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摘要现场总线在现场仪表之间、现场仪表与控制设备之间构成网络互连系统实现全数字化、双向、多变量的数字通讯,这将提高系统的可靠性和抗干扰能力,同时节省了整个系统的投资、安装及后期维护费用。基金会现场总线(Foundation Fieldbus)是众多现场总线中,在面向过程控制领域中较为先进的现场总线标准。本文在对FF总线协议进行分析的基础上,根据FF总线通讯协议和对FF设备的基本要求,设计出了一种可满足FF协议的基本硬件方案。
关键词集散式控制系统 微处理器 变送器
中图分类号:TM93文献标识码:A
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现,标志着工业控制技术领域一个新时代的开始,并将对该领域的发展起到了重要的影响。 它的出现,给自动化领域带来了一次革命。基于现场总线及智能化仪表的控制系统FCS将逐步取代传统DCS控制系统。
目前在工业生产中广为采用的DCS系统被称为集散式控制系统,它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式,把整个生产过程分解为多个子系统,由多台计算机共同协作完成自控系统功能,每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能,并广泛采用冗余结构提高安全性。这种系统的优点是避免集中控制模式中危险集中的弊端,但在其系统的物理结构上,仍然为数字控制器与模拟变送器共同组成的数字模拟混合系统。模拟变送器位于工艺设备的生产现场,而控制器一般位于各个控制柜。从构成控制系统的信号流的角度来看,在现场把被控参数转换为测量信号后,送往位于各个控制柜的控制器,经控制运算后,再把所得到的操作信号由控制室送往位于生产现场的调节阀或控制电机。
随着微处理器计算功能的增强和价格的降低,计算机网络系统得到了迅速发展。在全厂级和车间级管理上己经广泛使用信息管理系统。而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线,用电压、电流的模拟信号进行测量和控制,难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息,使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成和综合自动化,就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统,形成现场的底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信,以及生产现场与外界之间的信息交换。
在工业系统中,润滑油系统为大型设备的转轴轴承提供润滑油,是保证设备安全运行的重要条件。润滑油温度须保持在200℃ -60 ℃,控制值为35℃左右。在润滑过程中油温会升高,为了冷却油,在供油管上增加冷油器。通过调节阀调节冷却水流量,使油温能保持在最佳值附近。在DCS系统中为实现该过程,须将采样的温度信号通过变送器转换成4-20mA电流信号,传送到控制柜,运算后,再将要实现的阀位信号,传到现场实现阀位控制。本设计采用FF控制系统,将控制器下放到现场,直接安装于调节阀控制座中。现场采集到的温度信号不需要经过变送器送到控制柜,而直接送到调节阀上的控制器中。这样在现场就可以完成控制,实现了真正的分散式控制,将由于集中而产生的危险降低。并在控制器内加装通讯模块,可将相关诊断信息通过总线上传至主控室,利用主控室PC机强大功能,实现监视、分析和数据保存等功能。基于FF总线这种开放的网络控制技术,把测量、控制设备连接起来,构成全分布式的自动化系统,将管理系统延续到现场。
本文设计的基于FF总线的润滑油温测控系统实现了模拟量控制与总线通信功能,其结构分为3个层次。
(1)操作监控层:主要完成参数优化和运行状态的监控。能为现场控制器设定值调节功能,使控制器保持最优控制,并对过程数据实现显示和记录,数据存储和归档等功能。操作监控层在PC机中实现,由通信协议模块,数据分析模块和数据库管理系统组成。该层通过USB接口与现场控制层的总线主节点连接,对现场信号监控,实现人机接口,可作为现场操作站。通过监视画面了解现场情况,或通过控制画面对智能节点参数设定. 本系统中通讯设备分为两类,一类是通讯主节点,可作为总线系统中的链路活动调度器。其结构如图一所示,P89V51RD2单片机作为CPU,负责实现FF协议中的LAS功能。用FB3050作为与现场总线的接口芯片,负责收发数据包。用IS62C256 SRAM (32K)作为CPU与FB3050共用的RAM,实现DMA功能。该主节点通过USB通讯口与上位机交换数据。
图一通讯主节点结构框图
