防彈衣生產(chǎn)線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)

嚴(yán)旭歷，朱凌云

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600）

用于防彈衣生產(chǎn)的三大材料之一的超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品生產(chǎn)線上的溫度控制系統(tǒng)目前是由鉑電阻溫度傳感器，溫度采集控制儀、加熱絲組成。鉑電阻輸出溫度模擬信號，控制表將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，與用戶設(shè)定的現(xiàn)場溫度比較，小于用戶設(shè)定的溫度則現(xiàn)場的加熱絲得電加熱，反之加熱絲失電不加熱，形成一個溫度控制閉環(huán)[1]。

此系統(tǒng)經(jīng)過長時間運(yùn)行之后存在一些問題：1）鉑電阻反饋的模擬信號到溫度采集儀的距離太遠(yuǎn)，信號衰弱嚴(yán)重；2）鉑電阻反饋的模擬信號與三相交流電源線一起布線，模擬信號線受到的干擾非常嚴(yán)重；3）現(xiàn)場每個溫控點(diǎn)都要走3根鉑電阻模擬信號線，若生產(chǎn)線的溫控點(diǎn)多的話，必然造成布線及施工難度大，線材浪費(fèi)嚴(yán)重，成本高。

因此目前的溫度控制系統(tǒng)存在控制效果不佳、成本高等劣勢。本文設(shè)計一種智能溫度控制系統(tǒng)，對產(chǎn)線環(huán)境改變不大的情況下，解決目前出現(xiàn)的問題，使溫度控制效果更好，系統(tǒng)更穩(wěn)定，成本更低。本設(shè)計方案采用的是數(shù)字量傳輸方式，首先在設(shè)備現(xiàn)場離鉑電阻最近的地方將鉑電阻反饋的模擬信號轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字信號，然后通過RS485將數(shù)字信號輸出到遠(yuǎn)處的溫度主控制器，主控制器將采集到的數(shù)量信號進(jìn)行計算并顯示到液晶屏人機(jī)界面上，用戶可以通過觸摸屏對現(xiàn)場的溫度進(jìn)行設(shè)定，控制器通過模糊PID算法計算后控制加熱設(shè)備。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計總方案

智能溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計采用工業(yè)上常見的現(xiàn)場AD采樣、RS485傳輸、LCD液晶觸摸屏控制顯示的設(shè)計方案。包括現(xiàn)場溫度的AD采集模塊、觸摸液晶屏主控模塊、數(shù)字量輸出控制模塊、電源控制模塊。硬件總體框架如圖1所示。

1.2 液晶觸摸屏主控模塊

液晶觸摸屏主控模塊采用Witium生產(chǎn)的WT-HMI70F人機(jī)界面，如圖2所示。

圖1 硬件總體框架Fig.1 Hardware overall framework

圖2 液晶觸摸屏主控模塊Fig.2 LCD touch screen master module

WT-HMI70F人機(jī)界面控制板處理器采用三星公司生產(chǎn)的ARM9內(nèi)核S3C2440，主頻達(dá)到400 MHz。此模塊為工業(yè)級產(chǎn)品，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EMC規(guī)范，前面板符合NEMA4的防護(hù)規(guī)定，具有一路RS232接口、一路RS485接口、一個USB接口、一路以太網(wǎng)接口。

本設(shè)計方案通過此人機(jī)界面模塊的RS485通信接口，采用MODBUS通信協(xié)議，接收現(xiàn)場傳輸過來的溫度數(shù)字量，經(jīng)過模糊PID運(yùn)算后顯示在液晶屏上，同時與用戶設(shè)定的溫度比較，然后通過RS485輸出去控制現(xiàn)場數(shù)字量輸出模塊。

1.3 數(shù)字量輸出控制模塊

數(shù)字量輸出控制模塊采用Witium生產(chǎn)的WT-ADC216F分布式模塊。WT-ADC216F模塊的處理器采用ST公司生產(chǎn)的COTEX-M3內(nèi)核STM32F103。該模塊具有八路繼電器輸出、一路RS485支持MODBUSRTU標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。該模塊為工業(yè)級產(chǎn)品，廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)字量輸出控制，如報警燈控制或大功率固態(tài)繼電器開關(guān)。

本方案通過WT-ADC216F模塊的RS485接口接收人機(jī)界面送來的控制信號，經(jīng)過本模塊的繼電器輸出控制大功率固態(tài)繼電器，從而控制現(xiàn)場380 V加熱絲的加熱狀態(tài)。

