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總線智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間：2020-07-29    來(lái)源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
引 言

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬儀表逐步讓步于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字化通信功能。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氧化鋯智能氧量分析儀，其溫度控制系統(tǒng)采用了專家PID控制原理，提高了加熱速度與準(zhǔn)確性。

1 總線智能氧量分析儀結(jié)構(gòu)

基于CAN總線的智能氧量分析儀以單片機(jī)C8051F040為中央控制器，系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展及軟硬件升級(jí)比較方便。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統(tǒng)校正、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、日歷時(shí)鐘、帶觸摸屏的液晶顯示、CAN總線接口。


圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個(gè)強(qiáng)有力的人機(jī)接口，有關(guān)信號(hào)、可調(diào)參數(shù)都能在上面顯示和修改。本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。主機(jī)是一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能儀表，所有的運(yùn)算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢(shì)、溫度信號(hào)的輸人轉(zhuǎn)換和電流輸出的轉(zhuǎn)換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點(diǎn)。由于使用的元件集成度較高，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性提高，使用、維護(hù)和維修方便。氧電勢(shì)和溫度信號(hào)經(jīng)各自的處理模塊轉(zhuǎn)換成0～5V信號(hào)，并由多路開(kāi)關(guān)和A／I）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)根據(jù)“能斯特”公式計(jì)算出氧量。系統(tǒng)設(shè)有PID溫度調(diào)節(jié)功能，并通過(guò)固態(tài)繼電器控制加熱爐。系統(tǒng)還設(shè)有組態(tài)開(kāi)關(guān)，能使儀表工作在不同的方式下。

2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)，集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個(gè)12位和1個(gè)8位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

C8051F040的18，19腳分別為AIN0．0和AIN0．1引腳，由于C8051F040片內(nèi)具有ADC模塊，因此溫度信號(hào)可直接經(jīng)外圍濾波、放大電路后輸入AIN0．0和AIN0．1引腳，AMUX的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經(jīng)信號(hào)放大后，送人C8051F040的A／D端，轉(zhuǎn)換后與給定溫度值比較，按PID調(diào)節(jié)算法和脈寬調(diào)功法，計(jì)算出該時(shí)刻的值，經(jīng)光電隔離和功率放大后，通過(guò)控制大功率交流固態(tài)繼電器（過(guò)零型）的通斷時(shí)間來(lái)控制加熱的功率，達(dá)到溫度控制的目的。冷端測(cè)溫元件采用集成溫度傳感器AD590，所測(cè)溫度由AD590溫度傳感器檢測(cè)，經(jīng)電壓放大后直接送至單片機(jī)C8051F040的AIN0．1輸入口。

3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制過(guò)程分析

加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長(zhǎng)度為10ms，PID控制輸出為加熱脈沖數(shù)。誤差越大，加熱脈沖數(shù)值就越大；誤差小，加熱脈沖數(shù)就小。為使PID的輸出有一定的可調(diào)節(jié)范圍，采樣周期，太小會(huì)使得控制量的范圍很窄；但也不能過(guò)大，否則會(huì)降低控制精度。綜合各方面的考慮及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采樣周期定為2s，這樣，PID輸出的最大脈沖量（在一個(gè)控制周期內(nèi)）為200。

系統(tǒng)的加熱過(guò)程分為三部分：第一，升溫起始階段或溫差大時(shí)，采取全功率加熱，使加熱元件快速升溫；第二，溫度變化劇烈時(shí)，采取關(guān)斷輸出，讓溫度在慣性作用下向下一階段過(guò)渡。因?yàn)殡姛嵩髧?yán)重，當(dāng)溫度上升過(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致下一階段控制失效或嚴(yán)重超調(diào)；第三，溫度偏差和溫度變化在一定范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)專家智能在線調(diào)整PID參數(shù)，達(dá)到快速精確控制。

