基于Profibus-DP現場總線的多功能色譜分離裝置控制系統設計

戴 暢，李 凌

(沈陽化工大學 信息工程學院，沈陽 110142)

0 引言

現場總線是一種新型的工業數據總線應用形式，可用來解決高級控制系統與現場控制設備之間的信息傳遞問題，包含執行機構、控制器、智能化儀器儀表等多項物理元件組成[1]。與現場總線系統相關的控制設備具有較強的獨立通信功能，可在開放性使用元件的支持下，實現功能結構體之間的信息交換處理。當系統主機被下放至設備應用現場之后，各級控制結構可在保持獨立工作能力的基礎上，將元件結構體分散至底層主機單元網絡之中[2]。與其它類型自控設備相比，現場總線可直接步入信息網絡之中，并為其開拓更為廣闊的數據存儲空間，在不考慮信息覆蓋行為的情況下，一對雙絞線可同時對接多個控制型設備元件，在提高系統元件應用能力的同時，實現了對客戶端主動權的靈活化集成。

色譜分離也叫色層分離或層析分離，是分離復雜混合物中各類組成成分的有效方法。流動相、固定相組成的體系中，不同物質具有不同的分配系數，當兩種相成分產生相對運動趨勢時，所有物質都會進入聯動運動狀態，且在多次反復分配行為后，各物質都會進入獨立靜止狀態，從而實現最初的成分分離目的[3]。改進進料模式SMB色譜控制系統通過四區模擬的方式，確定色譜分離所需的培育操作條件，再借助區域流量控制原理，實現對進料行為的精準控制。但此系統的純化分離速度水平相對較低，很難達到理想化數值標準。為解決此問題，設計基于Profibus-DP現場總線的多功能色譜分離裝置控制系統，在STM32F103微處理器、模擬移動床控制回路等多個硬件設備元件的支持下，建立標準的梯度SMB色譜，再通過異步切換的處理方式，實現對變濃度進料行為的精準化控制。

1 Profibus-DP現場總線硬件電路設計

Profibus-DP現場總線硬件電路由微處理器、協議芯片、接口電路、模擬移動床控制回路等多個模塊共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 STM32F103微處理器

Profibus-DP作為實現系統高速運轉的總線執行元件，在多功能色譜分離裝置保持精準控制能力的情況下，其最高波特率數值可達12 MHz，且所有待選芯片都可與協議控制器直接相連[4]。選用的芯片以STM32F103微處理器作為核心連接設備，主要具備如下幾方面應用特點：

1)STM32F103微處理器連接組織中包含一個TMS390元件，外部環面由112個通用I/O口組成，且所有接口元件都能維持初始時的中斷狀態，一般情況下，一個接口設備只能獨立承受一種類型的SV型色譜輸入信號。

2)與STM32F103元件相連的外部中斷設備可同時支配19個與多功能色譜分離裝置相關的邊沿檢測器，且能夠在執行控制指令的同時，生成與Profibus-DP現場總線元件相關的事件或中斷請求[5]。

3)色譜微感芯片具備較強的定時處理能力，在Profibus-DP現場總線的作用下，2個16位6通道高級控制器、4個16位定時器可同時呈現分離控制狀態，直至將系統DAC分離功能完全啟動。

4)閃存程序存在于TMS390轉換器與STM32F103元件之間，最高可同時承受長達512 K字節的多功能色譜傳輸信息。

5)STM32F103微處理器可負載Profibus-DP協議芯片的連接請求，在最少5個USART型接口的配合下，能夠將多功能色譜分離控制指令轉換為標準化輸出形式。

6)色譜微感芯片具備3種連接狀態，可分別與不同形式的系統數模轉換器保持對應控制關系。

7)整個STM32F103微處理器的最高工作頻率只能達到72 MHz。

1.2 Profibus-DP協議芯片

Profibus-DP協議芯片主要完成與STM32F103微處理器相關的色譜數據收集工作，可判斷系統現場總線與從站模塊之間的實際連接關系，再根據最終判別結果，將待收集色譜數據存入相應的系統緩存區域之中，再以中斷表單的形式通知下級電路元件，實現系統控制主站與模擬移動床控制回路間的信息互通。Profibus-DP協議主板能夠記錄芯片接觸器的當前連接狀態，只能夠保持被讀接入狀態，在電阻R阻值等于三個電阻R1阻值之和時，旋調按鈕會出現兩級反轉的運動形式，當FP6606AC元件的輸入行為不再發生改變時，該芯片可直接接入STM32F103微處理器的執行模式之中，從而約束Profibus-DP現場總線對于多功能色譜分離裝置的實際控制能力[6-7]。FP6606AC元件可自動識別波段處于9.6 K～12 Mbps之間的多功能色譜輸入射線，當系統報文傳輸時間超過理想化限度標準時，Profibus-DP協議芯片會自動切換回波特率監測狀態，出于實用性考慮，每個芯片都至少具有色譜波長監測、色譜波率控制、色譜波相分析三類實踐應用功能。

