)信息交換，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開性特征，F(xiàn)CS的信號(hào)傳輸就實(shí)現(xiàn)了開放的全數(shù)字化通訊。現(xiàn)場(chǎng)總線的開放性特征，滿足了用戶對(duì)系統(tǒng)集成的要求，使用戶能夠根據(jù)自身需求將各供應(yīng)商的產(chǎn)品組成任意系統(tǒng)。同時(shí)，互連稱重配料系統(tǒng)間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通的實(shí)現(xiàn)，使各廠商現(xiàn)場(chǎng)稱重配料系統(tǒng)可進(jìn)行互換，并統(tǒng)一組態(tài)，從根本上解決了傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性問題。 2.2.2現(xiàn)場(chǎng)稱重配料系統(tǒng)的智能化 現(xiàn)場(chǎng)總線將補(bǔ)償計(jì)算、傳感測(cè)量、工程量處理與控制等功能應(yīng)用于在現(xiàn)場(chǎng)稱重配料系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)稱重配料系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與故障診斷。這一方面減少了傳送誤差，從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度與系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，另一方面也方便了用戶對(duì)稱重配料系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的查詢，以便提前發(fā)現(xiàn)稱重配料系統(tǒng)故障并盡快解決，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，提高了稱重配料系統(tǒng)工作效率。 2.2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場(chǎng)稱重配料系統(tǒng)本身完成自動(dòng)控制的基本功能，采用全分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，把DCS控制站的功能分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)配料系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既減少了變送器的數(shù)量，又無需單獨(dú)使用稱重儀表、計(jì)算單元等，傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線一并被廢棄，大大節(jié)省了硬件投資與控制室占地面積。 3現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng) 3.1現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)概述 現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)是指至少內(nèi)置有一個(gè)專用的嵌入式微處理器,并且具有數(shù)字計(jì)算、數(shù)字通信等功能的稱重配料系統(tǒng)。它由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成,新型的現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)系統(tǒng)不同于以往的配料系統(tǒng)系統(tǒng),它的組成和功能更為復(fù)雜,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方式和系統(tǒng)的控制方式等方面都有了根本性的改變。它在系統(tǒng)編程技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線接入和嵌人式操作系統(tǒng)等方面將配料系統(tǒng)應(yīng)用的功能進(jìn)一步擴(kuò)大,使配料系統(tǒng)不僅具有自動(dòng)化測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和模擬人工智能的功能,而且還具備了遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程下載軟件升級(jí)、組態(tài)和硬件重構(gòu)等功能。 3.2現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是完成現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)任務(wù)主要支撐體系?，F(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括稱重模塊、信號(hào)處理、現(xiàn)場(chǎng)總線通信、控制、存儲(chǔ)器、液晶顯示器、控制輸出接口和電源等幾大模塊?，F(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的一般硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 3.3現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)較傳統(tǒng)配料系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 3.3.1.全數(shù)字性：現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式與模擬通信和混合通信方式不同，是的數(shù)字通信信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式可以進(jìn)行雙向通信，因此與模擬通信方式和混合通信方式不同，可以傳送多種數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式中，從變送器的稱重模塊到最后的控制閥，信號(hào)一直保持?jǐn)?shù)字性，具有全數(shù)字性?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為一種數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)，從控制室一直延伸到現(xiàn)場(chǎng)，使過去采用一對(duì)一式的模擬量信號(hào)傳輸變?yōu)槎帱c(diǎn)一線串行數(shù)字式傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)中，不論是稱重模塊還是轉(zhuǎn)換器電路，都是數(shù)字的。因而，現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的全數(shù)字性使得配料系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，其分辨力、測(cè)量速度、穩(wěn)定性都高于現(xiàn)階段的自動(dòng)化配料系統(tǒng)。 3.3.2.精度高:現(xiàn)場(chǎng)總線可以消除模擬通信方式中數(shù)據(jù)傳送時(shí)產(chǎn)生的誤差，模擬通信方式產(chǎn)生誤差的原因有以下三個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)配料系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差；模擬信息傳遞產(chǎn)生誤差；系統(tǒng)配料系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差。