張坤鰲，李 俊，方 欣

（西安科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054）

基于STM32的凝結(jié)水液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張坤鰲，李 俊，方 欣

（西安科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054）

為降低PLC控制單容器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計難度及成本，系統(tǒng)選用了STM32和STC89C51分別作為上位機(jī)與下位機(jī)的處理器，設(shè)計了基于Modbus－RTU通訊協(xié)議的凝結(jié)水液位監(jiān)控系統(tǒng)；實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、顯示、動畫效果、故障報警功能和液位超限報警功能，此外為提高系統(tǒng)對凝結(jié)水液位的控制精度和達(dá)到水泵運(yùn)行時節(jié)能減耗的目的，系統(tǒng)上位機(jī)的軟件設(shè)計采用了PID算法，使系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)動態(tài)的輸出頻率信號給變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，很好地實現(xiàn)了凝結(jié)水液位的恒值控制和對水泵的變頻控制，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求；最后給出了系統(tǒng)的仿真結(jié)果和測試結(jié)果，并對其解釋分析；實驗表明，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實用，抗干擾能力強(qiáng)，可以在工業(yè)控制中廣泛使用。

STM32；STC89C51；Modbus－RTU協(xié)議；PID控制器；單容器液位系統(tǒng)

0 引言

近年來，由于工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，其控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)也越來越成熟［1 2］，然而隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，為現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的設(shè)計與開發(fā)模式。

現(xiàn)階段我國工業(yè)控制技術(shù)的主要問題是設(shè)計與開發(fā)的成本高，尤其是對電機(jī)機(jī)群的控制，大都采取MCGS作為人機(jī)交互接口，PLC作為數(shù)據(jù)收集傳輸和執(zhí)行器，以及采用變頻器作為電機(jī)的頻率控制器［3］。這些設(shè)備經(jīng)過很多年實際應(yīng)用的檢驗，穩(wěn)定性和可靠性得到了大家的認(rèn)可。但是這樣的開發(fā)模式成本太高，因此急需一種新型控制方案。

為此本系統(tǒng)上位機(jī)選擇了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103系列的單片機(jī)作為處理器，該單片機(jī)不僅價格低廉，而且STM公司提供了該單片機(jī)開發(fā)的API，大大降低了開發(fā)的難度［4］；下位機(jī)選擇了經(jīng)典的STC51系列的單片機(jī)，既滿足了設(shè)計需求，又降低了系統(tǒng)成本［5］；同時在通訊協(xié)議方面，系統(tǒng)采用了工控業(yè)應(yīng)用廣泛的Modbus－RTU通訊協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性［6］。系統(tǒng)每一部分的實現(xiàn)都采取了低成本，應(yīng)用廣泛以及成熟，可靠性高的器件與技術(shù)，足以保證系統(tǒng)整體的可實施性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場傳感器接入下位機(jī)控制板，使傳感器模擬量信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后，再送入A／D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，處理好的數(shù)字量信號再傳送給STC51單片機(jī)。

數(shù)據(jù)經(jīng)過Modbus－RTU協(xié)議打包后上傳給上位機(jī)，再經(jīng)過由μcGUI設(shè)計的人機(jī)交互界面實時展示。數(shù)據(jù)實時的動態(tài)變化，可以讓操作員準(zhǔn)確控制電機(jī)啟停，從而控制凝結(jié)水的液位在合理范圍［7］。

系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)與上傳的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算和判斷后自動發(fā)出指令給下位機(jī)，使系統(tǒng)可以自動運(yùn)行。在自動運(yùn)行的過程中，上位機(jī)采用PID算法來調(diào)節(jié)凝結(jié)水液位［8-9］。上位機(jī)由上傳的液位數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的液位數(shù)據(jù)，實時下達(dá)變頻器運(yùn)行頻率給下位機(jī)，下位機(jī)再將信號傳給D／A處理，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號發(fā)送給變頻器，從而可以有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到了凝結(jié)水液位的高精度實時控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要的硬件電路是由STM32芯片和外圍接口電路組成的上位機(jī)控制器和顯示器，以及由STC51單片機(jī)和外圍接口電路、數(shù)據(jù)信號調(diào)理電路組成的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行器，其次為通訊模塊的電路、電源電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主要硬件電路設(shè)計

