基于現(xiàn)場總線的液位檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、公司名稱公司名稱基于現(xiàn)場總線的水質(zhì)檢基于現(xiàn)場總線的水質(zhì)檢測系統(tǒng)的研究測系統(tǒng)的研究前言 近年來，對水環(huán)境的監(jiān)測越來越受到人們的關(guān)注，對水質(zhì)的檢測的重要性也越來越高。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是繼模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(Direct Digjtal C0ntro1)、集散控制系統(tǒng)DCS(Di StributedControlSystem)之后的新一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是繼模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)DDC(Direct Digj talC0ntro1)、集散控制系統(tǒng)DCS(Di Stri but edControl System)之后的新一代控制系統(tǒng)。本文以

2、工業(yè)用水為檢測對象，提出一種基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議的監(jiān)測裝置的開發(fā)方案。背景發(fā)展水環(huán)境監(jiān)控裝置，它利用智能檢測與控制儀表通過高度自動化的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，采集定點水質(zhì)水樣，測定水質(zhì)參數(shù)并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，其主體為由測控儀表及其通信模塊構(gòu)成的測控系統(tǒng)，它包含了化學(xué)分析技術(shù)、檢測技術(shù)、電子技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科的綜合性技術(shù)。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進步，各種傳感器和控制的功能不斷增強，應(yīng)用范圍不斷拓寬，測量控制領(lǐng)域不斷吸收這些最新的技術(shù)，逐漸向高性能、小體積、智能化和低成本的方向發(fā)展發(fā)展第一代檢測與控制儀表是由傳

3、統(tǒng)傳感器組成的測控系統(tǒng)，采用點到點傳輸?shù)慕涌谝?guī)范，比如二線制420 mA電流和15 v電壓標(biāo)準(zhǔn)。這種系統(tǒng)曾經(jīng)一度在測控領(lǐng)域廣為應(yīng)用，但由于其布線復(fù)雜、成本昂貴、抗干擾能力差，已逐漸淡出市場。第二代檢測與控制儀表是基于智能傳感器的測控系統(tǒng)。智能傳感器與控制設(shè)備之間仍然采用傳統(tǒng)的模擬電流或電壓信號通信。隨著數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS422、RS485等的推出與廣泛應(yīng)用以及微控制器的流行，許多新的傳感器測控系統(tǒng)也應(yīng)運而生。發(fā)展第三代檢測與控制儀表，也即是現(xiàn)在正蓬勃發(fā)展的新一代檢測與控制儀表，是基于現(xiàn)場總線(FieldBus)的智能傳感器檢測系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和主控系統(tǒng)之間全數(shù)字、開

4、放式、雙向通信網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前受到廣泛認可的主流物理通信媒體?，F(xiàn)場總線技術(shù)利用數(shù)字通信代替了傳統(tǒng)的4-20 mA模擬信號，大大減少了傳感器與主控系統(tǒng)的連線以及通信帶寬，有效降低了系統(tǒng)成本與復(fù)雜度，實現(xiàn)了分布式智能測控。現(xiàn)狀目前，國際上一些大的儀表制造廠商都推出了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及相應(yīng)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。智能儀表和設(shè)備共同組成的新型結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)的出現(xiàn)，使國外智能化儀表的發(fā)展和應(yīng)用達到了新的歷史階段。在眾多現(xiàn)場總線協(xié)議中，市場占有率最高的是PROFIBUS，其中PROFIBUS-DP是市場占有率絕對領(lǐng)先的總線技術(shù)，它的市場占有率主要來源于PLC系統(tǒng)的市場份額，而PROFIBUS-DP在現(xiàn)場總線智能儀表級的

5、應(yīng)用尚需提高。PROFIBUS在歐洲己獲得廣泛應(yīng)用，據(jù)調(diào)查在主要的歐洲國家大約占41的市場份額。由于PLC銷售商對PROHBUS的廣泛支持，PROFIBUS的應(yīng)用將會更廣泛，對PROFIBUS智能儀表與設(shè)備的需求會越來越多。設(shè)計方案PROFIBUSDP智能從站有兩種實現(xiàn)方法，第一種方法是利用開發(fā)包中所帶的從站接口模塊來實現(xiàn)。從站接口可將第三方設(shè)備通過設(shè)備接口作為智能從站連接到PROFIBUSDP上，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12Mbits，可以自動檢測總線數(shù)據(jù)傳輸速率。這種方法可以減少自主開發(fā)的時間，能滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的要求，對于要求高傳輸速率而又無需占用大量處理器資源的應(yīng)用場合一般采取這種方式，但

6、此方式成本較高且不能滿足復(fù)雜的智能從站的要求。第二種方法是直接用微處理器及一些外設(shè)來實現(xiàn)通信接口和智能從站的開發(fā)。這種方法成本較低，非常靈活，能滿足各種需要，但開發(fā)較為復(fù)雜。基于PROFIBUS協(xié)議的DP從站的開發(fā) PROFIBUS是開放的、與制造商無關(guān)的、無知識產(chǎn)權(quán)保護的標(biāo)準(zhǔn)。任何人都可以獲得這個標(biāo)準(zhǔn)并設(shè)計各自的軟硬件方案。原則上，PROFIBUS協(xié)議在任何微處器上都可以實現(xiàn)。在微處理器內(nèi)部或者外部安裝串行通信接EI(UART)就可以完成，利用PROFIBUS模型中的服務(wù)訪問點，通過單片機編程來實現(xiàn)PROFlBUS-DP的狀態(tài)機制。但是用單片機實現(xiàn)的PROFIBUSDP從站的傳輸速率受單片機

