纺织厂空调智能控制系统的研究

裴素萍，吴必瑞，巫付专

（1.中原工学院，郑州450007；2.宁德师范学院，福建 宁德352100）

在纺织产品的生产过程中，为保证产品的质量，必须严格控制生产车间空气的温、湿度等参数.如相对湿度波动范围不能超过±5%，温度不能超过20～31℃范围等，否则，将影响产品质量和工作效率.另一方面，空调设备又是纺织厂耗能大户，大约占纺织厂总耗电的25%～30%，耗水量占全厂总水量的40%（夏季）［1］.由于不同季节、不同地区以及昼夜温差等诸多因素的限制，很难建立一个确切的数学模型，以对纺织厂空调系统进行控制.若要纺织厂空调系统很好地发挥作用，一定程度上依赖于空调自动控制系统准确、灵敏的调节［2］.传统的自控方法是通过仪器、仪表和调节器进行控制.这种控制方法简单、易于实现，但缺点是控制精度低且故障率较高，且对于非线性系统PID控制不太适合［3］.本文提出采用MSP430单片机作为下位机进行前端数据采集，将温、湿度数据通过RS485总线送至IPC，利用IPC强大的数据处理功能执行模糊控制算法，然后通过USS协议控制变频器，使组合式空调机组在精度、节能、可靠性等方面具有以前仪器、仪表控制无法比拟的优势，从而满足纺织厂车间空调精度的要求.

1 系统的组成

本系统的结构图如图1所示.利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430采集车间的温、湿度，将采集到的数据送至上位机.本系统采用的MSP430F449运用非常灵活，内部集成LCD驱动模块和12位模数转换模块（ADC）.这款单片机除具有正常工作模式外，同时还有5种低功耗的工作模式，电路设计简单，采集精度高，同时功耗较低.其采集的数据被送至上位机，通过上位机的数据处理功能，采用模糊控制算法对数据进行处理，然后利用485串行扩展卡按USS协议输出控制参数，控制变频器驱动电机调速，从而达到调节车间温、湿度的目的.利用工控机作为上位机，可以实时集中监控纺织车间的温、湿度以及进行历史数据浏览等.

图1 系统框图

2 系统控制策略及软件实现

控制系统下位机（MSP430F449）的软件采用C语言编写，由主程序、中断子程序组成，软件流程如图2所示.主程序主要完成系统初始化，中断子程序完成A／D采集、滤波、显示以及和上位机通信等功能.上位机监控软件采用VB6.0编程，利用VB6.0的MSComm通信控件与下位机进行通信.上位机将接收到的下位机温、湿度的数据首先存入数据库，通过自整定PID和模糊控制子程序输出控制结果，采用USS控制变频器，达到调节纺织车间温、湿度的目的.上位机控制流程如图3所示.

图2 下位机程序流程图

2.1 系统的控制算法

图3 上位机程序流程图

在纺织产品的生产过程中，对车间空气的参数要求比较严格.由于不同季节、不同地区以及昼夜温差等诸多因素的限制，很难建立一个确切的数学模型以对系统进行控制，因此传统的控制方法很难对纺织厂空调系统进行精确控制.而采用模糊控制算法，可以实现精确控制，此算法的控制规则可以通过计算机编程实现.首先通过采样得到被控量数值，将此数据值与给定的数值进行比较后可得到一个误差信号，将此误差信号作为输入量给模糊控制器，然后将误差信号精确值模糊量化形成模糊量（该模糊量用模糊语言进行表述），通过这种方法得到模糊语言集合子集，将此子集和模糊控制规则依据推理合成规则进行模糊决策，进而得到模糊控制量.最后通过非模糊化处理，将模糊量转化为精确量，从而实现对被控对象进行精确控制.精确后的数字量经过数模转换形成精确的模拟量给执行机构，进而控制被控对象［6］，运行数据进行最优化计算后，可适时调节送风和回风转速以及新风百叶窗的开度，保证车间内的温度、湿度处于允许范围内，进而降低空调耗能.控制原理如图4所示.

图4 控制原理图

使用模糊控制器，要建立模糊控制表，并将模糊控制表通过程序编写入存储器中，在线时通过查询得到合适的PI参数.采用传统PI控制与模糊PI控制的效果对比如图5所示.

从图5可知，在模糊PI控制下，纺织车间温度最大超调量为1.9℃ ，调节时间也低于常规PI调节所需要的调节时间，通过模糊PI控制程序的应用，温度超调量减少了，调节时间缩短了.显然，采用模糊PI调节所需调节时间较常规PI短，温度超调量小，其调节效果优于常规PI控制.

