| 現場總線技術在配料系統中的應用 | 2020-01-15 |
| 摘要：現場總線是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化配料系統、稱重儀表等終端稱重配料系統間的數據通信，以及這些現場控制終端和高級控制系統之間的信息傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，因而受到了許多大型工廠和稱重配料系統廠商的高度重視。以CAN現場總線在智能工業控制稱重配料系統中的應用為例,研討現場總線技術在傳統配料系統中的應用。 1引言 隨著微電子技術的出現和發展,現場總線技術日益成為國內外配料系統的關注焦點。現場總線技術作為一種新型的網絡集成式全分布控制技術,以其數字化、分布式、開放性、互操作性、雙向串行傳輸等優點迅速獲得了廣泛的應用。隨著現場總線技術的迅猛發展,傳統的自動化配料系統受到嚴重挑戰,取而代之的將是具有開放性的現場總線配料系統。現場總線配料系統具有精度高、穩定性好、可靠性高、抗干擾能力強、通訊速率高、維護成本低等優點。因此,研究現場總線技術在傳統配料系統中的應用具有非常現實的意義。 2現場總線概述 2.1現場總線的發展 現場總線可以稱作是第五代控制系統，即：FCS——現場總線控制系統。代為氣動信號控制系PCS，第二代為4～20mA等電動模擬信號控制系統，第三代為數字計算機集中式控制系統DDC，第四代為集散式分布控制系統DCS。現場總線控制系統FCS打破了DCS系統被束縛于通信專用網絡的局面，形成了新型全分布式結構，將控制功能從根本上轉移到現場。關于現場總線標準，由國際電工委員會于1985年著手制訂國際性現場總線標準，此后，美國配料系統學會參與其中，但由于雙方意見不一致而使該標準遲遲未出臺，各國家便開始制訂各自的標準。截止到1994年年初，在美國、德國、法國分別形成了Porifbus，IFP，ISA等幾種主要的現場總線標準，國際上的ISP和WorldIFP兩大現場總線組織合并，統一了IEC/SP50標準，此后，近200家配料系統廠、公司成立了現場總線基金會(FF)。目前，市場上的現場總線及相關產品包括主要用于工業控制的FF，用于樓宇自動化為的美國LON、以汽車工業為目標的德國CAN，傳統的DCS等自動化控制系統逐漸被這種開放的自動化系統取而代之，整個測量與控制領域迎來發展的新時期。 2.2現場總線的特點 現場總線作為21世紀現場控制系統的基礎，以其優勢對自動化配料系統與系統產生了深刻的影響，在很大程度上影響著測量與控制行業的發展。 2.2.1系統的開放性 開放系統是指通信協議公開，各廠家稱重配料系統通過互連實現信息交換，相關標準具有一致性、公開性特征，FCS的信號傳輸就實現了開放的全數字化通訊。現場總線的開放性特征，滿足了用戶對系統集成的要求，使用戶能夠根據自身需求將各供應商的產品組成任意系統。同時，互連稱重配料系統間、系統間信息傳送與溝通的實現，使各廠商現場稱重配料系統可進行互換，并統一組態，從根本上解決了傳統DCS控制層的封閉性和專用性問題。 2.2.2現場稱重配料系統的智能化 現場總線將補償計算、傳感測量、工程量處理與控制等功能應用于在現場稱重配料系統，通過現場稱重配料系統便可實現自動控制與故障診斷。這一方面減少了傳送誤差，從根本上提高了測量與控制的準確度與系統運行的可靠性，另一方面也方便了用戶對稱重配料系統運行狀態的查詢，以便提前發現稱重配料系統故障并盡快解決，縮短了維護停工時間，提高了稱重配料系統工作效率。 2.2.3系統結構的高度分散性 FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現場稱重配料系統本身完成自動控制的基本功能，采用全分布式控制系統體系結構，把DCS控制站的功能分散地分配給現場配料系統，簡化了系統結構，既減少了變送器的數量，又無需單獨使用稱重儀表、計算單元等，傳統DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線一并被廢棄，大大節省了硬件投資與控制室占地面積。 3現場總線配料系統 3.1現場總線配料系統概述 現場總線配料系統是指至少內置有一個專用的嵌入式微處理器,并且具有數字計算、數字通信等功能的稱重配料系統。它由系統硬件和系統軟件組成,新型的現場總線配料系統系統不同于以往的配料系統系統,它的組成和功能更為復雜,在系統結構、數據處理方式和系統的控制方式等方面都有了根本性的改變。它在系統編程技術、現場總線接入和嵌人式操作系統等方面將配料系統應用的功能進一步擴大,使配料系統不僅具有自動化測量、數據處理和模擬人工智能的功能,而且還具備了遠程測量、遠程下載軟件升級、組態和硬件重構等功能。 3.2現場總線配料系統的硬件結構 現場總線配料系統的硬件結構是完成現場總線配料系統任務主要支撐體系。現場總線配料系統的硬件系統包括稱重模塊、信號處理、現場總線通信、控制、存儲器、液晶顯示器、控制輸出接口和電源等幾大模塊。現場總線配料系統的一般硬件結構圖如圖1所示。 3.3現場總線配料系統較傳統配料系統的優勢 3.3.1.