傳統(tǒng)爐溫數據采集控制系統(tǒng)之改進

1、傳統(tǒng)爐溫數據采集控制系統(tǒng)之改進溫度是工農業(yè)生產中的重要參數之一，各類工農業(yè)生產現(xiàn)場都需 要對溫度進行精準的控制，例如。工業(yè)環(huán)境中的發(fā)電廠鍋爐的溫度必 須控制在一定的范圍之內，許多化學反應的工藝過程必須控制在一定 的溫度條件下才能進行，煉油廠的原油必須在一定的溫度和壓力條件 下才能按照設定的程序分離出汽油、柴油，沒有合適的溫度環(huán)境，許 多對溫度敏感的電子儀器儀表無法正常啟動運行，農業(yè)生產中的糧倉 需要精確的溫度控制才能保證儲存的糧食不腐爛變質，酒類生產和儲 存需要嚴格的溫控裝置才能保證酒的品質不受到影響。由此可見，研 究溫度的精確采集和自動控制是工農業(yè)生產和生活中非常重要的一 個環(huán)節(jié)。1 傳統(tǒng)爐

2、溫數據采集控制系統(tǒng)簡介溫度控制技術按照控制目標的不同可以分為兩大類，即動態(tài)時候 的溫度跟蹤和恒溫溫度控制。所謂的動態(tài)溫度跟蹤指的是溫度在不同 環(huán)節(jié)是不相同的，有一定規(guī)律的變化過程，例如在工業(yè)環(huán)境中常見的 酒和醋發(fā)酵過程中的溫度跟蹤、冶煉爐中的燃燒物的實時溫度控制跟 蹤等。恒溫溫度控制指的是被控對象的溫度在一定范圍內處于一個穩(wěn) 定不變的狀態(tài)，即恒溫狀態(tài)，并且要求其溫度只能在一個很小的范圍 內波動?？茖W技術不斷進步，自動化控制系統(tǒng)隨之逐漸更新?lián)Q代，溫 度檢測控制元件也在不斷發(fā)展變化，新型的溫度傳感器種類繁多、應 用更加廣泛，逐漸由模擬式向數字式轉化以適應自動控制系統(tǒng)的發(fā)展 需求。爐溫數據檢測控制系

3、統(tǒng)最主要的組成部件就是測溫元件、溫度傳 感器，各類傳感器因為自身工藝特性都會對系統(tǒng)的測量精度等參數產 生影響，例如各類傳感器自身的優(yōu)劣性以及整個溫度采集控制系統(tǒng)的 環(huán)境因素，還有最為重要的一點就是系統(tǒng)對于精度的要求。因此，不 同的溫度控制系統(tǒng)中采用的溫度傳感器也不盡相同。2 改進方法 1基于 PCI 總線的爐溫數據采集控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的單片機溫度采集控制系統(tǒng)采用的是有限通信的信號傳送 方式，但這種控制系統(tǒng)在空間布局上有很大的局限性，也就是說溫度 控制系統(tǒng)和工業(yè)生產現(xiàn)場之間的距離受限制，同時，溫度傳感器大多 采用的是熱電偶、熱電阻等模擬信號傳感器，必須要加上適當的信號 補償電路和模數（Analog-

4、to-Digital，AD）轉換電路才能和上位機相 連，且這種電路往往結構復雜，性價比不高。傳統(tǒng)的模擬信號爐溫采集控制系統(tǒng)大都采用模擬信號有線傳輸 方式進行測溫，因此，精度不高，而且系統(tǒng)布局結構復雜，操作的靈 活性和可操作性不高。為了解決這個問題，在工業(yè)生產環(huán)節(jié)，可以采 用無線數據傳輸的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線數據傳輸，無線數據傳輸因為 自身特點，廣泛適用于復雜地形、高腐蝕性測溫環(huán)境或者是運動的、 旋轉的測溫對象。隨著數字電路和自動控制技術的不斷發(fā)展，無線傳 輸的實現(xiàn)變得越來越容易了?；谶@一前提，可以設計一種精度高、數據采集速度快、智能化 的基于外設部件互連標準（Peripheral Compon

