基于现场总线的文丘里气体流量计研究

摘要

现场总线(Field Bus)是一种安装在过程区域内的数字通信技术，它实现现场设备、仪表、自动控制装置之间的双向、串行通信。它将单个分散的、数字化测量和控制设备作为网络节点，通过总线互联实现信息的交互，从而使不同网络、不同现场设备实现信息共享。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛适用于制造业、流程工业、电力、建材工业等领域的自动化控制。目前，PROFIBUS总线在水泥工业的自动化控制中已有大量的应用，构建了许多成功的现代全集成自动化控制系统(TIA)。基于PROFIBUS总线的TIA系统要求现场设备与仪表具有PROFIBUS通信功能。因此，传统仪表的通信技术改造和基于PROFIBUS标准的现场设备研发是我们面临的课题。 文丘里流量计是水泥工业中常用的气体流量测量仪表，传统的文丘里流量计没有PROFIBUS通讯功能。论文以传统的文丘里流量测量系统为基础，在不降低其测量精度的前提下，研究使其具有PROFIBUS-DP总线通信能力的实现方法；在此基础上，进一步研究相关控制算法和技术，使其具有面向简单对象的独立闭环控制功能。从而使文丘里流量计成为基于PROFIBUS的TIA系统的集检测、控制与通信为一体的智能化DP从站，以满足了现代水泥工业生产的要求。 论文对文丘里流量计的核心结构文丘里管进行了优化设计。首先对文丘里流量计的原理进行详细分析，建立了流量计的检测数学模型；以此为基础，提出了文丘里管结构设计的若干优化准则；论文以功能集成化流量计为研究目标，在深入分析PROFIBUS现场总线技术的基础上，研究了流量计控制系统的硬件系统实现形式；设计了基于89C52单片机的流量计控制系统，并以内嵌PROFIBUS通信协议的SPC3芯片实现单片机与总线主站的通信，系统简单、便于实现。 论文研究了流量计的基于参数自整定的PID控制算法及其计算机控制的实现方法；为提高从站的检测与控制的实时性和可靠性，将现场和网络管理、人机交互等事务性工作交给网络主站完成，而从站专心于底层检测与控制。在系统软件实现方面，采用自顶向下的模块化设计方法，将控制系统的每项独立功能编制成具有灵活接口形式的功能模块，使软件系统具有很好的开放性和可维护性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.1.1新型干法水泥生产自动化

1.1.2 Profibus现场总线国内外研究现状

1.1.3流量计量

1.2本课题研究的目的

1.3总体方案以及论文的主要工作

第2章文丘里流量计的基本原理及其设计

2.1文丘里流量计的基本原理

2.1.1非压缩性流体

2.1.2可压缩流体

2.1.3实际流体的流动与节流装置

2.2文丘里流量计设计

2.3本章小结

第3章PROFIBUS-DP智能化从站的硬件实现

3.1 PROFIBUS-DP总线技术

3.1.1 PROFIBUS总线技术概述

3.1.2 PROFIBUS-DP

3.1.3 PROFIBUS-DP通信协议及特点

3.2系统核心器件选取

3.2.1 PROFIBUS控制器Siemens PROFIBUS Controller 3(SPC3)

3.2.2信号调理电路部分

3.2.3 89C52单片机

3.2.4 CMOS逐次逼近型A/D转换器AD7574

3.2.5 8位D/A转换器DAC0832

3.2.6 RAM扩展电路

3.2.7总线驱动电路

3.2.8单片机与SPC3的连接

3.3本章小结

第4章控制算法及其实现

4.1增量式PID算法

4.2采样周期的选择

4.3 PID调节器参数整定

4.4本章小结

第5章系统软件设计

5.1系统软件设计概要

5.1.1 89C52的软件设计

5.1.2 SPC3的通讯软件设计

5.2 89C52智能软件实现

5.2.1 PlD算法程序设计

5.2.3输入输出子程序设计

5.2.4数字滤波

5.3 SPC3的通讯软件设计

5.3.1从站的初始化

5.3.2数据通信程序

5.4本章小结

第6章系统调试

6.1硬件调试

6.1.1单片机调试环境

6.1.2电路调试

6.2软件调试

第7章结论

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文