上位機(jī)電路，即STM32最小系統(tǒng)電路和通信模塊的電路以及LED顯示屏電路；下位機(jī)電路，即STC89C51最小系統(tǒng)和AD和DA轉(zhuǎn)換電路、信號采集以及通信模塊電路。

下位機(jī)主要為泵的三相電流檢測電路。通過上位機(jī)可以預(yù)設(shè)電機(jī)的額定電流和過載電流，這樣就可以在電機(jī)出現(xiàn)過載的情況下及時切斷電機(jī)電路，達(dá)到停車保護(hù)的目的。為節(jié)約成本，每臺泵可以只檢測其兩相電流。而為了檢測兩個泵的運(yùn)行情況，所以下位機(jī)需要四路電流互感器檢測電路。電路主要通過電流互感器將泵的大電流轉(zhuǎn)換小電流，再通過整流橋?qū)⑿⌒盘栯娏髡鳛橹绷麟娏?，?jīng)過濾波后，再將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號送入ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號送給STC89C51單片機(jī)進(jìn)行處理。其電路如圖2所示。

圖2 電流互感器電路圖

其次為4～20 m A液位信號處理電路，此信號要經(jīng)過ADC的處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入51單片機(jī)進(jìn)行處理。其電路如圖3所示。

圖3 液位信號I／U處理圖

所有外部信號經(jīng)過調(diào)理電路處理，轉(zhuǎn)換為電壓信號送入ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809可以有8路模擬量同時輸入，但是8路模擬量的轉(zhuǎn)換是由不同地址經(jīng)過地址鎖存器譯碼后分時轉(zhuǎn)換輸出。此次設(shè)計用到5路模擬量輸入，分別為4路電流檢測信號和一路液位信號。ADC0809接口電路如圖4所示。

數(shù)模信號轉(zhuǎn)換后送入STC89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，并經(jīng)過Modbus－RTU協(xié)議包裝后通過通訊模塊實時上傳數(shù)據(jù)。

圖4 ADC0809接口電路圖

所有外部信號采集并轉(zhuǎn)換完畢，送入上位機(jī)經(jīng)由STM32處理。如判斷電機(jī)的運(yùn)行電流是否過流，和此時的液位情況等。在系統(tǒng)自動運(yùn)行的情況下，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)計算出數(shù)字量的電機(jī)運(yùn)行頻率，并發(fā)送給下位機(jī)處理器STC89C51，下位機(jī)將數(shù)字信號發(fā)送給MAX536D／A轉(zhuǎn)換器，將頻率的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號送給變頻器，這樣就能達(dá)到對電機(jī)的PID控制。MAX536與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

圖5 MAX536與單片機(jī)的接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)的軟件設(shè)計，即基于STM32處理器的人機(jī)交互界面，Modbus－RTU通訊協(xié)議和互感器電流運(yùn)算，控制策略軟件編寫；下位機(jī)軟件設(shè)計，即各個硬件模塊的驅(qū)動，如ADC0809的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，MAX536的數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動，以及下位機(jī)的Modbus－RTU的通訊協(xié)議的軟件編寫等。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)主要完成的功能是數(shù)據(jù)采集以及上傳，和接收上位機(jī)的指令，并發(fā)布指令控制電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速。下位機(jī)的軟件工作流程如圖6所示。

下位機(jī)主程序主要完成對數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并按照Modbus－RTU協(xié)議對其包裝，等待上位機(jī)讀取指令。其次主程序為接收中斷程序，即上位機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送，下位機(jī)便進(jìn)入接收中斷程序。中斷程序首先需要接收一個完整包數(shù)據(jù)，然后對其CRC校驗，如果為無效包則丟棄，否則需要對這包數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，然后執(zhí)行相應(yīng)動作。

3.2 Modbus-RUT通訊協(xié)議構(gòu)建

Modbus－RTU協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 下位機(jī)軟件工作流程圖

當(dāng)在一個Modbus－RTU協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們自身的設(shè)備地址，從而可以識別按照地址發(fā)來的消息，決定產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將產(chǎn)生反饋信息并用Modbus－RTU協(xié)議發(fā)出。Modbus－RTU主要由站地址（一個字節(jié)）＋功能碼（一個字節(jié)）＋首地址（兩個字節(jié)）＋訪問字?jǐn)?shù)（兩個字節(jié)）＋校驗碼（CRC16 或LRC兩個字節(jié)）總共8個字節(jié)組成。格式如圖7所示。

