方勝利，梅建偉，羅敏

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

基于RS485通信的分布式雙閉環(huán)低溫回火爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

方勝利，梅建偉，羅敏

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

針對分布式低溫回火爐溫度控制系統(tǒng)的要求，設計了監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，而后分別設計了集模擬PID控制功能和基于MSP430單片機的數(shù)字PID控制功能于一體的下位機及基于組態(tài)王軟件、具有系統(tǒng)監(jiān)控功能的上位機，同時為使上位機與各下位機間具有良好的數(shù)據(jù)通信性能，系統(tǒng)中采用了RS485通信方式。該系統(tǒng)成本低，經(jīng)實際測試和長期運行證明其控制精度高、穩(wěn)定性好，因此具有較高的實用價值。

雙閉環(huán)控制；單片機；RS485通信；組態(tài)王；監(jiān)控系統(tǒng)

Abstract:Aiming at the requirement of the temperature control system in distributed low temperature tempering furnace,the overall design scheme was provided firstly in the paper.And then the lower com?puter which fully integrate an alogue PID control function and digital PID control function based on MSP430 SCM,and the upper computer based on Kingview software which provided the system monitor?ing function were designed.To ensure the good performance of data communication between the lower computer and upper computer,the RS485 communication mode was used in the system.The system is cost-effective and has high accuracy of controlling and good stability which proved by actual test and long-time running.So the designed system has high practical value.

Key words:double closed-loop control;SCM;RS485 communication;Kingview;monitoring system

低溫回火爐主要通過爐壁對工件進行烘烤加熱，并由供風系統(tǒng)保證爐內(nèi)熱量循環(huán)，通常爐壁溫度控制在150～250℃之間。目前常見的分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用“專用上位機監(jiān)控軟件+PLC”組合控制方式，由上位機發(fā)出運行命令，PLC完成實際控制功能。這種監(jiān)控方式結(jié)構(gòu)簡單，但成本較高。由于爐溫控制有較大延時，采用單一數(shù)字閉環(huán)控制時精度低，因此對生產(chǎn)工藝有一定的影響。為降低系統(tǒng)成本、提高控制精度，結(jié)合模擬PID控制靈敏度高、調(diào)節(jié)速度快和數(shù)字PID監(jiān)控性好的特點，采用性價比高的單片機和組態(tài)王監(jiān)控軟件設計了基于RS485通信具有模擬PID內(nèi)環(huán)控制和數(shù)字PID外環(huán)控制的雙閉環(huán)高精度分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 總體方案設計

分布式低溫回火爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總設計方案由監(jiān)控層和現(xiàn)場層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中監(jiān)控層主要由上位機監(jiān)控軟件組態(tài)王和通信轉(zhuǎn)換器組成，組態(tài)王通過數(shù)據(jù)總線向下位機下達溫度指令的同時接收下位機檢測的實際溫度值，實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控；RS232/RS485通信轉(zhuǎn)換器則實現(xiàn)基于RS232電氣特性的PC機串口信號與RS485電平信號間的轉(zhuǎn)換功能。現(xiàn)場層中各爐的下位機一方面將實際爐溫通過溫度變送器和單片機內(nèi)部A/D外設轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送至上位機，另一方面接受上位機的爐溫設定指令對溫度進行外環(huán)數(shù)字PID控制。各爐溫控結(jié)構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)場層給出加熱元件的電壓數(shù)字指令，通過單片機內(nèi)部的D/A外設轉(zhuǎn)換成對應的模擬量，并將其作為調(diào)壓模塊的輸出電壓，實時檢測實際通電電壓，實現(xiàn)對通電電壓的內(nèi)環(huán)模擬PID控制。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的控制電壓，改變調(diào)壓模塊內(nèi)可控硅的導通角，進而改變加熱元件的通電電壓，實現(xiàn)爐溫控制。

