（检测技术与自动化装置专业论文）碳化硅微粉水力精分选智能化测控系统的研制.pdf

摘要 摘要 在我国磨料磨具产业中，微粉产品的分级精度直接决定了微粉产品的等级、档次、价格差异及产 品的市场竞争力。在该产业中的碳化硅行业里，碳化硅微粉只有经过水力精细分级工艺后，才能大大 提高其产品附加值。但在碳化硅行业中，目前普遍采用的水力精细分级的控制方式存在着许多明显 不足之处：分级不细；分级的准确性、稳定性较差：分级效率低、能耗大、能效低等，这些均严重影 响了碳化硅微粉产品质量和效益的提升。 本人的学位论文紧密结合江苏省重大科技成果转化专项基金项目“硅晶片线切割用6 h s i c 微粉材 料的研究及产业化”项目( 项目编号：b a 2 0 0 6 0 4 9 ) ，并阐述了分课题“水力精分车间自动测控与信 息化管理系统”的研发工作。本学位论文的主要内容为：设计和构建了用于水溢流精细分级的自动控 制装置( 包括溢流罐智能化测控仪、监控计算机管理信息系统和c a n 总线网络等) ；提出了一种用于 硅微粉水溢流精密分级工艺的自动控制方法，在稳定管道内水压的情况下，对流量控制设备进行自动 调节，使溢流罐进水流量更加均匀的变化，遍历目标微粒对应有效流量区间内的各个流量点，使目标 粒度之内的微粉尽可能多的溢出，并且减少原料板结，缩短溢流周期，降低能耗，提高分级效率。 本人的主要工作有系统的总体方案论证，溢流罐智能化测控仪( 恒压智能化测控仪) 嵌入式系统 硬件、软件设计，监控计算机信息化管理平台设计，c a n 总线软硬件接口设计，水溢流精细分级控 制策略，恒压控制实时控制策略，分布式系统总线通讯协议制定，以及基于硬件系统的软件调试和针 对实际系统的实际现场运行等内容。 目前整套系统已在连云港研磨厂投入实际试运行，试运行情况良好，已全面实现了此系统的设计 功能和主要技术指标。系统性价比高、实用性好，具有良好的推广应用价值。 【关键词】水力精分选，溢流罐，s t m 3 2 f 1 0 3 ，恒压供水，c a n 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ea b r a s i v e si n d u s t r yo fo u rc o u n t r y , t h es e p a r a t ep r e c i s i o no fp o w e rp r o d u c t sd i r e c t l yd e t e r m i n e si t s c l a s s ，l e v e l ，p r i c e ，a n dm a r k e tc o m p e t i t i v es t r e n g t h i nt h es i l i c o nc a r b i d ei n d u s t r y , o n l yt h es i l i c o nc a r b i d e p o w d e rw a sf i n es e p a r a t e db yw a t e rs t r e a m ，w h i c hc a na d di t sv a l u e w h i l ei nt h es i l i c o nc a r b i d ei n d u s t r y , t h e r ea r em a n yv e r yo b v i o u sd e f i c i e n c yw h i c ha r ea p p l i e db yt h e w a t e rs e p a r a t i o n ：s e p a r a t i o ni sn o tf i n e ；t h ep r e c i s i o n ，e f f i c i e n c y , a n ds t a b i l i t yo fs e p a r a t i o ni s b a d ；a n d c o n s u m e sal o to fe n e r g y t h e s ea l lh a v eas t r o n gi m p a c to nt h ep r o d u c t sq u a l i t yo ft h es i l i c o nc a r b i d e p o w d e ra n dt h eb e n e f i to ft h ef a c t o r y m yo w ns c i e n t i f i cd i s s e r t a t i o nc l o s e l yc o n n e r st h ef o u n d m i o np r o j e c t ( p r o j e c tn u m b e r ：b a 2 0 0 6 0 4 9 ) ，a n d i td e s c r i b et h ed e v e l o p m e n tw o r ko f “t h ea u t o m a t i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mo ft h ew