2025年04月04日 12:14:58 来源：广州市凯士称重设备工程有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：3
| 现场总线技术在配料系统中的应用 | 2020-01-15 |
| 摘要：现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化配料系统、称重仪表等终端称重配料系统间的数据通信，以及这些现场控制终端和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多大型工厂和称重配料系统厂商的高度重视。以CAN现场总线在智能工业控制称重配料系统中的应用为例,研讨现场总线技术在传统配料系统中的应用。 1引言 随着微电子技术的出现和发展,现场总线技术日益成为国内外配料系统的关注焦点。现场总线技术作为一种新型的网络集成式全分布控制技术,以其数字化、分布式、开放性、互操作性、双向串行传输等优点迅速获得了广泛的应用。随着现场总线技术的迅猛发展,传统的自动化配料系统受到严重挑战,取而代之的将是具有开放性的现场总线配料系统。现场总线配料系统具有精度高、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低等优点。因此,研究现场总线技术在传统配料系统中的应用具有非常现实的意义。 2现场总线概述 2.1现场总线的发展 现场总线可以称作是第五代控制系统，即：FCS——现场总线控制系统。代为气动信号控制系PCS，第二代为4～20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统DDC，第四代为集散式分布控制系统DCS。现场总线控制系统FCS打破了DCS系统被束缚于通信专用网络的局面，形成了新型全分布式结构，将控制功能从根本上转移到现场。关于现场总线标准，由国际电工委员会于1985年着手制订国际性现场总线标准，此后，美国配料系统学会参与其中，但由于双方意见不一致而使该标准迟迟未出台，各国家便开始制订各自的标准。截止到1994年年初，在美国、德国、法国分别形成了Porifbus，IFP，ISA等几种主要的现场总线标准，国际上的ISP和WorldIFP两大现场总线组织合并，统一了IEC/SP50标准，此后，近200家配料系统厂、公司成立了现场总线基金会(FF)。目前，市场上的现场总线及相关产品包括主要用于工业控制的FF，用于楼宇自动化为的美国LON、以汽车工业为目标的德国CAN，传统的DCS等自动化控制系统逐渐被这种开放的自动化系统取而代之，整个测量与控制领域迎来发展的新时期。 2.2现场总线的特点 现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，以其优势对自动化配料系统与系统产生了深刻的影响，在很大程度上影响着测量与控制行业的发展。 2.2.1系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各厂家称重配料系统通过互连实现信息交换，相关标准具有一致性、公开性特征，FCS的信号传输就实现了开放的全数字化通讯。现场总线的开放性特征，满足了用户对系统集成的要求，使用户能够根据自身需求将各供应商的产品组成任意系统。同时，互连称重配料系统间、系统间信息传送与沟通的实现，使各厂商现场称重配料系统可进行互换，并统一组态，从根本上解决了传统DCS控制层的封闭性和专用性问题。 2.2.2现场称重配料系统的智能化 现场总线将补偿计算、传感测量、工程量处理与控制等功能应用于在现场称重配料系统，通过现场称重配料系统便可实现自动控制与故障诊断。这一方面减少了传送误差，从根本上提高了测量与控制的准确度与系统运行的可靠性，另一方面也方便了用户对称重配料系统运行状态的查询，以便提前发现称重配料系统故障并尽快解决，缩短了维护停工时间，提高了称重配料系统工作效率。 2.2.3系统结构的高度分散性 FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场称重配料系统本身完成自动控制的基本功能，采用全分布式控制系统体系结构，把DCS控制站的功能分散地分配给现场配料系统，简化了系统结构，既减少了变送器的数量，又无需单独使用称重仪表、计算单元等，传统DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线一并被废弃，大大节省了硬件投资与控制室占地面积。 3现场总线配料系统 3.1现场总线配料系统概述 现场总线配料系统是指至少内置有一个专用的嵌入式微处理器,并且具有数字计算、数字通信等功能的称重配料系统。它由系统硬件和系统软件组成,新型的现场总线配料系统系统不同于以往的配料系统系统,它的组成和功能更为复杂,在系统结构、数据处理方式和系统的控制方式等方面都有了根本性的改变。它在系统编程技术、现场总线接入和嵌人式操作系统等方面将配料系统应用的功能进一步扩大,使配料系统不仅具有自动化测量、数据处理和模拟人工智能的功能,而且还具备了远程测量、远程下载软件升级、组态和硬件重构等功能。 3.2现场总线配料系统的硬件结构 现场总线配料系统的硬件结构是完成现场总线配料系统任务主要支撑体系。