現(xiàn)場(chǎng)總線在科里奧利粉料流量測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用

賈路堯，滿慶豐，耿春明，儲(chǔ)　成，劉　亞

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京　100191)

0　引言

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中，粉料流量的測(cè)量和控制是一個(gè)很重要的內(nèi)容。粉料因?yàn)槠浔旧砜闪鲃?dòng)性差、物理結(jié)構(gòu)松散、流動(dòng)過(guò)程中流量隨時(shí)變化、密度不均勻、形態(tài)多種多樣等特點(diǎn)，成為流量實(shí)時(shí)測(cè)量與控制的難點(diǎn)?；诳评飱W利力的粉料質(zhì)量流量計(jì)(簡(jiǎn)稱科氏流量計(jì))因其測(cè)量精度高、可靠性好、系統(tǒng)密閉性好等優(yōu)點(diǎn)而得到較為廣泛的認(rèn)可。目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)并能投入使用的產(chǎn)品很少，諸多廠家都是直接引進(jìn)德國(guó)SCHENCK公司的成套設(shè)備。冀東發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司裝備研發(fā)中心和北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院合作研發(fā)的“科里奧利粉料流量測(cè)控系統(tǒng)”(下文簡(jiǎn)稱煤粉秤系統(tǒng))已經(jīng)應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)線上，產(chǎn)生了積極的經(jīng)濟(jì)效益。文中在深入研究現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)的生產(chǎn)線使用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將PROFIBUS-DP總線和CAN總線運(yùn)用到測(cè)控系統(tǒng)，不僅提高了通訊的可靠性和智能性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的測(cè)量和控制精度。

1　煤粉秤系統(tǒng)總體介紹

在目前新型干法水泥生產(chǎn)線上，都采用了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本上是由工業(yè)以太網(wǎng)及各種現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成。典型的結(jié)構(gòu)是以工業(yè)PC機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)主控制器，通過(guò)PROFIBUS與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備相連，上位機(jī)采用TCP/IP協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)層采用PROFIBUS-DP主/從協(xié)議，采用STEP7編程組態(tài)軟件和WINCC過(guò)程監(jiān)控軟件進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)[1]。目前，煤粉秤系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)層的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，中央控制室(下文簡(jiǎn)稱中控室)采用工控機(jī)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線，中控室與煤粉秤系統(tǒng)的信息交換均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng) PLC完成：中控室與現(xiàn)場(chǎng)PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信，現(xiàn)場(chǎng)PLC與煤粉秤系統(tǒng)通過(guò)模擬信號(hào)線連接。

圖1　煤粉秤現(xiàn)場(chǎng)層連接圖

煤粉秤系統(tǒng)由機(jī)械部分和電氣部分組成。機(jī)械部分傳感器測(cè)得流量信號(hào)，傳送至電氣部分的測(cè)控儀表，測(cè)控儀表計(jì)算流量反饋給中控室，并根據(jù)中控室給定的參考流量控制給料閥的進(jìn)料量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控煤粉流量的目的。中控室可以觀察反饋流量曲線了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，并通過(guò)參考流量值設(shè)置、啟停、開(kāi)閉環(huán)設(shè)置、復(fù)位等功能選項(xiàng)控制煤粉秤系統(tǒng)的運(yùn)行。調(diào)試人員在工作現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)控儀表的人機(jī)接口同樣也能監(jiān)控測(cè)控系統(tǒng)的工作情況，并且能修改儀表運(yùn)行參數(shù)以及對(duì)儀表標(biāo)定校零。整套系統(tǒng)框圖如圖2所示。文中主要是對(duì)煤粉秤中的測(cè)控儀表部分升級(jí)。

圖2　煤粉秤系統(tǒng)圖

2　原測(cè)控儀表的硬件結(jié)構(gòu)

如圖3所示，測(cè)控儀表由主控板、模擬板、數(shù)字板、光電開(kāi)關(guān)板以及底板組成。主控板的功能是對(duì)測(cè)控儀表采集到的各種信號(hào)進(jìn)行分析、處理，進(jìn)行控制算法的計(jì)算，通過(guò)RS-232串口完成人機(jī)交互等。數(shù)字板的功能是處理輸入的外圍電路閉合信號(hào)和輸出控制指示信號(hào)。模擬板的功能主要是電流的輸入和輸出。光電開(kāi)關(guān)板主要是產(chǎn)生脈沖信號(hào)并進(jìn)行整形、濾波，然后作為測(cè)量信號(hào)輸入到數(shù)字板中。數(shù)字板、模擬板、主控板之間通過(guò)底板進(jìn)行電路連接，光電開(kāi)關(guān)板與數(shù)字板之間通過(guò)多芯屏蔽雙絞線連接。