a t e rf m es e p a r a t i o n ”t h ed i s s e r t a t i o n sp r i m a r yc o v e r a g ei s ：t h et h ee g i m a t i o no ft h ew h o l e p r o g r a m m e ，t h ee m b e d e ds y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h eo v e r f l o wt a n ki n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o li n s t r u m e n ta n dt h ec o n s t a n t p r e s s u r ei n t e l l i g e n ti n s t u m e n t ，t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp l a t d e s i g no nt h es u p e r v i s o r yc o n t r o lc o m p u t e r , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g no fc a nb u s ，t h e w a t e ro v e r f l o wf i n es e p a r a t i o ns t r a t e g y , t h ec o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h eb u sp r o t o c o lo f d i s t r i b u t e ds y s t e m n o w , t h ew h o l es y s t e mh a db e e nf u l ls i z er u ni nt h el i a n y u n g a n gp u l v e r i z a t i o np l a n t ，a n dw o r k sw e l l i t h a sr e a l i z et h em a i nf u n c t i o na n dt e c h n i c a lt a r g e t t h i ss y s t e mc o s tp e r f o r m a n c ei sh i g i l ，a n di sp r a c t i c a b l e i t h a sg o o dv a l u e si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa n dp o p u l a r i z a t i o n k e y w o r d s w a t e rf i n es e p a r a t i o n ，o v e r f l o wt a n k , s t m 3 2 f 1 0 3 ，c o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o l ，c a n b u s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：誓石九挲= 东南大学学位论文使用授权声明 日期： 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：昌丕芏垒 导师签名： 日期：垄翌旦垒圣且至! 毋 第一章绪论 1 1 课题背景i l l 第一章绪论 电子信息产业及太阳能光伏产业是我国经济的重要增长点，而硅品片加工业对这两大产业的发 展具有重要影响。江苏省是我国最大的电子信息及太阳能光伏产业基地，已基本形成了由硅晶片制 造加工到电子芯片及太阳能电池制造的产业链。 但作为硅晶片加工中不可缺少的重要材料，硅晶片线切割用碳化硅微粉的制造技术目前仍为少 数国外企业所垄断。碳化硅微粉作为光伏产品中的一个高端产品，在国际市场呈现出良好的需求态 势及市场潜力。据统计，到2 0 0 7 年我国硅品片线切割用碳化硅微粉的用量已超过6 5 0 0 吨，而全球 需求量超过6 万吨。通过本成果转化项目的实施，掌握该产品的制造技术、实现产业化，不仅可打 破国外企业的垄断地位，促进本省电子信息及太阳能光伏产业链的进一步完善，而且对增强我国这 两大产业的国际竞争力也具有重要意义。 连云港市具有丰富的硅资源，其硅产业为国家级区域性支柱产业。碳化硅磨料是其主要硅产品 之一，在国内具有重要地位。然而目前大多数碳化硅生产企业生产技术较为落后，产品附加值偏低， 生产能耗大。因此亟须进行产品升级和高附加值产品的开发。