現場總線在實踐教學中的應用

唐永紅 鄭金吾

摘 要:將現場總線引入實驗室,從教學及科研角度出發,以實際應用為目標選取被控對象,設計實驗裝置,擬訂控制方案,并根據現場總線控制系統(FCS)容量限制與要求對系統進行軟、硬件配置,且分析研究了系統功能及應用。系統為有關現場總線的教學、科研等提供了實驗平臺,具有很大的借鑒意義和應用價值。

關鍵詞:現場總線;基金會現場總線;實驗系統;實踐教學

中圖分類號:TP29

現場總線(Fieldbus)適應了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向,在控制領域中具有廣闊的應用前景。作為控制理論與控制工程專業學習的一個重要環節,過程控制實驗的重要性不言而喻,尤其應該學習使用新型的先進技術進行控制實驗。為此將現場總線技術引用到自動化類專業實踐教學中,開發現場總線實驗系統,為學習、研究現場總線及相關課程實踐教學提供良好的實驗平臺。

1 實驗系統總體設計

結合專業特點和實際教學需求,從教學及科研角度出發,以實際應用為目標,并適用對象控制方法調節效果的研究,模擬工業現場,可組合多種控制對象。被控對象選取在工業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。設計的實驗系統中控制回路包含企業生產現場常用的典型控制:單回路控制和串級控制。選用現場總線技術中具有代表性、權威性、頗具發展前景的基金會現場總線(Fundation Fieldbus,FF)來開發實驗系統,作為學習研究的對象。系統以FF現場總線為骨架、以工控機為核心、FF現場總線產品構建而成。所有現場儀表都是一個網絡節點掛接在總線上,拓撲結構是總線形式。實驗系統分為現場總線和現場實驗裝置兩部分。裝置結構示意圖如圖1所示。

實驗裝置主要構成: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;電加熱器和調壓模塊;電動閥和手動閥及其他相關配件。儲水箱上面設有金屬濾網,過濾雜物,以免堵塞管道。除加熱水箱采用不銹鋼外,其他水箱采用有機玻璃,透明、便于直接觀察液位的變化和記錄結果[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。系統現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。現場總線信號在全網絡中都被特殊保護,為減小干擾,現場總線電纜被屏蔽,且電纜的屏蔽沿著電纜的整個長度僅在一點接地。

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

2 系統軟、硬件配置

系統軟件主要由組態軟件SYSCON、監控軟件AIMAX、現場總線設備級維護軟件FBTools等組成。系統以AIMAX為系統開發應用平臺,通過接口驅動㏒YSCON,將現場總線控制系統(FCS)、現場總線儀表有機地連接成一個整體,完成控制系統的數據采集和監控。[JP]

[JP2]系統的現場儀表、現場總線過程控制接口卡(PCI)、其他現場總線控制系統的輔助設備等都選用在開發、生產及應用現場總線技術產品方面始終處于全方位領先地位的美國SMAR產品。SMAR現場智能儀表均內置有許多功能模塊,控制功能通過儀表內功能塊組態實現。在進行FCS硬件配置之前,先擬訂控制方案及需要測量指示的變量,以及系統中可以組成的控制回路。系統中需要測量指示的變量有:冷、熱水箱進水流量指示,各水箱溫度、液位指示。可以組成的控制回路有:

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水流量可分別組成溫度[CD*2]流量串級控制等。根據控制方案及FCS容量要求,進行FCS硬件配置:系統主要由一臺工控機,一塊PCI卡,4塊現場總線(FF)溫度變送器TT302、7塊現場總線(FF)差壓變送器LD302、4塊現場總線(FF)電流轉換器FI302,4個安全柵SB302、終端器BT302、電源PS302等有關的輔助設備組成。FCS硬件配置如圖2所示。

3 系統的特點

該實驗系統規模雖小,功能很全,具有較大的柔性,具有以下主要特點:

(1) 系統總線技術先進。系統總線是為適應自動化系統、特別是過程自動化系統在功能、環境與技術上的需要而專門設計、應用非常廣泛的FF現場總線。它能滿足對時間要求苛刻的使用環境,能適應本質安全防爆的要求,可通過傳輸數據的總線為現場設備供電[3]。

(2) 互操作性強。FF通信協議特有的用戶層中規定了標準功能模塊,實現基本控制功能。這些功能塊內裝在各種現場設備中,使各種現場設備之間很容易實現互操作,有利于系統的擴展[4]。而且它還可通過柔性功能塊對上述的標準功能模塊進行擴充,這個技術優勢可以說是很多總線技術欠缺的。

[JP2](3) 用戶有高度的系統集成主動權且組態方便靈活,即插即用[9]。可根據用戶實際應用情況,組態成不同規模不同形式的系統,方便進行工業企業中大多數典型工藝中自動化及過程控制任務的實驗模擬和方案驗證。[JP]

(4) 具有代表性。系統中的控制回路包含企業生產現場常用的典型控制,針對性強;測控變量在工業中具有一定代表性,實驗的實用價值高;產品選取FF智能儀表先鋒即SMAR儀表,具有代表性[5]。