圖1 系統(tǒng)總設計方案

圖2 各爐溫控結(jié)構(gòu)圖

調(diào)壓模塊選用DTY-H220D10E，其控制電壓為DC 0～5 V，輸出幅值為220V的50 Hz交流電；溫度傳感器選用高精度電壓輸出型溫度變送器鉑熱電阻PT100，其測溫范圍為0～300℃，精度可達0.1℃，對應輸出DC 0～10 V。此外，考慮到工業(yè)現(xiàn)場分布式控制特點，為使系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信具有較強的抗干擾能力、較高的傳輸速率、較長的輸出距離、較多的下位機站點，選用具有差分傳輸特性、最高10 Mb·s-1傳輸速率、最大1 200 m傳輸距離、多站點能力（最多32個控制站點）的RS485通信方式。

2 下位機設計

2.1 硬件電路設計

根據(jù)對下位機的分析，考慮到性價比，選用TI公司的MSP430F1611單片機，其內(nèi)部集成有12 bit A/D、12 bit D/A、UART外設，完全滿足測溫、調(diào)壓、RS485串行通信功能，對應的電路如圖3所示?？紤]到其他設備的電源要求，選用5V 6A、12V 4A輸出開關(guān)電源D-60 A作為系統(tǒng)控制電路的總電源。

圖3 單片機控制電路圖

圖3中電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3將開關(guān)電源輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V，為單片機U9供電，通過LED發(fā)光二極管D5、D7指示電源正常與否；基于芯片MAX485的RS485通信接口電路將單片機內(nèi)部TTL電平轉(zhuǎn)換成與RS485電氣特性相符的差分信號，用于下位機與上位機之間的遠距離通信?；诩蛇\放U8（LM358）的衰減電路將溫度變速器的輸出（DC 0～10 V）轉(zhuǎn)換成符合單片機內(nèi)部A/D外設的輸入信號（0～3.3 V），其電壓衰減倍數(shù)為

為避免由于電阻阻值誤差引起的測量誤差，R22則選用5kΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)溫度反饋系數(shù)，R20為64.9kΩ，R30為33kΩ，鉗位二極管D8、D9選用IN4148，用于保護單片機，電容C19則對溫度變送器輸出的直流電壓進行濾波處理，LED發(fā)光二極管D10則由單片機控制，用于指示與上位機通訊狀態(tài)。單片機根據(jù)由上位機下達的溫度指令和由溫度變速器獲得的實際溫度進行數(shù)字PID外環(huán)控制，并將計算得到的控制電壓數(shù)字量經(jīng)內(nèi)部D/A外設轉(zhuǎn)換后得到其對應的模擬電壓控制量Ug。

此外，下位機還對加熱元件通電電壓進行模擬PID內(nèi)環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的控制電壓，實現(xiàn)加熱元件兩端電壓的實時調(diào)節(jié)，達到控制爐溫的目的。對應電路如圖4所示。

圖4 模擬PID控制電路圖

由于調(diào)壓模塊的輸出為非正弦交流加熱電壓，為完成加熱電壓的模擬PID閉環(huán)控制，首先通過電阻R27、R28、R29進行分壓，而后將分壓后的交流電壓由高精度有效值檢測芯片LTC1966將其轉(zhuǎn)換為直流電壓信號Uout，而后將其放大后的電壓Uf作為模擬PID閉環(huán)的反饋信號。由于LTC1966的輸入電壓峰-峰值限定為1 V，故需將調(diào)壓模塊的輸出衰減到200 mV，分壓比為

故選型R27為9.1MΩ，R28為10kΩ，R29選用2MΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，電阻R31為47kΩ用于限流，電容C20為0.1 μF用于隔直濾波。此外，LTC1966的輸出電壓范圍為0～200 mV的直流信號，需要放大至0～3.3 V，放大系數(shù)為

故選型為R45為330 kΩ，R41為16 kΩ，R44則選用10kΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)放大系數(shù)?；谶\放U13的硬件加法器完成加熱電壓設定值Ug和反饋值Uf之間誤差Ue的檢測，經(jīng)由運放U14、電阻R40、R43和電容C22、C25組成的模擬PID控制器和基于U15的反向器輸出調(diào)壓模塊0～5 V的控制電壓。其中C24、R42和C26、R47分別對信號進行濾波處理，PID閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)實際調(diào)試后得出最佳參考值，即