圖3　測(cè)控儀表硬件系統(tǒng)

3　原測(cè)控儀表的不足

目前，煤粉秤系統(tǒng)在生產(chǎn)線上運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足對(duì)煤粉的測(cè)控要求，但是仍然存在一些不足。

3．1測(cè)控儀表與現(xiàn)場(chǎng)PLC通信不可靠

煤粉秤與中控室的信息交換均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC，流量信號(hào)通過(guò)4～20 mA電流信號(hào)傳送，啟停信號(hào)、故障信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、備妥信號(hào)等通過(guò)電壓信號(hào)傳送。10余種狀態(tài)信息，共需要30根左右的物理連線，使得現(xiàn)場(chǎng)布線難度和成本很高，維護(hù)困難，功能擴(kuò)展性差。且電流標(biāo)定程序復(fù)雜，電流信號(hào)在長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中容易受干擾，使得中控給出的參考流量和儀表實(shí)際收到的流量之間、儀表反饋的當(dāng)前流量和中控接收到的流量之間往往出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的偏差，影響系統(tǒng)了的測(cè)量和控制精度。由于現(xiàn)場(chǎng)的PLC與測(cè)控系統(tǒng)儀表單元距離較遠(yuǎn)，通常利用繼電器將24 V弱電信號(hào)轉(zhuǎn)成220 V電壓信號(hào)傳送，使得儀表外圍設(shè)備復(fù)雜，并且強(qiáng)電信號(hào)的通斷可能對(duì)儀表產(chǎn)生干擾，增加了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度。

目前中控室只能對(duì)儀表進(jìn)行流量設(shè)定、啟停、開(kāi)閉環(huán)設(shè)置等少量控制，無(wú)法對(duì)儀表運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。儀表運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整還必須由調(diào)試人員攜帶筆記本電腦前往煤粉秤現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，并且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境常常比較惡劣，會(huì)對(duì)調(diào)試人員的身體健康產(chǎn)生影響。

3．2測(cè)量信號(hào)傳輸距離受限制

光電開(kāi)關(guān)板產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)是測(cè)控系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到系統(tǒng)的測(cè)控精度。測(cè)量信號(hào)是脈沖信號(hào)，屬于電壓波形信號(hào)，傳輸能力和抗干擾能力不強(qiáng)。雖然光電開(kāi)關(guān)板與測(cè)控儀表之間通過(guò)屏蔽雙絞線連接，但是波形信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后仍將產(chǎn)生衰減，并且極易受外界干擾，要保證測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，測(cè)量信號(hào)傳輸至測(cè)控儀表的距離應(yīng)該越短越好。又由于光電開(kāi)關(guān)板必須安裝在機(jī)械系統(tǒng)的殼體上，所以測(cè)控儀表必須與機(jī)械系統(tǒng)近距離安放。機(jī)械系統(tǒng)工作環(huán)境污染大、粉塵多、噪音大、震動(dòng)強(qiáng)，安裝距離的限制給測(cè)控儀表的安裝、走線、以及使用保養(yǎng)帶來(lái)很大的不便。

4　測(cè)控儀表的改進(jìn)

針對(duì)煤粉秤系統(tǒng)測(cè)控儀表的不足，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線替代傳統(tǒng)4～20 mA模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳輸?shù)木薮髢?yōu)勢(shì)，同時(shí)使煤粉秤系統(tǒng)更好地融入到現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)中，文中提出了將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入到測(cè)控系統(tǒng)中。

4．1新測(cè)控儀表的硬件結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的測(cè)控儀表硬件系統(tǒng)如圖4所示，改動(dòng)部分見(jiàn)橢圓標(biāo)記。煤粉秤與現(xiàn)場(chǎng)PLC的通信改為PROFIBUS-DP總線方式，煤粉秤作為控制站從站掛接在PROFIBUS總線上。用總線方式替代模擬信號(hào)量的傳送，不僅可以極大地減少電纜的使用，簡(jiǎn)化通信結(jié)構(gòu)，還能提高通信的可靠性、智能性。現(xiàn)場(chǎng)PLC作為主站，測(cè)控儀表作為智能從站，主站擁有總線控制權(quán)，按主一從方式周期性地向窯頭、窯尾從站發(fā)送信息以及讀取從站輸出信息，此外還能提供非周期性通信。流量信息、啟停信號(hào)、故障信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、備妥信號(hào)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，通信頻率高，數(shù)據(jù)量較小，可以借助PROFIBUS-DP周期性數(shù)據(jù)交換功能實(shí)現(xiàn)。煤粉秤運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)通信頻率不高，數(shù)據(jù)量大，現(xiàn)場(chǎng)PLC可通過(guò)非循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能向從站寫(xiě)入這些數(shù)據(jù)。

