無線通信技術在化工生產過程中的應用研究

翟維　強波

摘? ?要：化工生產過程中工業自動化控制已廣泛應用，無線通信技術的快速發展可實現儀表之間數據信號的無線傳輸。將無線傳輸模塊應用到化工生產的分布式控制系統中，實現化工無線分布式控制系統的設計，并應用于甘氨酸生產過程控制系統中，結果顯示：實時數據庫包括圖形顯示、數據報表、歷史報表和歷史數據庫數據，與通訊管理模塊互聯;通過無線分布式控制系統運用管理層協議實現所有連接設備之間的通信自由，化工無線分布式控制系統的運行和生產過程控制不受系統器件故障的影響。對精餾塔控制設備工藝流程中的部分開關量控制進行了模擬測試，達到了預期效果。

關鍵詞：化工生產;自動化控制;無線通信技術;分布式控制系統

中圖分類號：TN923? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Wireless Communication Technology

in Chemical Production Process

ZHAI Wei？覮，Qiang Bo

（College of Electronic Engineering，Xi'an Aeronautical University，Xi'an，Shaanxi 710077，China）

Abstract：Industrial automation control has been widely used in the chemical production process. The rapid development of wireless communication technology can realize the wireless transmission of data signals between instruments. In this paper，the wireless transmission module was applied to the distributed control system （DCS） of chemical production to realize the design of chemical wireless distributed control system and also applied to the glycine production process control system. Besides，some switch control in the process flow of the distillation tower control equipment was simulated and tested to achieve the expected results. The result shows that the real-time database includes graphic display，data report，historical report，and historical database data，which are interconnected with the communication management module;through the wireless DCS，the management protocol is used to realize the freedom of communication between all connected devices，and the operation and production process control of the chemical wireless DCS is not affected by the system device failure.

Key words：chemical production;automatic control;wireless communication technology;distributed control system

無線通信技術在化工生產過程中可實現化工生產過程的自動控制，包括無線局域網技術、藍牙技術、ZigBee技術和微功率短距離無線通信技術等[1]。化工生產過程中，無線通信技術的應用不僅實現控制裝置的數據上傳和下載、實時數據監測，還需建立實時數據庫的生成信息管理系統，進而構成一個完整的化工系統監控網絡體系[2]。

微電子技術和無線電通信技術的告訴發展共同推進了無線通信技術在工業生產過程的推廣[3]。在化工生產過程中，分布式控制系統可實現現代化的智能計算機自動控制系統，可實現多臺計算機同時控制，提升信息的處理能力，并且方便監管控制[4]。當前的化工生產過程對分布式控制系統的要求越來越苛刻，化工生產現場也需要分布式控制系統可適應各種非常規環境[5]。傳統的分布式控制系統通過有線傳輸完成數據采集，不僅鋪設困難、成本較高，后期維護造成大量的人力和財力浪費[6]。本文將無線傳輸模塊應用到化工生產的分布式控制系統中，實現化工無線分布式控制系統的設計與應用，增加系統實現的靈活性。

1? ?化工無線分布式控制通信協議和接口

1.1? ?通信協議研究

通信協議是通信雙方對數據傳輸格式、傳送的速度和步驟達成的一種協議[7]。當前，控制層協議中應用最多的是MODBUS RTU通信協議，該協議應用門檻較低，硬件成本性價比高[8]。ModBus作為工業設備之間通信標準協議在儀器儀表上應用更加普遍，在ISO/OSI模型中應用層表示ModBus協議，數據鏈路層表示ModBus串行鏈路協議，表示層、會話層、傳輸層和網絡層均為空。ModBus串行鏈路協議遵循主機查詢和從機響應原則，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。管理層協議創建了應用程序與實際控制過程的紐帶，使所有的連接設備之間實現通信自由，形成一個整體[9]。

1.2? ?通信協議物理接口

通信協議的物理接口包括串行口通信、以太網通信和無線通信。串口通信是按位進行數據傳輸的，應用廣泛，波特率、數據位、停止位和奇偶校驗是衡量串口通信最重要的參數。以太網是局域網應用中常用的通信協議標準，連接ISO/OSI的物理層，高層協議可以是TCP/IP協議。以太網協議采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術，通過監聽網絡上是否有信號傳輸進行數據傳輸，在傳輸過程中將持續監聽網絡，若出現沖突將釋放網絡[10]。無線通信是借助無線電波作為數據傳輸的媒體，所需的系統功率較小、通信距離最大、通信頻率最小，且模塊成本最低。無線通信技術擺脫了傳統通信技術的不足，可大大提高化工工業的生產效率。

