方勝利，梅建偉，羅敏

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

基于RS485通信的分布式雙閉環(huán)低溫回火爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方勝利，梅建偉，羅敏

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

針對(duì)分布式低溫回火爐溫度控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，而后分別設(shè)計(jì)了集模擬PID控制功能和基于MSP430單片機(jī)的數(shù)字PID控制功能于一體的下位機(jī)及基于組態(tài)王軟件、具有系統(tǒng)監(jiān)控功能的上位機(jī)，同時(shí)為使上位機(jī)與各下位機(jī)間具有良好的數(shù)據(jù)通信性能，系統(tǒng)中采用了RS485通信方式。該系統(tǒng)成本低，經(jīng)實(shí)際測(cè)試和長(zhǎng)期運(yùn)行證明其控制精度高、穩(wěn)定性好，因此具有較高的實(shí)用價(jià)值。

雙閉環(huán)控制；單片機(jī)；RS485通信；組態(tài)王；監(jiān)控系統(tǒng)

Abstract:Aiming at the requirement of the temperature control system in distributed low temperature tempering furnace,the overall design scheme was provided firstly in the paper.And then the lower com?puter which fully integrate an alogue PID control function and digital PID control function based on MSP430 SCM,and the upper computer based on Kingview software which provided the system monitor?ing function were designed.To ensure the good performance of data communication between the lower computer and upper computer,the RS485 communication mode was used in the system.The system is cost-effective and has high accuracy of controlling and good stability which proved by actual test and long-time running.So the designed system has high practical value.

Key words:double closed-loop control;SCM;RS485 communication;Kingview;monitoring system

低溫回火爐主要通過(guò)爐壁對(duì)工件進(jìn)行烘烤加熱，并由供風(fēng)系統(tǒng)保證爐內(nèi)熱量循環(huán)，通常爐壁溫度控制在150～250℃之間。目前常見(jiàn)的分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)大多采用“專(zhuān)用上位機(jī)監(jiān)控軟件+PLC”組合控制方式，由上位機(jī)發(fā)出運(yùn)行命令，PLC完成實(shí)際控制功能。這種監(jiān)控方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本較高。由于爐溫控制有較大延時(shí)，采用單一數(shù)字閉環(huán)控制時(shí)精度低，因此對(duì)生產(chǎn)工藝有一定的影響。為降低系統(tǒng)成本、提高控制精度，結(jié)合模擬PID控制靈敏度高、調(diào)節(jié)速度快和數(shù)字PID監(jiān)控性好的特點(diǎn)，采用性?xún)r(jià)比高的單片機(jī)和組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了基于RS485通信具有模擬PID內(nèi)環(huán)控制和數(shù)字PID外環(huán)控制的雙閉環(huán)高精度分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

分布式低溫回火爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案由監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中監(jiān)控層主要由上位機(jī)監(jiān)控軟件組態(tài)王和通信轉(zhuǎn)換器組成，組態(tài)王通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)向下位機(jī)下達(dá)溫度指令的同時(shí)接收下位機(jī)檢測(cè)的實(shí)際溫度值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控；RS232/RS485通信轉(zhuǎn)換器則實(shí)現(xiàn)基于RS232電氣特性的PC機(jī)串口信號(hào)與RS485電平信號(hào)間的轉(zhuǎn)換功能?，F(xiàn)場(chǎng)層中各爐的下位機(jī)一方面將實(shí)際爐溫通過(guò)溫度變送器和單片機(jī)內(nèi)部A/D外設(shè)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送至上位機(jī)，另一方面接受上位機(jī)的爐溫設(shè)定指令對(duì)溫度進(jìn)行外環(huán)數(shù)字PID控制。各爐溫控結(jié)構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)層給出加熱元件的電壓數(shù)字指令，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的D/A外設(shè)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量，并將其作為調(diào)壓模塊的輸出電壓，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)際通電電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)通電電壓的內(nèi)環(huán)模擬PID控制。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的控制電壓，改變調(diào)壓模塊內(nèi)可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而改變加熱元件的通電電壓，實(shí)現(xiàn)爐溫控制。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

