雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)的設計與實現

Design and Implementation of Dual-mode Intelligent Calorimeter System

王延峰1　熊　明1　丁國強1　馬軍霞2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1,河南 鄭州　450002；鄭州輕工業(yè)學院軟件學院2,河南 鄭州　450002)

雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)的設計與實現

Design and Implementation of Dual-mode Intelligent Calorimeter System

王延峰1熊明1丁國強1馬軍霞2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1,河南 鄭州450002；鄭州輕工業(yè)學院軟件學院2,河南 鄭州450002)

摘要：量熱儀是測量煤炭、石油等可燃物質發(fā)熱量的一類重要儀器，其測量精度直接影響著經濟效益。為了提高量熱儀的測量精度，設計一種基于STM32芯片的雙模式智能量熱儀。量熱儀采用具有高增益、高分辨率、低漂移特性的模數轉換器，設計了四路Pt1000溫度傳感器進行數據采集。利用智能PID跟蹤控制技術提高控制精度，能在恒溫式和絕熱式兩種測量模式中自由切換。試驗結果表明，該設計能夠實現量熱儀的高精度測量，達到歐洲CER標準。

關鍵詞：智能量熱儀雙模式控制恒溫式絕熱式STM32芯片分段式PID跟蹤控制算法

Abstract：Calorimeter is an instrument for measuring the calorific value of coal, petroleum and other combustible materials; its measurement accuracy directly affects the economic benefits. To improve the measurement accuracy of calorimeter, the dual mode intelligent calorimeter based on STM32 chip is designed. This calorimeter adopts the A/D converter featuring high gain, high resolution, and low drift, 4-channel Pt1000 temperature sensors is used for data acquisition, the control accuracy is enhanced by adopting intelligent PID tracking control technology, the instrument can be switched over between two modes, i.e., thermostatic and adiabatic modes. The test results show that the design can implement high accurate measurement of calorimeter, and achieve CER European standard.

Keywords：Intelligent calorimeterDual-mode controlThermostatic modeAdiabatic modeSTM32 chip

Segmented PID tracking control algorithm

0引言

現階段我國煤炭利用率較低，浪費和污染嚴重，煤炭燃燒運行和設備安全問題比較突出[1]。采用先進的煤質檢測方法和設備可以解決煤炭使用中的疑難問題[2-3]，也可以在節(jié)能減排、環(huán)境保護、增加產煤量和提高經濟效益方面發(fā)揮極其重要的作用。

針對量熱儀的市場需求以及現階段量熱儀操作復雜、工作量多、容易產生偶然誤差和計算錯誤的狀況[4]，設計了一種操作簡單、高效、測量精度高的雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32芯片為主控制單元，采用嚴格密封包圍工藝結構，利用分段PID控制原理，設計了量熱儀的內、外筒水溫自動跟蹤控制算法[5]，并利用觸摸屏實時動態(tài)地顯示內外筒水溫。測試結果表明，該雙模式智能量熱儀的性能指標滿足設計要求。

1硬件設計

1.1　實現方案

根據市場用戶調研結果，目前量熱儀試驗操作員普遍希望量熱儀操作簡單、高效，試驗工作量盡量減少，由此提出如圖1所示的系統(tǒng)功能實現方案。整個量熱儀系統(tǒng)由試驗主機、溫度采集與轉換電路、控制器、觸摸屏等部分構成。

圖1　系統(tǒng)實施方案圖

1.2　控制器芯片選擇

智能量熱儀系統(tǒng)采用了STM32F103主控芯片[6]。STM32處理器是在工業(yè)標準基礎上開發(fā)的基于Cortex-M3內核的系列處理器，它以先進的Cortex-M3為內核，可以在更高的代碼密度下依舊保持高性能。STM32處理器在內核水平上搭載了一個向量中斷控制器，顯著加強了中斷的快速反應能力。它的功耗也是很低的。

控制器主要控制4路Pt1000溫度傳感器采集內、外筒水溫度數據，精確控制加熱棒加熱動作，控制外筒水溫度實時跟蹤內筒水溫度的變化，實時控制量熱儀的工作狀態(tài)，檢測燃燒物質的燃燒狀態(tài)等。此外，它還能夠與觸摸屏進行實時數據通信，顯示工作狀態(tài)，與打印機實時通信，完成試驗結果的打印。