2.2 軟件設計

根據(jù)下位機中MSP430單片機的功能分析，完成A/D、D/A、PID控制算法和異步通信等功能，對應的控制軟件中主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、外設參數(shù)設置和中斷設置等功能，而爐溫的A/D、數(shù)字PID控制算法、溫度測量值的發(fā)送、D/A功能在單片機的周期中斷中完成，爐溫設定值的接收則在單片機的異步接收中斷中完成。為保證爐溫采集的準確性和整個系統(tǒng)的控制精度，根據(jù)香農(nóng)定理結(jié)合單片機的工作頻率適當提高爐溫的采樣頻率，并對A/D后的數(shù)字量進行平均值數(shù)字濾波處理，同時為防止因高靈敏度的模擬PID輸出頻繁調(diào)節(jié)而引起系統(tǒng)震蕩，在數(shù)字PID調(diào)節(jié)中加入死區(qū)控制。

由于分布式下位機站點較多，為了便于上位機對各回火爐單獨進行溫度監(jiān)控，對每個下位機都進行站點地址編號，即在RS485協(xié)議中設定每個下位機的站點地址，每個下位機向上位機發(fā)送實際爐溫時，將其站點地址也一同發(fā)送，同理上位機向各下位機發(fā)送爐溫設定值時，也將對應下位機的站點地址也一同發(fā)送，下位機接收到異步通訊數(shù)據(jù)后，首先通過數(shù)據(jù)中的站點地址辨別是否是發(fā)給本站的數(shù)據(jù)，若是，則進行后續(xù)動作，否則直接舍棄。各站點下位機中單片機主程序流程和中斷程序流程如圖5～6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷程序流程圖

3 上位機監(jiān)控設計

組態(tài)王提供了PC機串口與單片機串口之間進行數(shù)據(jù)通訊的驅(qū)動，因此只需在組態(tài)王軟件中設置相關(guān)通訊參數(shù)即可實現(xiàn)通訊功能。同時由于上位機只需完成各站點實際溫度顯示、標稱溫度設定及可視化報警、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，結(jié)合組態(tài)王軟件特點，只需在組態(tài)王中根據(jù)要求定義相關(guān)監(jiān)控變量并對相關(guān)組件進行編輯組態(tài)即可，而無需進行復雜的編程操作。此外，由于各站點的功能相同，因此各站點組態(tài)王溫度監(jiān)控界面也基本一致，此處僅給出某站點的爐溫監(jiān)控運行子界面（圖7），其他站點監(jiān)控界面與此類似。

圖7 某站點監(jiān)控運行子界面

4 系統(tǒng)運行測試數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述設計，對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行運行測試，表1為從上位機監(jiān)控軟件中導出的部分測試數(shù)據(jù)結(jié)果。通過對所有測試數(shù)據(jù)的綜合分析可知，在150～250℃范圍內(nèi)爐溫動態(tài)調(diào)整時間不超過30 s，最大超調(diào)小于6%，其穩(wěn)態(tài)控制精度可達0.3%，且經(jīng)過長時間運行測試證明：該系統(tǒng)的可靠性較高，即使某個下位機站點出現(xiàn)故障，也并不影響其他站點的正常工作，完全滿足低溫回火爐溫度控制高精度、高可靠性的要求。

表1 系統(tǒng)運行測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)分布式低溫回火爐溫度控制系統(tǒng)存在的缺陷，設計了具有模擬PID、數(shù)字PID雙閉環(huán)控制功能的下位機和基于組態(tài)王的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。為提高數(shù)據(jù)通訊性能，在上位機和下位機之間采用具有差分和高速率傳輸特性的RS485通訊方式，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的控制精度和可靠性，滿足其控制要求，具有很高的使用和推廣價值。

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Design of Distributed Double Closed-loop Temperature Monitoring System of Low Temperature Tempering Furnace Based on RS485 Communication

Fang Shengli,Mei Jianwei,Luo Min
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

TP273+.5

A

1008-5483（2017）03-0055-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.014

2017-04-06

方勝利（1987-），男，湖北十堰人，助教，碩士，從事嵌入式控制與電機驅(qū)動方面的研究。E-mail：qyfsl@126.com