总线智能仪表温度控制系统设计.pdf

A R T I F I C I A LI N T E L I I G E N C EA N DI D E N T I F I C A T I O NT E C H N I Q U E S人工智能及识别技术 总线智能仪表温度控制系统设计 林文1 ，麦军z 。王志军2 ( 1 中国广州分析测试中心，广州5 1 0 0 7 0 ；2 秦皇岛玻璃工业研究设计院，秦皇岛0 6 6 0 0 1 ) 摘要：随着总线智能仪表技术的不断发展，智能化数字仪表功能和应用日益广泛。本系统是基于C P L D 和 A T 8 9 S 5 2 单片机设计采用专家P I D 控制的总线型温度控制系统。系统具有稳定度高、精度高和抗干扰能力强的优 点，并且可以在工业生产过程中进行实时监控，具有将监控数据远程传输给控制终端的能力。应用实践证明，系统 各方面均较为完善。具有很好的应用意义和市场价值。 关键词：温度控制；C P L D ；P I D 控制；智能模糊算法 D e s i g no f B u sT e m p e r a t u r eC o n t r o lS y s t e mf o rI n t e l l i g e n tI n s t r u m e n t 珊W e a l - 心J 督W A N G 压归 ( 1 O f i n aN a t i o n a lA n a l y t i c a lC e n t e r ，G u a n g z h o u5 1 0 0 7 0 ； 2 Q i n h u a n g d a oG l a s sI n d u s t r yR e s e a r c h D e s i g nI n s t i t u e Q i n h u a n g d a o5 1 0 0 7 0 ) A b s t r a c t ：A st h eb u st e c h n o l o g yf o ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc o n t i n u e st oe v o l v e ，m ef u n c t i o n ga n da p p l i c a t i o nf o ri n t e l l i g e n t d 酶t a li n s t r u m e n t sa r ew i d e l yd e v e l o p e d T h es y s t e mi sb a s e do nt h eC P L Da n dM C UA T 8 9 S 5 2e x p e r tP I Dc o n t r o ld e s i g n u s i n gb u s - b a s e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m S y s t e mh a sh i s hs t a b i l i t y h i s ha c c u r a c ya n ds t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e a d v a n t a g e s ，a n dc a nb e u s e d i ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s si n r e a l t i m em o n i t o r i n g , w i t ht h er e m o t ec o n t r o ld a t a t r a n s m i s s i o nt ot h ec o n t r o lt e r m i n a lc a p a c i t y T h r o u s ht h ep r a c t i e Ma p p l i c a t i o n ，a l la s p e c t sw e r eb e t t e ra n dh a sag o o d A p p l i c a t i o no fS i g n i f i c a n c ea n dm a r k e tv a l u e K e yw o r d s ：T e m p e r a t u r eC o n t r o l ；C P L D ；P I DC o n t r o l ；I n t e l l i g e n tF u z z yA l g o r i t h m 1 温控系统现状 随着现代科学技术的迅速发展及工业控制中自动化要求 的提高，对现场检测控制仪表的智能化程度的要求也越来越 高，并且要求仪表具备较强的远距离通信的功能，智能仪表逐渐 向数字化、网络化和智能化方向发展。在现代工业生产作业 中，温度控制是各种工业生产过程中的重要因素。尤其是在 钢铁、食品、化工、冶炼等行业的生产过程中。更加需要严 密的温度控制系统。而且在这样的系统中通常是需要监测和 控制多个温度参数并且需要将数据远程传输到控制终端。 在以往的温度控制系统中，通常有以下的不足和缺陷： 系统精确度不够，只能检测单个温度参数；温度控制仪表中 检测使用电压较低，不能直接应用于控制的对象系统。 