紡織廠空調(diào)智能控制系統(tǒng)的研究

裴素萍，吳必瑞，巫付專(zhuān)

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.寧德師范學(xué)院，福建 寧德352100）

在紡織產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)車(chē)間空氣的溫、濕度等參數(shù).如相對(duì)濕度波動(dòng)范圍不能超過(guò)±5%，溫度不能超過(guò)20～31℃范圍等，否則，將影響產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率.另一方面，空調(diào)設(shè)備又是紡織廠耗能大戶，大約占紡織廠總耗電的25%～30%，耗水量占全廠總水量的40%（夏季）［1］.由于不同季節(jié)、不同地區(qū)以及晝夜溫差等諸多因素的限制，很難建立一個(gè)確切的數(shù)學(xué)模型，以對(duì)紡織廠空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制.若要紡織廠空調(diào)系統(tǒng)很好地發(fā)揮作用，一定程度上依賴(lài)于空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確、靈敏的調(diào)節(jié)［2］.傳統(tǒng)的自控方法是通過(guò)儀器、儀表和調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制.這種控制方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是控制精度低且故障率較高，且對(duì)于非線性系統(tǒng)PID控制不太適合［3］.本文提出采用MSP430單片機(jī)作為下位機(jī)進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集，將溫、濕度數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線送至IPC，利用IPC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能執(zhí)行模糊控制算法，然后通過(guò)USS協(xié)議控制變頻器，使組合式空調(diào)機(jī)組在精度、節(jié)能、可靠性等方面具有以前儀器、儀表控制無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，從而滿足紡織廠車(chē)間空調(diào)精度的要求.

1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.利用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430采集車(chē)間的溫、濕度，將采集到的數(shù)據(jù)送至上位機(jī).本系統(tǒng)采用的MSP430F449運(yùn)用非常靈活，內(nèi)部集成LCD驅(qū)動(dòng)模塊和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）.這款單片機(jī)除具有正常工作模式外，同時(shí)還有5種低功耗的工作模式，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采集精度高，同時(shí)功耗較低.其采集的數(shù)據(jù)被送至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，采用模糊控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后利用485串行擴(kuò)展卡按USS協(xié)議輸出控制參數(shù)，控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)車(chē)間溫、濕度的目的.利用工控機(jī)作為上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)集中監(jiān)控紡織車(chē)間的溫、濕度以及進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)瀏覽等.

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)控制策略及軟件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)下位機(jī)（MSP430F449）的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，由主程序、中斷子程序組成，軟件流程如圖2所示.主程序主要完成系統(tǒng)初始化，中斷子程序完成A／D采集、濾波、顯示以及和上位機(jī)通信等功能.上位機(jī)監(jiān)控軟件采用VB6.0編程，利用VB6.0的MSComm通信控件與下位機(jī)進(jìn)行通信.上位機(jī)將接收到的下位機(jī)溫、濕度的數(shù)據(jù)首先存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)自整定PID和模糊控制子程序輸出控制結(jié)果，采用USS控制變頻器，達(dá)到調(diào)節(jié)紡織車(chē)間溫、濕度的目的.上位機(jī)控制流程如圖3所示.

圖2 下位機(jī)程序流程圖

2.1 系統(tǒng)的控制算法

圖3 上位機(jī)程序流程圖

在紡織產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)車(chē)間空氣的參數(shù)要求比較嚴(yán)格.由于不同季節(jié)、不同地區(qū)以及晝夜溫差等諸多因素的限制，很難建立一個(gè)確切的數(shù)學(xué)模型以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此傳統(tǒng)的控制方法很難對(duì)紡織廠空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制.而采用模糊控制算法，可以實(shí)現(xiàn)精確控制，此算法的控制規(guī)則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn).首先通過(guò)采樣得到被控量數(shù)值，將此數(shù)據(jù)值與給定的數(shù)值進(jìn)行比較后可得到一個(gè)誤差信號(hào)，將此誤差信號(hào)作為輸入量給模糊控制器，然后將誤差信號(hào)精確值模糊量化形成模糊量（該模糊量用模糊語(yǔ)言進(jìn)行表述），通過(guò)這種方法得到模糊語(yǔ)言集合子集，將此子集和模糊控制規(guī)則依據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，進(jìn)而得到模糊控制量.最后通過(guò)非模糊化處理，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行精確控制.精確后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換形成精確的模擬量給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制被控對(duì)象［6］，運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算后，可適時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)和回風(fēng)轉(zhuǎn)速以及新風(fēng)百葉窗的開(kāi)度，保證車(chē)間內(nèi)的溫度、濕度處于允許范圍內(nèi)，進(jìn)而降低空調(diào)耗能.控制原理如圖4所示.

圖4 控制原理圖

使用模糊控制器，要建立模糊控制表，并將模糊控制表通過(guò)程序編寫(xiě)入存儲(chǔ)器中，在線時(shí)通過(guò)查詢得到合適的PI參數(shù).采用傳統(tǒng)PI控制與模糊PI控制的效果對(duì)比如圖5所示.

從圖5可知，在模糊PI控制下，紡織車(chē)間溫度最大超調(diào)量為1.9℃ ，調(diào)節(jié)時(shí)間也低于常規(guī)PI調(diào)節(jié)所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間，通過(guò)模糊PI控制程序的應(yīng)用，溫度超調(diào)量減少了，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了.顯然，采用模糊PI調(diào)節(jié)所需調(diào)節(jié)時(shí)間較常規(guī)PI短，溫度超調(diào)量小，其調(diào)節(jié)效果優(yōu)于常規(guī)PI控制.