1.3　A/D轉換電路設計

提高儀器測量精度的關鍵在于獲得精確的溫度數據。量熱儀的溫度傳感部分由工業(yè)常用的Pt1000溫度傳感器組成。Pt1000溫度傳感器測量獲得的數據是模擬量，并且其信號極其微弱，一般都是幾個微安左右。由于噪聲信號的影響，往往導致其測試的真實溫度數據無法正常讀取，或者獲得的溫度數值是不穩(wěn)定的，隨時間跳動，導致系統(tǒng)無法準確獲得內外筒水溫度的變化值，從而導致控制器無法準確計算燃燒物質的發(fā)熱量[7]?？紤]到微機控制單元接收和處理溫度數據時，數據采集速度較慢，并且要求噪聲影響極低。因此本項目利用一種新型高精度24位A/D轉換芯片CS5534，設計了一種4路溫度數據采集轉換電路。

CS5532芯片[8]是美國Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪聲的、多通道Δ-Σ型模擬/數字轉換器。由于其采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，可得到高達24位分辨率的輸出結果，精度高，動態(tài)特性寬，是其他類型轉換器所無法比擬的。其內部有一個完整的自校正系統(tǒng)，可進行自校準和系統(tǒng)校準，消除A/D芯片本身的零點誤差和漂移誤差以及系統(tǒng)通道的失調和增益誤差。該芯片廣泛適用于工業(yè)過程控制、稱重儀器、便攜式儀表及其他高分辨率測量應用領域的單/雙極性小信號場合。

CS5534芯片在本系統(tǒng)中的接線圖如圖2所示，它與圖3所示的AQW225N光耦隔離器件一起組成了4路溫度數據采集轉換電路(圖3只給出其中的2路)。

圖2　CS5534芯片的接線圖

圖3　4路Pt1000熱電偶的數據采集電路圖

本系統(tǒng)中需要STM32完成4路Pt1000溫度傳感器的數據采集與傳送控制等操作，A/D數據采集通道的選擇、初始化操作、功能與時鐘設置、A/D通道的讀寫操作、采集數據計算等。

1.4　觸摸屏

觸摸屏的作用是通過觸摸點檢測裝置接收觸摸信息，并將其轉換成觸點坐標發(fā)送給CPU，同時接收、執(zhí)行CPU發(fā)來的命令。本系統(tǒng)采用威綸通公司的MT8000觸摸屏，它與控制器采用Modbus協(xié)議進行數據通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設計，具有實時數據顯示與存儲、歷史數據查詢、故障報警等功能，并能將內外筒水溫度狀態(tài)進行動畫顯示。

2軟件設計

2.1　系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)操作過程如圖4所示。

圖4　智能量熱儀工作流程圖

系統(tǒng)開始之后，首先按序檢測量熱儀的工作狀態(tài)，檢測樣品熱值、質量、點火熱(用于引燃測量物質所發(fā)出的熱量，可以進行人工設定)、外筒溫度等數據是否為空以及點火回路是否有故障，若熱值、質量等數據為空或點火回路有故障則返回重新開始，否則繼續(xù)下一步。然后進行試驗，開始點火，若點火失敗則返回，否則進行試驗下一步，檢測燃燒物質的燃燒狀態(tài)，采集溫度，計算發(fā)熱量。最后將計算結果在觸摸屏顯示并保存。

2.2　系統(tǒng)溫度控制算法設計

建立穩(wěn)定的絕熱環(huán)境條件也是提高儀器測量精度的關鍵之一。傳統(tǒng)的恒溫式量熱儀[9]設備無法精確隔絕內外筒之間的熱傳導，導致燃燒物質燃燒發(fā)熱時，內筒吸收熱量的同時會和外筒水進行熱交換，從而導致內筒水溫度變化量不能準確反映燃燒物質的發(fā)熱量。在本項目中采取高精度A/D數據采集電路，能夠保證采集到穩(wěn)定的溫度數據，利用PID控溫算法實現控溫性能的穩(wěn)定性和可靠性。

恒溫式測量模式中采用瑞-方公式，計算時能夠最大限度消除熱損失的影響。絕熱式測量模式中，使外筒水溫度能夠實時跟蹤內筒水溫度的變化過程，使內外筒之間的溫度盡量相等;或者即使有微小的溫度差異，由于熱傳導的惰性，也不會影響內筒水溫度的變化量反映燃燒物質的發(fā)熱量，使測量結果更加準確。

為了合理地處理系統(tǒng)響應速度(即加熱速度)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為兩個階段，PID調節(jié)Ⅰ段與Ⅱ段，如圖5所示。

圖5　溫度控制的動態(tài)響應過程示意圖

① PID調節(jié)Ⅰ段

在Ⅰ階段，因為溫區(qū)的溫度距離設定值還很遠，為了加快加熱速度，固態(tài)繼電器(SSR)與發(fā)熱管處于滿負荷輸出狀態(tài)，只有當溫度上升速度超過控制參數“加速速率α”，SSR才關閉輸出?！凹铀偎俾师痢泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如圖5所示。用“加速速率”限制溫升過快，是為了降低溫度進入PID調節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達溫度設定值(SV)時超調過大。

