LonWorks在生物制剂反应罐自动温度控制系统中的应用

    1999年7月，某生物制剂有限责任公司有一套反应罐自动温度控制系统项目需要进行研制开发，用户指定要求采用LonWorks技术并在北京、上海联系了几家LonWorks设备厂商进行方案设计和报价，我单位以系统方案合理、质量可靠、价格低赢得该项目。

    二． 系统构成：
    系统共有48个反应罐和3条冷媒管线自动恒压供液控制。系统总的输入点有268个，输出点有150个，总的系统网络通信变量有1800个。
    1．一类控制对象模块配置：
    一类控制对象有48个反应罐，采用MA2125控制模块，每个模块分别控制：
       PT100温度输入                        4点
       开关量输入（光电隔离）                  6点
       继电器输出（AC220V 1A，感性负载）       6点
    每个MA2125控制模块可控制2个反应罐。采用这种方式控制，可以大大降低总系统的造价。由于每个反应罐的测量控制点都集中在一个控制模块中，这样可以极大提高系统的可靠性和提高控制速度。
    2．二类控制对象模块配置：
    二类控制对象有3条冷媒管线自动恒压供液控制。
    采用MA2126控制模块，每个模块分别控制：
       PT100温度输入                       2点
       4～20mA电流输入                     3点
       4～20mA电流输出                     1点
       开关量输入（光电隔离）                 2点
       继电器输出（AC220V  1A，感性负载）     1点
    每个MA2126模块控制1条冷媒管线自动恒压供液控制。
    3．其它模块配置：
       MA2113 时钟模块                     1个
       MA2121  PC-LonWorks控制模块         2个
    4．系统满足下列技术条件要求：
    （1）各种工艺流程图画面显示切换，包含电机旋转、搅拌等状态变化，液体流动模拟显示。
    （2）系统工艺各项参数调整设置，标准工艺曲线设置、存储、调用。
    （3）各种历史曲线、实时曲线、数字显示。
    （4）各种曲线、事件查询。
    （5）各种生产数据、事件报表。
    （6）画面曲线、事件报表输出打印。
    （7）系统2台上位机双机热备份。
    （8）系统的数据和状态均可用MODEM远程拨号上网浏览。
    
    三．系统实现方案介绍：
    交通部上海船舶运输科学研究所于1998年研制成功了STI-VC2100MA系列控制模块，该模块是一种基于LonWorks控制技术系统的低成本、高性能的现场总线系统模块，能在高湿、高温、冲击、振动、腐蚀、强电磁干扰等恶劣的环境下工作，由该系列模块组成的STI-VC2100MA系统，符合中国船检局颁发的《钢质海船建造规范》以及军用标准《舰船自动控制规范》的要求，已通过中国船级社认证和劳氏船级社环境条件标准试验。系统主要环境运行条件和技术指标如下：
    工作温度范围：-25℃～＋70℃
    相对湿度：〈98％  55℃时
    振动：±1.0g
    电磁兼容性符合IEC801《电磁兼容性》的要求
    电源电压：直流18V～36V
A/D、D/A转换精度：0.5%
    STI-VC2100MA系列控制模块已通过中国船级社认证和劳氏船级社环境条件标准试验,以下是试验内容：
    （1） 电源变化试验。
    （2） 电源故障试验。
    （3） 耐电压试验。
    （4） 绝缘电阻测试。
    （5） 高温试验。
    （6） 湿热试验。
    （7） 振动试验。
    （8） 辐射电磁场干扰试验。
    （9） 电快速瞬变脉冲群试验。
    （10） 射频传导干扰试验。[page]
    在系统的开发实施过程中，遇到许多复杂问题，我们通过以下几点措施保证了系统的顺利实施。
    1． 我们采用以下方法设计了系统中的核心模块————LonWorks控制模块，该模块抗干扰性能好，已成功应用于船舶控制及工业现场控制，能够满足本系统的要求。
    （1） 严格按照LonMark互通协会的设计要求进行设计与布线。全部选用高质量低功耗的贴片元器件。
    （2） 根据摩托罗拉公司的建议我们采用6层板的PCB设计，电源层和地层分开，6层的电路板与2层电路板相比可大大减少电磁干扰（EMI），因为附加的层便于VCC去耦及更有效地进行逻辑的地保护。大大提高模块抗干扰能力。
    （3） 为保护在芯片上的EEPROM，使得当VDD低于工作电压时不至逻辑混乱，我们采用低电压指示（LVI）芯片保护EEPROM。选用了ECHELON推荐的DS1233贴片设计（ECHELON公司的LonWorks产品中全部采用DS1233）。
    （4） 与ECHELON的FTT控制模块（Model 55020-10）全兼容，但ECHELON的控制模块只有内置2K RAM，编制较大规模程序时可能出现内存不够。因此我们在LonControl控制模块中增加了26K的外部RAM，这样一来用户就可以增大LonWorks通信中的发送和接收缓冲区，大大提高实时通信效率。也便于用户编写大型C程序。
    （5） 在模块中增加了SERVICE指示灯和SERVICE按钮，便于用户下载程序和直观地显示运行状态。
    （6） 由于原来的模块只有11个IO，IO脚太少。我们利用原模块中的3个空脚，扩展了输出的3个IO，开放给用户使用。
    2． 设计了一块PC机上的LonWorks PC接口卡，该接口卡采用双端口RAM技术使得LonWorks的3150和PC机进行数据交换，PC机上影射一块3150的内存，进行通信网络变量的数据交换，采用这种方式，数据交换速度非常快，而且编程方便。该接口卡无需驱动程序，在WINDOWS98下利用VB或VC直接进行内存读写。
    3． 该系统上位机经初步统计变量有3700多个，如此多的变量采用LonWorks的网络变量进行数据传输将是勉为其难。我们经过研究，决定采用LonWorks的显形报文通信格式进行数据通信，这样一来可以不用LonMaker和LNS DDE，一方面降低了系统成本，另一方面更换模块时不需要进行LomMaker网络变量的安装，便于用户维修更换。具体实施办法为每个控制模块都设置了一个唯一的地址码开关，程序上电运行时将这个地址码设置成为控制模块的机号。如果维修时需要更换控制模块，将新模块的地址设置成要更换模块相同的地址即可以直接替换。
    4． 在上位机上利用原来的标准DDE程序进行数据通信时我们发现交换速度太慢，通过对DDE程序的深入研究，我们改进了DDE交换数据过程，采用了快速DDE算法程序，提高了数据的交换速度，该系统的所有通信数据均在1秒钟内更新完毕。
    5． 控制模块元器件选用进口工业级微功耗表面贴片器件，功耗很低，系统工作时不会发热。接插件选用德国公司的产品。结构简单，模块为可插拔DIN结构，维护极为方便。电源线、通信线无极性，可以随意接。
    
