工業(yè)電阻爐溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張文濤,曾 琳

(1.浙江外國語學(xué)院國際工商管理學(xué)院,浙江杭州310012;2.浙江農(nóng)林大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心,浙江臨安311300)

目前,我國電阻爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀是一小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存.占主導(dǎo)地位的是儀表控制,這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇,需要配置專門的儀表調(diào)試人員,費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不準(zhǔn)確,抗擾性與跟蹤性兩者很難兼顧.控制精度不高,且依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié),一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置.控制方式為簡單的P ID控制,參數(shù)一旦整定不能在線調(diào)整,不能滿足對不確定復(fù)雜工況(如電阻爐的裝爐量的不同等)的控制要求.操作不方便,控制數(shù)據(jù)無法保存[1-2].由于控制器老化有時(shí)失靈,只能靠現(xiàn)場操作人員手動關(guān)斷或接通電源來控制,工人的勞動強(qiáng)度大,出現(xiàn)“竄溫”現(xiàn)象,可能造成產(chǎn)品報(bào)廢.產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動強(qiáng)度大、勞動效率低,這些都影響了企業(yè)的效益.

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展,熱處理設(shè)備的控制精度越來越重要,而溫度對熱處理工件質(zhì)量具有重要影響,因此對現(xiàn)有的爐溫控制系統(tǒng)技術(shù)改造顯得尤為重要[3-4].集散式熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)采用一種新型的控制方法,結(jié)合上、下位機(jī),設(shè)計(jì)一套對溫度實(shí)時(shí)控制的集散式系統(tǒng).系統(tǒng)集智能控制技術(shù)、串行通信技術(shù)、面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)以及熱處理工藝技術(shù)于一體,有較好的控制和跟蹤性能,控溫精度高,在保證其它工藝的條件的情況下,提高了工件的質(zhì)量,降低了能耗,具有一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益.

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)如圖1所示由一臺上位機(jī)工作站、打印機(jī)、RS-485接口、以及多臺下位機(jī)(從機(jī))組成.為了達(dá)到分散控制、集中管理即集散式控制的要求,系統(tǒng)將PC機(jī)與多臺單片機(jī)(從機(jī))共同組成集散式智能溫度控制系統(tǒng).

系統(tǒng)操作員在PC上位機(jī)上進(jìn)行操作,在PC機(jī)的圖形監(jiān)控顯示屏幕下,可實(shí)施對整個系統(tǒng)和各個下位機(jī)模塊的監(jiān)控.上位機(jī)可以給下位機(jī)發(fā)送各種控制命令,也可以實(shí)時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù),并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,以實(shí)現(xiàn)集中管理和最優(yōu)控制.各下位機(jī)完成采樣及控制功能,并將工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī),以便上位機(jī)處理.

下位機(jī)主要包括主CPU部分、輸入通道、輸出通道、鍵盤和顯示部分.需要完成溫度的檢測、顯示和控制計(jì)算、輸出以及與上位機(jī)之間的通信,并且各個下位機(jī)在本地工作模式下,可以通過面板上的鍵盤完成工藝參數(shù)的設(shè)置,工藝曲線的固化等功能.而在遠(yuǎn)程工作模式,下位機(jī)從工藝參數(shù)的設(shè)置、工藝運(yùn)行的狀態(tài),到其運(yùn)作情況完全由PC上位機(jī)操作控制.系統(tǒng)下位機(jī)均采用FM240128A液晶作為顯示模塊,在控溫過程中,系統(tǒng)可在液晶屏上以圖形方式顯示實(shí)際工藝曲線,并顯示當(dāng)前實(shí)測溫度和運(yùn)行狀況,人機(jī)界面十分友好.

上位機(jī)通過串行通信接口與各臺下位機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)及命令的傳送與接收;在下位機(jī)工作過程中,上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)工藝參數(shù),并以不同的方式記錄和保存工藝數(shù)據(jù),顯示工藝曲線及下位機(jī)的工作狀態(tài)等,這樣為分析和比較溫控工藝提供了有效的手段,而且上位機(jī)通過發(fā)送控制命令和讀寫命令可實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制.

系統(tǒng)上、下位機(jī)間采用RS-485總線相連.RS-485總線以差分平衡方式傳輸信號.在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量復(fù)雜干擾信號條件下,差分平衡傳輸可有效地抑制共模干擾[5].在輸入端的共模輸入會有效地抵消傳輸過程中混入的干擾和噪聲,并且由于采用了平衡傳輸,也避免了上、下位機(jī)兩地現(xiàn)場地電位不同引起的“地線環(huán)流”問題,增大了傳輸距離.上位機(jī)和下位機(jī)依靠串行通信方式相互傳遞信息,通過地址取得相互聯(lián)系.由于各從機(jī)共享串行總線,為避免沖突,由主機(jī)輪流聯(lián)絡(luò)各從機(jī),而從機(jī)不能主動向主機(jī)或其它從機(jī)進(jìn)行聯(lián)絡(luò),即使有數(shù)據(jù)要上傳給主機(jī),也必須等待主機(jī)與它聯(lián)絡(luò)之后才能發(fā)送數(shù)據(jù),為了保證主機(jī)與所選擇的從機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠地通信,必須給每一個從機(jī)分配一個唯一的地址.

圖1 爐溫控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

整個系統(tǒng)最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是由系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)共同作用后完成的.比如要提高溫度檢測的精度,只采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器是不夠的,還需要好的抗干擾措施、精確度高的傳感器及軟件線性化處理等等.一般情況下,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到某個限度后,再提高一點(diǎn)點(diǎn)都是不容易的,為此可能付出幾倍的時(shí)間和經(jīng)費(fèi).經(jīng)分析溫控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,確定該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:

從機(jī)數(shù)量:＜20 測溫范圍:0～1100℃

測溫誤差:±0.4℃ 控溫誤差:±3℃

通訊距離:＜1500m

3 溫度控制原理

系統(tǒng)中各臺下位機(jī)均為獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng),該溫度控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示.

