基于單片機(jī)的被控對(duì)象仿真裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

孫 良，張 欣，涂 玲

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院校人才培養(yǎng)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié),不僅有助于理論知識(shí)的理解和應(yīng)用,更是在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮著巨大的作用。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)不僅包括各種專(zhuān)業(yè)課如過(guò)程控制工程、過(guò)程控制儀表與裝置、計(jì)算機(jī)控制等專(zhuān)業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué),還包括許多實(shí)踐環(huán)節(jié)如綜合實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)等,在這些實(shí)踐教學(xué)中,被控對(duì)象是必不可少的,尤其目前在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中特別強(qiáng)調(diào)了對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和解決,這些都對(duì)被控對(duì)象的復(fù)雜性、靈活性和多樣性提出了更高的要求。

目前現(xiàn)有的被控對(duì)象主要有全實(shí)物仿真裝置、半實(shí)物仿真裝置和全軟件仿真裝置。全實(shí)物仿真裝置如青島金博士過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。全實(shí)物仿真裝置[1-3]直觀形象,但是占地面積大,接線固定,無(wú)法移動(dòng),且維護(hù)量大,儀表和器件容易損壞,故障率高。半實(shí)物仿真裝置[4-6]價(jià)格昂貴,同樣也是體積龐大,不便于移動(dòng),使用靈活性差。全軟件仿真裝置[7-9]需占用一臺(tái)計(jì)算機(jī),成本高,且沒(méi)有輸入輸出接線,導(dǎo)致學(xué)生的動(dòng)手能力難以得到訓(xùn)練。

基于上述工藝對(duì)象的局限性,本文開(kāi)發(fā)了基于單片機(jī)的被控對(duì)象仿真裝置,該裝置采用Arduino單片機(jī)對(duì)常見(jiàn)的被控對(duì)象如線性液罐、非線性液罐和液體混合裝置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,結(jié)合模擬量和開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接口和觸摸屏等外圍設(shè)備和器件,構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜性可選、靈活性強(qiáng)、直觀形象的被控對(duì)象仿真裝置。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本裝置的總體架構(gòu)如圖1所示。采用Arduino單片機(jī)[10-12]分別對(duì)線性液罐、非線性液罐和液體混合裝置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,以滿足不同實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)工藝對(duì)象復(fù)雜程度的需求。觸摸屏可用于顯示工藝流程,單片機(jī)通過(guò)模擬量輸入接口、模擬量輸出接口和開(kāi)關(guān)量輸出接口與外部控制裝置相連,如集散系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)和數(shù)字調(diào)節(jié)器等控制裝置,可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和報(bào)警連鎖等功能,如圖2所示。

圖1 仿真裝置的總體架構(gòu)

圖2 仿真裝置與控制裝置連接示意圖

控制裝置輸出的控制信號(hào)(模擬量輸出)4～20 mA通過(guò)模擬量輸入接口進(jìn)入單片機(jī),與仿真裝置中各調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)；被控對(duì)象的液位、濃度等信號(hào)通過(guò)模擬量輸出接口轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào),作為控制裝置的測(cè)量信號(hào)(模擬量輸入)。被控對(duì)象的液位的上下限位可通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出接口轉(zhuǎn)換為接點(diǎn)信號(hào),作為控制裝置的開(kāi)關(guān)量輸入,完成報(bào)警或連鎖等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

本仿真裝置在硬件方案設(shè)計(jì)時(shí),盡量購(gòu)置成熟的模塊,如電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、繼電器輸出模塊、TTL轉(zhuǎn)232模塊等,以保證硬件電路工作的可靠性,同時(shí)也能大大降低硬件調(diào)試的工作量。

2.1 單片機(jī)

本裝置采用Arduino UNO單片機(jī),如圖3所示。該款單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)部封裝了大量的函數(shù)庫(kù),編程語(yǔ)言類(lèi)似C語(yǔ)言,無(wú)須關(guān)注內(nèi)部存儲(chǔ)器,使用簡(jiǎn)單,入門(mén)快,大大縮短了開(kāi)發(fā)的周期,程序的可讀性和可維護(hù)性增強(qiáng)。該單片機(jī)具有數(shù)字量輸入/輸出端口共14個(gè),其中6路可作為PWM輸出；模擬量輸入/輸出端口共6個(gè)。

圖3 Arduino UNO正面圖

2.2 模擬量輸入和輸出接口

模擬量輸入和輸出接口的接線示意圖如圖4所示。模擬量輸入接口將輸入的電流信號(hào)4～20 mA轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號(hào)送入Arduino的模擬量輸入輸出端口A0、A1和A2,這3個(gè)端口的信號(hào)分別對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度0～100。電阻R1和C起到硬件濾波的作用,電阻R2將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

Arduino的PWM輸出端口可以作為模擬量輸出端口,但由于只有8位,精度較低,因此本裝置另外采用2片12位的DAC器件MCP4725,該器件是I2C串行接口,其中SCL是時(shí)鐘引腳,SDA是數(shù)據(jù)引腳,A0為地址選擇端,兩片器件可通過(guò)將A0接高電平或地進(jìn)行地址分配。該器件將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為1～5 V,再通過(guò)電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為4～20 mA。

圖4 模擬量輸入和輸出接口

2.3 開(kāi)關(guān)量輸出接口

開(kāi)關(guān)量輸出接口是用于模擬液位開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)信號(hào),本裝置采用帶光電耦合的繼電器輸出模塊與開(kāi)關(guān)量輸出端配合,用繼電器的觸點(diǎn)信號(hào)模擬液位開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)信號(hào),作為各種控制裝置的開(kāi)關(guān)量輸入。如圖5所示,為繼電器輸出模塊的接線圖。