在現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式中，不存在D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路，所以不會(huì)產(chǎn)生D/A和A/D的轉(zhuǎn)換誤差，因而信號(hào)的傳輸精度有所提高。故現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式要比模擬通信方式精度高。編碼的作用是把微處理機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換為適合傳送的數(shù)字信號(hào)，反之就是解碼。 3.3.3.抗干擾能力強(qiáng):在模擬通信方式中，信號(hào)以4mA～20mA的連續(xù)變化形式存在的，信號(hào)值的變化可以無限小，因此，噪聲和信號(hào)畸變?cè)谀M信號(hào)傳輸中是無法避免的。也就是說，現(xiàn)場(chǎng)配料系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)時(shí)穩(wěn)定性較差，信號(hào)誤差指揮將一個(gè)有效信號(hào)變?yōu)榱硪粋€(gè)有效信號(hào)，即使從確的模擬配料系統(tǒng)送過來的信號(hào)，當(dāng)它到達(dá)稱重儀表時(shí)也可能已變得不準(zhǔn)確。而在現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)中，信號(hào)的有效值只有0或1兩個(gè)，所以它非常堅(jiān)實(shí)可靠，一般的噪聲很難扭曲它。它可以直接傳送或者以某種方式進(jìn)行編碼。因此，與模擬信號(hào)相比，其抗干擾或抗畸變的能力強(qiáng)。更為重要的是，檢錯(cuò)機(jī)制可以檢測(cè)到信號(hào)的畸變，這是因?yàn)橐粋€(gè)畸變的信號(hào)看起來仍然像是一個(gè)有效的。 3.3.4.內(nèi)嵌控制功能:在每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)中都內(nèi)嵌有PID控制、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、積算等模塊，用戶通過組態(tài)軟件對(duì)這些功能模塊進(jìn)行任意調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)控制。 3.3.5.高速通信:現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)要像4mA～20mA系統(tǒng)那樣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制需要更高的通信速度。由于高速需要高功率，即需要更大的電源功率消耗，這個(gè)要求與本質(zhì)安全產(chǎn)生了矛盾，因而現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)的通信速度不能過高。這就要求現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速度適中，并且盡量減小系統(tǒng)的通信負(fù)荷?，F(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)采用通信調(diào)度系統(tǒng)來控制變量的采樣、算法的執(zhí)行和通信系統(tǒng)的優(yōu)化。如把數(shù)據(jù)分為周期性和非周期性兩部分：對(duì)周期性數(shù)據(jù)必須在系統(tǒng)所需的周期內(nèi)處理完。現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)具有了與模擬控制系統(tǒng)一樣的控制速度，因而也達(dá)到與模擬控制系統(tǒng)一樣的高速閉環(huán)控制性能。 3.3.6.多變量測(cè)量和傳送：所謂多變量測(cè)量，是指一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)過程變量。在過去的模擬通信方式中，測(cè)量一個(gè)變量就需要一對(duì)導(dǎo)線，因此每臺(tái)變送器只能測(cè)量一個(gè)過程變量。采用了現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式后，由于每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線變送器內(nèi)配有多個(gè)感測(cè)元件，它就可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)過程變量，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸出去，因此一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線變送器可以當(dāng)作多臺(tái)變送器使用。 3.3.7.系統(tǒng)綜合成本低：在4mA～20mA通信方式下，變送器只能測(cè)量一個(gè)物理變量，如果要將這個(gè)測(cè)量變量轉(zhuǎn)換為控制上必要的數(shù)據(jù)，還需要其它附屬的配料系統(tǒng)。例如，測(cè)量帶有溫度和壓力補(bǔ)償?shù)恼羝髁繒r(shí)，需要三臺(tái)變送器分別測(cè)量溫度、壓力和差壓（流量）。而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，則只需要一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線變送器就可以了，這不但使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且還降低了系統(tǒng)的綜合成本，減少了系統(tǒng)安裝和調(diào)試的費(fèi)用。 4現(xiàn)場(chǎng)總線配料系統(tǒng)案例 4.1問題概述 在工業(yè)控制的油漆生產(chǎn)過程中，物料稱重、配料控制是影響商品油漆質(zhì)量的重要因素。油漆生產(chǎn)中需要助劑、溶劑、油墨、潤(rùn)滑劑、聚氨酯、甲醇、添加劑等多種配料,目前，工業(yè)控制配料控制一般使用分布式控制系統(tǒng)，一套傳統(tǒng)的典型的攪拌站分布式控制系統(tǒng)如圖2所示，它包括多個(gè)稱重儀表。稱重儀表功能主要采集相應(yīng)料斗稱重模塊信號(hào)，換算成重量，同時(shí)根據(jù)油漆的配方進(jìn)行配料的過程控制。這種顯示控制和稱重模塊信息采集一體化的稱重儀表在遠(yuǎn)距離模擬信號(hào)的傳輸中，外部干擾的串入以及傳輸過程中信號(hào)的衰減都直接影響到檢測(cè)和控制的精度。同時(shí)由于采用串口和上位的工控機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)工控機(jī)串口的數(shù)量要求苛刻，系統(tǒng)布線復(fù)雜，不便于安裝和維護(hù)，當(dāng)物料種類增加時(shí)往往難以靈活配置。CAN總線技術(shù)是國(guó)際上前沿的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它布線簡(jiǎn)單，只需兩根雙絞線就可連接多個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)增刪靈活，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用極其廣泛。采用了CAN總線的新型稱重儀表的攪拌站控制系統(tǒng)如圖3所示。由圖3可以看到，其布線大為簡(jiǎn)化，只需要一根四芯CAN總線電纜就可實(shí)現(xiàn)顯示控制模塊，稱重模塊數(shù)據(jù)采集模塊以及工控機(jī)之間的相互通信。同時(shí)由于CAN總線采用了數(shù)字傳輸方式也解決了攪拌站控制系統(tǒng)中模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸干擾串入和信號(hào)衰減問題。 | |
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