(5) 過程控制系統豐富。利用實驗裝置和所裝備的控制設備,可提供眾多的從簡單到復雜、從常規到高等的過程控制系統實驗。

(6) 系統功能多樣,集教學、科研、培訓、交流于一體,節省費用。

4 系統應用

該實驗系統已用于本科生實驗教學、課程設計、畢業設計,研究生、教師從事現場總線技術應用研究,還用于與兄弟院校、科研機構和企業等進行現場總線技術的交流與培訓。根據系統特點,系統可為現場總線、過程控制、自動檢測技術及儀表、現場總線的研究及相關產品的開發等多門相關課程的實踐教學及科研服務。

(1) 現場總線。 依托該實驗系統更直觀地理解掌握現場總線的基本構成及通信特點,現場總線儀表構成、原理、功能及接線,FCS系統的組態原理及方法、下裝與在線調試;監控軟件的使用包括流程圖繪制、數據庫組態、報表、趨勢組、報警組的生成等。以此系統為借鑒學習開發工業FCS系統。為現場總線在理論研究中進行理論驗證、實驗研究和在線仿真、模擬現場生產過程等提供平臺。

(2) 過程控制。功能塊技術使系統的現場總線部分,具有較大的柔性,組態靈活,擴展性強。用戶通過對功能模塊進行靈活連接可實現多種控制策略[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,實現多種控制方式。不僅可以模擬和驗證工業現場中實際的自動化控制方案,進行控制算法研究和多種自動控制實驗;而且容易組態成不同規模、不同形式的系統,用于實現液位、壓力、流量、溫度等典型對象的簡單和復雜控制[10]。如液位[CD*2]液位串級控制系統,不須改變硬件連接,只需通過軟件組態即可改為液位、液位單回路控制或液位[CD*2]流量串級控制等。

(3) 自動檢測技術及儀表。實驗裝置的傳感器或變送器輸出的信號均送到現場總線的節點,可開設部分自動檢測實驗:

熱電偶、熱電阻性能測試實驗;傳感器動態性能測試實驗;壓力測量及校驗;數據采集技術的研究等。

(4) 網絡技術。FCS是以網絡為基礎的計算機系統。各種不同的設備掛接在網絡上協調工作,數據和信息共享,共同完成各種控制及管理功能。因此,可在該FCS 系統上開設一些簡單的網絡通信實驗。

(5) 現場總線技術研究及相關產品的開發。系統為學生畢業設計和課程設計、科技活動、現場總線應用研究與產品開發提供了良好平臺,對科研能力的培養起到重要作用。在系統上可模擬完成多種被控對象的計算機控制,通過在系統上的訓練,能夠較完整地掌握計算機控制系統的設計方法,并利用系統進行現場總線通信、現場總線設備、控制軟件、組態軟件和應用軟件的研究與測試,為開發自主的現場總線智能前端控制設備、檢測設備、調節設備等產品、先進的智能控制技術在現場總線控制系統中的應用研究等提供實驗平臺[7]。

5 應用示例

下面以系統中包含的典型控制中的串級控制為例,介紹如何使用現場總線實現回路的控制。

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;混合水箱的液位調節作主回路,熱水箱液位調節作副回路;回路的現場儀表有兩塊LD302、┮豢镕I302。LD302為液位測量及信號輸入,FI302將現場總線信號轉換成電流信號,送至調節閥￢[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。利用組態軟件SYSCON進行系統組態,主要包括設備組態、模塊組態、參數組態。這是形成應用系統的關鍵步驟,其重要內容是控制策略組態,而控制策略組態是通過對儀表內功能塊組態實現。該回路控制的功能塊連[LL]接如圖3所示。

組態完畢,通過PCI卡,按照設定的地址,下裝到掛接在通道上的現場總線儀表中,PCI作為“Master”,現場總線儀表便在“Master”的調度下實現網絡通信,進行數據采集和控制,且可通過對參數的在線調試,使系統控制達到最佳。通過系統應用示例看出,利用現場總線進行系統控制簡單、方便,不須改變硬件連接,只需通過軟件組態在不同節點間建立連接,使現場的實時數據在不同的功能塊間傳輸,即可組成各種控制應用。

6 結 語

將現場總線應用到實踐教學,不但能更好地學習掌握現場總線,而且有利于現場總線的應用研究和發展,有利于開發出自主的現場總線產品。該實驗系統不僅為有關現場總線的教學和科研等提供了很好的實驗平臺,也為開發工業現場總線控制系統提供了借鑒和實踐場所,具有很大的借鑒意義和應用價值。

參 考 文 獻

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[6]師新利,崔世鋼,胡山,等.基于現場總線的自動化控制實驗裝置設計[J].電氣應用,2008,27(8):14[CD*2]15.

[7]戚淑芬,李利潔,李明.基于基金會現場總線的測控實驗系統設計[J].測控技術,2006,25(4):58[CD*2]60.

[8]沈愛弟,林葉春,鄭華耀.現場總線控制系統實驗裝置的開發與應用[J].實驗室研究與探索,2005,24(9):23[CD*2]26.

[9]李萍.FF現場總線的特點和在工程中的應用[J].化工設計,2008,18(5):34[CD*2]36.

[10]王進,王國萍.現場總線技術及其系統的應用[J].商業文化:學術版,2008(7):181,218.

作者簡介

唐永紅 女,1971年出生,四川武勝人,碩士研究生,高級實驗師。研究方向為計算機測控技術。

鄭金吾 男,1959年出生,教授。主要研究方向為計算機測控技術、現場總線應用研究。