圖2 各爐溫控結(jié)構(gòu)圖

調(diào)壓模塊選用DTY-H220D10E，其控制電壓為DC 0～5 V，輸出幅值為220V的50 Hz交流電；溫度傳感器選用高精度電壓輸出型溫度變送器鉑熱電阻PT100，其測(cè)溫范圍為0～300℃，精度可達(dá)0.1℃，對(duì)應(yīng)輸出DC 0～10 V。此外，考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分布式控制特點(diǎn)，為使系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信具有較強(qiáng)的抗干擾能力、較高的傳輸速率、較長(zhǎng)的輸出距離、較多的下位機(jī)站點(diǎn)，選用具有差分傳輸特性、最高10 Mb·s-1傳輸速率、最大1 200 m傳輸距離、多站點(diǎn)能力（最多32個(gè)控制站點(diǎn)）的RS485通信方式。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)下位機(jī)的分析，考慮到性?xún)r(jià)比，選用TI公司的MSP430F1611單片機(jī)，其內(nèi)部集成有12 bit A/D、12 bit D/A、UART外設(shè)，完全滿(mǎn)足測(cè)溫、調(diào)壓、RS485串行通信功能，對(duì)應(yīng)的電路如圖3所示。考慮到其他設(shè)備的電源要求，選用5V 6A、12V 4A輸出開(kāi)關(guān)電源D-60 A作為系統(tǒng)控制電路的總電源。

圖3 單片機(jī)控制電路圖

圖3中電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3將開(kāi)關(guān)電源輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V，為單片機(jī)U9供電，通過(guò)LED發(fā)光二極管D5、D7指示電源正常與否；基于芯片MAX485的RS485通信接口電路將單片機(jī)內(nèi)部TTL電平轉(zhuǎn)換成與RS485電氣特性相符的差分信號(hào)，用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)距離通信?；诩蛇\(yùn)放U8（LM358）的衰減電路將溫度變速器的輸出（DC 0～10 V）轉(zhuǎn)換成符合單片機(jī)內(nèi)部A/D外設(shè)的輸入信號(hào)（0～3.3 V），其電壓衰減倍數(shù)為

為避免由于電阻阻值誤差引起的測(cè)量誤差，R22則選用5kΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)溫度反饋系數(shù)，R20為64.9kΩ，R30為33kΩ，鉗位二極管D8、D9選用IN4148，用于保護(hù)單片機(jī)，電容C19則對(duì)溫度變送器輸出的直流電壓進(jìn)行濾波處理，LED發(fā)光二極管D10則由單片機(jī)控制，用于指示與上位機(jī)通訊狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)由上位機(jī)下達(dá)的溫度指令和由溫度變速器獲得的實(shí)際溫度進(jìn)行數(shù)字PID外環(huán)控制，并將計(jì)算得到的控制電壓數(shù)字量經(jīng)內(nèi)部D/A外設(shè)轉(zhuǎn)換后得到其對(duì)應(yīng)的模擬電壓控制量Ug。

此外，下位機(jī)還對(duì)加熱元件通電電壓進(jìn)行模擬PID內(nèi)環(huán)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的控制電壓，實(shí)現(xiàn)加熱元件兩端電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到控制爐溫的目的。對(duì)應(yīng)電路如圖4所示。

圖4 模擬PID控制電路圖

由于調(diào)壓模塊的輸出為非正弦交流加熱電壓，為完成加熱電壓的模擬PID閉環(huán)控制，首先通過(guò)電阻R27、R28、R29進(jìn)行分壓，而后將分壓后的交流電壓由高精度有效值檢測(cè)芯片LTC1966將其轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)Uout，而后將其放大后的電壓Uf作為模擬PID閉環(huán)的反饋信號(hào)。由于LTC1966的輸入電壓峰-峰值限定為1 V，故需將調(diào)壓模塊的輸出衰減到200 mV，分壓比為

故選型R27為9.1MΩ，R28為10kΩ，R29選用2MΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，電阻R31為47kΩ用于限流，電容C20為0.1 μF用于隔直濾波。此外，LTC1966的輸出電壓范圍為0～200 mV的直流信號(hào)，需要放大至0～3.3 V，放大系數(shù)為

故選型為R45為330 kΩ，R41為16 kΩ，R44則選用10kΩ的可變電阻，用于調(diào)節(jié)放大系數(shù)。基于運(yùn)放U13的硬件加法器完成加熱電壓設(shè)定值Ug和反饋值Uf之間誤差Ue的檢測(cè)，經(jīng)由運(yùn)放U14、電阻R40、R43和電容C22、C25組成的模擬PID控制器和基于U15的反向器輸出調(diào)壓模塊0～5 V的控制電壓。其中C24、R42和C26、R47分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，PID閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)實(shí)際調(diào)試后得出最佳參考值，即

