现场总线在科里奥利粉料流量测控系统的应用

贾路尧，满庆丰，耿春明，储　成，刘　亚

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京　100191)

0　引言

在工业自动化领域当中，粉料流量的测量和控制是一个很重要的内容。粉料因为其本身可流动性差、物理结构松散、流动过程中流量随时变化、密度不均匀、形态多种多样等特点，成为流量实时测量与控制的难点。基于科里奥利力的粉料质量流量计(简称科氏流量计)因其测量精度高、可靠性好、系统密闭性好等优点而得到较为广泛的认可。目前，国内研发并能投入使用的产品很少，诸多厂家都是直接引进德国SCHENCK公司的成套设备。冀东发展集团有限责任公司装备研发中心和北京航空航天大学机械工程及自动化学院合作研发的“科里奥利粉料流量测控系统”(下文简称煤粉秤系统)已经应用于新型干法水泥生产线上，产生了积极的经济效益。文中在深入研究现有测控系统的生产线使用情况的基础上，结合现场总线技术的优势，将PROFIBUS-DP总线和CAN总线运用到测控系统，不仅提高了通讯的可靠性和智能性，同时也提高了系统的测量和控制精度。

1　煤粉秤系统总体介绍

在目前新型干法水泥生产线上，都采用了工业控制网络，其网络结构基本上是由工业以太网及各种现场总线构成。典型的结构是以工业PC机为上位机，PLC为下位机主控制器，通过PROFIBUS与现场控制设备相连，上位机采用TCP/IP协议，现场层采用PROFIBUS-DP主/从协议，采用STEP7编程组态软件和WINCC过程监控软件进行软件开发[1]。目前，煤粉秤系统工作现场层的组成结构如图1所示，中央控制室(下文简称中控室)采用工控机监控整个生产线，中控室与煤粉秤系统的信息交换均通过现场 PLC完成：中控室与现场PLC通过工业以太网通信，现场PLC与煤粉秤系统通过模拟信号线连接。

图1　煤粉秤现场层连接图

煤粉秤系统由机械部分和电气部分组成。机械部分传感器测得流量信号，传送至电气部分的测控仪表，测控仪表计算流量反馈给中控室，并根据中控室给定的参考流量控制给料阀的进料量，从而达到实时监控煤粉流量的目的。中控室可以观察反馈流量曲线了解系统运行情况，并通过参考流量值设置、启停、开闭环设置、复位等功能选项控制煤粉秤系统的运行。调试人员在工作现场通过测控仪表的人机接口同样也能监控测控系统的工作情况，并且能修改仪表运行参数以及对仪表标定校零。整套系统框图如图2所示。文中主要是对煤粉秤中的测控仪表部分升级。

图2　煤粉秤系统图

2　原测控仪表的硬件结构

如图3所示，测控仪表由主控板、模拟板、数字板、光电开关板以及底板组成。主控板的功能是对测控仪表采集到的各种信号进行分析、处理，进行控制算法的计算，通过RS-232串口完成人机交互等。数字板的功能是处理输入的外围电路闭合信号和输出控制指示信号。模拟板的功能主要是电流的输入和输出。光电开关板主要是产生脉冲信号并进行整形、滤波，然后作为测量信号输入到数字板中。数字板、模拟板、主控板之间通过底板进行电路连接，光电开关板与数字板之间通过多芯屏蔽双绞线连接。

图3　测控仪表硬件系统

3　原测控仪表的不足

目前，煤粉秤系统在生产线上运行稳定，能满足对煤粉的测控要求，但是仍然存在一些不足。

3．1测控仪表与现场PLC通信不可靠

煤粉秤与中控室的信息交换均通过现场PLC，流量信号通过4～20 mA电流信号传送，启停信号、故障信号、运行信号、备妥信号等通过电压信号传送。10余种状态信息，共需要30根左右的物理连线，使得现场布线难度和成本很高，维护困难，功能扩展性差。且电流标定程序复杂，电流信号在长距离传送过程中容易受干扰，使得中控给出的参考流量和仪表实际收到的流量之间、仪表反馈的当前流量和中控接收到的流量之间往往出现无规律的偏差，影响系统了的测量和控制精度。由于现场的PLC与测控系统仪表单元距离较远，通常利用继电器将24 V弱电信号转成220 V电压信号传送，使得仪表外围设备复杂，并且强电信号的通断可能对仪表产生干扰，增加了现场调试的难度。

目前中控室只能对仪表进行流量设定、启停、开闭环设置等少量控制，无法对仪表运行参数进行设置。仪表运行参数的调整还必须由调试人员携带笔记本电脑前往煤粉秤现场进行操作，并且现场环境常常比较恶劣，会对调试人员的身体健康产生影响。

3．2测量信号传输距离受限制

光电开关板产生的测量信号是测控系统工作的基础，其准确性直接关系到系统的测控精度。测量信号是脉冲信号，属于电压波形信号，传输能力和抗干扰能力不强。虽然光电开关板与测控仪表之间通过屏蔽双绞线连接，但是波形信号经过长距离传输后仍将产生衰减，并且极易受外界干扰，要保证测量信号的准确性，测量信号传输至测控仪表的距离应该越短越好。又由于光电开关板必须安装在机械系统的壳体上，所以测控仪表必须与机械系统近距离安放。机械系统工作环境污染大、粉尘多、噪音大、震动强，安装距离的限制给测控仪表的安装、走线、以及使用保养带来很大的不便。