5、ent Interconnect，PCI） 總線的爐溫數據采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列（ Field- Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），具有數據處理快和 PCI 總線傳輸 速率高的特點，通過相應的算法進行數據分析與處理 ; 將相應的數據 信號通過 PCI 總線接口高速上傳給上位機進行處理和控制;最后采用 模糊比例-積分-微分（Proportion、Integral、Derivative，PID）控制 算法對爐溫進行了控制仿真測試，改善了現(xiàn)場儀表常規(guī) PID 控制方式 存在的振蕩現(xiàn)象，最終滿足控制精度要求。3 改進方法 2基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)

6、的設計3.1 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的爐溫數據采集控制系統(tǒng)的基礎上進行了優(yōu)化設 計，例如在傳統(tǒng)的爐溫控制系統(tǒng)中采用的是現(xiàn)場儀表測量爐溫的方式， 這種系統(tǒng)我們也把它稱為分離式的儀表控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是 結構簡單、操作方便、易于搭建系統(tǒng)，但是缺點也特別明顯，顯著的缺點就是檢測的通道過于單一，并且實時性差，數據傳輸的速率太低， 在科學技術不斷發(fā)展、電氣自動化技術不斷更新?lián)Q代的今天，這種測 溫系統(tǒng)已經不能滿足工農業(yè)生產現(xiàn)場對于測溫系統(tǒng)的整體要求了。為了緩解這種供需不平衡的局面，特設計了一款基于數字信號處 理（Digital Signal Processing，DSP）的爐溫數據采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)

7、的總體框架如圖 1 所示。在改進后的爐溫數據采集控制系統(tǒng)中，檢測爐溫的溫度傳感器采 用的是 K 型熱電偶，采用 DSP 芯片進行采集到的爐溫數據信號的 AD 轉換、放大等，利用模糊PID 算法實現(xiàn)對爐溫數據的精確控制，信號 傳輸方面采用的是無線組網傳輸方式，有效地解決了傳統(tǒng)有限傳輸方 式容易受到環(huán)境條件和傳輸距離等影響的問題。3.2 系統(tǒng)硬件設計基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括如 下幾部分，即爐溫控制電路、爐溫采集電路、采集到的爐溫數據存儲 電路、爐溫數據傳輸電路以及電源電路 5 個部分。3.2.1 爐溫控制電路在基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)中進行爐溫控制的部

8、分選 用的是 TAC10 型周波控制器，眾所周知，周波控制器不僅可以接受 模擬量的電壓信號，還可以接收相應型號的微電流信號。構建爐溫控 制電路時，輸入的電壓信號為 220 V 的交流電壓信號（即通常所說的 市電），因此，輸入的電壓信號無需進行任何的轉換，電路結構簡單。 周波控制器根據輸入的模擬電壓信號調節(jié)輸出的脈沖寬度調制 （Pulse width modulation ，PWM）的占空比，不同占空比的 PWM 再 去驅動同周波控制器相連接的固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）。SSR 是一種由分立式的電子元器件、電力電子功率器件等組成的 無觸點開關，采用隔離器件實現(xiàn)控制端

9、與負載端的隔離，可以用微小 的輸入控制信號直接驅動大電流負載，因此，常被用于爐溫控制系統(tǒng) 對加熱棒的溫度進行控制。3.2.2 爐溫采集電路在基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)中，采用 K 型熱電偶對爐 溫數據進行準確采集。K 型熱電偶是一種溫度傳感器，通常需要和顯 示儀表、記錄儀表和電子調節(jié)器配套使用。它其主要組成部分是感溫 元件、固定裝置、接線盒等，其中，感溫元件是重要組成部分。K 型 熱電偶因為其結構特點，在測溫過程中有自身的優(yōu)點，例如成本低、 線性度高、測溫范圍廣、測量精度高等，因此，在工業(yè)環(huán)境中有著廣 泛的應用。在實際測溫電路設計中，必須要注意到 K 型熱電偶輸出的電壓是 很小的毫伏