3.2 專家PID控制器的原理

溫度控制系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、時(shí)滯等特性，采用常規(guī)PID控制難以兼顧高精度與快速性的雙重要求。本文提出專家式智能與PID相結(jié)合的復(fù)合控制方法，將專家經(jīng)驗(yàn)和PID控制定量調(diào)節(jié)特性充分運(yùn)用于控制過(guò)程中。該總線智能氧量分析儀要求系統(tǒng)控溫范圍為680～760℃，穩(wěn)定后溫度波動(dòng)不超過(guò)1℃。為了實(shí)現(xiàn)快速精確的溫度控制，根據(jù)被控對(duì)象的特性建立專家系統(tǒng)PID控制方式，如圖2所示。


圖2 專家智能PID復(fù)合控制器的原理框圖

本專家控制器的推理結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理策略。產(chǎn)生式規(guī)則采用IFe（n）ANDe（n）TNout（n）形式。專家系統(tǒng)的關(guān)鍵是專家知識(shí)的建立、確定。知識(shí)獲取，有些來(lái)自工藝人員的長(zhǎng)期總結(jié)，有些借助于控制領(lǐng)域的知識(shí)和分析。

把專家系統(tǒng)和PID控制器結(jié)合，利用專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)輸出修正PID參數(shù)，改變PID控制方式以達(dá)到較佳PID控制效果。根據(jù)對(duì)象特性及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了99條控制規(guī)則，并預(yù)先將規(guī)則下的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲(chǔ)于控制器中。專家控制規(guī)則根據(jù)當(dāng)前偏差e（n）及其變化率△e（n）的大小，決定控制方式和是否需修改比例系數(shù)K P、積分增益KI和微分增益KD?？刂七^(guò)程中，控制器不需按系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果或某一目標(biāo)函數(shù)整定PID參數(shù)，而是按當(dāng)前狀態(tài)對(duì)基本PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即：

Kj＝aTjKOj，J=P，I，D

式中KP，KI和KD分別為基本比例、改進(jìn)積分和微分增益； aTP，aTI和aTD分別為當(dāng)前調(diào)整狀態(tài)下的比例、積分和微分項(xiàng)修正系數(shù)。

3.3 軟件流程

系統(tǒng)軟件采用C51語(yǔ)言，在Silicon Laboratories集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

