傳統(tǒng)爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)之改進

高慧

摘 ? 要：人類的生活同溫度息息相關(guān)，溫度是各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要條件之一。隨著社會的不斷發(fā)展、科學技術(shù)的不斷進步，各種先進的測量溫度的儀器在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。溫度采集系統(tǒng)被應(yīng)用于人們生活的方方面面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的各行各業(yè)對于溫度采集的精度要求越來越高。因此，主要研究目前市場上傳統(tǒng)的溫度采集控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀并通過分析得出其優(yōu)劣性，為新的高效的爐溫系統(tǒng)的設(shè)計提供幫助。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng);爐溫數(shù)據(jù)采集;現(xiàn)狀;研究

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場都需要對溫度進行精準的控制，例如。工業(yè)環(huán)境中的發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)，許多化學反應(yīng)的工藝過程必須控制在一定的溫度條件下才能進行，煉油廠的原油必須在一定的溫度和壓力條件下才能按照設(shè)定的程序分離出汽油、柴油，沒有合適的溫度環(huán)境，許多對溫度敏感的電子儀器儀表無法正常啟動運行，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的糧倉需要精確的溫度控制才能保證儲存的糧食不腐爛變質(zhì)，酒類生產(chǎn)和儲存需要嚴格的溫控裝置才能保證酒的品質(zhì)不受到影響。由此可見，研究溫度的精確采集和自動控制是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1 ? ?傳統(tǒng)爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)簡介

溫度控制技術(shù)按照控制目標的不同可以分為兩大類，即動態(tài)時候的溫度跟蹤和恒溫溫度控制。所謂的動態(tài)溫度跟蹤指的是溫度在不同環(huán)節(jié)是不相同的，有一定規(guī)律的變化過程，例如在工業(yè)環(huán)境中常見的酒和醋發(fā)酵過程中的溫度跟蹤、冶煉爐中的燃燒物的實時溫度控制跟蹤等。恒溫溫度控制指的是被控對象的溫度在一定范圍內(nèi)處于一個穩(wěn)定不變的狀態(tài)，即恒溫狀態(tài)，并且要求其溫度只能在一個很小的范圍內(nèi)波動?？茖W技術(shù)不斷進步，自動化控制系統(tǒng)隨之逐漸更新?lián)Q代，溫度檢測控制元件也在不斷發(fā)展變化，新型的溫度傳感器種類繁多、應(yīng)用更加廣泛，逐漸由模擬式向數(shù)字式轉(zhuǎn)化以適應(yīng)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展需求。

爐溫數(shù)據(jù)檢測控制系統(tǒng)最主要的組成部件就是測溫元件、溫度傳感器，各類傳感器因為自身工藝特性都會對系統(tǒng)的測量精度等參數(shù)產(chǎn)生影響，例如各類傳感器自身的優(yōu)劣性以及整個溫度采集控制系統(tǒng)的環(huán)境因素，還有最為重要的一點就是系統(tǒng)對于精度的要求。因此，不同的溫度控制系統(tǒng)中采用的溫度傳感器也不盡相同。

2 ? ?改進方法1—基于PCI總線的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的單片機溫度采集控制系統(tǒng)采用的是有限通信的信號傳送方式，但這種控制系統(tǒng)在空間布局上有很大的局限性，也就是說溫度控制系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的距離受限制，同時，溫度傳感器大多采用的是熱電偶、熱電阻等模擬信號傳感器，必須要加上適當?shù)男盘栄a償電路和模數(shù)（Analog-to-Digital，AD）轉(zhuǎn)換電路才能和上位機相連，且這種電路往往結(jié)構(gòu)復雜，性價比不高。

傳統(tǒng)的模擬信號爐溫采集控制系統(tǒng)大都采用模擬信號有線傳輸方式進行測溫，因此，精度不高，而且系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)復雜，操作的靈活性和可操作性不高。為了解決這個問題，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酱鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)傳輸因為自身特點，廣泛適用于復雜地形、高腐蝕性測溫環(huán)境或者是運動的、旋轉(zhuǎn)的測溫對象。隨著數(shù)字電路和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)變得越來越容易了。