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理框圖

此系統(tǒng)為一閉環(huán)控制系統(tǒng).系統(tǒng)的輸出量y經(jīng)采樣放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量Y,與設(shè)定溫度R比較,得到溫差e=R-Y.把e送入控制器,運(yùn)用控制算法,求出控制量U,輸出通道將控制量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量,控制繼電器的動作,從而控制加熱閥開關(guān)時(shí)間的長短,使溫度達(dá)到設(shè)定值.

在熱處理工藝中,為了獲得較好的工件質(zhì)量,選擇最佳的溫度控制方案是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一,系統(tǒng)選擇了帶有純滯后補(bǔ)償?shù)脑隽渴絇 ID控制器進(jìn)行控制,并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線整定控制參數(shù),實(shí)驗(yàn)證明具有良好的跟蹤、控制效果[6].

4 系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各下位機(jī)需要完成溫度的采集、數(shù)據(jù)的處理、存儲及顯示、控制輸出、與上位機(jī)通信等功能.其硬件電路主要設(shè)計(jì)了主CPU模塊、輸入通道、輸出通道、鍵盤、顯示和串行通信等幾個模塊.總體框架如圖3所示.

圖3 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)總體框圖

從圖3可以看出下位機(jī)以89C52單片機(jī)為核心.系統(tǒng)工作時(shí),首先被測參數(shù)(溫度值)由熱電偶傳感器測定,得到毫伏電壓信號,經(jīng)過放大濾波后變?yōu)?～5V的電壓信號后,送到A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,其次將得到的數(shù)字信號送入單片機(jī)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.一方面,單片機(jī)把測定值與設(shè)定的期望溫度值進(jìn)行比較,得到偏差信號,然后根據(jù)預(yù)定的控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量,該控制量控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉,以便切斷或連通加熱設(shè)備,從而使溫度控制在設(shè)定值上.另一方面單片機(jī)把測定得到的數(shù)據(jù)送去液晶顯示接口顯示,并判斷是否有報(bào)警需要.與此同時(shí)單片機(jī)把測定得到的數(shù)據(jù),通過通信接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示、分析和處理.

5 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件功能:(1)定時(shí)采樣電阻爐內(nèi)的溫度值;(2)可通過串口給上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行數(shù)據(jù);(3)接收上位機(jī)P ID參數(shù),計(jì)算控制輸出,精確控制電阻爐內(nèi)溫度;(4)液晶顯示器顯示實(shí)測及理論溫度;(5)本地工作模式下,由下位機(jī)完成工藝參數(shù)的設(shè)置;(6)遠(yuǎn)程工作模式下,按接收到的上位機(jī)命令工作.

系統(tǒng)下位機(jī)由兩種工作模式構(gòu)成:本地工作模式和遠(yuǎn)程工作模式.其軟件功能模塊劃分如圖4所示.

圖4 下位機(jī)功能模塊圖

本地工作模式下,軟件的輸入模塊完成工藝參數(shù)的設(shè)置,并可把工藝參數(shù)固化到E2PROM中;工作模塊是下位機(jī)的核心部分,其中控制算法部分應(yīng)用了純滯后補(bǔ)償?shù)脑隽渴絇 ID實(shí)現(xiàn)溫度控制,P ID的三個參數(shù)由上位機(jī)在線整定,下位機(jī)在控制溫度的同時(shí)向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送工藝數(shù)據(jù),供上位機(jī)記錄、分析[7].在遠(yuǎn)程工作模式下,軟件采用查詢的方式訪問串口,按上位機(jī)發(fā)送的各種有效的命令來運(yùn)行.由于系統(tǒng)采用集散式控制,由上位機(jī)輪流聯(lián)絡(luò)各下位機(jī),因而各下位機(jī)每接收到上位機(jī)發(fā)送來的命令都要首先判斷是否發(fā)給自己的命令,若是則作出相應(yīng)的處理,若不是則將信息丟失.遠(yuǎn)程工作模式下本地鍵盤不起作用,各工藝的設(shè)置與修改由上位機(jī)發(fā)送,存入E2PROM,并由上位機(jī)發(fā)送控制命令.

6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的主要功能是對下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控,以及在監(jiān)控過程中對工藝運(yùn)行過程進(jìn)行分析處理,保證下位機(jī)的正常運(yùn)行.主要功能如下:(1)接收下位機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù);(2)實(shí)時(shí)整定P ID參數(shù);(3)顯示所選下位機(jī)的工作狀態(tài);(4)適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給下位機(jī)發(fā)送控制命令;(5)及時(shí)保存各下位機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù).其軟件功能模塊的劃分如圖5所示.

圖5 上位機(jī)功能模塊框圖

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為系統(tǒng)測試運(yùn)行時(shí),上位機(jī)控制屆面顯示的動態(tài)曲線跟蹤圖.

圖6 溫度動態(tài)曲線跟蹤圖

圖6顯示了整個工藝的運(yùn)行溫度曲線跟蹤情況,可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到很好的溫度控制效果,經(jīng)數(shù)據(jù)分析,在速率升溫及保溫段都達(dá)到了預(yù)期控制精度.

此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程兩種控制模式,具有很強(qiáng)的人機(jī)互動性,操作方便,溫控?cái)?shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行分析和保存,而且大大提高了控制精度.

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