另一类是通讯从节点部分,作为网络中的基本设备,其结构如图二所示,FF通讯部分电路与主节点相同。数据采集与控制模块中CPU选用ATMEL公司的AT89S52,该(下转第66页)(上接第62页)芯片内置8K Flash存储器和256E RAM,可满足控制要求。CPU通过控制AD7705实现温度采集,输出到DA0832实现温度控制。并设计有LCD显示和按键功能。该模块其通过串行通讯口与从节点网卡CPU相连。
图二通讯从节点结构框图
(2)现场控制层:由控制器、通讯模块、传感器、执行器等装置构成。现场控制层向下与被控对象相接,向上与现场优化控制层的PC机相连,可向上层系统发送数据。现场总路线控制系统中采用数字信号替代模拟信号,因而可在一条总线上传输多个节点信号参数、设备状态、故障信息等。现场设备以外不需要再另外设置A/D、D/A转换部件,这样就简化系统结构。随着智能化,多变量的,具有自诊断功能的现场设备越来越多地应用于过程控制系统。对现场测量和控制设备的要求也随之提高,不仅要求现场设备能提供过程测量信息,而且还应该能提供许多附加信息,包括设备自身及过程的诊断信息、管理信息等。这些功能在FF系统中都能实现。本系统中分别设计主从节点,由网络主节点〔调度器)作为系统的时间主管,其内部有一个定时器触发,周期性地向从节点发出帧。从节点的通信和功能块的执行都由收到一帧数据结尾后产生的中断定时。这种链路的时间同步很重要,由主节点提供精确的控制时序,发布链路开始时间,所有预定通讯和其它应用进程的执行时间都以其对链路调度开始时间的偏移量来计算。采用PHILIPS公司的微处理器P89V51RD2完成通讯协议处理总线系统中传输的是具有一定带宽的数字信号,系统采用总线拓扑结构,H1低速现场总线。
(3)设备层:根据设备的特性和控制要求确定控制模式,本系统中被控制对象是润滑油油温,以冷却流量作为被调节对象。通过对现场控制过程和设备特性作较详细的分析建立比较接近实际的模型。根据该模型设计控制模块,并将模块保存到智能仪表中。
本设计中采用按偏差的比例、积分进行控制(简称PID控制)方式。它是连续控制理论中技术最成熟,应用最广泛的一种控制方法。它具有结构简单,参数调整方便等优点,它是在长期的工程实践中总结出来的。适用于工业过程控制中,难以建立精确的数学模型系统的参数经常发生变化的情况。人们往往采用PID控制技术,根据现场调试结果和经验进行在线调整系数,得到满意的控制效果。
目前国内的现场智能仪表中,可联接于FF总线系统的产品还没有得到推广,而国外进口产品的价格又较高,且维修不方便。因此,研制一种能实际应用的、可以和现有常规产品连接的系统是非常有必要的。
参考文献
[1]阳宪惠.工业数据通信与通信网络.清华大学出版社.
[2]李正军.现场总线及其应用技术.机械工业出版社.
关键词集散式控制系统 微处理器 变送器
中图分类号:TM93文献标识码:A
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现,标志着工业控制技术领域一个新时代的开始,并将对该领域的发展起到了重要的影响。 它的出现,给自动化领域带来了一次革命。基于现场总线及智能化仪表的控制系统FCS将逐步取代传统DCS控制系统。
目前在工业生产中广为采用的DCS系统被称为集散式控制系统,它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式,把整个生产过程分解为多个子系统,由多台计算机共同协作完成自控系统功能,每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能,并广泛采用冗余结构提高安全性。这种系统的优点是避免集中控制模式中危险集中的弊端,但在其系统的物理结构上,仍然为数字控制器与模拟变送器共同组成的数字模拟混合系统。模拟变送器位于工艺设备的生产现场,而控制器一般位于各个控制柜。从构成控制系统的信号流的角度来看,在现场把被控参数转换为测量信号后,送往位于各个控制柜的控制器,经控制运算后,再把所得到的操作信号由控制室送往位于生产现场的调节阀或控制电机。
随着微处理器计算功能的增强和价格的降低,计算机网络系统得到了迅速发展。在全厂级和车间级管理上己经广泛使用信息管理系统。而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线,用电压、电流的模拟信号进行测量和控制,难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息,使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成和综合自动化,就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统,形成现场的底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信,以及生产现场与外界之间的信息交换。