1.3 VPC3與RS-485接口電路

VPC3與RS-485接口電路始終保持差動半雙工通信形式，可在MAX232元件的作用下，實現由高壓多功能色譜信號到低壓多功能色譜信號的轉化，在此過程中VCC接口與GND接口并存，可對色譜分離裝置中的輸入射線進行精準化控制[8]。VPC3與RS-485接口電路如圖1所示。

圖1 VPC3與RS-485接口電路圖

MAX232元件可作為Profibus-DP現場總線主站與控制系統從站之間的連接橋梁，且隨著已輸入多功能色譜射線總量的增大，該設備結構體的連接促傳能力也會逐漸增強，直至將所有電子應用量完全轉化成傳輸電流的形式[9]。VPC3元件、RS-485元件同時負載于接口電路的左右兩端，前者與MAX232設備的T2OUT、R1IN輸出導線相連，可承接Profibus-DP協議芯片中的多功能色譜射線，并將其轉化成GND接口端可直接應用的信息輸出形式；后者與MAX232設備的T2IN、R1OUT輸出導線相連，可在VCC接口組織的作用下，改變多功能色譜射線的現有傳輸形式，再借助相關應用信道，將這些數據型信號反饋至MAX232元件結構體之中。

1.4 從站地址電路設定模塊

在Profibus-DP現場總線環境中，主站控制主機可將從站主機中的多功能色譜射線調度成統一的傳輸形式，再聯合VPC3與RS-485接口電路周圍的所有分離適應節點，確定待設電路地址的實際連接數值。主站總線撥碼開關與接口電路的VCC端相連，可在從站系統一側建立與地址設定主機的物理連接，再借助16個保持并列關系的信道輸出組織，實現由多功能色譜射線到分離型光譜線路的轉化。從站地址電路設定模塊結構如圖2所示。

圖2 從站地址電路設定模塊結構圖

主站撥碼開關不僅能夠與從站系統建立通信關系，還能與多個地址設定主機進行通信[10-11]。主站與從站設備之間的連接關系受到8條S級射線輸入信道的直接影響，在待設地址不重復出現的情況下，Profibus-DP現場總線所顯示出的位置信息能夠直接代表現有開關撥碼數據，且隨著多功能色譜分離裝置控制時間的延長，2類主站的現有撥碼形式也會發生改變，而在從站地址電路設定模塊的電流配比量達到穩定后，總線撥碼開關的接入行為也將逐漸達到巔峰控制量狀態。

1.5 模擬移動床控制回路

在Profibus-DP現場總線環境中，模擬移動床控制回路可實現對多功能色譜分離裝置閥門的自動控制，且整個執行過程完全采用了電磁閥驅動氣動閥的控制方式。模擬移動床控制回路如圖3所示。

圖3 模擬移動床控制回路示意圖

用工控機控制智能儀表及色譜分離變頻器，再用控制電機來驅動分離泵，這種連接方式可充分發揮色譜分離變頻器編程方法多樣、配置靈活、通訊功能強大、指令豐富的操作特點[12]。流量計的一端通入高壓驅動氣體后，位于另一端的輸出泵與氣動閥相連，因此只要控制了色譜分離變頻器的開關即可實現對智能儀表的管控，從而實現了對多功能色譜分離行為的自動控制。為保證控制電機準確無誤的開啟與斷開，還可將分離泵的開關作為反饋控制信號輸入節點，直接送到變頻器輸入端口，因而在工控機中就可直接判斷模擬移動床控制回路的實際應用能力[13]。流量控制是模擬移動床控制回路中最重要的一環，與色譜射線、切換時間和分離溫度一樣，是實現分離裝置控制不可缺少的條件，它決定著移動床設備的分離純度、控制效率等條件。