7、晶振的限制。無法達到PROFIBUSDP所要求得最大傳輸速率。而且編制程序的工作量也很大。利用單片機實現(xiàn)PROFIBUS-DP從站ASIC芯片集成了PROFIBUS協(xié)議，使用ASIC芯片可以大量的節(jié)約開發(fā)成本和時間。尤其當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較大或需要使用IECll582技術(shù)時，應(yīng)該使用ASIC芯片115l。例如LSPMZ芯片的功能是固定的，僅輸入和輸出口由用戶指定，完整的PROFIBUS狀態(tài)機制集成在LSPMZ的硬件中，連接三個移位寄存器或一個EEPROM以存儲16位識別號和一個8位的PROFIBUS地址，再加上RS485和石英晶體振蕩器即構(gòu)成簡單從站。LSPMZ用于簡單設(shè)備，如開關(guān)設(shè)備和熱電偶測量

8、。而SPC3芯片屬于從站的智能通信芯片，用于智能從站。SPC3能承擔(dān)大部分微處理器的負載，集成了PROFIBUS協(xié)議，傳輸速率可以達到12Mb。使用專用集成電路ASIC智能檢測儀表的硬件設(shè)計該智能檢測儀表主要有以下幾種功能模塊：實時參數(shù)采集模塊、液晶顯示模塊、功能鍵盤選擇模塊、以及通信功能模塊。智能檢測儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。 圖1 智能檢測儀表結(jié)構(gòu)圖其中，參數(shù)采集主要是使用幾種不同的傳感器通過模擬調(diào)理電路和微處理器的加轉(zhuǎn)換模塊精確快速的采集水環(huán)境中溫度、鹽度、溶氧度、PH值、混濁度等幾種參數(shù)的實際值，并送入微處理器作其它處理。液晶顯示模塊是根據(jù)微處理器的初始化要求和鍵盤功能的選擇把所

9、需要的各種參數(shù)、日期時間等在微處理器外接液晶模塊上顯示出來。鍵盤則用于實現(xiàn)對參數(shù)查看，時間查詢等功能的選擇。通信模塊是根據(jù)通信接口的不同而實現(xiàn)PROFIBuS和MODBUS兩種總線通信功能，并可與上位機構(gòu)建總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。智能檢測儀表的硬件設(shè)計在儀表的開發(fā)中選用TCygnal公司的C8051F020單片機作為系統(tǒng)的智能處理器，C8051F020單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字IO引腳。C8051F020單片機除了具有標(biāo)準(zhǔn)的8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。其中包括模擬多路選擇器、可編程增益放

10、大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus12C、UART、SPI、可編程計數(shù)器定時器陣列(PCA)、定時器、數(shù)字Io端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器(wDT)和時鐘振蕩器等。C8051F020是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)(SOC)。它能有效的管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。微處理器C8051F020 水質(zhì)檢測裝置 圖2 水質(zhì)檢測裝置原理圖本儀器中光譜儀的工作過程是：先將檢測池內(nèi)參比溶液通過注射泵抽入流通比色皿中，打開光源，假設(shè)入射光強I0，透射光強Ir1，則參比溶液吸光度為： A1=lg(I0/ Ir1)再將參比溶液換成待測水樣溶液，光源不變的情況下

11、，入射光強仍為I0，透射光強為Ir2，則待測水樣吸光度為： A=lg(I0/ Ir2)設(shè)水樣中待測溶質(zhì)的吸光度為A2，由朗伯-比爾定律的加和性，可以得到： A=A1+A2所以可以得到：A2= A- A1= lg(Ir1/ Ir2) 水質(zhì)濃度檢測原理上位機監(jiān)控的通信功能模塊需要下位機的配合來實現(xiàn)，即借助于一種通信協(xié)議實現(xiàn)上位PC機與下位機之間的通信功能。如前文所述，在本裝置中，下位機與上位機之間的通信功能主要應(yīng)用MODBUS總線通信協(xié)議來實現(xiàn)。上位機通信功能模塊通信模塊結(jié)構(gòu)圖水質(zhì)檢測測試 通過表格中測量的原始數(shù)據(jù)，通過matlab進行編程仿真，得到以下結(jié)果在圖3中：綠色-光譜的預(yù)測估計值。藍色-光譜的測量值。由圖2可看出其中有兩個明顯的錯誤數(shù)據(jù)，除此之外，真實值與預(yù)測估計值變化基本一致，可看成近似相等，而測量值因受到量測噪聲影響而有所波動變化，不過取值在真實值的小范圍內(nèi)上下波動，對以后的預(yù)測估計影響較小。 圖3 220nm測量值及預(yù)測估計值隨時間變化的圖 2 220nm測量值及預(yù)測估計值隨時間變化的測試背景光譜差值測量值與估計值在圖4中：綠色-背景光譜的預(yù)測估計值。藍色-背景光譜的測量值。由圖3可看出，真實值與預(yù)測估計值變化基本一致，可看成近似相等，而測量值因受到量測噪聲影響而有所波動變化，不過取值在真實值的小范圍內(nèi)上下波動，對以后的