在工业系统中,润滑油系统为大型设备的转轴轴承提供润滑油,是保证设备安全运行的重要条件。润滑油温度须保持在200℃ -60 ℃,控制值为35℃左右。在润滑过程中油温会升高,为了冷却油,在供油管上增加冷油器。通过调节阀调节冷却水流量,使油温能保持在最佳值附近。在DCS系统中为实现该过程,须将采样的温度信号通过变送器转换成4-20mA电流信号,传送到控制柜,运算后,再将要实现的阀位信号,传到现场实现阀位控制。本设计采用FF控制系统,将控制器下放到现场,直接安装于调节阀控制座中。现场采集到的温度信号不需要经过变送器送到控制柜,而直接送到调节阀上的控制器中。这样在现场就可以完成控制,实现了真正的分散式控制,将由于集中而产生的危险降低。并在控制器内加装通讯模块,可将相关诊断信息通过总线上传至主控室,利用主控室PC机强大功能,实现监视、分析和数据保存等功能。基于FF总线这种开放的网络控制技术,把测量、控制设备连接起来,构成全分布式的自动化系统,将管理系统延续到现场。
本文设计的基于FF总线的润滑油温测控系统实现了模拟量控制与总线通信功能,其结构分为3个层次。
(1)操作监控层:主要完成参数优化和运行状态的监控。能为现场控制器设定值调节功能,使控制器保持最优控制,并对过程数据实现显示和记录,数据存储和归档等功能。操作监控层在PC机中实现,由通信协议模块,数据分析模块和数据库管理系统组成。该层通过USB接口与现场控制层的总线主节点连接,对现场信号监控,实现人机接口,可作为现场操作站。通过监视画面了解现场情况,或通过控制画面对智能节点参数设定. 本系统中通讯设备分为两类,一类是通讯主节点,可作为总线系统中的链路活动调度器。其结构如图一所示,P89V51RD2单片机作为CPU,负责实现FF协议中的LAS功能。用FB3050作为与现场总线的接口芯片,负责收发数据包。用IS62C256 SRAM (32K)作为CPU与FB3050共用的RAM,实现DMA功能。该主节点通过USB通讯口与上位机交换数据。
图一通讯主节点结构框图
另一类是通讯从节点部分,作为网络中的基本设备,其结构如图二所示,FF通讯部分电路与主节点相同。数据采集与控制模块中CPU选用ATMEL公司的AT89S52,该(下转第66页)(上接第62页)芯片内置8K Flash存储器和256E RAM,可满足控制要求。CPU通过控制AD7705实现温度采集,输出到DA0832实现温度控制。并设计有LCD显示和按键功能。该模块其通过串行通讯口与从节点网卡CPU相连。
图二通讯从节点结构框图
(2)现场控制层:由控制器、通讯模块、传感器、执行器等装置构成。现场控制层向下与被控对象相接,向上与现场优化控制层的PC机相连,可向上层系统发送数据。现场总路线控制系统中采用数字信号替代模拟信号,因而可在一条总线上传输多个节点信号参数、设备状态、故障信息等。现场设备以外不需要再另外设置A/D、D/A转换部件,这样就简化系统结构。随着智能化,多变量的,具有自诊断功能的现场设备越来越多地应用于过程控制系统。对现场测量和控制设备的要求也随之提高,不仅要求现场设备能提供过程测量信息,而且还应该能提供许多附加信息,包括设备自身及过程的诊断信息、管理信息等。这些功能在FF系统中都能实现。本系统中分别设计主从节点,由网络主节点〔调度器)作为系统的时间主管,其内部有一个定时器触发,周期性地向从节点发出帧。从节点的通信和功能块的执行都由收到一帧数据结尾后产生的中断定时。这种链路的时间同步很重要,由主节点提供精确的控制时序,发布链路开始时间,所有预定通讯和其它应用进程的执行时间都以其对链路调度开始时间的偏移量来计算。采用PHILIPS公司的微处理器P89V51RD2完成通讯协议处理总线系统中传输的是具有一定带宽的数字信号,系统采用总线拓扑结构,H1低速现场总线。
(3)设备层:根据设备的特性和控制要求确定控制模式,本系统中被控制对象是润滑油油温,以冷却流量作为被调节对象。通过对现场控制过程和设备特性作较详细的分析建立比较接近实际的模型。根据该模型设计控制模块,并将模块保存到智能仪表中。
本设计中采用按偏差的比例、积分进行控制(简称PID控制)方式。它是连续控制理论中技术最成熟,应用最广泛的一种控制方法。它具有结构简单,参数调整方便等优点,它是在长期的工程实践中总结出来的。适用于工业过程控制中,难以建立精确的数学模型系统的参数经常发生变化的情况。人们往往采用PID控制技术,根据现场调试结果和经验进行在线调整系数,得到满意的控制效果。
目前国内的现场智能仪表中,可联接于FF总线系统的产品还没有得到推广,而国外进口产品的价格又较高,且维修不方便。因此,研制一种能实际应用的、可以和现有常规产品连接的系统是非常有必要的。
参考文献
[1]阳宪惠.工业数据通信与通信网络.清华大学出版社.
[2]李正军.现场总线及其应用技术.机械工业出版社.