基于這一前提，可以設(shè)計一種精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、智能化的基于外設(shè)部件互連標準（Peripheral Component Interconnect，PCI）總線的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），具有數(shù)據(jù)處理快和PCI總線傳輸速率高的特點，通過相應(yīng)的算法進行數(shù)據(jù)分析與處理;將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號通過PCI總線接口高速上傳給上位機進行處理和控制;最后采用模糊比例-積分-微分（Proportion、Integral、Derivative，PID）控制算法對爐溫進行了控制仿真測試，改善了現(xiàn)場儀表常規(guī)PID控制方式存在的振蕩現(xiàn)象，最終滿足控制精度要求。

3 ? ?改進方法2—基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 ?系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計，例如在傳統(tǒng)的爐溫控制系統(tǒng)中采用的是現(xiàn)場儀表測量爐溫的方式，這種系統(tǒng)我們也把它稱為分離式的儀表控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于搭建系統(tǒng)，但是缺點也特別明顯，顯著的缺點就是檢測的通道過于單一，并且實時性差，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾侍?，在科學技術(shù)不斷發(fā)展、電氣自動化技術(shù)不斷更新?lián)Q代的今天，這種測溫系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對于測溫系統(tǒng)的整體要求了。

為了緩解這種供需不平衡的局面，特設(shè)計了一款基于數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

在改進后的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，檢測爐溫的溫度傳感器采用的是K型熱電偶，采用DSP芯片進行采集到的爐溫數(shù)據(jù)信號的AD轉(zhuǎn)換、放大等，利用模糊PID算法實現(xiàn)對爐溫數(shù)據(jù)的精確控制，信號傳輸方面采用的是無線組網(wǎng)傳輸方式，有效地解決了傳統(tǒng)有限傳輸方式容易受到環(huán)境條件和傳輸距離等影響的問題。

3.2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括如下幾部分，即爐溫控制電路、爐溫采集電路、采集到的爐溫數(shù)據(jù)存儲電路、爐溫數(shù)據(jù)傳輸電路以及電源電路5個部分。

3.2.1 ?爐溫控制電路

在基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中進行爐溫控制的部分選用的是TAC10型周波控制器，眾所周知，周波控制器不僅可以接受模擬量的電壓信號，還可以接收相應(yīng)型號的微電流信號。構(gòu)建爐溫控制電路時，輸入的電壓信號為220 V的交流電壓信號（即通常所說的市電），因此，輸入的電壓信號無需進行任何的轉(zhuǎn)換，電路結(jié)構(gòu)簡單。周波控制器根據(jù)輸入的模擬電壓信號調(diào)節(jié)輸出的脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）的占空比，不同占空比的PWM再去驅(qū)動同周波控制器相連接的固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）。

SSR是一種由分立式的電子元器件、電力電子功率器件等組成的無觸點開關(guān)，采用隔離器件實現(xiàn)控制端與負載端的隔離，可以用微小的輸入控制信號直接驅(qū)動大電流負載，因此，常被用于爐溫控制系統(tǒng)對加熱棒的溫度進行控制。

3.2.2 ?爐溫采集電路

在基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，采用K型熱電偶對爐溫數(shù)據(jù)進行準確采集。K型熱電偶是一種溫度傳感器，通常需要和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。它其主要組成部分是感溫元件、固定裝置、接線盒等，其中，感溫元件是重要組成部分。K型熱電偶因為其結(jié)構(gòu)特點，在測溫過程中有自身的優(yōu)點，例如成本低、線性度高、測溫范圍廣、測量精度高等，因此，在工業(yè)環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用。

在實際測溫電路設(shè)計中，必須要注意到K型熱電偶輸出的電壓是很小的毫伏級的電壓，并且輸出電壓還會受到環(huán)境等因素的影響，如果直接采用K型熱電偶的輸出信號作為控制信號，效果非常差，因此，必須對其進行溫度補償和信號放大。