該儀表的溫度量程為0～1000℃，溫度控制為700℃±1℃，溫控定值為680～760℃，并且連續(xù)可調(diào)，當(dāng)溫度大于800℃時(shí)，啟動(dòng)斷偶保護(hù)功能。數(shù)據(jù)的采集用多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)避免測(cè)量誤差。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能氧化鋯氧量分析儀具有自動(dòng)化水平高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電站鍋爐及煤焦?fàn)t等熱力設(shè)備生產(chǎn)效率的提高具有顯著的作用。試驗(yàn)表明該溫度控制系統(tǒng)具有測(cè)量范圍寬、使用溫度高、運(yùn)行可靠、測(cè)量及時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了以往儀表不穩(wěn)定、易損壞等缺點(diǎn)。該方法加以適當(dāng)修改，也可應(yīng)用于其它溫度控制系統(tǒng)中。
　　1．溫度控制儀表系統(tǒng)故障分析步驟
　　
　　分析溫度控制儀表系統(tǒng)故障時(shí)，首先要注意兩點(diǎn)：該系統(tǒng)儀表多采用電動(dòng)儀表測(cè)量、指示、控制；該系統(tǒng)儀表的測(cè)量往往滯后較大。
　　
　　（1）溫度儀表系統(tǒng)的指示值突然變到zui大或zui小，一般為儀表系統(tǒng)故障。因?yàn)闇囟葍x表系統(tǒng)測(cè)量滯后較大，不會(huì)發(fā)生突然變化。此時(shí)的故障原因多是熱電偶、熱電阻、補(bǔ)償導(dǎo)線斷線或變送器放大器失靈造成。
　　
　　（2）溫度控制儀表系統(tǒng)指示出現(xiàn)快速振蕩現(xiàn)象，多為控制參數(shù)PID調(diào)整不當(dāng)造成。
　　
　?。?）溫度控制儀表系統(tǒng)指示出現(xiàn)大幅緩慢的波動(dòng)，很可能是由于工藝操作變化引起的，如當(dāng)時(shí)工藝操作沒(méi)有變化，則很可能是儀表控制系統(tǒng)本身的故障。
　　
　　（4）溫度控制系統(tǒng)本身的故障分析步驟：檢查調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)是否變化，輸入信號(hào)不變化，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥膜頭膜片漏了；檢查調(diào)節(jié)閥定位器輸入信號(hào)是否變化，輸入信號(hào)不變化，輸出信號(hào)變化，定位器有故障；檢查定位器輸入信號(hào)有變化，再查調(diào)節(jié)器輸出有無(wú)變化，如果調(diào)節(jié)器輸入不變化，輸出變化，此時(shí)是調(diào)節(jié)器本身的故障。
　　
　　2．壓力控制儀表系統(tǒng)故障分析步驟
　　
　?。?）壓力控制系統(tǒng)儀表指示出現(xiàn)快速振蕩波動(dòng)時(shí)，首先檢查工藝操作有無(wú)變化，這種變化多半是工藝操作和調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定不好造成。
　　
　?。?）壓力控制系統(tǒng)儀表指示出現(xiàn)死線，工藝操作變化了壓力指示還是不變化，一般故障出現(xiàn)在壓力測(cè)量系統(tǒng)中，首先檢查測(cè)量引壓導(dǎo)管系統(tǒng)是否有堵的現(xiàn)象，不堵，檢查壓力變送器輸出系統(tǒng)有無(wú)變化，有變化，故障出在控制器測(cè)量指示系統(tǒng)。
　　
　　3．流量控制儀表系統(tǒng)故障分析步驟
　　
　?。?）流量控制儀表系統(tǒng)指示值達(dá)到zui小時(shí)，首先檢查現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，如果正常，則故障在顯示儀表。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表指示也zui小，則檢查調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，若調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為零，則常為調(diào)節(jié)閥到調(diào)節(jié)器之間故障。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表指示zui小，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度正常，故障原因很可能是系統(tǒng)壓力不夠、系統(tǒng)管路堵塞、泵不上量、介質(zhì)結(jié)晶、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐伞Ｈ羰莾x表方面的故障，原因有：孔板差壓流量計(jì)可能是正壓引壓導(dǎo)管堵；差壓變送器正壓室漏；機(jī)械式流量計(jì)是齒輪卡死或過(guò)濾網(wǎng)堵等。
　　
　?。?）流量控制儀表系統(tǒng)指示值達(dá)到zui大時(shí)，則檢測(cè)儀表也常常會(huì)指示zui大。此時(shí)可手動(dòng)遙控調(diào)節(jié)閥開(kāi)大或關(guān)小，如果流量能降下來(lái)則一般為工藝操作原因造成。若流量值降不下來(lái)，則是儀表系統(tǒng)的原因造成，檢查流量控制儀表系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥是否動(dòng)作；檢查儀表測(cè)量引壓系統(tǒng)是否正常；檢查儀表信號(hào)傳送系統(tǒng)是否正常。
　　
　?。?）流量控制儀表系統(tǒng)指示值波動(dòng)較頻繁，可將控制改到手動(dòng)，如果波動(dòng)減小，則是儀表方面的原因或是儀表控制參數(shù)PID不合適，如果波動(dòng)仍頻繁，則是工藝操作方面原因造成。
　　
　　4．液位控制儀表系統(tǒng)故障分析步驟
　　
　?。?）液位控制儀表系統(tǒng)指示值變化到zui大或zui小時(shí)，可以先檢查檢測(cè)儀表看是否正常，如指示正常，將液位控制改為手動(dòng)遙控液位，看液位變化情況。如液位可以穩(wěn)定在一定的范圍，則故障在液位控制系統(tǒng)；如穩(wěn)不住液位，一般為工藝系統(tǒng)造成的故障，要從工藝方面查找原因。
　　
　?。?）差壓式液位控制儀表指示和現(xiàn)場(chǎng)直讀式指示儀表指示對(duì)不上時(shí)，首先檢查現(xiàn)場(chǎng)直讀式指示儀表是否正常，如指示正常，檢查差壓式液位儀表的負(fù)壓導(dǎo)壓管封液是否有滲漏；若有滲漏，重新灌封液，調(diào)零點(diǎn)；無(wú)滲漏，可能是儀表的負(fù)遷移量不對(duì)了，重新調(diào)整遷移量使儀表指示正常。
　　
　?。?）液位控制儀表系統(tǒng)指示值變化波動(dòng)頻繁時(shí)，首先要分析液面控制對(duì)象的容量大小，來(lái)分析故障的原因，容量大一般是儀表故障造成。容量小的首先要分析工藝操作情況是否有變化，如有變化很可能是工藝造成的波動(dòng)頻繁。如沒(méi)有變化可能是儀表故障造成。
　　
　　以上只是現(xiàn)場(chǎng)四大參數(shù)單獨(dú)控制儀表的現(xiàn)場(chǎng)故障分析，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)還有一些復(fù)雜的控制回路，如串級(jí)控制、分程控制、程序控制、聯(lián)鎖控制等等。這些故障的分析就更加復(fù)雜，要具體分析。

