雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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

雙模式智能控制量熱儀系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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

摘要：量熱儀是測量煤炭、石油等可燃物質(zhì)發(fā)熱量的一類重要儀器，其測量精度直接影響著經(jīng)濟效益。為了提高量熱儀的測量精度，設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計了四路Pt1000溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。利用智能PID跟蹤控制技術(shù)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(jié)果表明，該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)量熱儀的高精度測量，達到歐洲CER標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)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(xiàn)階段我國煤炭利用率較低，浪費和污染嚴(yán)重，煤炭燃燒運行和設(shè)備安全問題比較突出[1]。采用先進的煤質(zhì)檢測方法和設(shè)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(chǎn)煤量和提高經(jīng)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(xiàn)階段量熱儀操作復(fù)雜、工作量多、容易產(chǎn)生偶然誤差和計算錯誤的狀況[4]，設(shè)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(yán)格密封包圍工藝結(jié)構(gòu)，利用分段PID控制原理，設(shè)計了量熱儀的內(nèi)、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(nèi)外筒水溫。測試結(jié)果表明，該雙模式智能量熱儀的性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

1硬件設(shè)計

1.1　實現(xiàn)方案

根據(jù)市場用戶調(diào)研結(jié)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(xiàn)方案。整個量熱儀系統(tǒng)由試驗主機、溫度采集與轉(zhuǎn)換電路、控制器、觸摸屏等部分構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上開發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的系列處理器，它以先進的Cortex-M3為內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(nèi)、外筒水溫度數(shù)據(jù)，精確控制加熱棒加熱動作，控制外筒水溫度實時跟蹤內(nèi)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(zhì)的燃燒狀態(tài)等。此外，它還能夠與觸摸屏進行實時數(shù)據(jù)通信，顯示工作狀態(tài)，與打印機實時通信，完成試驗結(jié)果的打印。

1.3　A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

提高儀器測量精度的關(guān)鍵在于獲得精確的溫度數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(dǎo)致其測試的真實溫度數(shù)據(jù)無法正常讀取，或者獲得的溫度數(shù)值是不穩(wěn)定的，隨時間跳動，導(dǎo)致系統(tǒng)無法準(zhǔn)確獲得內(nèi)外筒水溫度的變化值，從而導(dǎo)致控制器無法準(zhǔn)確計算燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量[7]?？紤]到微機控制單元接收和處理溫度數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換芯片CS5534，設(shè)計了一種4路溫度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器。由于其采用電荷平衡技術(shù)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(jié)果，精度高，動態(tài)特性寬，是其他類型轉(zhuǎn)換器所無法比擬的。其內(nèi)部有一個完整的自校正系統(tǒng)，可進行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，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(diào)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(yīng)用領(lǐng)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(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集與傳送控制等操作，A/D數(shù)據(jù)采集通道的選擇、初始化操作、功能與時鐘設(shè)置、A/D通道的讀寫操作、采集數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)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(shù)據(jù)通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計，具有實時數(shù)據(jù)顯示與存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報警等功能，并能將內(nèi)外筒水溫度狀態(tài)進行動畫顯示。

2軟件設(shè)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(zhì)量、點火熱(用于引燃測量物質(zhì)所發(fā)出的熱量，可以進行人工設(shè)定)、外筒溫度等數(shù)據(jù)是否為空以及點火回路是否有故障，若熱值、質(zhì)量等數(shù)據(jù)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(zhì)的燃燒狀態(tài)，采集溫度，計算發(fā)熱量。最后將計算結(jié)果在觸摸屏顯示并保存。

2.2　系統(tǒng)溫度控制算法設(shè)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(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的恒溫式量熱儀[9]設(shè)備無法精確隔絕內(nèi)外筒之間的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致燃燒物質(zhì)燃燒發(fā)熱時，內(nèi)筒吸收熱量的同時會和外筒水進行熱交換，從而導(dǎo)致內(nèi)筒水溫度變化量不能準(zhǔn)確反映燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量。在本項目中采取高精度A/D數(shù)據(jù)采集電路，能夠保證采集到穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)，利用PID控溫算法實現(xiàn)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?qū)崟r跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化過程，使內(nèi)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(dǎo)的惰性，也不會影響內(nèi)筒水溫度的變化量反映燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)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(diào)節(jié)Ⅰ段與Ⅱ段，如圖5所示。

圖5　溫度控制的動態(tài)響應(yīng)過程示意圖

① PID調(diào)節(jié)Ⅰ段

在Ⅰ階段，因為溫區(qū)的溫度距離設(shè)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(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過控制參數(shù)“加速速率α”，SSR才關(guān)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(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達溫度設(shè)定值(SV)時超調(diào)過大。

在這個階段，當(dāng)占空比K=0時, SSR關(guān)閉；當(dāng)占空比K=100%時,SSR全速輸出。此時，PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。

② PID調(diào)節(jié)Ⅱ段

在這個階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計算占空比(0~100%)，保證偏差(實際溫度與設(shè)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(shù)，則各溫區(qū)的控制效果不能兼顧，控制效果較差。因此，關(guān)鍵問題在于設(shè)計出一個PID參數(shù)，隨溫區(qū)的不同而自動調(diào)整到最佳值。因此，設(shè)計了一種自適應(yīng)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(shè)計利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進行相減，得到偏差e(n)，然后再對之進行PID運算產(chǎn)生輸出結(jié)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(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型用于保存PID運算所需要的P、I、D系數(shù)，以及設(shè)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(qū)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(shè)定；在試樣燃燒階段接通大加熱棒，通過PID控制算法參數(shù)的調(diào)節(jié)作用控制外筒水溫度迅速跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化過程，從而達到消除內(nèi)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(shù)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(jù)環(huán)境溫度傳感數(shù)值，加熱棒或者壓縮機自動工作來調(diào)整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時內(nèi)筒底部的閥門沒有打開)，外筒和水槽是連通的。

② 當(dāng)水槽和外筒的水溫和環(huán)境溫度達到一致的時候，打開內(nèi)筒底部的閥門進水，直至內(nèi)筒壁的水位計，自動關(guān)閉閥門，內(nèi)筒水和外筒水環(huán)境斷開。此時，為了滿足外筒水溫高于內(nèi)筒水溫1～1.5K的國標(biāo)要求，加熱棒開始加熱工作，檢測內(nèi)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(nèi)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(nèi)筒水溫度改變。

④ 5min時氧彈倉中試樣點火，內(nèi)筒水溫度急劇上升，此時水槽中的1 000W加熱棒檢測到內(nèi)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(nèi)筒水溫度急劇上升。

絕熱式、恒溫式內(nèi)外筒溫度曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6　絕熱式內(nèi)外筒溫度曲線圖

圖7　恒溫式內(nèi)外筒溫度曲線圖

試驗測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示，表1為絕熱式測量模式的試驗數(shù)據(jù)，表2為恒溫式測量模式的試驗數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)

表2　恒溫式測試試驗數(shù)據(jù)

4結(jié)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(jié)果的準(zhǔn)確性；采用觸摸屏操作系統(tǒng)，有效減小了整個設(shè)備的體積，減低了設(shè)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(shè)備操作簡便性。試驗結(jié)果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高，且操作方便。

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中圖分類號：TP216；TP273+.2

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503022

國家自然科學(xué)基金地區(qū)聯(lián)合資助項目(編號：U1204603)；

鄭州輕工業(yè)學(xué)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(xué)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事DNA計算、智能優(yōu)化計算的研究。