翟维　强波

摘   要：化工生产过程中工业自动化控制已广泛应用，无线通信技术的快速发展可实现仪表之间数据信号的无线传输。将无线传输模块应用到化工生产的分布式控制系统中，实现化工无线分布式控制系统的设计，并应用于甘氨酸生产过程控制系统中，结果显示：实时数据库包括图形显示、数据报表、历史报表和历史数据库数据，与通讯管理模块互联;通过无线分布式控制系统运用管理层协议实现所有连接设备之间的通信自由，化工无线分布式控制系统的运行和生产过程控制不受系统器件故障的影响。对精馏塔控制设备工艺流程中的部分开关量控制进行了模拟测试，达到了预期效果。

关键词：化工生产;自动化控制;无线通信技术;分布式控制系统

中图分类号：TN923                                              文獻标识码：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

无线通信技术在化工生产过程中可实现化工生产过程的自动控制，包括无线局域网技术、蓝牙技术、ZigBee技术和微功率短距离无线通信技术等[1]。化工生产过程中，无线通信技术的应用不仅实现控制装置的数据上传和下载、实时数据监测，还需建立实时数据库的生成信息管理系统，进而构成一个完整的化工系统监控网络体系[2]。

微电子技术和无线电通信技术的告诉发展共同推进了无线通信技术在工业生产过程的推广[3]。在化工生产过程中，分布式控制系统可实现现代化的智能计算机自动控制系统，可实现多台计算机同时控制，提升信息的处理能力，并且方便监管控制[4]。当前的化工生产过程对分布式控制系统的要求越来越苛刻，化工生产现场也需要分布式控制系统可适应各种非常规环境[5]。传统的分布式控制系统通过有线传输完成数据采集，不仅铺设困难、成本较高，后期维护造成大量的人力和财力浪费[6]。本文将无线传输模块应用到化工生产的分布式控制系统中，实现化工无线分布式控制系统的设计与应用，增加系统实现的灵活性。

1   化工无线分布式控制通信协议和接口

1.1   通信协议研究

通信协议是通信双方对数据传输格式、传送的速度和步骤达成的一种协议[7]。当前，控制层协议中应用最多的是MODBUS RTU通信协议，该协议应用门槛较低，硬件成本性价比高[8]。ModBus作为工业设备之间通信标准协议在仪器仪表上应用更加普遍，在ISO/OSI模型中应用层表示ModBus协议，数据链路层表示ModBus串行链路协议，表示层、会话层、传输层和网络层均为空。ModBus串行链路协议遵循主机查询和从机响应原则，ModBus的功能代码有公共功能代码、用户自定义功能代码和保留的功能代码三种类型。管理层协议创建了应用程序与实际控制过程的纽带，使所有的连接设备之间实现通信自由，形成一个整体[9]。

1.2   通信协议物理接口

通信协议的物理接口包括串行口通信、以太网通信和无线通信。串口通信是按位进行数据传输的，应用广泛，波特率、数据位、停止位和奇偶校验是衡量串口通信最重要的参数。以太网是局域网应用中常用的通信协议标准，连接ISO/OSI的物理层，高层协议可以是TCP/IP协议。以太网协议采用带冲突检测的载波侦听多路访问技术，通过监听网络上是否有信号传输进行数据传输，在传输过程中将持续监听网络，若出现冲突将释放网络[10]。无线通信是借助无线电波作为数据传输的媒体，所需的系统功率较小、通信距离最大、通信频率最小，且模块成本最低。无线通信技术摆脱了传统通信技术的不足，可大大提高化工工业的生产效率。

