無線通信技術(shù)在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究報告

無線通信技術(shù)在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用研究

翟維強(qiáng)波摘

要：化工生產(chǎn)過程中工業(yè)自動化控制已廣泛應(yīng)用，無線通信技術(shù)的快速發(fā)展可實(shí)現(xiàn)儀表之間數(shù)據(jù)信號的無線傳輸。將無線傳輸模塊應(yīng)用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計，并應(yīng)用于甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，結(jié)果顯示：實(shí)時數(shù)據(jù)庫包括圖形顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史報表和歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，與通訊管理模塊互聯(lián);通過無線分布式控制系統(tǒng)運(yùn)用管理層協(xié)議實(shí)現(xiàn)所有連接設(shè)備之間的通信自由，化工無線分布式控制系統(tǒng)的運(yùn)行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。對精餾塔控制設(shè)備工藝流程中的部分開關(guān)量控制進(jìn)行了模擬測試，達(dá)到了預(yù)期效果。Key：化工生產(chǎn);自動化控制;無線通信技術(shù);分布式控制系統(tǒng)：TN923

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AApplicationofWirelessCommunicationTechnologyinChemicalProductionProcessZHAIWei？覮，QiangBo（CollegeofElectronicEngineering，Xi'anAeronauticalUniversity，Xi'an，Shaanxi710077，China）Abstract：Industrialautomationcontrolhasbeenwidelyusedinthechemicalproductionprocess.Therapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologycanrealizethewirelesstransmissionofdatasignalsbetweeninstruments.Inthispaper，thewirelesstransmissionmodulewasappliedtothedistributedcontrolsystem（DCS）ofchemicalproductiontorealizethedesignofchemicalwirelessdistributedcontrolsystemandalsoappliedtotheglycineproductionprocesscontrolsystem.Besides，someswitchcontrolintheprocessflowofthedistillationtowercontrolequipmentwassimulatedandtestedtoachievetheexpectedresults.Theresultshowsthatthereal-timedatabaseincludesgraphicdisplay，datareport，historicalreport，andhistoricaldatabasedata，whichareinterconnectedwiththecommunicationmanagementmodule;throughthewirelessDCS，themanagementprotocolisusedtorealizethefreedomofcommunicationbetweenallconnecteddevices，andtheoperationandproductionprocesscontrolofthechemicalwirelessDCSisnotaffectedbythesystemdevicefailure.Keywords：chemicalproduction;automaticcontrol;wirelesscommunicationtechnology;distributedcontrolsystem無線通信技術(shù)在化工生產(chǎn)過程中可實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自動控制，包括無線局域網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)和微功率短距離無線通信技術(shù)等[1]?；どa(chǎn)過程中，無線通信技術(shù)的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)控制裝置的數(shù)據(jù)上傳和下載、實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測，還需建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫的生成信息管理系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)成一個完整的化工系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系[2]。微電子技術(shù)和無線電通信技術(shù)的告訴發(fā)展共同推進(jìn)了無線通信技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程的推廣[3]。在化工生產(chǎn)過程中，分布式控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的智能計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多臺計算機(jī)同時控制，提升信息的處理能力，并且方便監(jiān)管控制[4]。當(dāng)前的化工生產(chǎn)過程對分布式控制系統(tǒng)的要求越來越苛刻，化工生產(chǎn)現(xiàn)場也需要分布式控制系統(tǒng)可適應(yīng)各種非常規(guī)環(huán)境[5]。傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)通過有線傳輸完成數(shù)據(jù)采集，不僅鋪設(shè)困難、成本較高，后期維護(hù)造成大量的人力和財力浪費(fèi)[6]。本文將無線傳輸模塊應(yīng)用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的靈活性。1

化工無線分布式控制通信協(xié)議和接口1.1

通信協(xié)議研究通信協(xié)議是通信雙方對數(shù)據(jù)傳輸格式、傳送的速度和步驟達(dá)成的一種協(xié)議[7]。當(dāng)前，控制層協(xié)議中應(yīng)用最多的是MODBUSRTU通信協(xié)議，該協(xié)議應(yīng)用門檻較低，硬件成本性價比高[8]。ModBus作為工業(yè)設(shè)備之間通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在儀器儀表上應(yīng)用更加普遍，在ISO/OSI模型中應(yīng)用層表示ModBus協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層表示ModBus串行鏈路協(xié)議，表示層、會話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均為空。ModBus串行鏈路協(xié)議遵循主機(jī)查詢和從機(jī)響應(yīng)原則，ModBus的功能代碼有公共功能代碼、用戶自定義功能代碼和保留的功能代碼三種類型。管理層協(xié)議創(chuàng)建了應(yīng)用程序與實(shí)際控制過程的紐帶，使所有的連接設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)通信自由，形成一個整體[9]。1.2

通信協(xié)議物理接口通信協(xié)議的物理接口包括串行口通信、以太網(wǎng)通信和無線通信。串口通信是按位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，?yīng)用廣泛，波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)是衡量串口通信最重要的參數(shù)。以太網(wǎng)是局域網(wǎng)應(yīng)用中常用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，連接ISO/OSI的物理層，高層協(xié)議可以是TCP/IP協(xié)議。以太網(wǎng)協(xié)議采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術(shù)，通過監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上是否有信號傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過程中將持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，若出現(xiàn)沖突將釋放網(wǎng)絡(luò)[10]。無線通信是借助無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w，所需的系統(tǒng)功率較小、通信距離最大、通信頻率最小，且模塊成本最低。無線通信技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)通信技術(shù)的不足，可大大提高化工工業(yè)的生產(chǎn)效率。2