1.4 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊采用臺灣巨諾公司生產(chǎn)的雙回路AD模塊，此模塊專門用于鉑電阻溫度采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，廣泛應(yīng)用于工業(yè)場合。具有兩個模擬量（鉑電阻）輸入通道、一路RS485 Modbus RTU通信接口、16位高精度AD轉(zhuǎn)換、符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EMC規(guī)范。

本設(shè)計方案通過此AD模塊采集現(xiàn)場鉑電阻溫度模擬量，轉(zhuǎn)換成16位精度的數(shù)字量，通過RS485 MODBUS通信協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程控制柜的觸摸液晶屏主控模塊，進(jìn)行溫度采集及運(yùn)算。

2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)方案中軟件設(shè)計主要在觸摸液晶屏主控模塊內(nèi)，包括嵌入式WINCE操作系統(tǒng)、驅(qū)動及應(yīng)用程序，而應(yīng)用程序包括：圖形交互界面、RS485通信協(xié)議、模糊PID控制算法。

WinCE操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，適合本控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件框架圖Fig.3 System software framework

2.1 WINCE操作系統(tǒng)功能定制及驅(qū)動程序設(shè)計

WINCE操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序是基于底層的中間層，是對應(yīng)用程序?qū)犹峁┑囊粋€軟件開發(fā)平臺[2]。本方案WINCE操作系統(tǒng)定制及驅(qū)動程序設(shè)計是基于微軟提供的標(biāo)準(zhǔn)BSP包，然后根據(jù)觸摸液晶主控模塊的硬件需求修改及添加BSP包的內(nèi)容。其中設(shè)備驅(qū)動添加了RS485通信、液晶屏及觸摸屏驅(qū)動；配置文件修改了部分環(huán)境變量及.bib文件。

2.2 圖形交互界面程序的實現(xiàn)

圖形交互界面程序采用EVC進(jìn)行開發(fā)，EVC是WINCE操作系統(tǒng)開發(fā)圖形交互界面的集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)的圖形交互界面設(shè)計采用微軟的MFC框架，使用MFC及ATL庫提供的一組可重用通用類、繼承或間接派生類協(xié)肋開發(fā)，生成界面主體框架。圖形交互界面程序主要完成了4路溫度采集值顯示、用戶設(shè)定的4路溫度控制值、溫度數(shù)據(jù)歷史記錄保存及查詢、歷史記錄文件讀取、四路溫度控制實時曲線顯示、超溫報警燈顯示等。

2.3 RS485通信協(xié)議、模糊PID控制算法

本系統(tǒng)RS485通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUSRTU通信協(xié)議，其通用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。由于AD采集及數(shù)字量輸出模塊軟件已設(shè)計為MODBUS從機(jī)模式，因此觸摸液晶主控模塊的通信程序為主機(jī)模式，其通信指令主要有向從機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)、向從機(jī)輸出數(shù)字量控制信息等。

本系統(tǒng)的智能溫度控制體現(xiàn)在溫度模糊PID控制算法上。

本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場及控制對象為大爐溫度，該類型的被控對象會隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)控制效果的變化，用經(jīng)典法來預(yù)測PID會存在不可靠現(xiàn)象，系統(tǒng)工程師可以經(jīng)過一段時間到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)或?qū)懭虢?jīng)驗值，系統(tǒng)也可以定期自整定PID。但是這些方法都會產(chǎn)生高昂的維護(hù)費(fèi)用、同時也會打斷產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。因此本系統(tǒng)引入模糊PID控制算法，對經(jīng)典PID的3個系數(shù)加入模糊算法控制，從而對大爐溫度控制對象進(jìn)行模糊控制，解決因季節(jié)或環(huán)境變化導(dǎo)致控制效果不理想的問題。

一般增量式PID的經(jīng)典公式：

軟件實現(xiàn)：Kp*Error+Ki*SumError+Kd*dError

加入模糊控制之后，kp，ki，kd的值會隨著環(huán)境的變化而發(fā)生細(xì)微改變而非一成不變。

加入PID之前，控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是：1/（s2+23s）。

加入模糊算法之后的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Fuzzy PID control structure

現(xiàn)場溫度為控制對象，用戶設(shè)定的溫度值為控制系統(tǒng)給定值，AD采集模塊獲取的溫度值為控制系統(tǒng)反饋值，反饋值及給定值經(jīng)過系統(tǒng)的模糊PID控制算法運(yùn)算之后去控制現(xiàn)場加熱設(shè)備的狀態(tài)，從而控制溫度對象[3]。