为此，连云港市研磨厂与南京工业大 学、东南大学联合申报了2 0 0 6 年度江苏省科技成果转化专项资金项目“硅晶片线切割用6 h s i c 微粉材料的研究及产业化”项目( 项目编号tb a 2 0 0 6 0 4 9 ) 子课题2 ：“s i c 微粉规模化生产关键工 序自动化控制技术”研究、开发和建设实施( 主要包括： 1 提纯车间实时检测与信息管理系统研发； 2 粉碎( 雷蒙磨) 自动控制系统研发； 3 水力精细分级自动测控系统的研发； 4 气流分级自动控制系统的研发； 5 新型s i c 冶炼炉在线自动测控装置研制。 本课题所涉及的水力精细分级自动测控系统的研发，是该研究项目中不可缺少的一部分。 1 2 课题研究的目的和意义 磨料磨具产业的微粉产品对于分级精度高低和一致性要求很高，其分级精度直接决定了微粉产 品的等级、档次、价格差异及产品的市场竞争力。碳化硅微粉只有在经过水力精细分级工艺后，才 能大大提高其产品附加值。以碳化硅微粉产品为例，碳化硅微粉经过水力精分级后，其国际市场价 格约为普通碳化硅微粉的1 0 倍。 但是在碳化硅行业中，水力精细分级系统存在着许多明显的不足之处。 其一，当前国内碳化硅( s i c ) 微粉水力分级系统普遍采用手动控制方式，但是人工调节影响到 整个系统的实时性、准确性、稳定性，并且一致性较差、分级不细，这些都大大影响到了产品的质 量； 其二，分级效率低。国外先进厂商半天就可以实现的微粉分级过程，国内大部分厂商则需要几 天时间，溢流分选的效率相差极大，这就极大的增加了能耗，效率较低。 综上分析，碳化硅( s i c ) 行业尤其是水力精细分级工艺的自动化水平很低，手动调节方面又存 在着种种不足，因此系统工作效率的提升空间很大。本课题的研究和实现对于提高水力精细分级工 艺的生产水平具有较好的应用前景和意义，在对水力精细分级工艺实现自动化改造、提高分级精度 的基础上，对原有的控制策略进行创新，提高分级效率。 我们综合考虑了系统的性能要求和成本，将嵌入式系统开发思想和现场总线理论应用在系统研 发中，从芯片的选用到电路系统的设计无不贯穿以上两条主线。这样一套具有便捷、高精度、高可 东南大学硕士学位论文 靠性、低成本特点的系统，它的自主研发和使用有助于该行业的自动化水平的提高。 为此，受连云港乐园磨料磨具有限公司的委托，我们一同探讨了水溢流分选工艺，改进了原有 的控制方式，在新投建的生产线中予以使用；并自行设计和研制了集溢流罐温度、压力、流量监控 与整个系统集中管理于一体的水力分级自动控制系统，以进一步提高产品的性能和品质。该系统具 有多罐的现场输出控制、现场数据采集、现场总线通信、上位机监视和参数设定功能，可以满足现 有系统的要求；同时，该系统还可以实现对现有手动系统的顺利过度，在保留手动调节的基础上实 现自动化控制，并进行手自动的无扰切换。 2 第= 章系统总件方案设计 第二章系统总体方案设计 2 i 水力分级工艺分析以及功能需求 2 il 水力精分选工艺分析以及功能需求分析“ 目前在连云港研磨厂碳化硅微粉精细分级工序中采用的是水溢流分选的方式，这是一种在现行 微粉行业中进行水力精细分级的一种广为流行的工艺方式并在实践中被广泛证实可行。水溢流精 细分选的主要原理是通过调节溢流罐( 如图2l 所示) 的进水流盖，借助自下而上的溢出水流的浮 力实现对不同硅微糟颗粒的筛选。不同的进水流量会对微粒产生不同的浮力，当微粒受到的浮力和 微粒本身的重力达到平衡状态后，就会使微粒缓慢上浮从而被筛选出来所以只需要由微粒的直径 和密度计算出重力和微粒受到的浮力，就可以控制进水流量筛选出不同直径的硅微粉颗粒，达到水 力精细分级的目的。 溢流罐进水口2 溢流罐罐体 图2 1 3s i c 颗粒溢出口 4 集料罐 水溢流分选工艺说明图 当前在该生产线通过溢流罐分离的主要微粒种类是2 0 0 0 目、1 5 0 0 目、1 2 0 0 目吼及1 0 0 0 目( 不 同目代表一定的微粒直径范围，如2 0 0 0 目对应的微粒大小范围是4 5 微米到8 微米) ，直径越大则 需要的溢流流量越大。从而不同“目”对应的的水流量范围也不同并依照2 0 0 0 目、1 5 0 0 目、1 2 0 0 目、i d o o 目流量依次递增。 碳化硅微粉在不同目下收集到的微糟粒度要求的具体涵义是：该日在溢流罐筛选出的粒度要集 中在d 5 0 ( 要求分离的目产品对应的标准流量范围) 区间之内，而不允许在d 3 ( 粗粒对应的流量上 限) 以上或者i ) 9 4 ( 细粒对应的流量上限) 以下有微粒被筛选出来，否则会造成整个溢流。l 艺的失 败。 溢流 + 艺下在某目下获得颗粒的理想正态分布如图22 所示。绝大部分颗粒集中在d 5 0 范围内， 而让i ) 5 0 之外的颗粒尽量少。 东南大学硕- 上学位论文 微粒数量 。 i 、 7 7 i ) q 4 。d50 、 d 3 d 5 0 ：某目数需要溢出的目标粒度范围d 3 ：某目数允许存在的微粒最大粒度值 d 9 4 ：某目数允许存在的微粒最小大粒度值 图2 2 水溢流精细分级微粒筛选说明 粒度大小微米 度 所以在实际生产中必须要控制溢流水流量尽可能的在d 5 0 对应的流量范围内进行工作，而且要 遍历d 5 0 区间内的各个流量值，这样才能充分利用原料和获得较好的分级效果。流量范围是根据粒 度浮力和重力的关系，由理论计算和现场实践校调后的试验结果，从而得到我们在生产过程中需要 的重要流量参数，即在实际生产中不同目数下对应的流量范围。 