圖7 Mod Bus－RTU通信格式

接下來對Modbus－RTU協(xié)議的功能碼部分進(jìn)行闡述，具體如表1所示。

表1 Modbus－RTU協(xié)議功能碼表

例如對功能碼01 H的通訊過程的解釋。首先由上位機(jī)（主站）發(fā)出詢問指令數(shù)據(jù)包，詢問節(jié)點0019～0055狀態(tài)數(shù)據(jù)。主站指令包數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主站詢問包

當(dāng)下位機(jī)（子站）收到數(shù)據(jù)包并進(jìn)行校驗正確后，就要組織數(shù)據(jù)包，并將其返回。子站返回數(shù)據(jù)中，輸出狀態(tài)按位表示，1表示開狀態(tài)，0表示關(guān)狀態(tài)。起始數(shù)據(jù)從第一個數(shù)據(jù)的最低位開始排列，由低到高，字節(jié)順序也是由低到高排列。如果返回數(shù)據(jù)不是8的倍數(shù)，則最后字節(jié)的其它位均填零。字節(jié)數(shù)的內(nèi)容指數(shù)據(jù)的長度。從站恢復(fù)數(shù)據(jù)包如表3所示。

表3 從站數(shù)據(jù)包

輸出狀態(tài)26－19的數(shù)據(jù)位CD：11001101，最低位1表示26節(jié)點的開狀態(tài)，最低位1表示19節(jié)點的開狀態(tài)。55－51的數(shù)據(jù)位1B：00011011，低五位是有效數(shù)據(jù)，高三位是無效數(shù)據(jù)，均填寫零補(bǔ)充。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)兩個功能，一為顯示以μcGUI建立的人機(jī)交互界面，并且實時刷新上傳數(shù)據(jù)；另一個根據(jù)下位機(jī)采集泵的三相電流和液位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過載保護(hù)和液位控制，合理運(yùn)用PID算法控制泵的轉(zhuǎn)速，提高了系統(tǒng)的魯棒性，也達(dá)到了節(jié)能的目的。上位機(jī)軟件工作流程如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件工作流程圖

3.4 采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

上位機(jī)主要收集四路電流信號和液位變送器的液位信號，這些信號都是由A／D轉(zhuǎn)換后的無量綱數(shù)值，需要根據(jù)實際硬件電路圖的設(shè)計，利用軟件把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際值。數(shù)據(jù)一方面在上位機(jī)顯示，另一方面通過上位機(jī)參與冷凝水液位自動控制。

根據(jù)電流互感器電路設(shè)計，其電流值換算過程如下：

因為互感器為40A／16m A，設(shè)電機(jī)的實際運(yùn)行電流為A1，則轉(zhuǎn)換后的電流為：

由實際電路得轉(zhuǎn)換電路兩端電壓為：

由電阻分壓得進(jìn)入A／D0809的電壓值為：

設(shè)A／D0809輸入電壓值為Y1，則可求出A1：

由實際電路可得實際液位值換算公式，其中設(shè)A／D0809采集的液位電壓值為Y2，實際液位值為A2，實際液位量程為H2，則：

3.5 PID控制過程設(shè)計

單容水箱特性（圖9）只有一個液位，流入量為Q1，流出量為Q2，隨著上游生產(chǎn)工藝的變化，凝結(jié)水收集的量也隨之變化，其流入水箱量的大小也受閥門1的開度控制；在閥門1開度不變的情況下，液位H越高，流出量Q2也應(yīng)越大。

圖9 凝結(jié)水單容器水箱結(jié)構(gòu)圖

其控制方框圖如圖10所示。

圖10 單容器液位控制方框圖

根據(jù)液位動態(tài)平衡關(guān)系，求得：

在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：

式中，T＝R2×C為水箱的時間常數(shù)（受閥門1開度影響），K ＝R2為過程的放大倍數(shù)也是閥門2的液阻，C為水箱的底面積。令輸入量Q1（S）＝R0／S，R0為常量，則輸出液位高度為：

