現(xiàn)場總線在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

唐永紅 鄭金吾

摘 要:將現(xiàn)場總線引入實(shí)驗(yàn)室,從教學(xué)及科研角度出發(fā),以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)選取被控對象,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置,擬訂控制方案,并根據(jù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)容量限制與要求對系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件配置,且分析研究了系統(tǒng)功能及應(yīng)用。系統(tǒng)為有關(guān)現(xiàn)場總線的教學(xué)、科研等提供了實(shí)驗(yàn)平臺,具有很大的借鑒意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;基金會現(xiàn)場總線;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號:TP29

現(xiàn)場總線(Fieldbus)適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,在控制領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。作為控制理論與控制工程專業(yè)學(xué)習(xí)的一個重要環(huán)節(jié),過程控制實(shí)驗(yàn)的重要性不言而喻,尤其應(yīng)該學(xué)習(xí)使用新型的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。為此將現(xiàn)場總線技術(shù)引用到自動化類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中,開發(fā)現(xiàn)場總線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為學(xué)習(xí)、研究現(xiàn)場總線及相關(guān)課程實(shí)踐教學(xué)提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際教學(xué)需求,從教學(xué)及科研角度出發(fā),以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo),并適用對象控制方法調(diào)節(jié)效果的研究,模擬工業(yè)現(xiàn)場,可組合多種控制對象。被控對象選取在工業(yè)控制中廣泛存在且具有代表性的液位、流量、壓力、溫度這四大變量為測控變量。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中控制回路包含企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場常用的典型控制:單回路控制和串級控制。選用現(xiàn)場總線技術(shù)中具有代表性、權(quán)威性、頗具發(fā)展前景的基金會現(xiàn)場總線(Fundation Fieldbus,FF)來開發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),作為學(xué)習(xí)研究的對象。系統(tǒng)以FF現(xiàn)場總線為骨架、以工控機(jī)為核心、FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品構(gòu)建而成。所有現(xiàn)場儀表都是一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)掛接在總線上,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線形式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為現(xiàn)場總線和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置兩部分。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)裝置主要構(gòu)成:冷水箱(E[CD*2]1),熱水箱(E[CD*2]2),冷熱水混合水箱(E[CD*2]3),儲水箱(E[CD*2]4),加熱水箱(E[CD*2]5);水泵P[CD*2]1和P[CD*2]2;電加熱器和調(diào)壓模塊;電動閥和手動閥及其他相關(guān)配件。儲水箱上面設(shè)有金屬濾網(wǎng),過濾雜物,以免堵塞管道。除加熱水箱采用不銹鋼外,其他水箱采用有機(jī)玻璃,透明、便于直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果[6]。圖1中玊,H為水箱的溫度、液位,獸璗為管道流量,獸璬,玊璬為干擾水流的流量和溫度,┆玼為控制量。系統(tǒng)現(xiàn)場總線部分采用總線供電方式,即電源線和信號線共用一對雙絞線?，F(xiàn)場總線信號在全網(wǎng)絡(luò)中都被特殊保護(hù),為減小干擾,現(xiàn)場總線電纜被屏蔽,且電纜的屏蔽沿著電纜的整個長度僅在一點(diǎn)接地。

為提高系統(tǒng)的安全性,防止通信錯誤或錯誤操作所帶來的破壞,采用一些保護(hù)措施。如系統(tǒng)中掛接安全柵,使全系統(tǒng)具有本質(zhì)安全特征。所有水箱采用溢流管道,防止水從箱內(nèi)漫出。為防止加熱水箱無水或水位過低造成電加熱器干燒損壞,設(shè)低水位保護(hù),保證安全。

2 系統(tǒng)軟、硬件配置

系統(tǒng)軟件主要由組態(tài)軟件SYSCON、監(jiān)控軟件AIMAX、現(xiàn)場總線設(shè)備級維護(hù)軟件FBTools等組成。系統(tǒng)以AIMAX為系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用平臺,通過接口驅(qū)動㏒YSCON,將現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)、現(xiàn)場總線儀表有機(jī)地連接成一個整體,完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。[JP]

[JP2]系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場總線過程控制接口卡(PCI)、其他現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的輔助設(shè)備等都選用在開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品方面始終處于全方位領(lǐng)先地位的美國SMAR產(chǎn)品。SMAR現(xiàn)場智能儀表均內(nèi)置有許多功能模塊,控制功能通過儀表內(nèi)功能塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行FCS硬件配置之前,先擬訂控制方案及需要測量指示的變量,以及系統(tǒng)中可以組成的控制回路。系統(tǒng)中需要測量指示的變量有:冷、熱水箱進(jìn)水流量指示,各水箱溫度、液位指示?？梢越M成的控制回路有:

簡單控制:液位單回路控制,加熱水箱溫度控制;

復(fù)雜控制:混合水箱E[CD*2]3的液位與冷水箱E[CD*2]1或熱水箱E[CD*2]2的液位,可分別構(gòu)成液位[CD*2]液位串級控制;混合水箱的液位與熱水箱或冷水箱的進(jìn)水流量分別組成液位[CD*2]流量串級控制;混合水箱溫度與冷水箱或熱水箱的進(jìn)水流量可分別組成溫度[CD*2]流量串級控制等。根據(jù)控制方案及FCS容量要求,進(jìn)行FCS硬件配置:系統(tǒng)主要由一臺工控機(jī),一塊PCI卡,4塊現(xiàn)場總線(FF)溫度變送器TT302、7塊現(xiàn)場總線(FF)差壓變送器LD302、4塊現(xiàn)場總線(FF)電流轉(zhuǎn)換器FI302,4個安全柵SB302、終端器BT302、電源PS302等有關(guān)的輔助設(shè)備組成。FCS硬件配置如圖2所示。

3 系統(tǒng)的特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)模雖小,功能很全,具有較大的柔性,具有以下主要特點(diǎn):

(1) 系統(tǒng)總線技術(shù)先進(jìn)。系統(tǒng)總線是為適應(yīng)自動化系統(tǒng)、特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而專門設(shè)計(jì)、應(yīng)用非常廣泛的FF現(xiàn)場總線。它能滿足對時間要求苛刻的使用環(huán)境,能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求,可通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備供電[3]。

(2) 互操作性強(qiáng)。FF通信協(xié)議特有的用戶層中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)功能模塊,實(shí)現(xiàn)基本控制功能。這些功能塊內(nèi)裝在各種現(xiàn)場設(shè)備中,使各種現(xiàn)場設(shè)備之間很容易實(shí)現(xiàn)互操作,有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展[4]。而且它還可通過柔性功能塊對上述的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊進(jìn)行擴(kuò)充,這個技術(shù)優(yōu)勢可以說是很多總線技術(shù)欠缺的。

[JP2](3) 用戶有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)且組態(tài)方便靈活,即插即用[9]。可根據(jù)用戶實(shí)際應(yīng)用情況,組態(tài)成不同規(guī)模不同形式的系統(tǒng),方便進(jìn)行工業(yè)企業(yè)中大多數(shù)典型工藝中自動化及過程控制任務(wù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和方案驗(yàn)證。[JP]

(4) 具有代表性。系統(tǒng)中的控制回路包含企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場常用的典型控制,針對性強(qiáng);測控變量在工業(yè)中具有一定代表性,實(shí)驗(yàn)的實(shí)用價值高;產(chǎn)品選取FF智能儀表先鋒即SMAR儀表,具有代表性[5]。

(5) 過程控制系統(tǒng)豐富。利用實(shí)驗(yàn)裝置和所裝備的控制設(shè)備,可提供眾多的從簡單到復(fù)雜、從常規(guī)到高等的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

(6) 系統(tǒng)功能多樣,集教學(xué)、科研、培訓(xùn)、交流于一體,節(jié)省費(fèi)用。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì),研究生、教師從事現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用研究,還用于與兄弟院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)等進(jìn)行現(xiàn)場總線技術(shù)的交流與培訓(xùn)。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn),系統(tǒng)可為現(xiàn)場總線、過程控制、自動檢測技術(shù)及儀表、現(xiàn)場總線的研究及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)等多門相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)及科研服務(wù)。

(1) 現(xiàn)場總線。 依托該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更直觀地理解掌握現(xiàn)場總線的基本構(gòu)成及通信特點(diǎn),現(xiàn)場總線儀表構(gòu)成、原理、功能及接線,FCS系統(tǒng)的組態(tài)原理及方法、下裝與在線調(diào)試;監(jiān)控軟件的使用包括流程圖繪制、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、報表、趨勢組、報警組的生成等。以此系統(tǒng)為借鑒學(xué)習(xí)開發(fā)工業(yè)FCS系統(tǒng)。為現(xiàn)場總線在理論研究中進(jìn)行理論驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)研究和在線仿真、模擬現(xiàn)場生產(chǎn)過程等提供平臺。