综上所述，水溢流生产工艺的主要要求是根据产品需要，实时调节溢流罐入口处的水流量，通 过流量的变化将目标粒度的s i c 微粒筛选出来。而且在溢流生产过程中应避免溢流水流量滞留在某 一个值过久，否则易造成溢流灌内部原料的分层，之后造成板结等现象，造成分级时间增加，效率 低下。 2 1 2 水力精分选工艺原有系统分析n 1 在连云港研磨厂原有的碳化硅微粉精细分级工序中，系统采用的水选精分级工序如图2 3 所示。 它依靠水塔高水压对整个溢流系统供水，并且依靠工人观察玻璃转子流量计、手工调节进水阀门来 控制溢流罐( 水分选器) 进水流量，借助自下向上溢流水力实现碳化硅微分精细分级。 其中水塔目前采用上下( 浮球翻转式) 液位开关( 开关分辨力约1 5 0m m ，) 控制水位，即水位 到达上液位时，使上浮球液位开关翻转信号触发接触器，断开水泵供电电源，水泵停止运转；当更 多溢流罐用水使得水塔水位下降到下液位时，使下液位浮球液位开关发生翻转，其信号触发接触器 接通水泵供电电源，水泵又开始运转，水塔中液位慢慢上升；由此，水塔水压通常在上下液位间波 动，上下液位距离设置过小会使水泵频繁启停，严重影响其使用寿命；距离设置大，则表明水压波 动大，在溢流罐进水阀门开度不变情况下，进入溢流罐的流量波动完全正比于水塔水压波动；目前 本厂水塔上下液位设置距离为3 0 0 r a m ，加上浮球翻转式液位开关上下翻转死区( 不灵敏区) 约1 5 0 咖， 据测算水塔水位波动引起的水压波动量约为2 5 。 再冈人工观察精度2 5 级的玻璃转予流量计、手工调节进水阀门，操作精度低、受经验、情绪、 体力等影响大，因此目前水分选流量控制的实时性、准确性、稳定性、一致性较差，分级不细。 4 第二章系统总体方案设计 上液位浮璩开关 图2 3 水溢流分级原有系统示意图 在大批量生产中，硅微粉的分级精度高低和一致性，直接决定产品的等级、档次、价格。产品 质量的稳定性关系到产品的市场竞争力。而在生产过程中的人工操作具有不可避免的不准确性，往 往会造成产品质量的波动。 综合以上分析，现在系统存在的主要问题是： 水塔水位波动引起的水压波动量过大； 人工调节影响到整个系统的实时性、准确性、稳定性，使得一致性较差，分级不细； 在这样的条件下产品的等级、档次、价格都难以得到保障。 为此( 受连云港乐园磨料磨具有限公司委托) 我们进行了深入的探讨和分析，经过长时间的论 证和考虑之后，改进了原有的控制方式，建立相配套控制系统方案。 j 2 1 3 水力精分选工艺系统改进说明 为了提高分级效率、提高分级精度和降低工作人员的工作强度，针对原有系统的缺点，通过广 泛的分析和论证，对新投产生产线的工艺系统进行了改进，并通过采用自动控制系统的方式进行分 级工作。 首先，对于2 1 2 章节中提到的系统存在的“水塔水位波动引起的水压波动量过大”的问题， 供水系统进行了改进。供水系统的主要缺点是原有的水塔一浮球开关方式对于液位的控制十分不便， 很难有效的对水压进行控制。对于溢流系统来讲，供水水压的稳定性尤为重要! 恒定的水压是后续 控制中电动阀有效调节的基础。如果供水水压波动较大，在同样的阀门开度下，进入溢流灌的水的 流速也是不一样的，只有保证供水水压的恒定，才能保证系统运行的高效稳定。所以必须采用变频 水泵控制，通过检测管网内的水压调节向上打水的量。所以在新的方案中采用了变频控制水压的方 式，恒压控制系统的主要组成为工频泵和变频泵。 5 东南人学碗l 。学位论文 医i 一 l_!塑 t ”f s p 口炒 溢流罐系统 2 供水系统 削2 4 水溢流精细分级系统控制方式示意图 其扶，为了稳定供水管网的压力，加相了供水管道。 在溢流生产线上，供水管道贯穿整条生产线的长度为2 7 米，在这种情况f ，常规采用的较细管 道就暴露出了自己的问题：在2 7 米的长度下各个段的水压足不一样的，而且相差根大，往往第一台 溢流罐和最后一台溢流罐的 口水压会有一些差距。所以加粗供水管道可以减少这种水压上的差距。 改进之后的系统如图24 所示。从外部净化车间送入的水进入蓄水池，作为整个水力精分级车 间总的 水需要然后通过变频器控制供水水泵向整个溢流系统进行供水，其中供水水泵一蒯一备。 21 4 水力精分选工艺分析和功能 本系统最重要的一点就是对于稳定性和不允许超调的要求本系统的二 艺过程是对流量从小到 太的调节，从除细到2 0 0 0 目到1 5 0 0 目，再到1 2 0 0 日撮后到1 0 0 0 日整个1 1 艺过程中再个f i ( 粒 度区间) 对应的流龌区间是递增的过程，而且不允许在直径较小颗粒的筛选过程中由于流鬣的超 调混入大的颗粒，从而引起分级工艺的失败。所以在车系统的指标要求中最主要的一点是流量要 稳定在该目对应的流量区间内而决不允许超调。 另外根据以上章节的分析我们需要研发的控制系统的控制范围是涵盖1 2 台溢流罐和供水变颡 泵的系统。系统的其它指标如下： +开发具有实时监测与人机空互功能的水溢流精细分级智能化测控仪实对测量液位、流量、 温度： 夺 水力耕分选通过控制变频器从而控制水泵稳定液位进而控制水流量提高分级效率， 稳定分级质量： 夺 构建c a n 现场总线网络将1 3 台仪表全部连入现场总线之中，集中管理和交互： 开发一套水分进工艺管理信息系统，计算机实时监控1 3 台仪表的工作状态，并进行控制和 历史数据分析 针对以上分析，在本课最的设计中。