图5 传统PI控制与模糊PI控制对比图

2.2 A／D温度采集和显示模块

本系统采用铂电阻传感器和湿度传感器HM1500分别采集纺织车间的温、湿度，通过调理电路将这些数据送至MSP430F449单片机，其内含一个12位高精度的模数转换（ADC）.为了方便用户现场观察，本系统设计了显示功能.显示器件采用LCD，MSP430F449内部有一个160段液晶驱动器，显示缓存器的各位和液晶的段一一对应.存储位置位点亮相应液晶段，存储位复位后液晶段就会变暗.段、公共极的输出控制可以自动地读取显示缓存器数据，并且将信号发送至液晶玻璃片上.

3 硬件电路的选型与设计

3.1 温度传感器

温度测量元件使用的是Pt100铂电阻，它的线性度和精确度都较高，当温度为0～50℃时，输出为恒流，经过标准电阻后，转换为电压信号，信号送到A／D转换接口.铂电阻信号由桥路放大，变换为0.5～2.5 V电压信号.电阻式温度传感器是利用导体或者半导体电阻值随温度变化而变化的特性测量温度的.它的性能非常稳定，而且测量精度高，当进行高精度范围温度测量时，常常被用作温度传感器［4］.其测量温度范围0℃～650℃，电阻R与温度t关系式为：

式中：Rt是t℃时的电阻值；R0是0℃时的电阻值；a，b，c为修正系数.当铂电阻温度基准系数TCR为0.003 851（1／℃）时，公式（1）中修正系数值见表1.

3.2 湿度传感器

湿度传感器使用线性电压输出式的集成式湿度传感器HM1500.其主要特点为恒压供电，并且内置放大电路，可以将输出和相对湿度形成一个比例关系为伏特级别的电压信号，其响应速度很快，并且重复性较好，抗污染能力强［5］.这是一个线性电压输出的湿度检测模块，还能直接和MSP430芯片进行直接相接.可以用最小二乘法求得输出电压U0和相对湿度RH间的关系：

表1 修正系数值

3.3 输出电路、通信扩展及变频器

控制量通过MSP430的I／O口输出，控制百叶窗和水泵以及其他加热设备.在控制过程中，可能会产生较强的电磁干扰信号，所以必须要考虑隔离的问题.每一路的控制输出电路的设计包含光电耦合隔离与驱动2个部分.

变频器选用西门子公司的MICROMASTER 430变频器.它是风机、泵类专用变频器，性价比较高.IPC与西门子变频器进行通讯时，采用的是USS协议，USS协议是一种基于RS－485总线方式的通信协议.为实现其通信，需在IPC中扩展485串行扩展卡.本项目选择的是MOXA CP－132串行扩展卡.CP－132是一种适用于工业通讯环境的扩展卡，具有RS422和485两个串口卡，应用于一对多点的环境中时，每一个串口均可控制多个设备数量，最多可达32个.片卡无需额外编程，即可进行数据接收和传送.数据的完整性可以通过硬件流量控制和内部终端电阻实现.光电隔离和浪涌保护功能确保操作环境更安全可靠.

4 变频器通信模块

通过串口与西门子变频器进行通讯时，采用的是USS协议，该协议是一种所有传动产品通用的通讯协议，采用主－从结构［7］.通信时，上位机作为主站向变频器发送报文，变频器作为从站对主站发来的报文进行处理并执行相应的动作，同时返回相应报文.USS协议是一种基于RS－485总线方式的通信协议，简单灵活，易于实现.要完成IPC对变频器的通信，首先要对变频器进行设置，通信流程如图6所示.

图6 通信流程图

5 结 语

随着纺织业的快速发展，空调系统技术所占的成本不断提高，空调自动控制逐步提到议事日程，该控制技术在纺织行业中得到了推广应用.由于上位机采用了模糊控制算法，实现了对设定温、湿度的快速逼近，提高了车间温、湿度的控制精度，缩短了车间空气状态的反馈周期，同时具有可靠、可编程、操作方便等特点，且各项参数均满足系统的要求.同时该系统利用485串行扩展卡输出参数控制变频器，从而达到调节车间温、湿度的目的.

［1］刘建亭，董胜利.纺织厂空调微机监控系统［J］.山东师大学报（自然科学版），2000，（15）6：143－147

［2］薛永飞.纺织厂空调自动控制技术的探讨［J］.棉纺织技术，2003，31（11）：39－41.

［3］宁永生.模糊控制技术在集中空调监控系统中的应用研究［J］.暖通空调，2005，35（5）：116－119.

［4］李昕，曲梦可，荣誉.基于 MSP430单片机的模糊温湿度控制器的设计［J］.传感技术学报2007，20（4）：805－807.

［5］向海健，徐荣青.分布式温湿度巡检系统［J］.电气应用，2007，26（11）：91－92.

［6］刘金琨.先进PID控制及其 MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2003：102－146.

［7］李慧，马宝甫.利用 VB6.0实现变频器与工控机的通信［J］.工业控制计算机，2001（11）：12－14.