工业电阻炉温度智能控制系统的设计

张文涛,曾 琳

(1.浙江外国语学院国际工商管理学院,浙江杭州310012;2.浙江农林大学现代教育技术中心,浙江临安311300)

目前,我国电阻炉控制设备的现状是一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存.占主导地位的是仪表控制,这种系统的控制参数由人工选择,需要配置专门的仪表调试人员,费时、费力且不准确,抗扰性与跟踪性两者很难兼顾.控制精度不高,且依赖于试验者的调节,一旦生产环境发生变化就需要重新设置.控制方式为简单的P ID控制,参数一旦整定不能在线调整,不能满足对不确定复杂工况(如电阻炉的装炉量的不同等)的控制要求.操作不方便,控制数据无法保存[1-2].由于控制器老化有时失灵,只能靠现场操作人员手动关断或接通电源来控制,工人的劳动强度大,出现“窜温”现象,可能造成产品报废.产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低,这些都影响了企业的效益.

随着先进制造技术的迅速发展,热处理设备的控制精度越来越重要,而温度对热处理工件质量具有重要影响,因此对现有的炉温控制系统技术改造显得尤为重要[3-4].集散式热处理电阻炉温度控制系统采用一种新型的控制方法,结合上、下位机,设计一套对温度实时控制的集散式系统.系统集智能控制技术、串行通信技术、面向对象编程技术以及热处理工艺技术于一体,有较好的控制和跟踪性能,控温精度高,在保证其它工艺的条件的情况下,提高了工件的质量,降低了能耗,具有一定的经济技术效益.

1 系统工作原理

系统如图1所示由一台上位机工作站、打印机、RS-485接口、以及多台下位机(从机)组成.为了达到分散控制、集中管理即集散式控制的要求,系统将PC机与多台单片机(从机)共同组成集散式智能温度控制系统.

系统操作员在PC上位机上进行操作,在PC机的图形监控显示屏幕下,可实施对整个系统和各个下位机模块的监控.上位机可以给下位机发送各种控制命令,也可以实时接收下位机发送来的数据,并对其数据进行相应的处理,以实现集中管理和最优控制.各下位机完成采样及控制功能,并将工艺数据实时发送给上位机,以便上位机处理.

下位机主要包括主CPU部分、输入通道、输出通道、键盘和显示部分.需要完成温度的检测、显示和控制计算、输出以及与上位机之间的通信,并且各个下位机在本地工作模式下,可以通过面板上的键盘完成工艺参数的设置,工艺曲线的固化等功能.而在远程工作模式,下位机从工艺参数的设置、工艺运行的状态,到其运作情况完全由PC上位机操作控制.系统下位机均采用FM240128A液晶作为显示模块,在控温过程中,系统可在液晶屏上以图形方式显示实际工艺曲线,并显示当前实测温度和运行状况,人机界面十分友好.

上位机通过串行通信接口与各台下位机进行通信,实现各种参数及命令的传送与接收;在下位机工作过程中,上位机接收下位机发送的实时工艺参数,并以不同的方式记录和保存工艺数据,显示工艺曲线及下位机的工作状态等,这样为分析和比较温控工艺提供了有效的手段,而且上位机通过发送控制命令和读写命令可实现对下位机的远程控制.

系统上、下位机间采用RS-485总线相连.RS-485总线以差分平衡方式传输信号.在工业生产现场存在大量复杂干扰信号条件下,差分平衡传输可有效地抑制共模干扰[5].在输入端的共模输入会有效地抵消传输过程中混入的干扰和噪声,并且由于采用了平衡传输,也避免了上、下位机两地现场地电位不同引起的“地线环流”问题,增大了传输距离.上位机和下位机依靠串行通信方式相互传递信息,通过地址取得相互联系.由于各从机共享串行总线,为避免冲突,由主机轮流联络各从机,而从机不能主动向主机或其它从机进行联络,即使有数据要上传给主机,也必须等待主机与它联络之后才能发送数据,为了保证主机与所选择的从机实现可靠地通信,必须给每一个从机分配一个唯一的地址.

图1 炉温控制系统总体结构

2 系统技术指标

整个系统最终达到的技术指标是由系统中的各个环节共同作用后完成的.比如要提高温度检测的精度,只采用高精度的A/D转换器是不够的,还需要好的抗干扰措施、精确度高的传感器及软件线性化处理等等.一般情况下,技术指标达到某个限度后,再提高一点点都是不容易的,为此可能付出几倍的时间和经费.经分析温控系统的实际应用,确定该系统的技术指标如下:

从机数量:＜20 测温范围:0～1100℃

测温误差:±0.4℃ 控温误差:±3℃

通讯距离:＜1500m

3 温度控制原理

系统中各台下位机均为独立的温度控制系统,该温度控制系统的原理框图如图2所示.