要实现以下主要功能及技术指标 第二章系统总体方案设计 溢流罐智能化测控仪功能功能指标要求： 1 水流速检测功能( a i ) ：选用电磁式涡街流量计，传送的是4 2 0 ma 电流信号，精度局限 于流量计的精度为o 5 一1 ； 2 阀门反馈检测功能( a i ) ：仪表接收并检测阀门反馈传送的4 2 0 m a 电流信号，用于查看 阀门的输出状态，精度为0 5 ； 3 模拟量输出部分( a 0 ) - 阀门输出控制功能，仪表检测到压力信号后，通过对电动调节阀输 出4 2om a 电流，实现对调节阀的开度控制； 4 数字量输出部分( d 0 ) ：运行指示，报警指示功能，可以控制2 4 v 的灯对设备的运行情况进 行实时的提示； 5 数据通信功能：数据通信采用总线方式，1 3 台设备为从结点，与上位机实现数据通信，通 讯要求稳定、安全、可靠，将当前工步的相关参数信息上传至上位机，方便集中式管理； 6 人机交互功能：现场功能的设定，键盘输入，显示； 7 实时时钟功能：操作定时，显示当前时间等功能； 8 历史参数的保存功能。 恒压监控仪表功能指标要求： 1 测温功能：因为温度是影响水选经分级工艺的主要因素之一，所以要进行实时的检测，测度 范围为0 - 1 0 0 ，测温精度要求0 5 c ； 2 压力检测功能：接收并检测压力变送器传送的4 一- 2 0 ma 电流信号，压力信号测量精度千分 之一； 3 变频器输出控制功能( a 0 ) ：检测到压力信号后，通过对变频器输出4 20l r la 电流实现对 变频水泵的功率控制； 4 数字量输出部分( d o ) ：运行指示，报警指示功能：可以控制2 4 v 的灯对设备的运行情况进行 实时的提示； 5 数据通信功能，数据通信采用总线方式， 1 3 台仪表为从结点，通过can 总线与上位机实 现数据通信，通讯要求稳定、安全、可靠，将当前工步的相关参数信息上传至上位机，方便集中式 管理； 齄 7 人机交互功能，一些功能的设定，键盘输入，led 显示等等。 8 实时时钟功能，显示当前时间，并且能够接受上位位机的统一校正； 9 异常情况处理功能，根据仪表对各参量的判定结果，当有异常情况时进行报警显示，另外还 有水泵的紧急停车处理； 1 0 历史操作的保存功能 监控站主要功能指标要求： 1 监测控制系统的正常运行； 2 提供良好的人机界面，以便工人了解设备的运行状况； 3 参数设定； 4 对整个水洗车间1 3 台设备进行实时的监控，方便对整个车间的整体监控； 5 对整个系统的参数进行设定和调整，使整个过程更加简洁； 6 报警功能，及时对危险信号进行报警，并且记录下来生成报警历史数据。 2 2 水力精分选系统方案论证和方案选择 2 2 1 水力精分选智能化测控系统网络传输论证与设计 在工业现场中，通常采用集散式控制( d c s ) 和现场总线( f c s ) 两种连接方式实现对现场层设备的 7 东南大学硕士学位论文 连接。以下比较这两种方式，并选取本系统适合应用的连接方式。 很多企业保留了集散式控制( d c s ) 的控制方式，但是d c s 具有种种不足之处瞪儿3 1 ： 首先，d c s 常采用模拟数字混合系统，未形成从测控设备到操作控制计算机的完整网络，在技 术上有很大局限性，以致互操作性能差，不能实现对现场设备的实时控制； 其次，i ) c s 多采用分级网络结构点对点的接线方式，集多种功能于一台主机，效率不高； 再次，d c s 的传输主要采用模拟信号传输，传输精度低，且易受到干扰；另外系统的开放性比 较差，升级成本比较高； 最后d c s 的维护费用高，难以实现现场设备的自我诊断和检测，所以往往有较高的维护成本。 采用现场总线对各个设备互联的方式，是基于其在工业控制中的特有优势。现场总线是应用在 生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字 化、多点通信的底层控制网络。它具有如下特点晗儿引： 系统的开放性：通讯协议公开后，可以方便不同设备间进行信息交换； 互可操作性和互用性； 现场可以采用智能化的设备，仅靠现场仪表就可完成自动控制的基本功能； 实现系统结构的高度分散性，改变了原来d c s 的系统体系，简化了系统结构； 令 对现场的适应性，可以满足现场恶劣环境和实现本质安全； 综上分析，在本水力分级智能化测控系统中，d c s 系统并不适合。我们根据现场总线的特点， 考虑到溢流现场中每个溢流罐独立工作的特点，采用现场总线分布式可以极大的降低集中控制带来 的风险，而且具有更好的开放性，而且采用现场分布控制，数字传输还可以提高系统的准确性和可 靠性。 。 r 1 目前的现场总线种类很多，i e c 6 1 1 5 8 中采用了8 种协议类型”。，比较常用的是基金会现场总线、 l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、c a n 总线、h a r t 总线等等，它们的特点比较如表2 2 所示。 