索 猛,羅益民
(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,江蘇南京 210009)
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為保證生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行,需要用循環(huán)冷卻水對(duì)設(shè)備進(jìn)行冷卻,但冷卻水長(zhǎng)期循環(huán)使用后,必然會(huì)帶來(lái)沉積物附著、金屬腐蝕和微生物滋生問(wèn)題,從而影響工業(yè)生產(chǎn)[1]。因此,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)循環(huán)冷卻水水質(zhì),以及提高循環(huán)冷卻水的水質(zhì)狀況顯得非常重要。目前,對(duì)循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)腐蝕和結(jié)垢傾向的監(jiān)測(cè),循環(huán)冷卻水腐蝕和結(jié)垢是導(dǎo)致冷換設(shè)備損壞和影響換熱效率的主要原因。因此提高循環(huán)水系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制水平,使得水質(zhì)指標(biāo)測(cè)量更準(zhǔn)確、高效,藥劑能最大限度地發(fā)揮它們的效果,同時(shí)做到節(jié)能降耗、減小排污量、降低排污帶來(lái)的環(huán)境污染是當(dāng)前循環(huán)水處理中所面臨的主要問(wèn)題。能夠開發(fā)出新型的、切實(shí)合理有效的循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)顯得更加重要[2-6]。
文中以某循環(huán)水水處理控制系統(tǒng)為應(yīng)用背景,在已有的循環(huán)水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)其控制方案進(jìn)行了改進(jìn),提出了以基于STM32控制核心,過(guò)程控制板,現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案替代了原來(lái)的IPC,PLC和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的控制方案,以μC/OS+μC/GUI替代原來(lái)的WINDOWXP+組態(tài)王的軟件平臺(tái)。研制循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備,完成對(duì)pH、電導(dǎo)率、溫度、ORP、濁度的在線監(jiān)測(cè)。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分采用STM32控制單元,STM32控制單元主要負(fù)責(zé)采集溶解氧分析儀、pH 分析儀、電導(dǎo)率傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器等水質(zhì)分析設(shè)備的模擬量數(shù)據(jù)分析。
控制系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片為控制核心,STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。STM32F103ZET6,最高工作頻率72 MHz,1.25 DMIPS/ MHz.單周期乘法和硬件除法。片上集成32~512 KB的Flash存儲(chǔ)器。6~64 KB的SRAM存儲(chǔ)器。時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理:2.0~3.6 V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測(cè)器(PVD)。4~16 MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8 MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時(shí)鐘的PLL.帶校準(zhǔn)用于RTC的32 kHz的晶振。3種低功耗模式:休眠、停止、待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT.將眾多循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)集中到一套系統(tǒng)中,對(duì)多參數(shù)的循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研制,選取合適的微處理器,配合相應(yīng)的外圍電路,完成信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換,參數(shù)顯示。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖 1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控硬件框圖
對(duì)于循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),首先必須選擇合適的循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的WQ 系列的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器作為循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端。該系列傳感器無(wú)論在精度、重復(fù)性方面都很優(yōu)秀,具有很好的響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定性,而且輸出信號(hào)具有良好的線性。下面將介紹所選擇的pH、電導(dǎo)率、溫度、ORP、濁度5種循環(huán)水常規(guī)參數(shù)檢測(cè)傳感器的原理及其特點(diǎn)。在系統(tǒng)中選用的5項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)傳感器的原理各不相同,為了便于STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路,將這些非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的0~5 V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中,采用LM358型集成運(yùn)算放大器構(gòu)成前后兩級(jí)放大電路,前級(jí)為同相放大電路,后級(jí)為差分放大電路,通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)理電路中的有關(guān)電位器,實(shí)現(xiàn)了由各種傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)向標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的轉(zhuǎn)變,同時(shí)也達(dá)到了各項(xiàng)化學(xué)或物理參數(shù)量程調(diào)零與調(diào)滿的目的。信號(hào)調(diào)理電路是由同相放大電路和差分放大電路構(gòu)成的前后兩級(jí)放大電路。
系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法,首先設(shè)計(jì)好系統(tǒng)總的軟件流程,然后分別將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試,所有模塊調(diào)試成功以后,將各個(gè)模塊聯(lián)調(diào),最后組合構(gòu)成整體軟件系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由2部分組成:系統(tǒng)主程序、任務(wù)子程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度,任務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能。主程序在完成系統(tǒng)初始化后,按流程選擇執(zhí)行各子模塊程序,完成系統(tǒng)控制任務(wù)。系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分,分別是嵌入式μC/OS-III 操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序軟件,其中液晶屏的顯示界面基于μC/GUI 設(shè)計(jì)。圖2為控制系統(tǒng)的軟件流程圖。