2 多功能色譜分離裝置控制系統軟件設計

在Profibus-DP現場總線硬件電路的支持下，分離處理模擬移動床多功能色譜，結合多功能色譜分離裝置的控制原理，實現多功能色譜分離裝置控制系統軟件設計。

2.1 模擬移動床多功能色譜分離

按照梯度SMB色譜建立、異步切換、變濃度進料控制的執行流程，實現對模擬移動床多功能色譜的分離處理。

2.1.1 梯度SMB色譜

梯度SMB色譜分區原理如圖4所示。

圖4 梯度SMB色譜分區原理

根據梯度SMB色譜的分區原理可知，如果使多功能色譜射線在由0至A至B至A+B的物理空間內，始終保持能量依次遞減的傳輸關系，則各分離節點處的控制指令則更能被相關控制裝置消化，從而提升多功能色譜射線的實際轉碼速率。一般情況下，0節點處累積的多功能色譜射線數量級水平最低，A+B節點處累積的多功能色譜射線數量級水平最高，由于梯度傳輸作用的存在，射線信號在由A至B的物理空間內，只能保持能量不斷遞減的傳輸關系[14-15]。色譜的變化對Profibus-DP現場總線執行能力產生顯著影響，相較于梯度處理政策，在多功能應用環境下，待分離射線的傳輸效果有明顯的提高。色譜的梯度可以通過在色譜柱上附加一個分離裝置的方法來實現，各個物理分區也都可以從不同方向上為射線轉碼行為提供SMB型梯度曲線。

2.1.2 異步切換

梯度SMB色譜的4個區中柱所處位置在一個控制周期內，始終保持周期性變化趨勢。從現場總線周期平均值角度來看，異步切換工藝比起傳統梯度SMB色譜，其每個區間內中柱體的數量并不完全固定，而且每個物理分區中的平均柱數值水平可以小于自然數1[16]。隨著異步切換原理的應用，原有色譜柱分布形式得到優化，這不僅意味著新型分離裝置控制系統的應用能力得到了提升，也降低了色譜射線分離所需的處理成本，且各區間中固定裝置結構體的利用率也得到提高。

2.1.3 變濃度進料

變濃度進料操作模式是基于梯度SMB色譜異步切換行為提出的。在Profibus-DP現場總線作用下，多功能色譜射線的遷移速度與物料濃度直接相關，因此調節物料的進入速度能夠影響控制系統內的色譜帶遷移行為，從而達到約束分離裝置應用狀態的目的[17]。以模擬移動床控制回路為例，若將進料時間控制在切換周期的前期低濃度階段，則位于A、B色譜分區內的射線濃度會出現明顯的下降；若將進料時間控制在切換周期的后期高濃度階段，則位于A、B色譜分區內的射線濃度會出現明顯的上升。在后半段增大實際進料的濃度水平，有利于增加射線強度較弱區域的色譜帶遷移速率，但若譜帶前沿位置距離進料點過遠，則對最終進料的真實數值水平影響不大[18]。若考慮多功能色譜分離溶解度的限制作用，溶質濃度的大小直接決定系統非線性控制操作的行為能力，但單純的異步切換操作并不能完全提高SMB色譜的實際分離效率。

2.2 多功能色譜分離裝置的控制原理

聯合模擬移動床多功能色譜分離原理，在分析氣相色譜法、基質效應法則的同時，完成對多功能色譜分離裝置控制作用效應的研究，實現基于Profibus-DP現場總線多功能色譜分離裝置控制系統的順利應用。

2.2.1 氣相色譜法

氣相色譜法被廣泛應用于多功能色譜射線的定性與定量分析之中。在Profibus-DP現場總線作用環境下，所有系統控制裝置在投入使用之前，都需進行衍生化處理[19]。所謂衍生化是針對色譜射線樣品進行的復雜化處理，可在逆轉化色譜射線轉碼行為的同時，免除定量檢測對原始射入色譜射線的干擾影響，從而提升應用系統對于分離裝置的實際控制能力。

2.2.2 基質效應

基于Profibus-DP現場總線多功能色譜分離裝置控制系統的基質效應由單標定分離、多標定分離、全分離三種控制形式共同組成，基質效應作用原理如圖5所示。

圖5 基質效應作用原理

具體判別標準如下：

1)單標定分離:單標定分離基質效應不需要待分離色譜基液的配合，可在獨立滴定行為的作用下，將多功能色譜射線完全分離開來，但由于分離裝置間始終存在一定的物理縫隙，這種實踐方法對于已輸入射線的控制分離效果相對較差[20]。