在這個階段，當占空比K=0時, SSR關閉；當占空比K=100%時,SSR全速輸出。此時，PID調節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。

② PID調節(jié)Ⅱ段

在這個階段，PID調節(jié)器調節(jié)輸出，根據偏差值計算占空比(0~100%)，保證偏差(實際溫度與設定值SV的差值)趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。

由于控制對象升溫時，其特性變化較大，若采用一組固定的PID參數，則各溫區(qū)的控制效果不能兼顧，控制效果較差。因此，關鍵問題在于設計出一個PID參數，隨溫區(qū)的不同而自動調整到最佳值。因此，設計了一種自適應PID控制算法。

在常規(guī)控制系統(tǒng)中，PID 控制是迄今為止算法比較簡單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法，其一般形式為：

u(n)=KPe(n)+KI∑e(n)+KDΔe(n)

(1)

本設計利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定值進行相減，得到偏差e(n)，然后再對之進行PID運算產生輸出結果fout，然后讓fout控制定時器的時間，進而控制加熱器。為了方便PID運算，建立一個PID的結構體數據類型，該數據類型用于保存PID運算所需要的P、I、D系數，以及設定值，歷史誤差的累加和等信息。

整個測溫范圍分為平衡階段和升溫階段2個溫區(qū)，在平衡階段僅接通水槽中的小加熱棒，PID控制算法驅動該加熱棒與制冷壓縮機工作狀態(tài)平衡，其平衡溫度點由系統(tǒng)工作需要設定；在試樣燃燒階段接通大加熱棒，通過PID控制算法參數的調節(jié)作用控制外筒水溫度迅速跟蹤內筒水溫度的變化過程，從而達到消除內外筒之間水的熱交換。

3試驗步驟

試驗人員利用力克儀器技術有限公司提供的原型機進行試驗研究，驗證雙模式智能量熱儀的各項功能。儀器絕熱式操作過程(恒溫式操作過程不詳加說明)如下。

① 通過水槽加水，儀器上電后，根據環(huán)境溫度傳感數值，加熱棒或者壓縮機自動工作來調整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時內筒底部的閥門沒有打開)，外筒和水槽是連通的。

② 當水槽和外筒的水溫和環(huán)境溫度達到一致的時候，打開內筒底部的閥門進水，直至內筒壁的水位計，自動關閉閥門，內筒水和外筒水環(huán)境斷開。此時，為了滿足外筒水溫高于內筒水溫1～1.5K的國標要求，加熱棒開始加熱工作，檢測內外筒水溫是否達到一致，若達到，停止加熱。

③ 儀器開始平衡攪拌5min工作，內筒水溫度保持不變，外筒水在加熱棒和壓縮機的共同作用下始終沿著內筒水溫度改變。

④ 5min時氧彈倉中試樣點火，內筒水溫度急劇上升，此時水槽中的1 000W加熱棒檢測到內筒水溫度上升信號后，開始加熱工作，通過外筒與水槽的水循環(huán)。該信號立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測到，外筒水溫度開始隨內筒水溫度急劇上升。

絕熱式、恒溫式內外筒溫度曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6　絕熱式內外筒溫度曲線圖

圖7　恒溫式內外筒溫度曲線圖

試驗測試數據如表1和表2所示，表1為絕熱式測量模式的試驗數據，表2為恒溫式測量模式的試驗數據。從表1可以看出測量試驗樣品的熱容量變化幅度不大，表明量熱儀穩(wěn)定可靠、精確度高。

表1　絕熱式測試試驗數據

表2　恒溫式測試試驗數據

4結束語

本文介紹了一種新型的雙模式智能量熱儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入分段式PID控制算法，有效提高了控制精度和測試結果的準確性；采用觸摸屏操作系統(tǒng)，有效減小了整個設備的體積，減低了設備的成本；能在恒溫式和絕熱式兩種測量模式中自由切換，提高了設備操作簡便性。試驗結果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復性好、準確度高，且操作方便。

參考文獻

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中圖分類號：TP216；TP273+.2

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503022

國家自然科學基金地區(qū)聯合資助項目(編號：U1204603)；

鄭州輕工業(yè)學院博士基金資助項目(編號：2011BSJJ00048)。

修改稿收到日期：2014-08-12。

第一作者王延峰(1973-)，男，2007年畢業(yè)于華中科技大學，獲博士學位，副教授；主要從事DNA計算、智能優(yōu)化計算的研究。