                             談?wù)劯叩蜏卦囼?yàn)機(jī)控制系統(tǒng)和控制方式

高低溫試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)也稱之為溫控系統(tǒng)，它是一款設(shè)備的大腦，任何動(dòng)作的指揮中心，大腦一旦癱瘓，整個(gè)設(shè)備將無(wú)法正常運(yùn)行，直接影響試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。通過(guò)了解高低溫試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，一便于產(chǎn)品的選型，選擇合適自己的操作方式；二便于后期使用和維修保養(yǎng)，全面表現(xiàn)出設(shè)備的各項(xiàng)功能。

無(wú)論是高低溫試驗(yàn)機(jī)，恒溫恒濕試驗(yàn)箱，臭氧老化試驗(yàn)箱等設(shè)備，他們的控制方式一般分為兩大類：?jiǎn)吸c(diǎn)式和可程式。

高低溫試驗(yàn)機(jī)的單點(diǎn)式控制系統(tǒng)常見(jiàn)于按鍵式控制儀表，它是通過(guò)設(shè)定一個(gè)命令，完成一個(gè)命令，每次只能設(shè)定一個(gè)命令。例如：我們將高低溫試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)條件設(shè)置成-40℃試驗(yàn)2個(gè)小時(shí)，那么從室溫開(kāi)始降溫，直到-40℃，維持低溫2小時(shí)候，儀表開(kāi)始報(bào)警提示試驗(yàn)完成。如果我們想將試驗(yàn)條件設(shè)置成-40℃試驗(yàn)2個(gè)小時(shí)后，再上升到80℃試驗(yàn)兩小時(shí)，那么這樣就是兩個(gè)命令，要等到*個(gè)過(guò)程完成之后，才能通過(guò)手動(dòng)再次重新設(shè)定第二個(gè)命令，從而完成試驗(yàn)。如果想讓設(shè)備自動(dòng)完成上述兩個(gè)動(dòng)作，我們稱之為可程式控制。

高低溫試驗(yàn)機(jī)的可程式控制系統(tǒng)多采用觸摸屏控制器，常見(jiàn)的有日本的OYO、韓國(guó)三元TEMI系列、臺(tái)達(dá)的PLC，其中韓國(guó)的TEMI88O控制儀表優(yōu)越的適用性，使其在高低溫試驗(yàn)機(jī)中使用zui為頻繁?？沙淌娇刂苾x為實(shí)現(xiàn)交變?cè)囼?yàn)性能，具有120組程式1000段999循環(huán)步驟的容量，每段時(shí)間設(shè)定zui大值為99小時(shí)59分，并且控制器操作界面設(shè)中英文可供選擇，實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)曲線圖可由屏幕顯。試驗(yàn)箱還具有RS-232或RS-485通訊界面，可在電腦上設(shè)計(jì)程式，監(jiān)視試驗(yàn)過(guò)程并執(zhí)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)等功能。

如今隨著試驗(yàn)要求的提高，試驗(yàn)操作的更人性化，可程式控制系統(tǒng)在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。



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