2)多標定分離:多標定分離基質效應需要在待分離色譜基液的配合下才能進行，隨著分離原液的滴入，多功能色譜射線能夠得到分離處理，但由于基液瓶的下端出口相對較為狹窄，因此只有待分離色譜基液能夠進入下級分離裝置之中。

3)全分離:全分離基質效應也需要在待分離色譜基液的配合下才能進行，隨著分離原液的滴入，多功能色譜射線能夠得到分離處理，且基液瓶的下端出口相對較寬，待分離色譜基液、分離原液能夠同時進入下級分離裝置之中。

至此，完成各項軟、硬件執行環境的搭建，在Profibus-DP現場總線的作用下，完成新型多功能色譜分離裝置控制系統設計。

3 實驗分析

為驗證基于Profibus-DP現場總線多功能色譜分離裝置控制系統的設計應用價值，設計如下對比實驗。實驗應用設備如圖6所示。

圖6 實驗應用設備

將多功能色譜分離裝置放置于分離控制儀器之上，首先閉合實驗組射入控制開關，記錄此時控制顯示器中的數值指標曲線；再閉合對照組射入控制開關，記錄此時控制顯示器中的數值指標曲線；最后對比實驗組、對照組數值記錄結果，分析模擬移動床色譜純化分離速度的實際變化情況，其中實驗組主機搭載基于Profibus-DP現場總線的多功能色譜分離裝置控制系統，對照組主機搭載改進進料模式的SMB色譜控制系統。

按照圖7所示的多功能色譜分離原理對混合多功能色譜射線進行分離處理，考慮實驗公平性，已輸入射線的傳輸方向只能保持由右至左。

圖7 多功能色譜分離原理

已知CPS指標、VPS指標均能反映模擬移動床色譜的純化分離速度，其中CPS指標代表橫向純化系數，VPS指標代表豎向純化系數，在不考慮其它干擾的情況下，上述兩項指標的數值水平越大，模擬移動床色譜的純化分離速度也就越快，反之則越慢。

表1記錄了既定實驗時間內，實驗組、對照組CPS指標的實際變化情況。

表1 CPS指標對比表

分析表1可知，實驗組CPS指標在分離原點處的平均數值水平最高，在整個實驗過程中保持先上升、再穩定的變化狀態；在色譜頻率帶處的平均數值水平最低，且在整個實驗過程中始終保持不變。對照組CPS指標在射線輸入點處的平均數值水平最高，在整個實驗過程中保持先穩定、再下降的變化趨勢；在色譜頻率帶處的平均數值水平最低，且在整個實驗過程中始終保持不變。從最大值角度來看，實驗組分離原點處的CPS指標最大值達到79.7%，與對照組射線輸入點處的CPS指標最大值33.5%相比，上升了46.2%。

表2記錄了既定實驗時間內，實驗組、對照組VPS指標的實際變化情況。

表2 VPS指標對比表

分析表2可知，實驗組CPS指標在分離原點處的平均數值水平最高，在整個實驗過程中一直保持不斷下降的變化趨勢；在射線輸入點處的平均數值水平最低，且在整個實驗過程中始終保持不變。對照組CPS指標在射線輸入點處的平均數值水平最高，在整個實驗過程中始終保持不變；在分離原點處的平均數值水平最低，且在整個實驗過程中也始終保持不變。從最大值角度來看，實驗組CPS指標在分離原點處的最大值63.6%，與對照組CPS指標在射線輸入點處的最大值31.4%相比，上升了32.2%。

綜上可知，隨著基于Profibus-DP現場總線多功能色譜分離裝置控制系統的應用，CPS指標、VPS指標均出現明顯上升的變化趨勢，可從根本上解決模擬移動床色譜純化分離速度過慢的問題，實現對多功能色譜分離行為的精準化控制。

4 結束語

為精準化控制多功能色譜分離裝置，提高模擬移動床色譜純化分離速度，設計基于Profibus-DP現場總線的多功能色譜分離裝置控制系統。與改進進料模式的SMB色譜控制系統相比，基于Profibus-DP現場總線多功能色譜分離裝置控制系統在應用過程中的CPS指標、VPS指標實值水平更高，能夠有效解決移動床色譜純化分離速度過慢的問題，且在STM32F103微處理器、Profibus-DP協議芯片等多個硬件設備的作用下，色譜變濃度進料行為能夠得到精準控制，可避免不良基質效應對多功能色譜分離行為造成的影響。