化工無線分布式控制系統(tǒng)設(shè)計2.1

化工無線分布式控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計無線主控模塊是無線分布式控制系統(tǒng)的主模塊，通常采用DP83848物理層芯片，在物理層接口具有帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問功能，更好地適應(yīng)工業(yè)控制和工廠自動化。系統(tǒng)的硬件設(shè)計要確保實(shí)現(xiàn)主控卡的正常運(yùn)行，軟件的設(shè)計實(shí)現(xiàn)主控卡上數(shù)據(jù)交換。圖1為以太網(wǎng)的軟件初始化流程，介質(zhì)訪問控制模塊上位和引腳配置，復(fù)位所有內(nèi)部模塊，將介質(zhì)訪問控制模塊的控制寄存器初始化，若復(fù)位完成，則配置全/半雙工模式、100/10Mbps模式和介質(zhì)訪問控制地址寄存器。在整個組網(wǎng)的配置過程中要注重信道配置、接口方式和校驗(yàn)方式的選擇。圖1

以太網(wǎng)軟件初始化流程2.2

化工無線分布式控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用uC/OS-Ⅱ是一個完整的嵌入式操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用中的任務(wù)調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)并發(fā)。uC/OS-Ⅱ的文件結(jié)構(gòu)分為軟件和硬件兩個模塊，大致分為核心部分、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信等四部分，是以源代碼形式提供的實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，調(diào)度方式包括任務(wù)級和中斷級任務(wù)調(diào)度兩種。在uC/OS-Ⅱ的任務(wù)狀態(tài)中包括等待狀態(tài)任務(wù)、睡眠態(tài)任務(wù)、就緒態(tài)任務(wù)、運(yùn)行態(tài)任務(wù)和中斷服務(wù)態(tài)任務(wù)五種。3

化工無線分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用研究3.1

化工無線分布式控制系統(tǒng)安全性能分析化工生產(chǎn)過程中，化工無線分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用已逐漸取代獨(dú)立的控制系統(tǒng)和儀器儀表，且無線分布式控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于復(fù)雜程度和自動化程度高的化工設(shè)備中?；o線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運(yùn)行時間越長越好，且系統(tǒng)的運(yùn)行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。圖2為典型的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，操作員站、工程師站、服務(wù)器站和現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場的變送器、執(zhí)行器和傳感器連接，可更快地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。圖3為實(shí)時數(shù)據(jù)庫事務(wù)調(diào)度，實(shí)時數(shù)據(jù)庫包括圖形顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史報表和歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，與通訊管理模塊互聯(lián)。電子元器件的安全可靠度直接影響分布式控制系統(tǒng)整體的安全性，通過對電子元器件的失效率分析可評價整個系統(tǒng)的安全性能。失效率計算公式如式1所示：λ=■

（1）式中r為系統(tǒng)失效數(shù)，T為系統(tǒng)數(shù)與運(yùn)行時間的乘積。經(jīng)過大量理論和實(shí)踐分析，可以發(fā)現(xiàn)失效率與時間呈“浴盆”狀曲線，如圖4所示，其曲線分為初始失效期、隨機(jī)失效期和損耗失效期。圖2

典型的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖3

實(shí)時數(shù)據(jù)庫事務(wù)調(diào)度Time圖4

“浴盆”狀曲線3.2

化工無線分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用測試化工無線分布式控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在無線通訊模塊的調(diào)試，為了更貼合真實(shí)的化工生產(chǎn)，將調(diào)試過程選在多電磁干擾且復(fù)雜多變的環(huán)境狀態(tài)。圖5為無線模塊通訊測試圖，主模塊分為串口配置、線路控制、線路狀態(tài)和輔助功能窗口，包含接收區(qū)和發(fā)送區(qū)兩個窗口，無線主控卡模塊位于主機(jī)的位置，通過上位機(jī)連接主控卡模塊與串口助手一起發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。圖6為主控模塊的現(xiàn)場電氣連接圖，實(shí)驗(yàn)設(shè)計通過連接化工無線分布式控制系統(tǒng)的串口助手實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控作用。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試完畢后安裝在甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行化工現(xiàn)場模擬測試，主要針對精餾塔控制設(shè)備工藝流程中的部分開關(guān)量控制進(jìn)行了模擬測試，達(dá)到了預(yù)期效果。圖5

無線模塊通訊測試圖圖6

主控模塊的現(xiàn)場電氣連接圖4

結(jié)論將無線傳輸模塊應(yīng)用到化工生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)化工無線分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，結(jié)論如下：（1）無線通信技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)通信技術(shù)的不足，可大大提高化工工業(yè)的生產(chǎn)效率，無線通信所需的系統(tǒng)功率較小、通信距離最大、通信頻率最小，且模塊成本最低。（2）化工無線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運(yùn)行時間越長越好，且系統(tǒng)的運(yùn)行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響。（3）化工無線分布式控制系統(tǒng)要保證系統(tǒng)無故障運(yùn)行時間越長越好，且系統(tǒng)的運(yùn)行和生產(chǎn)過程控制不受系統(tǒng)器件故障的影響，將化工無線分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用于甘氨酸生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)全過程控制，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。Reference[1]

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