當(dāng)t＝T時，則有：

式（8）和式（9）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)。對于階躍輸入，該系統(tǒng)采用比例（P）調(diào)節(jié)器來控制，系統(tǒng)有余差，而這個余差與比例度是近似成正比的。對此進(jìn)行凝結(jié)水液位控制仿真，其開環(huán)的接觸器控制方式和閉環(huán)的PID控制方式仿真曲線圖如圖11所示。

圖11 凝結(jié)水液位控制仿真曲線

4 測試與分析

圖12為實際測試的水位曲線圖，和2號泵故障圖。

圖12 水位動態(tài)控制結(jié)果

實測與仿真結(jié)果對比表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對凝結(jié)水液位的恒值控制。由圖12（a）可看出，系統(tǒng)把測量的初始水位45 cm送入STM32控制器與給定值（10 cm）比較，根據(jù)水位偏差，上位機(jī)系統(tǒng)按PID規(guī)律調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行頻率，控制電機(jī)抽水，經(jīng)過大概7分鐘，使凝結(jié)水液位保持在10 cm左右，滿足了控制精度；其中曲線波動部分為凝結(jié)水進(jìn)水帶來的干擾，系統(tǒng)立即響應(yīng)，最終將水位控制在10 cm高度，反映出系統(tǒng)具有一定的魯棒性。圖12（b）表明當(dāng)電機(jī)過載運(yùn)行時，系統(tǒng)可停止電機(jī)運(yùn)行并發(fā)出報警信號，達(dá)到了對電機(jī)的過載保護(hù)。

由系統(tǒng)運(yùn)行時的凝結(jié)水液位圖12（a）分析，可以看出圖中凝結(jié)水液位遠(yuǎn)超過設(shè)定水位時，水泵應(yīng)該滿負(fù)荷運(yùn)行，水位曲線應(yīng)該直線下降，但是圖中曲線有波動。原因一方面來自于凝結(jié)水進(jìn)水大于出水，其主要原因為液位信號的波動，導(dǎo)致水泵輸出頻率有微小的擾動，從而影響了水泵的轉(zhuǎn)速，因此使得水位曲線圖出現(xiàn)微小的波動。為避免此現(xiàn)象，系統(tǒng)可以增加模擬量數(shù)據(jù)采集的濾波電路，此外考慮到51單片機(jī)的運(yùn)算能力，下位機(jī)軟件可增加簡單的濾波程序，從而可達(dá)到在硬件和軟件上對模擬量數(shù)據(jù)采集的三重濾波，可實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

采用 “STM32（上位機(jī)）＋STC89C51（下位機(jī)）”的結(jié)構(gòu)模式，設(shè)計了凝結(jié)水液位控制系統(tǒng)，上位機(jī)采用PID算法和μc GUI可視化人機(jī)界面，實現(xiàn)了對水箱液位及相關(guān)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善、可靠性好、性價比高，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

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Design and Implementation of Condensate Water Level Monitor System Based on STM32

Zhang Kunao，Li Jun，F(xiàn)ang Xin

（School of computer science and technology，Xi′an University of Science And Technology，Xi′an 710054，China）

In order to reduce the difficulty and cost of the PLC control of the single tank liquid level system，the system uses STM32 and STC89C51 as the host computer and the slave computer，the liquid level monitoring system based on Modbus－RTU communication protocol has been developed，which realizes the function of real－time data collection，display，animation，fault alarm function and level alarm function.In addition，to improve the system control precision of the condensate level and reaches the pump run time save energy purposes，PC software system designed with PID algorithm，the system is based on dynamic data collection frequency output signal to the inverter control pump speed，to achieve a good level of condensate and constant control of the pump frequency control and meet the design requirements of the system.Finally，the system simulation results and test results are given，and the interpretation and analysis.Experimental results show that the system is economical and practical and has strong anti disturbance ability and can be widely used in industrial control field.

STM32；STC89C51；Modbus－RTU protocol；PID controller；single container liquid level system

1671-4598（2016）08-0079-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.021

：TP274

：A

2016-01-23；

：2016-03-01。

張坤鰲（1964-），男，河南省三門峽市人，碩士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)方向的研究。