基于以上的考虑。在设计系统的过程中增加了相应的功 能，以便提高系统对整体效率和性能。系统采用A T 8 9 S 5 2 为 核心控制器，利用A D 转换器和模糊智能算法实现四路温度 监测和控制功能，并能通过远程通信传输到控制终端。 2 系统设计 系统主要组成模块：A T 8 9 S 5 2 单片机、C P L D 、信号输入、 信号输出以及串口通信，如图l 所示。 单片机电路：采集键盘的输入信号、串行端口的传输信 号、液晶屏幕的显示信号、过零检测信号处理。 C P L D 模块：产生P W M 控制信号，利用P W M 输出的控 制信号来控制加热器件的工作状态。 功率控制电路模块：采用可控硅输出光耦的耦合形式， 利用关断与导通的时间比值作为参数调节器件的功率。芯片 采用M O C 3 0 8 1 是零触发双向可控硅模式芯片。这种设计方 式可以减少后续功能器件对前端器件模块稳定性的影响。 图1 系统框架结构图 智能模糊算法：设定温度值，将监测到的温度数值与之 比较，进而得到控制量参数数值。通过对监测仪表内的单片 机编制P I D 算法，实现数据量的输出。输出的数据量在C P L D 内产生定时器数据，利用占空比方波，控制可控硅导通与否， 进而控制发热器件。在这个过程中，采用了四路定时器方式， 可以控制四路通道，实现多通道检测的目的。 3 层状结构 随着多变量、智能化、具有各种附加功能的智能设备不 断的应用过程控制系统，在信号采集过程中，要求不仅能采 作者简介：林文( 1 9 6 8 一) ，女，工程师，研究方向：仪器设 备研究开发。 收稿日期：2 0 1 0 - 0 6 1 6 9 7 - 万方数据 电脑编程技巧与维护 集所需的工作过程测鼍的信息，同时也要采集设备自身的管 理信息、错误诊断信息等附加信息。这就要求在进行系统设 计时要充分考虑各种信息采集的要求，综合各项技术指标， 合理利用资源，设计出完善的功能系统。 主要包括设备层和控制层。 设备层：通过分析实际设备的工作特性和控制参数要求 确定控制模式，将分析的控制过程和设备特性的详细信息建 立实际模型，根据设计的模型模块要求设计系统需求方案， 将方案保存，以合理配置智能仪器仪表。 现场控制层：主要包括单片机控制器、C P L D 、串口通信 模块、传感器模块、温控调节执行器等功能模块。通过合理 选择配置相应功能模块的芯片，连接被控器件和上位机。向 上连接优化控制层的P c ，发送控制数据信息；向下连接被控 器件，如加热其间模块，控制其进行温度调节。 对于采集到的各节点设备状态、信号参数采用数字信号 进行处理和传输，一方面提高其精确度，减少干扰；另一方 面可以在一条总线上传输多路数据信息，实现多功能控制， 降低控制成本。选用合适的芯片降低外围电路的复杂度，简 化系统结构，减少信号噪声干扰。 按照设计流程，分别考虑温控过程和中的各项可能影响 因素，采用分层设计的方法，采用A T 8 9 S 5 2 、M O C 3 0 8 1 和 M A X 7 0 0 0 系列芯片，利用P W M 脉冲方式实现温度检测和调 节控制。实现传感器和主控机的连接，能够较稳定地控制温 度平衡，提高了系统反应速度和稳定性。 4 P I D 功能模块 在工业控制中。温度系统由于其惯性大、滞后性强的原 因。虽然普通P I D 系统具有调节稳定、安全性能好，但由于 其响应缓慢、响应时间过长和响应滞后的原因可能会出现调 节时间过长甚至调节过量的情况，这样的情况不仅不能达到 生产要求的稳定温度环境，甚至还会破坏的原本稳定的温度 状态，进而对整个生产过程造成影响。 对于这样的问题的存在，在设计系统时采用如下解决方 案，即将温度控制分为两个过程，分别是温度不稳定范围变 化较大的状态、温度稳定变化范围较小的状态。在温度变化 较大时采用模糊控制的方式进行控制；在温度变化稳定时采 用P I D 控制。实际测量结果表明，通过将l a i d 模块控制和智 能模糊控制结合的形式达到了很好的温度监测和控制效果， 使温度波动限制在1 以内。 系统采用L A Z a d h 的智能模糊算法，采用双输入一单输出 的模型，输入分别为温度偏差和温度偏差变化率，输出为控 制可控硅的参数直接控制可控硅。具体的做法是：通过设定 控制系统的两个参数：输入温度偏差和温度偏差变化率，依据 这两个参数求出其隶属度；按照控制规则状态计算出相对应 的加热元器件控制规则，确定温度偏差和温度偏差变化率的 最低范围；通过输出控制量的模糊变量求出控制量的模糊控 制集；在此基础上，通过重心法则，进行模糊判决，得出控 制量；按照得到的控制量表格来做出控制规则表。整个过程 就是通过模糊算法来实现控制温度元件工作的过程。 一9 8 一 在整个过程中。模糊控制法发挥着重要的作用，不仅可以 加快响应速度，而且对系统对超调具有相当程度的抑制作用。 5C P L D 功能 由于系统的计算机数据较大，需要的响应速度较快，为 了避免单片机工作负荷过大的情况，在本系统的设计中，使 用了单片机和C P L D 联合工作的方式，采用M A X 7 0 0 0 系列的 核心控制芯片。该芯片集成有D A 数模转换芯片，相比较而 言集成度高，封闭性好。