传统炉温数据采集控制系统之改进

高慧

摘   要：人类的生活同温度息息相关，温度是各类工农业生产不可或缺的重要条件之一。随着社会的不断发展、科学技术的不断进步，各种先进的测量温度的仪器在各行各业得到了广泛的应用。温度采集系统被应用于人们生活的方方面面，工农业生产、生活的各行各业对于温度采集的精度要求越来越高。因此，主要研究目前市场上传统的温度采集控制系统的现状并通过分析得出其优劣性，为新的高效的炉温系统的设计提供帮助。

关键词：传统;炉温数据采集;现状;研究

温度是工农业生产中的重要参数之一，各类工农业生产现场都需要对温度进行精准的控制，例如。工业环境中的发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内，许多化学反应的工艺过程必须控制在一定的温度条件下才能进行，炼油厂的原油必须在一定的温度和压力条件下才能按照设定的程序分离出汽油、柴油，没有合适的温度环境，许多对温度敏感的电子仪器仪表无法正常启动运行，农业生产中的粮仓需要精确的温度控制才能保证储存的粮食不腐烂变质，酒类生产和储存需要严格的温控装置才能保证酒的品质不受到影响。由此可见，研究温度的精确采集和自动控制是工农业生产和生活中非常重要的一个环节。

1    传统炉温数据采集控制系统简介

温度控制技术按照控制目标的不同可以分为两大类，即动态时候的温度跟踪和恒温温度控制。所谓的动态温度跟踪指的是温度在不同环节是不相同的，有一定规律的变化过程，例如在工业环境中常见的酒和醋发酵过程中的温度跟踪、冶炼炉中的燃烧物的实时温度控制跟踪等。恒温温度控制指的是被控对象的温度在一定范围内处于一个稳定不变的状态，即恒温状态，并且要求其温度只能在一个很小的范围内波动。科学技术不断进步，自动化控制系统随之逐渐更新换代，温度检测控制元件也在不断发展变化，新型的温度传感器种类繁多、应用更加广泛，逐渐由模拟式向数字式转化以适应自动控制系统的发展需求。

炉温数据检测控制系统最主要的组成部件就是测温元件、温度传感器，各类传感器因为自身工艺特性都会对系统的测量精度等参数产生影响，例如各类传感器自身的优劣性以及整个温度采集控制系统的环境因素，还有最为重要的一点就是系统对于精度的要求。因此，不同的温度控制系统中采用的温度传感器也不尽相同。

2    改进方法1—基于PCI总线的炉温数据采集控制系统

传统的单片机温度采集控制系统采用的是有限通信的信号传送方式，但这种控制系统在空间布局上有很大的局限性，也就是说温度控制系统和工业生产现场之间的距离受限制，同时，温度传感器大多采用的是热电偶、热电阻等模拟信号传感器，必须要加上适当的信号补偿电路和模数（Analog-to-Digital，AD）轉换电路才能和上位机相连，且这种电路往往结构复杂，性价比不高。

传统的模拟信号炉温采集控制系统大都采用模拟信号有线传输方式进行测温，因此，精度不高，而且系统布局结构复杂，操作的灵活性和可操作性不高。为了解决这个问题，在工业生产环节，可以采用无线数据传输的方式代替传统的有线数据传输，无线数据传输因为自身特点，广泛适用于复杂地形、高腐蚀性测温环境或者是运动的、旋转的测温对象。随着数字电路和自动控制技术的不断发展，无线传输的实现变得越来越容易了。

基于这一前提，可以设计一种精度高、数据采集速度快、智能化的基于外设部件互连标准（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线的炉温数据采集控制系统。系统利用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA），具有数据处理快和PCI总线传输速率高的特点，通过相应的算法进行数据分析与处理;将相应的数据信号通过PCI总线接口高速上传给上位机进行处理和控制;最后采用模糊比例-积分-微分（Proportion、Integral、Derivative，PID）控制算法对炉温进行了控制仿真测试，改善了现场仪表常规PID控制方式存在的振荡现象，最终满足控制精度要求。

3    改进方法2—基于DSP的炉温数据采集控制系统的设计

3.1  系统概述

本系统在传统的炉温数据采集控制系统的基础上进行了优化设计，例如在传统的炉温控制系统中采用的是现场仪表测量炉温的方式，这种系统我们也把它称为分离式的仪表控制系统。这种系统的优点是结构简单、操作方便、易于搭建系统，但是缺点也特别明显，显著的缺点就是检测的通道过于单一，并且实时性差，数据传输的速率太低，在科学技术不断发展、电气自动化技术不断更新换代的今天，这种测温系统已经不能满足工农业生产现场对于测温系统的整体要求了。

为了缓解这种供需不平衡的局面，特设计了一款基于数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的炉温数据采集控制系统，系统的总体框架如图1所示。

在改进后的炉温数据采集控制系统中，检测炉温的温度传感器采用的是K型热电偶，采用DSP芯片进行采集到的炉温数据信号的AD转换、放大等，利用模糊PID算法实现对炉温数据的精确控制，信号传输方面采用的是无线组网传输方式，有效地解决了传统有限传输方式容易受到环境条件和传输距离等影响的问题。