圖5 繼電器輸出模塊連接示意圖

繼電器輸出模塊的S端為信號(hào)端,與Arduino的開(kāi)關(guān)量輸入輸出端2和4相連,當(dāng)2/4端輸出為高時(shí),繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,為低時(shí)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

2.4 觸摸屏

本裝置采用7寸觸摸屏ET070作為人機(jī)界面,完成工藝流程顯示,并控制程序運(yùn)行,進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。該觸摸屏有一個(gè)串行端口COM0,分辨率800×400像素,可通過(guò)自帶的組態(tài)軟件HMIware對(duì)觸摸屏進(jìn)行變量設(shè)置和畫(huà)面規(guī)劃,單片機(jī)通過(guò)MODBUSRTU協(xié)議與觸摸屏進(jìn)行通信,完成數(shù)據(jù)的交換和傳遞,如圖6所示,由于單片機(jī)的通信信號(hào)為T(mén)TL電平,所以需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換模塊,實(shí)現(xiàn)TTL到232信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖6 觸摸屏通信接口示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件方案設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行初始化,對(duì)引腳進(jìn)行定義,并打開(kāi)顯示中斷,定時(shí)進(jìn)行觸摸屏顯示的刷新。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,可選擇液罐的類(lèi)型,并對(duì)調(diào)節(jié)閥和罐的尺寸進(jìn)行設(shè)置,該功能可用于防止多組學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的雷同。模型運(yùn)行后,等待按鈕的動(dòng)作,判斷是否停止。定時(shí)采樣中斷以100 ms的間隔采集模擬量輸入作為閥位開(kāi)度,經(jīng)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算,計(jì)算出當(dāng)前液位,并將液位作為模擬量輸出,如圖8所示。

3.2 被控對(duì)象的機(jī)理建模

需要建模的仿真裝置包括線性液罐、非線性液罐和液體混合罐。這里以液體混合罐為例進(jìn)行介紹。

圖7 主程序設(shè)計(jì)流程

圖8 采樣中斷程序

液體混合罐采用圓筒形液罐,如圖9所示,A液體入口流量為QA,濃度為NA；B液體入口流量為QB,濃度為NB；得到混合后的液體為C,流量QC,濃度為NC。LV1、LV2和LV3分別為3個(gè)調(diào)節(jié)閥,閥的開(kāi)度與輸入的模擬量信號(hào)相對(duì)應(yīng)。

圖9 線性液罐示意圖

LV1和LV2均為入口閥,且流量特性為直線特性,通過(guò)LV1流量可表達(dá)為[12-13]：

式中：Δp為閥兩端的壓降,單位為kPa,本實(shí)驗(yàn)設(shè)為恒定100 kPa；c1為閥的流量系數(shù)；k1為閥的開(kāi)度；ρ為液體密度,本實(shí)驗(yàn)設(shè)為700 kg/m3；QA單位為m3/s。通過(guò)LV2的流量QB與QA的計(jì)算完全相同。

LV3為出口閥,通過(guò)LV3的流量QC可表達(dá)為：

式(2)中Δp與液位有關(guān),即：

綜合式(2)和式(3),可得：

根據(jù)物料守恒,當(dāng)前時(shí)刻n的液位可表達(dá)為：

式中,A為液罐的面積,TS為采樣時(shí)間。

流出產(chǎn)物C的濃度可表達(dá)為：

4 仿真裝置運(yùn)行

仿真裝置開(kāi)機(jī)后首先需要選擇實(shí)驗(yàn)類(lèi)型,如圖10所示,實(shí)驗(yàn)類(lèi)型包括線性罐、非線性罐和液體混合罐,選擇后即可進(jìn)入如圖11所示的模型參數(shù)設(shè)置界面。

圖10 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型選擇

圖11 模型參數(shù)設(shè)置界面

模型參數(shù)包括3個(gè)閥的流量系數(shù)和罐的尺寸,通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù),可以讓每組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不同,避免了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的雷同。如圖12所示,為非線性罐運(yùn)行界面,按下停止按鈕即可返回圖10的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型選擇界面。

圖12 運(yùn)行界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本仿真裝置以Arduino單片機(jī)為核心,結(jié)合模擬量和開(kāi)關(guān)量的輸入輸出接口和觸摸屏等器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)線性液罐、非線性液罐和液體混合罐工作過(guò)程的仿真和模擬。本裝置可與數(shù)字調(diào)節(jié)器、PLC、DCS等控制裝置或儀表配合,方便地進(jìn)行控制裝置的測(cè)試或控制方案的調(diào)試,如完成PID參數(shù)的整定、非線性對(duì)象控制方案的調(diào)試、開(kāi)停工過(guò)程的順序控制、安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試等。由于液罐的尺寸和閥的流量系數(shù)可進(jìn)行設(shè)置,在進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)時(shí)可以保證每個(gè)組實(shí)驗(yàn)對(duì)象參數(shù)不同,從而避免了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的雷同,有利于學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)。整個(gè)裝置體積小、重量輕,顯示直觀形象,使用靈活方便,具有較強(qiáng)的推廣性和實(shí)用性。目前已將該裝置應(yīng)用于過(guò)程控制儀表與裝置、可編程控制技術(shù)和專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)等課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié),后續(xù)還將對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展,增加加熱爐、分離器等常見(jiàn)設(shè)備,以便應(yīng)用于更多的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

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