与外置外围电路相比较，具有抗干 扰能力强的特点。 P W M 波形的产生采用计数器法实现。 高频时钟信号C L K 经脉冲序列发生器产生2 n d 个互差半 个周期且频率均为2 n d ·f p w m 的脉冲信号，这样可以使得 P W M 在一个输出周期内有2 n d ·2 n c ( 1 P2 n ) 个块，通过n c 位 计数器利用Q2 n d 一1 得到c n t 【n c l ：0 。进行c n t 与n c 的比 较，若相等输出高电平，若不相等输出低电平，实现对复位 信号R e s e t 的控制；与此同时，e n t 与地端( n c 个低电平) 进 行比较，若相等产生高电平，如不相等不相等则产生低电平， 实现对置位信号S e t 的控制。 通过这样的控制方式，一个开关周期内：在起始时刻， 触发器R s 置位，P W M 信号输出为l ，在高位部分n c 信号 与计数器输出端输出e n t 信号相等时，系统由根据n d 设定的 十进制选择的脉冲信号出现高电平时。触发器复位，P W M 输 出电平由高转为低，即l 变为0 ，这样就完成了脉冲序 列的脉宽调制。整个过程中，只需要对参数n d 进行更改，便 可以产生出适合具体系统需要的脉冲信号宽度。 具体公式如下： D = 1 2n 注释：P W M 电路占空比数据的1 1 的位宽与P W M 输出信 号占空比精度的关系。 D = V a l u e M 注释：P W M 输出信号占空比。 f c l k = 2 n r p w m 注释：时钟信号频率f o l k 与r p w m 的关系，f p w m 为P W M 输出信号频率。 6应用程序 在实际的系统工作过程中，对温度信号进行采集和分析 最终的目的是调节控制对象的功率。调节方式可以采用两种： 对电压进行调节；对功率进行调节。 而功率的调剂是依靠调节控制对象的交流电压来实现。 故而在温度调节就是对控制对象的交流电压进行调节。交流 调压是指频率不变，对交流电压幅值做变换。相对于交流调 功的方式而言，负载的交流电压有效值平稳，对温度稳定比 较有利。交流电频率基本为5 0 H z ，在进行交流调压的过程中， 需要利用交流过零信号，正弦波的交流电在一个周期内有两 个过零时刻，过零脉冲信号的频率为1 0 0 H z ，周期为1 0 m s 。 基于以上数字，在进行控制对象上的交流电压幅值的过 程中，需要在过零脉冲信号的周期内，即在相应的1 0 m s 内控 制可控硅的通断占空比。这个一部分通过单片机的计数器来 万方数据 A R T I F I C I A l 。I N T E L L I G E N C EA N DI D E N T I F I C A T I O NT E C H N I Q U E S人工智能及识别技术 实现，对单片机计数器赋初值，一旦有交流过零信号被检测 到时，计数器开始工作，当计数器计满溢出时产生的溢出中 断将可控硅接通。通过这样的方式便可以在不改变交流电频 率的情况下实现调节可控硅的占空比来调节电压，进而实现 调节温度。而占空比的调节仅仅依靠设定单片机的计数器初 始值就可以实现，如图2 所示。 气髋 交流信号 UUU 过零信号 臣口口口 n - I 控硅输出信号 址 调压输出信号 图2 过零检测及可控硅输出的波形图 7 结语 在综合使用P I D 和智能模糊算法的基础上，采用单片机 和C P L D 协同工作的模式，依据实际工程需要，设计了总线温 度控制系统，系统经过实际应用，性能稳定，可靠性较高。 参考文献 【l 】刘小强，粟梅基于C A N 总线的数据采集处理系统的设计 叨仪表技术与传感器，2 0 0 6 ，( 9 ) 【2 】王文华智能仪表的接口设计【J 】国外电子元器件， 2 0 0 6 ，( 3 ) ：9 - 11 【3 】李正军现场总线及其应用技术机械工业出版社 【4 】阳宪惠工业数据通信与通信网络清华大学出版社 4 珏蟑萨且4 哆蛐_ 曲4 啦d 哆4 够蟑掣B 乎哆廿d 淖睁蚺辨4 蛘够谆曲曲哆乎哆淖哆水B 斗哆B 蚌叫 柚叫哪寸矗诤蚌4 珏”0 蚌哆水哆曲谆畸守口蟑4 曲”罅蚌班睁n 蛐掣归4 哆掣B 雌哆哆谆廿蚌t I 哆 ( 上接第8 2 页) p u b f i ca s p e c tS e r v e r l o g p u b i cv o i dS e n d N l e s s a g e ( S M n gm e s s a g e ) S e r v e r l o g S e n d M e s s a g e ( m e s s a g e ) ； ，截获所有方法的执行 p o i n t c u tp u b l i c M e t h o d ：e x e c u t i o n ( p u b l i c + o r g a p a c h e S e v e r a d i o n 事( ) ) ： p o i n t c u tI o g C a l l s0 ：e x e c u t i o n ( L o g g e r 4 ( ) ) ： 腚义通知，给出调用方法前后应执行的日志记录操作 b e f o r e 0 ：I o g C a U s0 S e n d M e s s a g e ( “b