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多频电子除垢器及其在油田注水系统应用研究

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电子 除垢 及其 油田 注水 系统 应用 研究
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第七届工业仪表与自动化学术会议 1 CÆ9L/Œê£)ØeÅ"dÏ¥‹¨ 涂 煊 蒋 晔 石明根 (上海工业自动化仪表研究所, 上海 200233) 摘 要: 着重阐述了城市污水处理控制系统中几种常用的现场总线技术,分析了任何一种现场总线均不能覆盖所有应用面现状。提出了在多总线技术并存的情况下,实现数据交换的两种方案。经几家污水处理厂的实际运行表明,多现场总线技术的引入,提高了系统的灵活性、可靠性和综合自动化水平。 关键词: 现场总线 数据 交换 中图分类号: 文献标识码:A of in of of to of of of in it is of 0 引言 在城市污水处理控制系统中,一般由于厂区较大、测控点较为分散,因而近几年来在污水处理厂控制系统中大量采用现场总线技术,而且系统中往往还有大量带不同总线接口的设备单体或设备系统并存现象。本文以广东南海某污水处理厂工程为背景,来对于污水处理厂中比较常用的几种现场总线技术作出一些概述,并以工程实例来描述几种总线并存的系统中如何实现数据交换。 1 污水处理控制系统中常用现场总线概述 目前国际上有 40 多种现场总线,但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面,按其传输数据的大小可分为 3 类:传感器总线(,属于位传输;设备总线(属于字节传输;现场总线,属于数据流传输。目前应用比较多的有基金会现场总线 污水处理系统系统中由于控制系统特点以及历年来对控制器品牌的使用习惯,应用较多的现场总线协议有 几种。我们对以上总线的特点作出概述。 西门子公司 1987 年推出。据应用特点分为 于制造行业从站之间的通信; 于过程行业从站之间的通信; 于主站之间的通信。 议的结构定义是根据 际标准以开放系统互联网络 参考模型,结构如图 1 所示。 义了第一层、第二层(定义了第七层)和用户接口。 过 考模型的第二层实现,包括数据的可靠性以及传输协议和报文处理。 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。 在污水处理控制系统中,由于大量使用欧洲进口仪表来对液位、 参数进行检测,而欧洲大部分生产厂家都为它们生产的设备提供 P/口;对于污水处理过程中使用的一些大型设备,如鼓风机、污泥脱水机等也基本为进口产品,其自带控制系统也一般会带有 口,因而,一般污水处理控制系统中总会存在一些带 信协议是工业控制网络中用于对自控设备进行访问控制的主从通信协议,由 司开发,在工业中得到广泛的应用。 准定义了 型第 7 层上的应用层报文传输协议,它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/ 服务器通信,有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集 第七届工业仪表与自动化学术会议 2 中监控。目前,实现 信的方式主要有两种:①以太网上的 P;②各种介质(有线: 纤、无线等)上的异步串行传输。 息帧有两种传输模式: 输设备以将 息转为有起点和终点的帧,这就允许接收的设备在消息起始处开始工作,读地址分配信息,判断哪一个设备被选中(广播方式则传给所有设备),判知何时信息已完成。部分的消息也能侦测到并且错误能设置为返回结果。 信协议的改进版,其网络规范有许多不同的于 信协议的地方,其功能性能也得到了改进。介质的访问控制除了主从方式外,还允许采用令牌环的方式。高传输率可达 1 远大于 而它在工业控制中得到了广泛的应用。 在城市污水处理控制系统中,污水收集管道中的无人值守提升泵站,很多采用了 双机热备系统;在大型污水处理厂中也不少使用 控制系统, 制器均带有 口,其口可与其它设备或系统以 议通信, 口主要用于与自身远程站的通信。对于污水处理厂中,配电系统所使用的智能电量参数表、智能继电保护器,其通信接口很多采用 议来与控制系统连接通信,上传电量参数和断路器信息。 为 所规定的八家标准总线之一,在制造业、物流业的应用中有着非常独到之处,与其它总线技术相比,德国 司的 唯一采用环形结构的总线系统,因而也决定了 由中央设备的总线适配器控制板控制数据环的移动,它以全双工串行方式与上层计算机及底层的总线设备交换数据环中传输的数据。议覆盖物理层、数据链路层和应用层。用集总帧( 图2 所示的传输方法,传输效率高,采用 500 固定传输速率,相当于其它总线 5 倍以上的传输速度,能满足实际工况的要求。发生故障时能正确地告诉操作人员错误的类型、位置及解决的方法,诊断功能极强。 作为推出较早的总线, 议简单,帧结构独特,因而常应用于对响应速度要求比较高,传输字节少的场合。这样特性正符合污水处理系统中监控点较为分散,单个设备点通信数据量不大的特点,加上该总线通信速率固定(高达 500 其两个远程设备间距离长(400 m )等特点,污水处理行业中正开始逐步得到广泛的应用。 