(2) 過程控制。功能塊技術(shù)使系統(tǒng)的現(xiàn)場總線部分,具有較大的柔性,組態(tài)靈活,擴(kuò)展性強(qiáng)。用戶通過對功能模塊進(jìn)行靈活連接可實(shí)現(xiàn)多種控制策略[9]。通過選擇不同的輸入信號和輸出信號即可組成不同的控制回路,實(shí)現(xiàn)多種控制方式。不僅可以模擬和驗(yàn)證工業(yè)現(xiàn)場中實(shí)際的自動化控制方案,進(jìn)行控制算法研究和多種自動控制實(shí)驗(yàn);而且容易組態(tài)成不同規(guī)模、不同形式的系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)液位、壓力、流量、溫度等典型對象的簡單和復(fù)雜控制[10]。如液位[CD*2]液位串級控制系統(tǒng),不須改變硬件連接,只需通過軟件組態(tài)即可改為液位、液位單回路控制或液位[CD*2]流量串級控制等。

(3) 自動檢測技術(shù)及儀表。實(shí)驗(yàn)裝置的傳感器或變送器輸出的信號均送到現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn),可開設(shè)部分自動檢測實(shí)驗(yàn):

熱電偶、熱電阻性能測試實(shí)驗(yàn);傳感器動態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn);壓力測量及校驗(yàn);數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究等。

(4) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。FCS是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。各種不同的設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上協(xié)調(diào)工作,數(shù)據(jù)和信息共享,共同完成各種控制及管理功能。因此,可在該FCS 系統(tǒng)上開設(shè)一些簡單的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)。

(5) 現(xiàn)場總線技術(shù)研究及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。系統(tǒng)為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)、科技活動、現(xiàn)場總線應(yīng)用研究與產(chǎn)品開發(fā)提供了良好平臺,對科研能力的培養(yǎng)起到重要作用。在系統(tǒng)上可模擬完成多種被控對象的計(jì)算機(jī)控制,通過在系統(tǒng)上的訓(xùn)練,能夠較完整地掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,并利用系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場總線通信、現(xiàn)場總線設(shè)備、控制軟件、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件的研究與測試,為開發(fā)自主的現(xiàn)場總線智能前端控制設(shè)備、檢測設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備等產(chǎn)品、先進(jìn)的智能控制技術(shù)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究等提供實(shí)驗(yàn)平臺[7]。

5 應(yīng)用示例

下面以系統(tǒng)中包含的典型控制中的串級控制為例,介紹如何使用現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)回路的控制。

混合水箱E[CD*2]3和熱水箱E[CD*2]2的液位可組成液位[CD*2]液位串級控制;混合水箱的液位調(diào)節(jié)作主回路,熱水箱液位調(diào)節(jié)作副回路;回路的現(xiàn)場儀表有兩塊LD302、┮豢镕I302。LD302為液位測量及信號輸入,FI302將現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換成電流信號,送至調(diào)節(jié)閥￢[CD*2]2。需要的功能塊有兩個AI模塊,位號分別為LT01、LT02,分別來自兩個LD302;兩個PID模塊,位號分別為LIC01,LIC02,其分別來自位號為LT[CD#*2]01的LD302和FI302;一個AO模塊來自FI302,其位號為LY01。利用組態(tài)軟件SYSCON進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài),主要包括設(shè)備組態(tài)、模塊組態(tài)、參數(shù)組態(tài)。這是形成應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟,其重要內(nèi)容是控制策略組態(tài),而控制策略組態(tài)是通過對儀表內(nèi)功能塊組態(tài)實(shí)現(xiàn)。該回路控制的功能塊連[LL]接如圖3所示。

組態(tài)完畢,通過PCI卡,按照設(shè)定的地址,下裝到掛接在通道上的現(xiàn)場總線儀表中,PCI作為“Master”,現(xiàn)場總線儀表便在“Master”的調(diào)度下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,且可通過對參數(shù)的在線調(diào)試,使系統(tǒng)控制達(dá)到最佳。通過系統(tǒng)應(yīng)用示例看出,利用現(xiàn)場總線進(jìn)行系統(tǒng)控制簡單、方便,不須改變硬件連接,只需通過軟件組態(tài)在不同節(jié)點(diǎn)間建立連接,使現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)在不同的功能塊間傳輸,即可組成各種控制應(yīng)用。

6 結(jié) 語

將現(xiàn)場總線應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué),不但能更好地學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)場總線,而且有利于現(xiàn)場總線的應(yīng)用研究和發(fā)展,有利于開發(fā)出自主的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅為有關(guān)現(xiàn)場總線的教學(xué)和科研等提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺,也為開發(fā)工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了借鑒和實(shí)踐場所,具有很大的借鑒意義和應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介

唐永紅 女,1971年出生,四川武勝人,碩士研究生,高級實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)。

鄭金吾 男,1959年出生,教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)、現(xiàn)場總線應(yīng)用研究。