圖5 傳統(tǒng)PI控制與模糊PI控制對(duì)比圖

2.2 A／D溫度采集和顯示模塊

本系統(tǒng)采用鉑電阻傳感器和濕度傳感器HM1500分別采集紡織車(chē)間的溫、濕度，通過(guò)調(diào)理電路將這些數(shù)據(jù)送至MSP430F449單片機(jī)，其內(nèi)含一個(gè)12位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）.為了方便用戶現(xiàn)場(chǎng)觀察，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示功能.顯示器件采用LCD，MSP430F449內(nèi)部有一個(gè)160段液晶驅(qū)動(dòng)器，顯示緩存器的各位和液晶的段一一對(duì)應(yīng).存儲(chǔ)位置位點(diǎn)亮相應(yīng)液晶段，存儲(chǔ)位復(fù)位后液晶段就會(huì)變暗.段、公共極的輸出控制可以自動(dòng)地讀取顯示緩存器數(shù)據(jù)，并且將信號(hào)發(fā)送至液晶玻璃片上.

3 硬件電路的選型與設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器

溫度測(cè)量元件使用的是Pt100鉑電阻，它的線性度和精確度都較高，當(dāng)溫度為0～50℃時(shí)，輸出為恒流，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)送到A／D轉(zhuǎn)換接口.鉑電阻信號(hào)由橋路放大，變換為0.5～2.5 V電壓信號(hào).電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或者半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的.它的性能非常穩(wěn)定，而且測(cè)量精度高，當(dāng)進(jìn)行高精度范圍溫度測(cè)量時(shí)，常常被用作溫度傳感器［4］.其測(cè)量溫度范圍0℃～650℃，電阻R與溫度t關(guān)系式為：

式中：Rt是t℃時(shí)的電阻值；R0是0℃時(shí)的電阻值；a，b，c為修正系數(shù).當(dāng)鉑電阻溫度基準(zhǔn)系數(shù)TCR為0.003 851（1／℃）時(shí)，公式（1）中修正系數(shù)值見(jiàn)表1.

3.2 濕度傳感器

濕度傳感器使用線性電壓輸出式的集成式濕度傳感器HM1500.其主要特點(diǎn)為恒壓供電，并且內(nèi)置放大電路，可以將輸出和相對(duì)濕度形成一個(gè)比例關(guān)系為伏特級(jí)別的電壓信號(hào)，其響應(yīng)速度很快，并且重復(fù)性較好，抗污染能力強(qiáng)［5］.這是一個(gè)線性電壓輸出的濕度檢測(cè)模塊，還能直接和MSP430芯片進(jìn)行直接相接.可以用最小二乘法求得輸出電壓U0和相對(duì)濕度RH間的關(guān)系：

表1 修正系數(shù)值

3.3 輸出電路、通信擴(kuò)展及變頻器

控制量通過(guò)MSP430的I／O口輸出，控制百葉窗和水泵以及其他加熱設(shè)備.在控制過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，所以必須要考慮隔離的問(wèn)題.每一路的控制輸出電路的設(shè)計(jì)包含光電耦合隔離與驅(qū)動(dòng)2個(gè)部分.

變頻器選用西門(mén)子公司的MICROMASTER 430變頻器.它是風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器，性價(jià)比較高.IPC與西門(mén)子變頻器進(jìn)行通訊時(shí)，采用的是USS協(xié)議，USS協(xié)議是一種基于RS－485總線方式的通信協(xié)議.為實(shí)現(xiàn)其通信，需在IPC中擴(kuò)展485串行擴(kuò)展卡.本項(xiàng)目選擇的是MOXA CP－132串行擴(kuò)展卡.CP－132是一種適用于工業(yè)通訊環(huán)境的擴(kuò)展卡，具有RS422和485兩個(gè)串口卡，應(yīng)用于一對(duì)多點(diǎn)的環(huán)境中時(shí)，每一個(gè)串口均可控制多個(gè)設(shè)備數(shù)量，最多可達(dá)32個(gè).片卡無(wú)需額外編程，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和傳送.數(shù)據(jù)的完整性可以通過(guò)硬件流量控制和內(nèi)部終端電阻實(shí)現(xiàn).光電隔離和浪涌保護(hù)功能確保操作環(huán)境更安全可靠.

4 變頻器通信模塊

通過(guò)串口與西門(mén)子變頻器進(jìn)行通訊時(shí)，采用的是USS協(xié)議，該協(xié)議是一種所有傳動(dòng)產(chǎn)品通用的通訊協(xié)議，采用主－從結(jié)構(gòu)［7］.通信時(shí)，上位機(jī)作為主站向變頻器發(fā)送報(bào)文，變頻器作為從站對(duì)主站發(fā)來(lái)的報(bào)文進(jìn)行處理并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)返回相應(yīng)報(bào)文.USS協(xié)議是一種基于RS－485總線方式的通信協(xié)議，簡(jiǎn)單靈活，易于實(shí)現(xiàn).要完成IPC對(duì)變頻器的通信，首先要對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)置，通信流程如圖6所示.

圖6 通信流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著紡織業(yè)的快速發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)所占的成本不斷提高，空調(diào)自動(dòng)控制逐步提到議事日程，該控制技術(shù)在紡織行業(yè)中得到了推廣應(yīng)用.由于上位機(jī)采用了模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)定溫、濕度的快速逼近，提高了車(chē)間溫、濕度的控制精度，縮短了車(chē)間空氣狀態(tài)的反饋周期，同時(shí)具有可靠、可編程、操作方便等特點(diǎn)，且各項(xiàng)參數(shù)均滿足系統(tǒng)的要求.同時(shí)該系統(tǒng)利用485串行擴(kuò)展卡輸出參數(shù)控制變頻器，從而達(dá)到調(diào)節(jié)車(chē)間溫、濕度的目的.

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