表2 2 各种现场总线特点比较 总线类型 通讯速率o s l纠错节点通讯可靠复杂介质访问 ( b p s ) 层次方式成本优先级性度方式 r s 4 8 59 6 0 01无很低无低高 半双工 l o n w 6 r k7 8 0 k1 7c r c 高有高高 p p c s m a p r o f i b u s1 2 5 1 2 m l ，2 ，3c r c高有高低令牌( 分散) h a r t9 6 0 0l ，2 ，7c r c高 较有 高低查询 c a nl ml ，2c r c 低固定高中位仲裁 通过以上各种线的比较，再根据本系统的特点，得出以下结论： 系统要求通讯高可靠性，有通讯优先级，实时性好； 节点成本性价比高； 通讯速率高，容错能力强； 通讯距离长； 令 拓扑简便，多主机结构。 综合以上考虑，对比表2 2 中各类总线的特点，我们选择具有高通讯速率、可靠性强、容错能 力强、节点成本低、实时性好有优先级的c a n 总线作为本系统的通讯网络，具体网络通讯环：肖的介 绍分析详见后续第六章节介绍。 8 第二章系统总体方案设计 图2 5 水溢流精细分级系统网络结构图 2 综上所述，我们决定在本系统里采用如图2 5 的系统构成：采用监控计算机作为c a n 的监视节 点，用来监视整个网络的正常运行；把每一个溢流罐以及管压的调节的实际控制权交给现场的溢流 罐智能化测控仪和恒压智能化测控仪。本系统采用分布式的控制方式，使每一个节点都有独立控制 能力，降低了系统的总体风险。 采用以上的组成方式，在测控仪表的设计中做好隔离和传输设计，并采用屏蔽双绞线作为传输 介质，根据总线协议做好总线拓扑，可以实现通讯网络的物理基础。同时，根据c a n 总线的特点和 协议规范，制定相应的应用层协议，可以实现系统信息的良好传输。 2 2 2 水力精分级智能化测控系统现场监控平台的选择 考虑到系统工艺要求，以及需要达到的功能指标，本监控系统既要实现对现场对象的实时控制， 又要实现数据的远程传输，以及方便为今后的厂级自动化改造提供良好的接口。另外，考虑现今流 行的技术和方案，结合性能上的要求和成本上的考虑，在这里，我们分析以下两种方案：一是采用 p l c 作为控制核心的方式，二是采用嵌入式处理器的智能测控仪表的分布控制方式。 a 采用p l c 构造系统方案的特点f 4 1 采用p l c 作为控制核心的方式是工控系统中比较常用的一种方式，它常常和监控计算机组成d c s ( 集散控制系统) 或者f c s ( 现场总线系统) 系统。虽然具有便于系统集成、组态方便、开发便捷 等优点，但是在本系统中采用p l c 有以下缺点： 实现成本高，p l c 的模块价格不菲，常规的c p u ，a i ，a o 模块均数千元以上，系 统搭建成本非常高，不符合本次设计中对于成本性能比的控制： 功能单一，欠缺灵活，p l c 是模块化产品，通过搭积木的方式实现； 集中式控制，增加了系统风险，若维护则系统全停，所以必须增加手操器( 介于执行对象 和p l c 控制器之间的手动控制设备) ： 通讯采用m p i 接口，网络成本高，每个节点成本也高。 b 采用自行设计现场控制仪表并构建总线网络方案的特点 现场总线技术是近些年来兴起的应用于工业现场的对各个设备进行互联的技术，它的具有很多 比起d c s 更优越的特点： 采用分布式设计的现场总线方式可以极大的增加系统分布的灵活性，使每一个节点都可以 具有独立的检测、控制和通信功能； 节点成本低，比如采用c a n 总线节点每个通讯节点的成本只有2 0 多元，远远低于p l c 控 制器方式； 9 誓蚕 璧孽一 东南大学硕学位论文 功能灵活，可以根据项目的实际需要进行功能的选择和设计，可以有现场更丰富的人机交 互而且通过设计的优化，完全可以达到_ t 业现场高可靠和抗干扰的要求。 以上特点可以集中到如表21 所示的表格中进行比较。 表21p l c 和嵌入式系统控制方案比较 综上分析，采用嵌 式分布控制的方式，在成本、功能丰富度、组阿、操作性等方面有较大的 优势，而且考虑到开发周期可以得 螨足，因此我们在本扶设计中采用嵌入式系统加现场总线的控 制方案，采用嵌 式处理器作为核心单元，同时增加相应外围设备构成，异个分离仪表通过现场总 线进行通讯相连接。整个系统结构如图26 所示。 口。炒 溢流罐系统2 供水系统3 监控系统 图2 6 水力糟分级智能化涮控系统示意圈 #_自女#f# 第三章溢流罐智能化测控仪( 及恒压智能测控仪) 硬件设计 第三章溢流罐智能化测控仪( 及恒压智能测控仪) 硬件设计 水力精分选智能化测控系统的分布式嵌入式设备主要由两大部分组成，一部分是用于各个溢流 罐入口水流量监控的水溢流智能化测控仪，共计1 2 台；另一部分是用于为整个系统进行恒压供水监 控的恒压智能化测控仪。 本章的主要内容即是对上述两类仪表的硬件设计以及相关硬件抗干扰的内容进行阐述，下文将 会提到两类仪表具有非常类似的功能，在实际设计中采用了相同的硬件平台。 