e g i nm e t h o d ：+ t h i s J o i n P o i n t g e t S i g n a t u r e0 g e t N a r n e0 ) ： A f f e r0 ：p u b l l c M e t h o d s0 S e n d M e s s a g eC e n dm e t h o d ：”+ t h i s J o i n P o i n t g e t S i g - n a t u r e0 g e t N a m e0 ) ： l 此S e r v e f l o g 方面定义了2 个切入点来自动捕捉o r g a - p a c h e z e v e m e t i o n 包的所有调用，并形成日志记录。这段代码 的功能是通过定义了这样一个完整的a s p e c t ，当系统调用o r g a p a c h e s e v e r a c t i o n 的相关方法时，就触发了p o i n t c u t 。然后调 用相应的a d v i c e 逻辑。由上可知，采用基于面向方面编程的 日志管理开发。结构清晰，易于维护。 3 2W e b 系统的登录检查 下面再次用A s p e c t J 定义一个名字为L o g i n C h e c k A O P 的方 面实现登录检查功能，代码如下： p u b l i ca s p e c tL o g i n C h e c k A O P p o i n t c u tl o g i n C h e c k ( H t t p S e r v l e t R e q u e s tr e q ，H t t p S e r v l e t R e - s p o n s er e s p ) ：( e x e c u t i o n ( v o i dA c t i o n d o P o s t ( H t t p S e r v l e t R e - q u e s t ，H t t p S e r v l e t R e s p o n s e ) ) ) & & a r g s ( r e q ，m s p ) ； p u b f i cb e f o r e ( H t t p S e r v l e t R e q u e s tr e q ，H t t p S e r v l e t R e s p o n s r e s p ) ：l o g i n C h e c k ( r e q ，r e s p ) H t t p S e s s i o ns e s s i o n = r e q u e s t g e t S e s s i o n0 ； i f ( s e s s i o n g e t A t t r i b u t e ( ”u s e r ”) 一- - - - - - - - n u l l ) r e q u e s t g e t R e q u e s t D i s p a t c h e r ( ”l o g i n j s p ”) f o r w a r d ( r e q ， r e s v ) ； J J l 通过测试。A s p e c t J 的编译器通过名字匹配自动把登录检 查功能的代码插入到需要的地方，这样只需要在一个地方放 置所有需要用于检查的功能代码，在任何需要的地方登录检 查，可以消除人为的错误，并且可以被应用和升级。 基于这种面向方面编程模式的W e b 系统与传统的纯O O P 模式的W e b 系统相比有了很大的改进，但作为一种新的编程 模式，仍然处在不断发展和完善之中，面向方面编程在理论 和实践应用方面都有待进一步的探讨。 4 结语 对面向方面编程在W e b 系统中的应用做了初步的探讨， 介绍了面向方面编程的主要概念横切面、切人点、方面等， 探讨了面向方面编程在w e b 系统的应用，面向方面编程技术 在W e b 开发上的应用并不能取代传统的编程技术，但是它能 够弥补传统编程技术上的不足，和传统编程技术相辅相成。 本文对为面向方面编程的探讨，期望能为面向方面编程技术 的发展提供有益的参考。 参考文献 【1 】G r a d ，B o o h c ，冯博琴，等面向对象分析与设计 明北 京机械工业出版社，2 0 0 3 【2 】王学龙，卫红春面向方面编程及其应用现状的研究【J 】 微电子学与计机，2 0 0 5 ，2 2 ( 1 1 ) ：1 8 7 【3 】M G r i s s ，I m p l e m e n t i n gP r o d u c t - L i n eF e a t u r e sb yC o m p o s i n g A s p e c t s ，I nS o f t w a r eP r o d u c tL i n e s ，P D o n o h o e ( E d ) ， K l u w e rA c a d e m i cP u b l i s h e r s ，2 0 0 0 ：2 7 1 - 2 8 8 【4 】凌晨，陈芳莉面向方面程序设计技术【J 】计算机系统 应用，2 0 0 6 ，( 2 ) ：3 4 9 9 万方数据