10、級的電壓，并且輸出電壓還會受到環(huán)境等因素的影響，如 果直接采用 K 型熱電偶的輸出信號作為控制信號，效果非常差，因此， 必須對其進行溫度補償和信號放大。本系統(tǒng)采用的溫度補償電路是 ADI 公司生產的 AD595 芯片， AD595 是完整的單芯片儀表放大器和熱電偶冷結補償器。將冰點基準 源與預校準放大器相結合，該器件可從熱電偶信號產生高電平（ 10 mV/）輸出。引腳綁定選項使其可用作線性放大器補償器或采用固 定或遠程設定點控制的開關輸出設定點控制器，可用于直接放大補償 電壓，從而成為提供低阻抗電壓輸出的獨立攝氏溫度傳感器。同時， 通過外接電路，AD595 芯片還可以實現(xiàn)對于熱電偶測溫電路的故

11、障診 斷與報警。系統(tǒng)工作時，AD595 芯片采用 5 V 電壓供電，K 型熱電偶輸出的 毫伏級電壓信號輸入到 AD595 芯片的輸入端，在此進行溫度補償和 信號放大后從輸出端輸出，把輸出的放大的電壓信號輸入 DSP 芯片 的輸入點進行 AD 轉換，這就是爐溫數據采集電路的電路構成和工作 原理。3.2.3 爐溫數據存儲電路基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)的傳輸方式采用的是無線組 網的傳輸方式，即每個電阻爐的爐溫由單獨的監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測然后 統(tǒng)一上傳到上位機的數據監(jiān)控中心，無線傳輸的方式解決了傳統(tǒng)有線 傳輸方式下系統(tǒng)布局難的缺陷，因此，傳輸的效率和準確度都大大提升。但是設計系統(tǒng)時，必須考慮到一

12、個問題，那就是當無線信號由于 未知的外部原因而中斷時，如何保證系統(tǒng)的數據不丟失。所以，在設 計系統(tǒng)時，采用了安全數碼（Secure Digital Memory，SD）卡進行數 據的本地存儲，這樣可以保證一旦無線傳輸數據中斷，本地保存的數 據可以上傳給數據監(jiān)控中心，不會造成數據丟失的問題。SD 存儲卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，其 特點是體積小、數據傳輸速度快、可插拔等優(yōu)點，因此，被廣泛地應 用于各種便攜式設備。本系統(tǒng)為了保證本地數據的完整、準確存儲， 選用的是 16 G 大容量的 SD 卡，并且通過串行外設接口（ Serial Peripheral Interface，SPI

13、）總線與 DSP 之間進行數據通信。3.2.4 爐溫數據傳輸電路基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)采用無線傳輸方式進行數據 傳輸，選用的是 Nordic 公司生產的 Nrf905 射頻芯片進行無線傳輸。 完成組網后，各個爐溫數據采集控制系統(tǒng)會把采集到的數據統(tǒng)一發(fā)送 到數據監(jiān)控中心。3.2.5 電源電路基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)有兩種電源電路，一種是采 用 220 V 交流市電供電的電路，另外一種是直流電供電電路。220 V 交流市電供電主要是給周波控制器和固態(tài)繼電器供電，直 流電主要是給 Nrf905 射頻芯片、溫度補償電路、信號放大電路及 DSP 供電。本系統(tǒng)中用到的直流電是由 220 V 的交流電進行蒸餾之后得到 的 。3.3 系統(tǒng)軟件設計基于 DSP 的爐溫數據采集控制系統(tǒng)的軟件設計采用*單片機 進行編程設計。本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點就在于使用了模糊 PID 算法對爐 溫數據進行精確整定、實時調節(jié)，最終使得