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)下位機(jī)中MSP430單片機(jī)的功能分析，完成A/D、D/A、PID控制算法和異步通信等功能，對(duì)應(yīng)的控制軟件中主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、外設(shè)參數(shù)設(shè)置和中斷設(shè)置等功能，而爐溫的A/D、數(shù)字PID控制算法、溫度測(cè)量值的發(fā)送、D/A功能在單片機(jī)的周期中斷中完成，爐溫設(shè)定值的接收則在單片機(jī)的異步接收中斷中完成。為保證爐溫采集的準(zhǔn)確性和整個(gè)系統(tǒng)的控制精度，根據(jù)香農(nóng)定理結(jié)合單片機(jī)的工作頻率適當(dāng)提高爐溫的采樣頻率，并對(duì)A/D后的數(shù)字量進(jìn)行平均值數(shù)字濾波處理，同時(shí)為防止因高靈敏度的模擬PID輸出頻繁調(diào)節(jié)而引起系統(tǒng)震蕩，在數(shù)字PID調(diào)節(jié)中加入死區(qū)控制。

由于分布式下位機(jī)站點(diǎn)較多，為了便于上位機(jī)對(duì)各回火爐單獨(dú)進(jìn)行溫度監(jiān)控，對(duì)每個(gè)下位機(jī)都進(jìn)行站點(diǎn)地址編號(hào)，即在RS485協(xié)議中設(shè)定每個(gè)下位機(jī)的站點(diǎn)地址，每個(gè)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送實(shí)際爐溫時(shí)，將其站點(diǎn)地址也一同發(fā)送，同理上位機(jī)向各下位機(jī)發(fā)送爐溫設(shè)定值時(shí)，也將對(duì)應(yīng)下位機(jī)的站點(diǎn)地址也一同發(fā)送，下位機(jī)接收到異步通訊數(shù)據(jù)后，首先通過(guò)數(shù)據(jù)中的站點(diǎn)地址辨別是否是發(fā)給本站的數(shù)據(jù)，若是，則進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作，否則直接舍棄。各站點(diǎn)下位機(jī)中單片機(jī)主程序流程和中斷程序流程如圖5～6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷程序流程圖

3 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

組態(tài)王提供了PC機(jī)串口與單片機(jī)串口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的驅(qū)動(dòng)，因此只需在組態(tài)王軟件中設(shè)置相關(guān)通訊參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)通訊功能。同時(shí)由于上位機(jī)只需完成各站點(diǎn)實(shí)際溫度顯示、標(biāo)稱(chēng)溫度設(shè)定及可視化報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，結(jié)合組態(tài)王軟件特點(diǎn)，只需在組態(tài)王中根據(jù)要求定義相關(guān)監(jiān)控變量并對(duì)相關(guān)組件進(jìn)行編輯組態(tài)即可，而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的編程操作。此外，由于各站點(diǎn)的功能相同，因此各站點(diǎn)組態(tài)王溫度監(jiān)控界面也基本一致，此處僅給出某站點(diǎn)的爐溫監(jiān)控運(yùn)行子界面（圖7），其他站點(diǎn)監(jiān)控界面與此類(lèi)似。

圖7 某站點(diǎn)監(jiān)控運(yùn)行子界面

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，表1為從上位機(jī)監(jiān)控軟件中導(dǎo)出的部分測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。通過(guò)對(duì)所有測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合分析可知，在150～250℃范圍內(nèi)爐溫動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間不超過(guò)30 s，最大超調(diào)小于6%，其穩(wěn)態(tài)控制精度可達(dá)0.3%，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試證明：該系統(tǒng)的可靠性較高，即使某個(gè)下位機(jī)站點(diǎn)出現(xiàn)故障，也并不影響其他站點(diǎn)的正常工作，完全滿(mǎn)足低溫回火爐溫度控制高精度、高可靠性的要求。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)分布式低溫回火爐溫度控制系統(tǒng)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了具有模擬PID、數(shù)字PID雙閉環(huán)控制功能的下位機(jī)和基于組態(tài)王的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。為提高數(shù)據(jù)通訊性能，在上位機(jī)和下位機(jī)之間采用具有差分和高速率傳輸特性的RS485通訊方式，使得整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的控制精度和可靠性，滿(mǎn)足其控制要求，具有很高的使用和推廣價(jià)值。

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Design of Distributed Double Closed-loop Temperature Monitoring System of Low Temperature Tempering Furnace Based on RS485 Communication

Fang Shengli,Mei Jianwei,Luo Min
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

TP273+.5

A

1008-5483（2017）03-0055-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.014

2017-04-06

方勝利（1987-），男，湖北十堰人，助教，碩士，從事嵌入式控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的研究。E-mail：qyfsl@126.com