2? ?化工無線分布式控制系統設計

2.1? ?化工無線分布式控制系統軟硬件設計

無線主控模塊是無線分布式控制系統的主模塊，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，更好地適應工業控制和工廠自動化。系統的硬件設計要確保實現主控卡的正常運行，軟件的設計實現主控卡上數據交換。圖1為以太網的軟件初始化流程，介質訪問控制模塊上位和引腳配置，復位所有內部模塊，將介質訪問控制模塊的控制寄存器初始化，若復位完成，則配置全/半雙工模式、100/10Mbps模式和介質訪問控制地址寄存器。在整個組網的配置過程中要注重信道配置、接口方式和校驗方式的選擇。

圖1? ?以太網軟件初始化流程

2.2? ?化工無線分布式控制系統軟件應用

uC/OS-Ⅱ是一個完整的嵌入式操作系統，可實現軟件應用中的任務調度、控制和協調并發。uC/OS-Ⅱ的文件結構分為軟件和硬件兩個模塊，大致分為核心部分、任務處理、時間處理、任務同步與通信等四部分，是以源代碼形式提供的實時操作系統內核，調度方式包括任務級和中斷級任務調度兩種。在uC/OS-Ⅱ的任務狀態中包括等待狀態任務、睡眠態任務、就緒態任務、運行態任務和中斷服務態任務五種。

3? ?化工無線分布式控制系統應用研究

3.1? ?化工無線分布式控制系統安全性能分析

化工生產過程中，化工無線分布式控制系統的應用已逐漸取代獨立的控制系統和儀器儀表，且無線分布式控制系統主要應用于復雜程度和自動化程度高的化工設備中。化工無線分布式控制系統要保證系統無故障運行時間越長越好，且系統的運行和生產過程控制不受系統器件故障的影響。圖2為典型的分布式控制系統體系結構，操作員站、工程師站、服務器站和現場控制站與現場的變送器、執行器和傳感器連接，可更快地實現數據的傳輸。圖3為實時數據庫事務調度，實時數據庫包括圖形顯示、數據報表、歷史報表和歷史數據庫數據，與通訊管理模塊互聯。電子元器件的安全可靠度直接影響分布式控制系統整體的安全性，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為系統失效數，T為系統數與運行時間的乘積。經過大量理論和實踐分析，可以發現失效率與時間呈“浴盆”狀曲線，如圖4所示，其曲線分為初始失效期、隨機失效期和損耗失效期。

圖2? ?典型的分布式控制系統體系結構

圖3? ?實時數據庫事務調度

Time

圖4? ?“浴盆”狀曲線

3.2? ?化工無線分布式控制系統應用測試

化工無線分布式控制系統主要應用在無線通訊模塊的調試，為了更貼合真實的化工生產，將調試過程選在多電磁干擾且復雜多變的環境狀態。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、線路狀態和輔助功能窗口，包含接收區和發送區兩個窗口，無線主控卡模塊位于主機的位置，通過上位機連接主控卡模塊與串口助手一起發送和接收數據。圖6為主控模塊的現場電氣連接圖，實驗設計通過連接化工無線分布式控制系統的串口助手實現對整個系統的監控作用。實驗室調試完畢后安裝在甘氨酸生產過程控制系統中進行化工現場模擬測試，主要針對精餾塔控制設備工藝流程中的部分開關量控制進行了模擬測試，達到了預期效果。

圖5? ?無線模塊通訊測試圖

圖6? ?主控模塊的現場電氣連接圖

4? ?結 論

將無線傳輸模塊應用到化工生產的分布式控制系統中，實現化工無線分布式控制系統的設計與應用，結論如下：

（1）無線通信技術擺脫了傳統通信技術的不足，可大大提高化工工業的生產效率，無線通信所需的系統功率較小、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要保證系統無故障運行時間越長越好，且系統的運行和生產過程控制不受系統器件故障的影響。

（3）化工無線分布式控制系統要保證系統無故障運行時間越長越好，且系統的運行和生產過程控制不受系統器件故障的影響，將化工無線分布式控制系統應用于甘氨酸生產過程控制系統中，可實現全過程控制，達到預期目標。

參考文獻

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