圖2 控制系統(tǒng)的軟件流程圖
μC/OS-Ⅲ是一個(gè)可擴(kuò)展的、可固化的、搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核,它管理的任務(wù)個(gè)數(shù)不受限制。它是第三代內(nèi)核,提供了現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所期望的所有功能,包括資源管理、同步、內(nèi)部任務(wù)交流等。μC/OS-III 也提供了很多在其他實(shí)時(shí)內(nèi)核中所沒有的特性。比如能在運(yùn)行時(shí)測(cè)量運(yùn)行性能,直接發(fā)送信號(hào)或消息給任務(wù),任務(wù)能同時(shí)等待多個(gè)信號(hào)量和消息隊(duì)列。
μC/GUI是一種專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形界面支持系統(tǒng)。它的代碼全部由標(biāo)準(zhǔn)C編寫模塊化的設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的可移植性。μC/GUI 適應(yīng)大多數(shù)的黑白或彩色LCD 的應(yīng)用,還提供一個(gè)可擴(kuò)展的2D 圖形庫(kù)及占用極少RAM 的窗口管理體系[7]。該系統(tǒng)是基于Cortex-M3 內(nèi)核的stm32f103ret6微處理器。選用的是μC/GUI3.90a 版本,LCD是RA8875控制的4.3寸彩色液晶顯示觸摸屏(1寸=2.54 cm)。移植μC/GUI 的前提是LCD 的驅(qū)動(dòng)函數(shù)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成,因?yàn)樵谇度胧襟w系結(jié)構(gòu)中,μC/GUI 所在的是操作系統(tǒng)層,其與硬件的交互是通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
μC/GUI 與設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的接口是以下3個(gè)函數(shù):
Void LCD_DrawPoint(u16 x,u16 y,u16 color);
U16 LCD_ReadPoint(u16 x,u16 y);
Void LCD_MyInit();
接口函數(shù)的設(shè)計(jì)是跟處理器和LCD 相關(guān)的,在移植μC/GUI 前必須完成以上3 個(gè)函數(shù)的設(shè)計(jì),即能用LCD_MyInit() 實(shí)現(xiàn)LCD 的初始化,LCD_ReadPoint(u16 x,u16 y)返回對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色,LCD_DrawPoint(u16 x,u16 y,u16 color)在LCD 上顯示對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色。μC/GUI 的移植不需要對(duì)Cortex-M3 內(nèi)核及其中斷機(jī)制有所了解,也不會(huì)涉及到硬件底層需要匯編實(shí)現(xiàn)的部分。重點(diǎn)在于設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫及GUI_X.c中與μC/OS 的接口設(shè)計(jì)。
在STM32處理器上移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核包括處理器的初始化配置、內(nèi)核的移植,為應(yīng)用軟件的多任務(wù)執(zhí)行提供軟件平臺(tái)。μC/GUI在STM32上的移植為了在TFT液晶屏上能實(shí)現(xiàn)多窗口顯示、按鈕控件的顯示等一系列顯示功能,該系統(tǒng)在STM32上移植μC/GUI圖形支持系統(tǒng),這樣系統(tǒng)就能方便地調(diào)用μC/GUI內(nèi)的繪圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)窗口、按鈕控件的繪制與顯示。人機(jī)交互界面操作方便,實(shí)現(xiàn)功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制參數(shù)設(shè)定、量程設(shè)定、累積計(jì)算、趨勢(shì)曲線和報(bào)表打印,人機(jī)界面程序總體框架如圖3所示。
圖3 人機(jī)界面程序總體框架
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)某工廠的循環(huán)冷卻水進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行,運(yùn)行期間系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。表1記錄了此工廠循環(huán)水2013年3月26至2013年4月2日的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值。
該方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。自投運(yùn)以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,與傳統(tǒng)的全人工操作相比,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性得到了提高,減少了人為因素影響,克服了地理等條件的限制,減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)在循環(huán)水處理行業(yè)的應(yīng)用,具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)充性,由于在惡劣的環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)時(shí)間即時(shí)監(jiān)測(cè),為企業(yè)帶來(lái)了長(zhǎng)久的效益。
表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
參考文獻(xiàn):
[1] 朱斌,羅益民,袁啟昌,等.自動(dòng)加藥與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用.工業(yè)水處理,2007,27(12):76-79
[2] 蔡小亮.循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].南京:南京工業(yè)大學(xué),2010.
[3] 樸興哲,李英順,蔡林,等.基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程供暖數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng).沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(3):323-327.
[4] 呂文超.GPRS 和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在過(guò)程控制中的應(yīng)用與研究:[學(xué)位論文].南京:南京理工大學(xué),2009.
[5] 陳軍,盛占石,陳照章,等.基于GPRS 的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).傳感器與微系統(tǒng),2009,28(7):77-79.
[6] 黃毅,黎杰.基于GPRS的水廠實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng).合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):(自然科學(xué)版),2008,31(5):705-707.
[7] 王蘭英.基于STM32 嵌入式系統(tǒng)的μCGUI 移植與實(shí)現(xiàn).四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,25(1):56-58.