4　测控仪表的改进

针对煤粉秤系统测控仪表的不足，结合现场总线替代传统4～20 mA模拟信号及普通开关量信号传输的巨大优势，同时使煤粉秤系统更好地融入到现有的控制网络中，文中提出了将现场总线技术引入到测控系统中。

4．1新测控仪表的硬件结构

改进后的测控仪表硬件系统如图4所示，改动部分见椭圆标记。煤粉秤与现场PLC的通信改为PROFIBUS-DP总线方式，煤粉秤作为控制站从站挂接在PROFIBUS总线上。用总线方式替代模拟信号量的传送，不仅可以极大地减少电缆的使用，简化通信结构，还能提高通信的可靠性、智能性。现场PLC作为主站，测控仪表作为智能从站，主站拥有总线控制权，按主一从方式周期性地向窑头、窑尾从站发送信息以及读取从站输出信息，此外还能提供非周期性通信。流量信息、启停信号、故障信号、运行信号、备妥信号实时性较强，通信频率高，数据量较小，可以借助PROFIBUS-DP周期性数据交换功能实现。煤粉秤运行参数数据通信频率不高，数据量大，现场PLC可通过非循环数据交换功能向从站写入这些数据。

图4　改进后的测控仪表硬件系统

将核心仪表的测量单元与控制单元相分离，以取代现有的将传感器信号直接引入测控仪表的结构设计。光电开关板产生的测量信号先经过处理，转化为数字信号，再通过CAN总线传输给测控仪表。由于CAN总线抗干扰能力强，数据长距离传输后仍能保证极低的出错率[2]，这样测量信号的传输就不受距离的限制，测控仪表就可以远离机械系统安装，避免了恶劣环境的干扰。

4．2新测控仪表的实现方案

文中采用PROFIBUS-DP从站开发芯片VPC3+C开发智能从站。VPC3+C可以执行PROFIBUS-DP的信息和地址识别，数据的安全传输和协议的处理，支持PROFIBUS-DPV1和PROFIBUS-DPV2扩展[3]。VPC3+C通过它的4KB双口RAM与微处理器交换数据，微处理器操作VPC3+C芯片就像操作它的外部RAM．该芯片集成有全部PROFIBUS-DP协议，可以独立实现DP从站的通信处理，只需要用户完成对VPC3+C芯片的初始化、启动、外部信号处理程序、从站数据的发送、接收来自主站的数据以及诊断事务的处理，从而减轻了微处理器的通信负载。这种设计方式降低了设计难度，减小了产品的设计周期。同时使用符合PROFIBUS协议的RS-485接口芯片ADM2486作为高速隔离收发器，测控仪表PROFIBUS-DP部分设计如图5所示。

图5　测控仪表PROFIBUS-DP部分设计示意图

为了实现CAN通信，需要同时对测量端和测控仪表端增加CAN收发模块。

对于测控仪表端，处理器采用STM32F103系列ARM处理器，该系列处理器内部集成了CAN控制器。CAN隔离收发器采用通用CAN隔离收发器CTM8251。该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能，增加了CAN总线的抗干扰能力。CAN收发器连接图如图6所示。

图6　CAN收发器连接图

对于测量端，增加一个处理器，完成对脉冲信号的处理和CAN数据的发送。考虑到光电开关产生的电压脉冲信号直接进入测量单元处理器，且脉冲信号数据传输量大，所以采用数字信号处理器(简称DSP)作为测量单元的核心处理器。TMS320LF系列DSP处理器，运算速率高、片上资源丰富、最适合处理数字信号，所以采用该系列DSP直接计算光电开关波形信号数据。且该处理器自带CAN控制器，所以可以直接与CAN隔离收发器相连接，形成CAN总线电路。

5　结束语

科里奥利粉料流量测控系统采用PROFIBUS-DP总线后，克服了模拟量通讯漂移和易受干扰的缺点，增加了通信的可靠性，增强了功能扩展性，减少了电缆的使用，降低了布线成本。同时，煤粉秤系统作为从站，和其他控制从站一起挂接在DP总线上，提高了生产线自动化程度，使整个控制网络更加安全可靠；引入CAN总线后，保证了测量脉冲信号传输的准确性，提高了测控系统的测量精度，同时仪表的安装位置不再受到测量脉冲信号传输距离的限制，使得测控仪表的安装更加方便、灵活，能够避免将仪表暴露在恶劣的工作环境中，提高了测控系统工作的可靠性和安全性。

参考文献：

[1]时国平．基于现场总线的新型干法水泥回转窑控制系统研究与设计．工业控制计算机，2008，21(10)：27-28；87．

[2]夏继强，邢春香．现场总线工业控制网络术．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[3]Profichip GmbH．VPC3+ User Manual Revision1．03，2004．