现场总线配料系统的硬件系统包括称重模块、信号处理、现场总线通信、控制、存储器、液晶显示器、控制输出接口和电源等几大模块。现场总线配料系统的一般硬件结构图如图1所示。 3.3现场总线配料系统较传统配料系统的优势 3.3.1.全数字性：现场总线通信方式与模拟通信和混合通信方式不同，是的数字通信信号。现场总线通信方式可以进行双向通信，因此与模拟通信方式和混合通信方式不同，可以传送多种数据。在现场总线通信方式中，从变送器的称重模块到最后的控制阀，信号一直保持数字性，具有全数字性。现场总线作为一种数字式通信网络，从控制室一直延伸到现场，使过去采用一对一式的模拟量信号传输变为多点一线串行数字式传输。在现场总线配料系统中，不论是称重模块还是转换器电路，都是数字的。因而，现场总线配料系统的全数字性使得配料系统的硬件结构更加简单，其分辨力、测量速度、稳定性都高于现阶段的自动化配料系统。 3.3.2.精度高:现场总线可以消除模拟通信方式中数据传送时产生的误差，模拟通信方式产生误差的原因有以下三个方面：现场配料系统中D/A转换产生误差；模拟信息传递产生误差；系统配料系统的A/D转换产生误差。在现场总线通信方式中，不存在D/A和A/D转换电路，所以不会产生D/A和A/D的转换误差，因而信号的传输精度有所提高。故现场总线通信方式要比模拟通信方式精度高。编码的作用是把微处理机输出的数字信号变换为适合传送的数字信号，反之就是解码。 3.3.3.抗干扰能力强:在模拟通信方式中，信号以4mA～20mA的连续变化形式存在的，信号值的变化可以无限小，因此，噪声和信号畸变在模拟信号传输中是无法避免的。也就是说，现场配料系统传输模拟信号时稳定性较差，信号误差指挥将一个有效信号变为另一个有效信号，即使从确的模拟配料系统送过来的信号，当它到达称重仪表时也可能已变得不准确。而在现场总线配料系统中，信号的有效值只有0或1两个，所以它非常坚实可靠，一般的噪声很难扭曲它。它可以直接传送或者以某种方式进行编码。因此，与模拟信号相比，其抗干扰或抗畸变的能力强。更为重要的是，检错机制可以检测到信号的畸变，这是因为一个畸变的信号看起来仍然像是一个有效的。 3.3.4.内嵌控制功能:在每台现场总线配料系统中都内嵌有PID控制、逻辑运算、算术运算、积算等模块，用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用，以实现过程参数的现场控制。 3.3.5.高速通信:现场总线配料系统要像4mA～20mA系统那样实现闭环实时控制需要更高的通信速度。由于高速需要高功率，即需要更大的电源功率消耗，这个要求与本质安全产生了矛盾，因而现场总线配料系统的通信速度不能过高。这就要求现场总线的通信速度适中，并且尽量减小系统的通信负荷。现场总线配料系统采用通信调度系统来控制变量的采样、算法的执行和通信系统的优化。如把数据分为周期性和非周期性两部分：对周期性数据必须在系统所需的周期内处理完。现场总线配料系统具有了与模拟控制系统一样的控制速度，因而也达到与模拟控制系统一样的高速闭环控制性能。 3.3.6.多变量测量和传送：所谓多变量测量，是指一台现场总线配料系统可以同时测量多个过程变量。在过去的模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，因此每台变送器只能测量一个过程变量。采用了现场总线通信方式后，由于每台现场总线变送器内配有多个感测元件，它就可以同时测量多个过程变量，并通过现场总线传输出去，因此一台现场总线变送器可以当作多台变送器使用。 3.3.7.系统综合成本低：在4mA～20mA通信方式下，变送器只能测量一个物理变量，如果要将这个测量变量转换为控制上必要的数据，还需要其它附属的配料系统。例如，测量带有温度和压力补偿的蒸汽流量时，需要三台变送器分别测量温度、压力和差压（流量）。而在现场总线控制系统中，则只需要一台现场总线变送器就可以了，这不但使系统结构大大简化，而且还降低了系统的综合成本，减少了系统安装和调试的费用。 4现场总线配料系统案例 4.1问题概述 在工业控制的油漆生产过程中，物料称重、配料控制是影响商品油漆质量的重要因素。油漆生产中需要助剂、溶剂、油墨、润滑剂、聚氨酯、甲醇、添加剂等多种配料,目前，工业控制配料控制一般使用分布式控制系统，一套传统的典型的搅拌站分布式控制系统如图2所示，它包括多个称重仪表。称重仪表功能主要采集相应料斗称重模块信号，换算成重量，同时根据油漆的配方进行配料的过程控制。这种显示控制和称重模块信息采集一体化的称重仪表在远距离模拟信号的传输中，外部干扰的串入以及传输过程中信号的衰减都直接影响到检测和控制的精度。同时由于采用串口和上位的工控机进行通信，对工控机串口的数量要求苛刻，系统布线复杂，不便于安装和维护，当物料种类增加时往往难以灵活配置。CAN总线技术是国际上前沿的现场总线技术，它布线简单，只需两根双绞线就可连接多个传输节点，节点增删灵活，传输距离长，抗干扰能力强，在工业现场运用极其广泛。采用了CAN总线的新型称重仪表的搅拌站控制系统如图3所示。由图3可以看到，其布线大为简化，只需要一根四芯CAN总线电缆就可实现显示控制模块，称重模块数据采集模块以及工控机之间的相互通信。同时由于CAN总线采用了数字传输方式也解决了搅拌站控制系统中模拟信号远距离传输干扰串入和信号衰减问题。 | |