图2 温度控制系统原理框图

此系统为一闭环控制系统.系统的输出量y经采样放大电路、模数转换电路转变为数字量Y,与设定温度R比较,得到温差e=R-Y.把e送入控制器,运用控制算法,求出控制量U,输出通道将控制量转换为开关量,控制继电器的动作,从而控制加热阀开关时间的长短,使温度达到设定值.

在热处理工艺中,为了获得较好的工件质量,选择最佳的温度控制方案是本系统设计的关键之一,系统选择了带有纯滞后补偿的增量式P ID控制器进行控制,并利用RBF神经网络在线整定控制参数,实验证明具有良好的跟踪、控制效果[6].

4 系统下位机硬件设计

系统各下位机需要完成温度的采集、数据的处理、存储及显示、控制输出、与上位机通信等功能.其硬件电路主要设计了主CPU模块、输入通道、输出通道、键盘、显示和串行通信等几个模块.总体框架如图3所示.

图3 下位机硬件设计总体框图

从图3可以看出下位机以89C52单片机为核心.系统工作时,首先被测参数(温度值)由热电偶传感器测定,得到毫伏电压信号,经过放大滤波后变为0～5V的电压信号后,送到A/D转换器中进行模数转换,其次将得到的数字信号送入单片机中,进行数据处理.一方面,单片机把测定值与设定的期望温度值进行比较,得到偏差信号,然后根据预定的控制算法计算出相应的控制量,该控制量控制继电器的导通和关闭,以便切断或连通加热设备,从而使温度控制在设定值上.另一方面单片机把测定得到的数据送去液晶显示接口显示,并判断是否有报警需要.与此同时单片机把测定得到的数据,通过通信接口传输到上位机进行显示、分析和处理.

5 下位机软件设计

下位机软件功能:(1)定时采样电阻炉内的温度值;(2)可通过串口给上位机发送运行数据;(3)接收上位机P ID参数,计算控制输出,精确控制电阻炉内温度;(4)液晶显示器显示实测及理论温度;(5)本地工作模式下,由下位机完成工艺参数的设置;(6)远程工作模式下,按接收到的上位机命令工作.

系统下位机由两种工作模式构成:本地工作模式和远程工作模式.其软件功能模块划分如图4所示.

图4 下位机功能模块图

本地工作模式下,软件的输入模块完成工艺参数的设置,并可把工艺参数固化到E2PROM中;工作模块是下位机的核心部分,其中控制算法部分应用了纯滞后补偿的增量式P ID实现温度控制,P ID的三个参数由上位机在线整定,下位机在控制温度的同时向上位机实时发送工艺数据,供上位机记录、分析[7].在远程工作模式下,软件采用查询的方式访问串口,按上位机发送的各种有效的命令来运行.由于系统采用集散式控制,由上位机轮流联络各下位机,因而各下位机每接收到上位机发送来的命令都要首先判断是否发给自己的命令,若是则作出相应的处理,若不是则将信息丢失.远程工作模式下本地键盘不起作用,各工艺的设置与修改由上位机发送,存入E2PROM,并由上位机发送控制命令.

6 上位机软件设计

上位机的主要功能是对下位机进行监控,以及在监控过程中对工艺运行过程进行分析处理,保证下位机的正常运行.主要功能如下:(1)接收下位机运行数据;(2)实时整定P ID参数;(3)显示所选下位机的工作状态;(4)适当的时候给下位机发送控制命令;(5)及时保存各下位机的各项数据.其软件功能模块的划分如图5所示.

图5 上位机功能模块框图

7 实验结果

图6为系统测试运行时,上位机控制届面显示的动态曲线跟踪图.

图6 温度动态曲线跟踪图

图6显示了整个工艺的运行温度曲线跟踪情况,可以看出,系统运行时能够达到很好的温度控制效果,经数据分析,在速率升温及保温段都达到了预期控制精度.

此系统实现了本地和远程两种控制模式,具有很强的人机互动性,操作方便,温控数据可以实时进行分析和保存,而且大大提高了控制精度.

[1] 王耀南.智能控制系统[M].长沙:湖南大学出版社,2006:180-205.

[2] 何克忠,李伟.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2004:263-265.

[3] 罗湘燕,陈鲁汉.40CrN iMoA钢调质热处理炉温控制系统[J].机电产品开发与创新,2007(1):149-150.

[4] 余丽平.基于虚拟仪器的电阻炉智能温度控制系统的研究[D].西安:建筑科技大学,2007:80-150.

[5] 范逸之,江文贤.C++Builder与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社,2002:100-200.

[6] 王春民,刘兴明,嵇艳鞠.连续与离散控制系统[M].北京:科学出版社,2008:491-494.

[7] 王中杰,柴天佑,邵诚.基于RBF神经网络的加热炉钢温预报模型[J].系统仿真学报,1999(6):181-185.