2 多现场总线网络互连的实现 以上介绍的几种总线,由于提出的厂家不同,因而协议之间差别很大,无论是在协议帧、传输介质以及传输速率规定上都有很大的差别。当一个污水处理厂的控制系统中存在这样的多个总线时,如何将不同的总线系统有机的连接起来,互联互通,实现数据共享是我们在实际应用中应解决的问题。 对于该问题的提出,我们可以采用不同的两种方案来解决:总线协议栈的方式和协议转换模块的方式。 线协议栈 总线协议栈是一个存放不同总线数据帧的数据区域,它根据时分方式将不同总线协议的信息分别存放于协议栈的不同位置。总线协议栈总是出现在主控制站中,并通过控制器提供的软件来实现的。底层的应用也可以根据需要,从协议栈中获得各自的总线服务。 因而在采用总线协议栈站的方式来进行不同总线间的数据通信时,其主站可与几条不同的总线同时进行通信,但通过应用软件编写的通信程序的响应时间应该满足最高总线的通信时间。在数据交换过程中,主控制站通过相应总线轮询每一个现场设备,根据其所属的总线类型,在应用软件中调用相应的接口程序;并在取得各类总线的数据的同时完成不同数据类型的格式的转换,然后以统一的数据格式存储于主站的总线协议栈中。 由于总线协议栈的方式是在总线控制系统的主站中,以编程的方式来完成主从站间不同总线间的数据交换的,所以它几乎可以兼容任何一种现场总线标准。但应用该方式需要工程人员要相当熟习主从站所涉及的现场总线协议,并要有较高的编程技巧,才能保证不同总线间的可靠、稳定的数据交换。 线协议转换模块方式 总线协议转换模块方式是利用在通信总线间将不同总线协议的从站增加总线协议转换模块,由该模块来完成协议间的帧格式转换功能和信号发送功能。这样不同总线协议的设备或系统可以很方便的介入统一的总线系统上来。 第七届工业仪表与自动化学术会议 3 在总线数据传送过程中,总线协议转换模块对现场设备的链路报文进行分析,转换成符合所用总线规范的链路层帧格式,然后按照总线物理介质访问协议驱动总线介质,发送报文。从所用总线上发送给现场设备的报文,总线协议转换模块也会根据总线链路层规范分析报文,并转换成现场设备所符合的规范的链路层帧格式,提交给相应的现场设备或系统。 总线协议转换模块方式以硬件的方式来完成不同总线间的数据交换。世界几大控制器制造商均有支持其它总线协议的转换模块:如 议模块, P 模块等;目前还有大量第三方总线协议转换模块产品,如国际上比较有名的 司生产的 列通信模块,它可以提供包括 P, P, 的协议间的自由转换。 3 多现场总线应用实例介绍 对于以上两种方案的提出,我们可根据下面广东南海某污水处理厂自控系统为背景来说明多总线系统兼容方式具体是如何实施的。首先我们看一下广东南海某污水处理厂自控系统的组态图,如图 3 所示。 该污水处理厂控制系统中有 种总线共存。主控制系统采用的是 司的 列控制系统,该控制系统使用的是 图 3 可以看出,该控制系统按不同区域划分,由三个就地主控制站组成,每个主控站的主控器(均通过自带的 口与各从站的 过 线来完成数据采集、控制命令的发布等功能;主控制器并通过自带以太网与上位监控系统通信。 在 1#、 2#变电站中,电量参数和断路状态是通过带信协议的 口的电量变送器和综合继电保护器来提供的。由于 列没有提供标准 议的接口模块,我们对其采用总线协议栈的方式来实现 议到 统的数据交换。我们利用 列中的串口模块( L 85/422),通过在 程软件中对该串口模块编制相应的读写函数,来读取遵循 议的电量数据后,放入符合 议的数据寄存器中,完成 制主站与 线协议的数据交换,获得变电站系统的电量参数和断路器状态信息。 本控制系统中,污泥脱水机控制站为国外成套提供, 并自带 7制系统,它预留有 于该分控制系统我们应用总线协议转换模块方式:选用 司提供 议转换模块( B 4 ,通过它完成了从 线的数据交换。该协议模块由于对通信字长进行了限制,每个通信周期只能交换 10 个字,因而,我们在软件中采用时分技术,将分时取得所需的数据放入主站预先设定的数据区中,再通过对信息汇总后再分流至其他需要数据的控制站中。 在以上三种总线协议并存的情况下,我们灵活使用不同的通信方式,从而达到了控制系统的要求,得到了较好的通信效果。 4 结束语 以上对于污水处理厂常用的总线技术以及多总线技术兼容的方式进行了讨论,应用结果表明,对不同的总线采用适合的手段,均能实现总线间的数据交换,但同时我们也看出,自成一体的总线标准使得不同系统间的可互操作性变差。我们期待,随着相关技术水平的飞速发展,一个统一标准的现场总线技术终将形成,这也是历史发展的必然趋势。 参考文献 1 阳宪惠. 工业数据通信与控制网络[M]. 北京:清华大学出版社, 2003. 2 范 铠. 现场总线的发展趋势[J] . 自动化仪表, 2000, (2). 3 陈东宇, 郑红华, 邓 凌. 场总线[J]. 电工技术杂志, 2001, (2). 4 何巧丽, 胡正国, 吴 健. 现场总线中多总线兼容技术[J]. 计算机应用, 2002, 22(7). 收稿日期:2006 第一作者涂煊,男, 1974 年生, 1997 年毕业于浙江大学化工系工业自动化专业,获学士学位;主要研究方向为无线短程数据传输网络和系统在工业环境下的开发与应用。
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