3 1 溢流罐智能化测控仪硬件设计 水溢流智能化测控仪是整个系统的控制核心，也是系统通讯和管理的关键节点，主要功能是接 收上位机的参数设定，实现现场流量和阀门开度反馈的数据采集、显示、保存和故障诊断，完成对 阀门开度的控制，实现现场参数设置和人机交互等功能。 由于该溢流罐智能化测控仪终端的功能相对比较复杂，并且要求在保证系统集成度的基础上力 求获得高可靠性和一定的升级能力，所以在系统设计的过程中采用了模块化的设计思想。模块化设 计思想是将仪表按功能和性能进行分解，形成功能模块和基础模块，使得仪表各部分结构清楚，易 于分析故障和进行产品升级。以下是对水溢流智能化测控仪硬件设计的详细阐述。 3 1 1 溢流罐智能化测控仪硬件整体设计 基于模块化的设计思想，根据2 1 4 所述的技术和功能指标，我们必须在嵌入式平台的设计中 包含相应的功能模块，实现高精度模拟量数据采集、实时的阀门控制输出、良好的人机接口、开关 量输出功能、小容量非易失的数据存储、实时时钟以及实时通讯等功能。同时利用现场总线的特点， 做好充分的隔离和抗干扰措施，在设计中做到成本的最大优化。 溢流罐智能化测控仪系统具有水流速检测、阀门反馈检测、阀门输出控制、运行报警指示、人 机交互、实时时钟、历史参数和数据通信等功能。为了实现这些功能，分别设计实现这些功能的系 统模块，并将这些功能模块整合成为有机整体。采用这种模块化的设计，使得系统框架一目了然， 便于系统的设计和调试，也方便于后期的维护和升级。如图3 1 所示： 电源模块 中央处理模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块 数字量输出模块 人机交互系统模块 实时时钟模块 参数存储模块 通讯接口模块 水流速检测功能 阀门反馈检测功能 阀门输出控制功能 运行、报警指示功能 人机交互功能 实时时钟功能 历史参数的保存功能 数据通信功能 图3 。l 溢流罐智能化测控仪功能与模块对应关系图 l l 东南大学硕士学位论文 这样就形成了以中央处理器c p u 为控制核心，结合模拟晕输入模块、模拟量输出模块、数字量 输出模块、人机交互系统模块、实时时钟模块、参数存储模块、通讯模块等功能模块组成的有机整 体。以。卜是对于各个模块设计的详细阐述。 3 1 2 中央处理模块设计 3 121 c p u 的选择 根据主控板所承担的功能，中央处理器( c p u ) 的选择有以下两种方案： 1 ) 以通用处理器( m c u ) 为核心的方式，常用的如以8 1 6 位单片机为主的处理器核心，以a r m 等内核的高性能处理器的方式； 2 ) 以数字信号处理器( d s p ) 的方式。 以上两类均是以数字信号为处理对象的控制器件，但是各有不同。现就对以上两种方式简单进 行比较说明，并选取适合本仪表的处理器。 1 ) 采用d s p 的方案l 哪1 9 j d s p 为数字信号处理器，是在m c u 基础上开发出来的，是针对数字信号处理算法特点而开发的。 它采用多种方式提高工作速度，可高速实现许多复杂的算法，如卷积、滤波、f f t 等，所以对应的 硬件结构更加复杂。随着d s p 技术的不断发展，d s p 也可以完成m c u 的功能，如丰富的控制功能， 完善的外围接口等。但是d s p 的实现成本相对较高，一般只用于需要高速数字运算的场合。 综上所述，d s p 具有数字信号处理运算速度快的特点，对复杂信号、实时信号的处理具有特有 的优势。它主要侧重于信号分析处理以及高速、高精度控制的应用方向。由于溢流罐智能化测控仪 完成的主要任务是实现大量数据采集、数据通信和各类外围接口应用，而对运算速度并没有特别的 要求。同时，由于设计中必须要考虑到成本因素，而d s p 本身的高价格对于整台仪表的成本控制会 造成不小的影响，所以暂时不考虑该方案。 2 ) 采用m c u 方案1 1 u j 采用m c u 作为智能仪表的控制器最常用的有两种方式：8 1 6 位单片机和3 2 位高性能控制器。 现对这两种方式进行说明。 1 ) 8 1 6 位单片机具有集成度高、种类多的特点。从早期的5 1 单片机到现在使用的a v r 、p i c 单片机等，种类丰富，应用广泛，常用于智能仪表的设计当中。 2 ) 以a r m 为代表的3 2 位嵌入式微控制器是一类高性能、低功耗和功能强的3 2 位s o c 芯片，已 经广泛应用于工控产品。它具有低功耗、低成本、高性能、丰富外围接口，以及开发方便的特点。 基于a r m 嵌入式处理器的片上系统解决方案，可以应用于企业应用、汽车系统，家庭网络和无线技 术等市场领域。 以上两类处理器各有不同的应用领域，3 2 位处理器和单片机分别用于高低端市场。 溢流罐智能化测控仪的硬件系统功能较为复杂，对于运算速度有一定要求，同时要求外设丰富 且需要考虑成本因素。s t 公司新进推出的一款基于c o r t e x m 3 内核的处理器s t m 3 2 f 1 0 3 满足本系统 的要求，它采用3 2 位的处理器结构，价格定位于1 6 位高级单片机市场，具有较高的性能价格比。 在介绍这款处理器前首先介绍一下应用于该款处理器的a r m 公司最新推出的c o r t e x - m 3 内核。 