圖4　改進(jìn)后的測(cè)控儀表硬件系統(tǒng)

將核心儀表的測(cè)量單元與控制單元相分離，以取代現(xiàn)有的將傳感器信號(hào)直接引入測(cè)控儀表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光電開(kāi)關(guān)板產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)先經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)CAN總線傳輸給測(cè)控儀表。由于CAN總線抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸后仍能保證極低的出錯(cuò)率[2]，這樣測(cè)量信號(hào)的傳輸就不受距離的限制，測(cè)控儀表就可以遠(yuǎn)離機(jī)械系統(tǒng)安裝，避免了惡劣環(huán)境的干擾。

4．2新測(cè)控儀表的實(shí)現(xiàn)方案

文中采用PROFIBUS-DP從站開(kāi)發(fā)芯片VPC3+C開(kāi)發(fā)智能從站。VPC3+C可以執(zhí)行PROFIBUS-DP的信息和地址識(shí)別，數(shù)據(jù)的安全傳輸和協(xié)議的處理，支持PROFIBUS-DPV1和PROFIBUS-DPV2擴(kuò)展[3]。VPC3+C通過(guò)它的4KB雙口RAM與微處理器交換數(shù)據(jù)，微處理器操作VPC3+C芯片就像操作它的外部RAM．該芯片集成有全部PROFIBUS-DP協(xié)議，可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)DP從站的通信處理，只需要用戶完成對(duì)VPC3+C芯片的初始化、啟動(dòng)、外部信號(hào)處理程序、從站數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收來(lái)自主站的數(shù)據(jù)以及診斷事務(wù)的處理，從而減輕了微處理器的通信負(fù)載。這種設(shè)計(jì)方式降低了設(shè)計(jì)難度，減小了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。同時(shí)使用符合PROFIBUS協(xié)議的RS-485接口芯片ADM2486作為高速隔離收發(fā)器，測(cè)控儀表PROFIBUS-DP部分設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　測(cè)控儀表PROFIBUS-DP部分設(shè)計(jì)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)CAN通信，需要同時(shí)對(duì)測(cè)量端和測(cè)控儀表端增加CAN收發(fā)模塊。

對(duì)于測(cè)控儀表端，處理器采用STM32F103系列ARM處理器，該系列處理器內(nèi)部集成了CAN控制器。CAN隔離收發(fā)器采用通用CAN隔離收發(fā)器CTM8251。該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，其主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能，增加了CAN總線的抗干擾能力。CAN收發(fā)器連接圖如圖6所示。

圖6　CAN收發(fā)器連接圖

對(duì)于測(cè)量端，增加一個(gè)處理器，完成對(duì)脈沖信號(hào)的處理和CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送。考慮到光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)直接進(jìn)入測(cè)量單元處理器，且脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸量大，所以采用數(shù)字信號(hào)處理器(簡(jiǎn)稱DSP)作為測(cè)量單元的核心處理器。TMS320LF系列DSP處理器，運(yùn)算速率高、片上資源豐富、最適合處理數(shù)字信號(hào)，所以采用該系列DSP直接計(jì)算光電開(kāi)關(guān)波形信號(hào)數(shù)據(jù)。且該處理器自帶CAN控制器，所以可以直接與CAN隔離收發(fā)器相連接，形成CAN總線電路。

5　結(jié)束語(yǔ)

科里奧利粉料流量測(cè)控系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線后，克服了模擬量通訊漂移和易受干擾的缺點(diǎn)，增加了通信的可靠性，增強(qiáng)了功能擴(kuò)展性，減少了電纜的使用，降低了布線成本。同時(shí)，煤粉秤系統(tǒng)作為從站，和其他控制從站一起掛接在DP總線上，提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，使整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)更加安全可靠；引入CAN總線后，保證了測(cè)量脈沖信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，提高了測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量精度，同時(shí)儀表的安裝位置不再受到測(cè)量脈沖信號(hào)傳輸距離的限制，使得測(cè)控儀表的安裝更加方便、靈活，能夠避免將儀表暴露在惡劣的工作環(huán)境中，提高了測(cè)控系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

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