2   化工无线分布式控制系统设计

2.1   化工无线分布式控制系统软硬件设计

无线主控模块是无线分布式控制系统的主模块，通常采用DP83848物理层芯片，在物理层接口具有带冲突检测的载波侦听多路访问功能，更好地适应工业控制和工厂自动化。系统的硬件设计要确保实现主控卡的正常运行，软件的设计实现主控卡上数据交换。图1为以太网的软件初始化流程，介质访问控制模块上位和引脚配置，复位所有内部模块，将介质访问控制模块的控制寄存器初始化，若复位完成，则配置全/半双工模式、100/10Mbps模式和介质访问控制地址寄存器。在整个组网的配置过程中要注重信道配置、接口方式和校验方式的选择。

图1   以太网软件初始化流程

2.2   化工无线分布式控制系统软件应用

uC/OS-Ⅱ是一个完整的嵌入式操作系统，可实现软件应用中的任务调度、控制和协调并发。uC/OS-Ⅱ的文件结构分为软件和硬件两个模块，大致分为核心部分、任务处理、时间处理、任务同步與通信等四部分，是以源代码形式提供的实时操作系统内核，调度方式包括任务级和中断级任务调度两种。在uC/OS-Ⅱ的任务状态中包括等待状态任务、睡眠态任务、就绪态任务、运行态任务和中断服务态任务五种。

3   化工无线分布式控制系统应用研究

3.1   化工无线分布式控制系统安全性能分析

化工生产过程中，化工无线分布式控制系统的应用已逐渐取代独立的控制系统和仪器仪表，且无线分布式控制系统主要应用于复杂程度和自动化程度高的化工设备中。化工无线分布式控制系统要保证系统无故障运行时间越长越好，且系统的运行和生产过程控制不受系统器件故障的影响。图2为典型的分布式控制系统体系结构，操作员站、工程师站、服务器站和现场控制站与现场的变送器、执行器和传感器连接，可更快地实现数据的传输。图3为实时数据库事务调度，实时数据库包括图形显示、数据报表、历史报表和历史数据库数据，与通讯管理模块互联。电子元器件的安全可靠度直接影响分布式控制系统整体的安全性，通过对电子元器件的失效率分析可评价整个系统的安全性能。失效率计算公式如式1所示：

λ = ■     （1）

式中r为系统失效数，T为系统数与运行时间的乘积。经过大量理论和实践分析，可以发现失效率与时间呈“浴盆”状曲线，如图4所示，其曲线分为初始失效期、随机失效期和损耗失效期。

图2   典型的分布式控制系统体系结构

图3   实时数据库事务调度

Time

图4   “浴盆”状曲线

3.2   化工无线分布式控制系统应用测试

化工无线分布式控制系统主要应用在无线通讯模块的调试，为了更贴合真实的化工生产，将调试过程选在多电磁干扰且复杂多变的环境状态。图5为无线模块通讯测试图，主模块分为串口配置、线路控制、线路状态和辅助功能窗口，包含接收区和发送区两个窗口，无线主控卡模块位于主机的位置，通过上位机连接主控卡模块与串口助手一起发送和接收数据。图6为主控模块的现场电气连接图，实验设计通过连接化工无线分布式控制系统的串口助手实现对整个系统的监控作用。实验室调试完毕后安装在甘氨酸生产过程控制系统中进行化工现场模拟测试，主要针对精馏塔控制设备工艺流程中的部分开关量控制进行了模拟测试，达到了预期效果。

图5   无线模块通讯测试图

图6   主控模块的现场电气连接图

4   结 论

将无线传输模块应用到化工生产的分布式控制系统中，实现化工无线分布式控制系统的设计与应用，结论如下：

（1）无线通信技术摆脱了传统通信技术的不足，可大大提高化工工业的生产效率，无线通信所需的系统功率较小、通信距离最大、通信频率最小，且模块成本最低。

（2）化工无线分布式控制系统要保证系统无故障运行时间越长越好，且系统的运行和生产过程控制不受系统器件故障的影响。

（3）化工无线分布式控制系统要保证系统无故障运行时间越长越好，且系统的运行和生产过程控制不受系统器件故障的影响，将化工无线分布式控制系统应用于甘氨酸生产过程控制系统中，可实现全过程控制，达到预期目标。

参考文献

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