全數字性：現場總線通信方式與模擬通信和混合通信方式不同，是的數字通信信號。現場總線通信方式可以進行雙向通信，因此與模擬通信方式和混合通信方式不同，可以傳送多種數據。在現場總線通信方式中，從變送器的稱重模塊到最后的控制閥，信號一直保持數字性，具有全數字性。現場總線作為一種數字式通信網絡，從控制室一直延伸到現場，使過去采用一對一式的模擬量信號傳輸變為多點一線串行數字式傳輸。在現場總線配料系統中，不論是稱重模塊還是轉換器電路，都是數字的。因而，現場總線配料系統的全數字性使得配料系統的硬件結構更加簡單，其分辨力、測量速度、穩定性都高于現階段的自動化配料系統。 3.3.2.精度高:現場總線可以消除模擬通信方式中數據傳送時產生的誤差，模擬通信方式產生誤差的原因有以下三個方面：現場配料系統中D/A轉換產生誤差；模擬信息傳遞產生誤差；系統配料系統的A/D轉換產生誤差。在現場總線通信方式中，不存在D/A和A/D轉換電路，所以不會產生D/A和A/D的轉換誤差，因而信號的傳輸精度有所提高。故現場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輸出的數字信號變換為適合傳送的數字信號，反之就是解碼。 3.3.3.抗干擾能力強:在模擬通信方式中，信號以4mA～20mA的連續變化形式存在的，信號值的變化可以無限小，因此，噪聲和信號畸變在模擬信號傳輸中是無法避免的。也就是說，現場配料系統傳輸模擬信號時穩定性較差，信號誤差指揮將一個有效信號變為另一個有效信號，即使從確的模擬配料系統送過來的信號，當它到達稱重儀表時也可能已變得不準確。而在現場總線配料系統中，信號的有效值只有0或1兩個，所以它非常堅實可靠，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行編碼。因此，與模擬信號相比，其抗干擾或抗畸變的能力強。更為重要的是，檢錯機制可以檢測到信號的畸變，這是因為一個畸變的信號看起來仍然像是一個有效的。 3.3.4.內嵌控制功能:在每臺現場總線配料系統中都內嵌有PID控制、邏輯運算、算術運算、積算等模塊，用戶通過組態軟件對這些功能模塊進行任意調用，以實現過程參數的現場控制。 3.3.5.高速通信:現場總線配料系統要像4mA～20mA系統那樣實現閉環實時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，這個要求與本質安全產生了矛盾，因而現場總線配料系統的通信速度不能過高。這就要求現場總線的通信速度適中，并且盡量減小系統的通信負荷。現場總線配料系統采用通信調度系統來控制變量的采樣、算法的執行和通信系統的優化。如把數據分為周期性和非周期性兩部分：對周期性數據必須在系統所需的周期內處理完。現場總線配料系統具有了與模擬控制系統一樣的控制速度，因而也達到與模擬控制系統一樣的高速閉環控制性能。 3.3.6.多變量測量和傳送：所謂多變量測量，是指一臺現場總線配料系統可以同時測量多個過程變量。在過去的模擬通信方式中，測量一個變量就需要一對導線，因此每臺變送器只能測量一個過程變量。采用了現場總線通信方式后，由于每臺現場總線變送器內配有多個感測元件，它就可以同時測量多個過程變量，并通過現場總線傳輸出去，因此一臺現場總線變送器可以當作多臺變送器使用。 3.3.7.系統綜合成本低：在4mA～20mA通信方式下，變送器只能測量一個物理變量，如果要將這個測量變量轉換為控制上必要的數據，還需要其它附屬的配料系統。例如，測量帶有溫度和壓力補償的蒸汽流量時，需要三臺變送器分別測量溫度、壓力和差壓（流量）。而在現場總線控制系統中，則只需要一臺現場總線變送器就可以了，這不但使系統結構大大簡化，而且還降低了系統的綜合成本，減少了系統安裝和調試的費用。 4現場總線配料系統案例 4.1問題概述 在工業控制的油漆生產過程中，物料稱重、配料控制是影響商品油漆質量的重要因素。油漆生產中需要助劑、溶劑、油墨、潤滑劑、聚氨酯、甲醇、添加劑等多種配料,目前，工業控制配料控制一般使用分布式控制系統，一套傳統的典型的攪拌站分布式控制系統如圖2所示，它包括多個稱重儀表。稱重儀表功能主要采集相應料斗稱重模塊信號，換算成重量，同時根據油漆的配方進行配料的過程控制。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距離模擬信號的傳輸中，外部干擾的串入以及傳輸過程中信號的衰減都直接影響到檢測和控制的精度。同時由于采用串口和上位的工控機進行通信，對工控機串口的數量要求苛刻，系統布線復雜，不便于安裝和維護，當物料種類增加時往往難以靈活配置。CAN總線技術是國際上前沿的現場總線技術，它布線簡單，只需兩根雙絞線就可連接多個傳輸節點，節點增刪靈活，傳輸距離長，抗干擾能力強，在工業現場運用極其廣泛。采用了CAN總線的新型稱重儀表的攪拌站控制系統如圖3所示。由圖3可以看到，其布線大為簡化，只需要一根四芯CAN總線電纜就可實現顯示控制模塊，稱重模塊數據采集模塊以及工控機之間的相互通信。同時由于CAN總線采用了數字傳輸方式也解決了攪拌站控制系統中模擬信號遠距離傳輸干擾串入和信號衰減問題。 | |