3.2  系统硬件设计

基于DSP的炉温数据采集控制系统的硬件电路设计主要包括如下几部分，即炉温控制电路、炉温采集电路、采集到的炉温数据存储电路、炉温数据传输电路以及电源电路5个部分。

3.2.1  炉温控制电路

在基于DSP的炉温数据采集控制系统中进行炉温控制的部分选用的是TAC10型周波控制器，众所周知，周波控制器不仅可以接受模拟量的电压信号，还可以接收相应型号的微电流信号。构建炉温控制电路时，输入的电压信号为220 V的交流电压信号（即通常所说的市电），因此，输入的电压信号无需进行任何的转换，电路结构简单。周波控制器根据输入的模拟电压信号调节输出的脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）的占空比，不同占空比的PWM再去驱动同周波控制器相连接的固态继电器（Solid State Relay，SSR）。

SSR是一种由分立式的电子元器件、电力电子功率器件等组成的无触点开关，采用隔离器件实现控制端与负载端的隔离，可以用微小的输入控制信号直接驱动大电流负载，因此，常被用于炉温控制系统对加热棒的温度进行控制。

3.2.2  炉温采集电路

在基于DSP的炉温数据采集控制系统中，采用K型热电偶对炉温数据进行准确采集。K型热电偶是一种温度传感器，通常需要和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它其主要组成部分是感温元件、固定装置、接线盒等，其中，感温元件是重要组成部分。K型热电偶因为其结构特点，在测温过程中有自身的优点，例如成本低、线性度高、测温范围广、测量精度高等，因此，在工业环境中有着广泛的应用。

在实际测温电路设计中，必须要注意到K型热电偶输出的电压是很小的毫伏级的电压，并且输出电压还会受到环境等因素的影响，如果直接采用K型热电偶的输出信号作为控制信号，效果非常差，因此，必须对其进行温度补偿和信号放大。

本系统采用的温度补偿电路是ADI公司生产的AD595芯片，AD595是完整的单芯片仪表放大器和热电偶冷结补偿器。将冰点基准源与预校准放大器相结合，该器件可从热电偶信号产生高电平（10 mV/℃）输出。引脚绑定选项使其可用作线性放大器补偿器或采用固定或远程设定点控制的开关输出设定点控制器，可用于直接放大补偿电压，从而成为提供低阻抗电压输出的独立摄氏温度传感器。同时，通过外接电路，AD595芯片还可以实现对于热电偶测温电路的故障诊断与报警。

系统工作时，AD595芯片采用5 V电压供电，K型热电偶输出的毫伏级电压信号输入到AD595芯片的输入端，在此进行温度补偿和信号放大后从输出端输出，把输出的放大的电压信号输入DSP芯片的输入点进行AD转换，这就是炉温数据采集电路的电路构成和工作原理。

3.2.3  炉温数据存储电路

基于DSP的炉温数据采集控制系统的传输方式采用的是无线組网的传输方式，即每个电阻炉的炉温由单独的监控系统进行监测然后统一上传到上位机的数据监控中心，无线传输的方式解决了传统有线传输方式下系统布局难的缺陷，因此，传输的效率和准确度都大大提升。但是设计系统时，必须考虑到一个问题，那就是当无线信号由于未知的外部原因而中断时，如何保证系统的数据不丢失。所以，在设计系统时，采用了安全数码（Secure Digital Memory，SD）卡进行数据的本地存储，这样可以保证一旦无线传输数据中断，本地保存的数据可以上传给数据监控中心，不会造成数据丢失的问题。

SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，其特点是体积小、数据传输速度快、可插拔等优点，因此，被广泛地应用于各种便携式设备。本系统为了保证本地数据的完整、准确存储，选用的是16 G大容量的SD卡，并且通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线与DSP之间进行数据通信。

3.2.4  炉温数据传输电路

基于DSP的炉温数据采集控制系统采用无线传输方式进行数据传输，选用的是Nordic公司生产的Nrf905射频芯片进行无线传输。完成组网后，各个炉温数据采集控制系统会把采集到的数据统一发送到数据监控中心。

3.2.5  电源电路

基于DSP的炉温数据采集控制系统有两种电源电路，一种是采用220 V交流市电供电的电路，另外一种是直流电供电电路。

220 V交流市电供电主要是给周波控制器和固态继电器供电，直流电主要是给Nrf905射频芯片、温度补偿电路、信号放大电路及DSP供电。本系统中用到的直流电是由220 V的交流电进行蒸馏之后得到的 。

3.3  系统软件设计

基于DSP的炉温数据采集控制系统的软件设计采用TMS320F单片机进行编程设计。本系统的一个创新点就在于使用了模糊PID算法对炉温数据进行精确整定、实时调节，最终使得炉温稳定在设定值附近，误差在规定的范围内。

3.4  结论

通过数据采集传输实验和炉温控制实验得到的数据分析可见，本系统在数据传输稳定性、可靠性、安全性及炉温控制精度方面完全符合要求，达到了预期效果。

4    结语

首先介绍了传统的炉温数据采集控制系统的缺陷，进而介绍了两种改进的方法，并且重点叙述了基于DSP的炉温数据采集控制系统的设计方法，从系统框架、硬件设计、软件设计、系统验证几方面开展论述，达到了预期的研究目标。