3 122c o r t e x m 3 内核概述和s t m 3 2 f 1 0 3 芯片简介 在过去十年中，a r m 7 系列处理器被广泛应用于众多领域。之后，c o r t e x - m 3 在a r m 7 的基础上开 发成功，为基于a r m 7 处理器的系统升级开辟了通道。它的中心内核效率更高，编程模型更简单，具 有出色的确定中断行为，其集成外设以低成本的优势提供了更强大的性能。 c o r t e x m 3 是首款基于a r m v 7 - m 架构的处理器，是专门为那些对功耗和成本敏感的嵌入式应用 领域实现高系统性能而设计的，比如微控制器，汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等等。它 大大简化了可编程的复杂性。此外，嵌入式系统通常的软件调试也是程序员的一大难题。传统上， 1 2 第三章溢流罐智能化测控仪( 及恒压智能测控仪) 硬件设计 都用在线仿真器( i c e ) 单元作为插件使用，通过火家熟悉的p c 界面向系统提供窗口。然而，随着 系统体积的变小及其复杂性的增加，物理附加类似的调试单元已经再难成为可行的方案。c o r t e x - m 3 处理器通过其集成部件在硬件的本身实现了各种调试技术，使调试在具备跟踪和分析、断点、观察 点和代码修补功能的同时，速度也获得了有效的提高，促使产品可以更快地投入市场。此外，处理 器还通过一个传统的j t a g 端口或一个适用于低管脚数封装( l p c 封装) 器件的2 管脚串行线调试 ( s e r i a lw i r ed e b u g - - s w n ) 端口赋予系统高度的可视性。 表3 1 是对c o r t e x - m 3 与a 酬7 t d m i s 的比较，应用于c o r t e x - m 3 内核的s t 处理器价格更趋近 于8 1 6 单片机，甚至于比一些高性能单片机的价格更低，而且具有更高的性能，更强大的中断处理 机制、更低的功耗。基于此，我们决定采用使用c o r t e x m 3 内核的s o c 处理器s t m 3 2 系列c p i 卜一 s t m 3 2 f 1 0 3 v b t 6 ，它的生产厂商是意法半导体公司，是全球工控领域半导体最大供应商。而且采用该 款处理器，供应商提供了良好的技术支持，而且相关的开发工具丰富且强大。s t m 3 2 基于c o r t e x - m 3 处理器，增加了非常丰富的外围器件资源，单片价格比高性能的单片机还要便宜，定位包括工控在 内的市场应用。 表3 1c o r t e x m 3 与a r m 7 t d m i s 特性比较 a r m 7 t d m i sc o r t e x m 3 结构冯诺依曼结构采用哈佛结构 指令系统 a r m ( 3 2 位) 和t h u m b ( 1 6 位)t h u m b - 2 指令( 合并的3 2 16 ) d m i p s m h z0 7 4 t h u m b o 9 3 a r m1 2 5 t h u m b - 2 流水线3 级3 级+ 分支预测 中断 f i q i r qn m i ，s y s t i c k 和多达2 4 0 个中断；集成 n v i c 中断控制器，2 5 5 个优先级 中断延迟2 4 - - 4 2 周期1 2 个周期 存储器分配 未定义 由核心定义 系统状态p s r ，6 种模式 x p s r ，2 种模式 睡眠模式无三个 其它内置单周期3 2 位乘法器和硬件除法器 除了c o r t e x m 3 内核本身的优点外，该款处理器还具有如下特点： 7 2 m h z ，高达9 0 d m i p s ，1 2 5 d m i p s m h z ； 支持串行线调试和j t a g 接口； 外围通信接口丰富，包括2 个1 2 c 接口，3 个u s a r t 接口，2 个s p i 接口，1 个c a n 接口， 1 个u s b 接口： 7 通道d m a 控制器( 支持定时器a d c ，s p i ，1 2 c 和u s a r t 等外设) ； 2 个1 2 位模数转换器； 具有v b a t 电池供电口，可以给r t c 和后备寄存器供电； 具有独立和窗口型两种看门狗定时器，具有片内r t c ； g p i o 口丰富，并且可以对管教进行重新镜像，方便板级布线； 片内存储器容量足够，f l a s h l 2 8 k ，r a m 2 0 k ； 该款a r m 的定位是与8 位、1 6 位单片机进行市场竞争，在价格相近的情况下提供更高的性能、 更快的速度、更丰富的外围接口设备。如图3 2 所示： 1 3 东南人学硕士学位论文 图3 2s t m 3 2 f 1 0 3 模块框图【1 1 】 该款处理器片内外设丰富，包含了本系统需要的很多功能模块，如集成了c a n 控制器、r t c 、1 2 c 、 1 2 位高分辨率a d c 、1 2 c 、s p i 等外围接口，并且中断资源丰富；同时，片内存储器足够大而不需要 外扩、速度足够快、具有v b a t 管脚可以对r t c 等数据的保持和看门狗灵活等特点。这样就将许多功 能集