    四． 结论：
    目前该系统已经提交给用户，在提交过程中，用户采用了多种干扰方法对系统进行干扰，系统从来没有出现过死机、离线的现象，比用户以前曾经用过的LonWorks产品相比系统的可靠性有大大提高。
    针对我国国产船舶监控产品设计手段落后，生产加工工艺差导致监控产品故障率居高不下（工艺差是目前我国监控产品故障率高的最主要原因）的现状。我国通过世界银行投资在我所成立了国家级的船舶运输控制工程中心，严格遵照国际ISO9001标准（我所通过了ISO9001质量体系认证），解决科研成果产品化问题。从电子电路及印刷电路板设计自动化（EDA），印刷电路板的自动焊接及测试（SMT），机械设计（CAD）和机械加工（CAM）到油漆喷涂等引进了一整套国外最先进的设计与制造自动化设备。
    STI-VC2100MA系统的电路设计就采用了工程中心的EDA设备，保证了电路设计的合理性、电气性能的稳定性和抗干扰的能力。印刷电路板的焊接，采用工程中心表面贴装设备自动焊接，根除了由于虚焊等工艺问题造成的设备故障。控制台采用工程中心的CAD/CAM进行加工制造，解决了控制台的设计与加工工艺问题。因此STI-VC2100MA系统的加工工艺水平在国内是独一无二的，具有很高的可靠性。
    STI–VC2100MA测控系统有以下通用模块：
    MA2101   8通道三线制铂电阻或电压输入模块        
    MA2102   16通道热电偶或电压输入模块             
    MA2103   16通道电流或电压输入模块               
    MA2104   32通道开关量输入模块                   
    MA2106   8通道开关量输入和8通道继电器输出      
    MA2107   16通道开关量输出                       
    MA2110   4通道A/D输入和4路D/A输出            
    MA2111   80点报警指示                           
    MA2113   网络母钟                               
    MA2150   32路OC门输出                          
    以下为STI-VC2100MA系统在国内控制系统中的应用业绩：
    ★ 中海公司“定安海”轮STI-VC2100货油舱监控管理系统。
    ★ 烟台3200KW海拖机舱微机监测系统。
    ★ 中远香港公司“领先轮”主机监控报警系统。
    ★ 上海海运学院仿真所烟火监控报警系统。
    ★ 上海新奥托公司数据采集控制系统。
    ★ 生物制剂厂反应罐自动温度控制系统。

    单位：     交通部上海船舶运输科学研究所
    通信地址： 上海民生路600号船舶研究所（200134）
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    Email:     wlxw@iname.com

    参考资料：

    《MOTOROLA LonWorks Technology Device Data》