本系統(tǒng)采用的溫度補償電路是ADI公司生產(chǎn)的AD595芯片，AD595是完整的單芯片儀表放大器和熱電偶冷結(jié)補償器。將冰點基準源與預(yù)校準放大器相結(jié)合，該器件可從熱電偶信號產(chǎn)生高電平（10 mV/℃）輸出。引腳綁定選項使其可用作線性放大器補償器或采用固定或遠程設(shè)定點控制的開關(guān)輸出設(shè)定點控制器，可用于直接放大補償電壓，從而成為提供低阻抗電壓輸出的獨立攝氏溫度傳感器。同時，通過外接電路，AD595芯片還可以實現(xiàn)對于熱電偶測溫電路的故障診斷與報警。

系統(tǒng)工作時，AD595芯片采用5 V電壓供電，K型熱電偶輸出的毫伏級電壓信號輸入到AD595芯片的輸入端，在此進行溫度補償和信號放大后從輸出端輸出，把輸出的放大的電壓信號輸入DSP芯片的輸入點進行AD轉(zhuǎn)換，這就是爐溫數(shù)據(jù)采集電路的電路構(gòu)成和工作原理。

3.2.3 ?爐溫數(shù)據(jù)存儲電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的傳輸方式采用的是無線組網(wǎng)的傳輸方式，即每個電阻爐的爐溫由單獨的監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測然后統(tǒng)一上傳到上位機的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，無線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了傳統(tǒng)有線傳輸方式下系統(tǒng)布局難的缺陷，因此，傳輸?shù)男屎蜏蚀_度都大大提升。但是設(shè)計系統(tǒng)時，必須考慮到一個問題，那就是當無線信號由于未知的外部原因而中斷時，如何保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不丟失。所以，在設(shè)計系統(tǒng)時，采用了安全數(shù)碼（Secure Digital Memory，SD）卡進行數(shù)據(jù)的本地存儲，這樣可以保證一旦無線傳輸數(shù)據(jù)中斷，本地保存的數(shù)據(jù)可以上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，不會造成數(shù)據(jù)丟失的問題。

SD存儲卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，其特點是體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可插拔等優(yōu)點，因此，被廣泛地應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備。本系統(tǒng)為了保證本地數(shù)據(jù)的完整、準確存儲，選用的是16 G大容量的SD卡，并且通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線與DSP之間進行數(shù)據(jù)通信。

3.2.4 ?爐溫數(shù)據(jù)傳輸電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，選用的是Nordic公司生產(chǎn)的Nrf905射頻芯片進行無線傳輸。完成組網(wǎng)后，各個爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)會把采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

3.2.5 ?電源電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)有兩種電源電路，一種是采用220 V交流市電供電的電路，另外一種是直流電供電電路。

220 V交流市電供電主要是給周波控制器和固態(tài)繼電器供電，直流電主要是給Nrf905射頻芯片、溫度補償電路、信號放大電路及DSP供電。本系統(tǒng)中用到的直流電是由220 V的交流電進行蒸餾之后得到的 。

3.3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用TMS320F單片機進行編程設(shè)計。本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點就在于使用了模糊PID算法對爐溫數(shù)據(jù)進行精確整定、實時調(diào)節(jié)，最終使得爐溫穩(wěn)定在設(shè)定值附近，誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.4 ?結(jié)論

通過數(shù)據(jù)采集傳輸實驗和爐溫控制實驗得到的數(shù)據(jù)分析可見，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、可靠性、安全性及爐溫控制精度方面完全符合要求，達到了預(yù)期效果。

4 ? ?結(jié)語

首先介紹了傳統(tǒng)的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的缺陷，進而介紹了兩種改進的方法，并且重點敘述了基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，從系統(tǒng)框架、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)驗證幾方面開展論述，達到了預(yù)期的研究目標。