本系統(tǒng)模糊PID控制算法根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同狀態(tài)及工程經(jīng)驗，結(jié)合 PID系統(tǒng)中 Kp，Kd，Ki三者系數(shù)的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計模糊整定參數(shù)。系統(tǒng)使用偏差值Error和Error_Change作為模糊判定的輸入， 語言取 {NB，NS，O，PS，PB}， 根據(jù) Error和Error_Change 整定 Kp，Ki，Kd的模糊值， 同樣取 {NB， NS，O，PS，PB}5個模糊值。然后建立模糊規(guī)則表，表1為Kd規(guī)則表，Ki，Kp模糊規(guī)則表與 Kp規(guī)則表類似[4-5]。

不同的控制系統(tǒng)對 PID的 3個系數(shù) Kp，Ki，Kd的模糊也不同，本系統(tǒng)希望控制對象溫度值能盡快恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，所以Kd系數(shù)的模糊尤為重要，設(shè)置的Kd對Error_Change特別敏感[6]。

學(xué)習(xí)開始了，老師手把手的叫我認(rèn)識薩克斯上的每個音符，告訴我嘴型怎樣咬住笛頭就可以發(fā)音，我認(rèn)真地聽著老師的講解，不放過每個細(xì)節(jié)。按照老師的方法試著吹，果然發(fā)出了渾厚響亮的音，心里一陣竊喜。一遍一遍地練了起來，我能連貫地吹出“哆，銳，咪……西”。老師向我點(diǎn)頭微笑起來，我心里的緊張頓時消失了許多，但心中絲毫不敢放松。按照老師的要求不斷地練習(xí)著。

以下是本系統(tǒng)的模糊PID控制算法軟件實現(xiàn)代碼：

typedef struct

表1 K d模糊規(guī)則表Tab.1 K d fuzzy rule table

{ DOUBLEError；

DOUBLE Error_Change；

DOUBLE Prop；

DOUBLE Inte；

DOUBLE Diff；

FUZZYPID GetPIDValue（FIS*fis， FUZZYPID fuzzpid）

{ DOUBLE**outputMatrix；

FUZZYPID fuzzpid_result=fuzzpid；

outputMatrix= （DOUBLE**）fisCreateMatrix （fis->in_n，fis->out_n， sizeof（DOUBLE））；

getFisOutput （（DOUBLE*）&fuzzpid， fis， （DOUBLE*）&fuzzpid_result.Prop）；

return fuzzpid_result；

}

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

本智能溫度控制系統(tǒng)在浙江某個防彈衣生產(chǎn)線上運(yùn)行，現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果的數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB運(yùn)算得到的系統(tǒng)控制效果圖及現(xiàn)場觸摸液晶主控屏的系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場調(diào)試效果圖Fig.5 Site commissioning effect

由左邊圖可以看出控制過程前期略有超調(diào)，但是對于系統(tǒng)是可接受的，因為生產(chǎn)線剛開始的時候需要預(yù)熱爐子?？刂七^程中測試人員加入一次擾動，可以看出系統(tǒng)不會因為擾動產(chǎn)生震蕩，而之前使用經(jīng)典PID測試的時候受到擾動后會產(chǎn)生震蕩。因此模糊PID控制算法可以解決防彈衣生產(chǎn)線上大爐溫度因季節(jié)或環(huán)境變化導(dǎo)致控制效果不理想的問題。

由右邊圖可看出本智能溫度控制系統(tǒng)的對大爐溫度對象的控制精度可以達(dá)到±0.1度。

4 結(jié)束語

通過本方案的設(shè)計及防彈衣生產(chǎn)線爐溫控制現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果分析，溫度控制的精度從原來的±1度提升到了±0.1度，很大程度提高了溫度控制效果；使用16位AD模擬量采集提高了溫度采集精度；使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)及控制，使得溫度反饋及輸出控制的時間大大縮短，穩(wěn)定性大幅度提高，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

[1]李人厚，秦世引.智能控制理論和方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[2]李大為.Windows CE工程實踐完全解析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]謝克明.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4]徐建林，陳超.模糊控制在熱處理電阻爐中的應(yīng)用研究[J].熱加工工藝，2002（5）：58-59.XU Jian-lin，CHEN Chao.The stuay of fuzzy control for the heat treatment electric-furnace[J].Hot Working Technology，2002（5）：58-59.

[5]Kovacic Z，Bogdan S，胡玉玲，等.模糊控制器設(shè)計理論與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]張健民.模糊控制在寶鋼1580加熱爐節(jié)能控制中的應(yīng)用研究[J].冶金自動化，2003（6）：7-9.ZHANGJian-min.Application research on fuzzy energy saving contro in Baosteel 1580 reheating furnace[J].Metallurgical Industry Automation，2003（6）：7-9.