防彈衣生產(chǎn)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

摘要：爐溫控制是防彈衣生產(chǎn)線(xiàn)上至關(guān)重要的一環(huán)，文中設(shè)計(jì)的智能溫度控制系統(tǒng)，采用分布式采集溫度并轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS485的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信協(xié)議，將數(shù)字信息傳輸?shù)街骺厥业臏囟瓤刂迫藱C(jī)界面和主控制器，經(jīng)過(guò)處理之后顯示在液晶屏上面。同時(shí)主控制器采用模糊PID控制算法運(yùn)算后，通過(guò)RS485通信輸出去控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量輸出模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加熱設(shè)備進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明本系統(tǒng)溫度采集精度高、穩(wěn)定性高、控制效果好、大大提高生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：模糊PID控制算法；溫度控制；RS485；MODBUS RTU

    用于防彈衣生產(chǎn)的三大材料之一的超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)上的溫度控制系統(tǒng)目前是由鉑電阻溫度傳感器，溫度采集控制儀、加熱絲組成。鉑電阻輸出溫度模擬信號(hào)，控制表將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與用戶(hù)設(shè)定的現(xiàn)場(chǎng)溫度比較，小于用戶(hù)設(shè)定的溫度則現(xiàn)場(chǎng)的加熱絲得電加熱，反之加熱絲失電不加熱，形成一個(gè)溫度控制閉環(huán)。
    此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后存在一些問(wèn)題：1)鉑電阻反饋的模擬信號(hào)到溫度采集儀的距離太遠(yuǎn)，信號(hào)衰弱嚴(yán)重；2)鉑電阻反饋的模擬信號(hào)與三相交流電源線(xiàn)一起布線(xiàn)，模擬信號(hào)線(xiàn)受到的干擾非常嚴(yán)重；3)現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)溫控點(diǎn)都要走3根鉑電阻模擬信號(hào)線(xiàn)，若生產(chǎn)線(xiàn)的溫控點(diǎn)多的話(huà)，必然造成布線(xiàn)及施工難度大，線(xiàn)材浪費(fèi)嚴(yán)重，成本高。
    因此目前的溫度控制系統(tǒng)存在控制效果不佳、成本高等劣勢(shì)。本文設(shè)計(jì)一種智能溫度控制系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境改變不大的情況下，解決目前出現(xiàn)的問(wèn)題，使溫度控制效果更好，系統(tǒng)更穩(wěn)定，成本更低。本設(shè)計(jì)方案采用的是數(shù)字量傳輸方式，首先在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)離鉑電阻最近的地方將鉑電阻反饋的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)RS485將數(shù)字信號(hào)輸出到遠(yuǎn)處的溫度主控制器，主控制器將采集到的數(shù)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并顯示到液晶屏人機(jī)界面上，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行設(shè)定，控制器通過(guò)模糊PID算法計(jì)算后控制加熱設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件設(shè)計(jì)總方案
    智能溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)采用工業(yè)上常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)AD采樣、RS485傳輸、LCD液晶觸摸屏控制顯示的設(shè)計(jì)方案。包括現(xiàn)場(chǎng)溫度的AD采集模塊、觸摸液晶屏主控模塊、數(shù)字量輸出控制模塊、電源控制模塊。硬件總體框架如圖1所示。

1．2 液晶觸摸屏主控模塊
    液晶觸摸屏主控模塊采用Witium生產(chǎn)的WT—HMI70F人機(jī)界面，如圖2所示。
    WT-HMI70F人機(jī)界面控制板處理器采用三星公司生產(chǎn)的ARM9內(nèi)核S3C2440，主頻達(dá)到400 MHz。此模塊為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EMC規(guī)范，前面板符合NEMA4的防護(hù)規(guī)定，具有一路RS232接口、一路RS485接口、一個(gè)USB接口、一路以太網(wǎng)接口。
    本設(shè)計(jì)方案通過(guò)此人機(jī)界面模塊的RS485通信接口，采用MODBUS通信協(xié)議，接收現(xiàn)場(chǎng)傳輸過(guò)來(lái)的溫度數(shù)字量，經(jīng)過(guò)模糊PID運(yùn)算后顯示在液晶屏上，同時(shí)與用戶(hù)設(shè)定的溫度比較，然后通過(guò)RS485輸出去控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量輸出模塊。
1．3 數(shù)字量輸出控制模塊
    數(shù)字量輸出控制模塊采用Witium生產(chǎn)的WT-ADC216F分布式模塊。WT-ADC216F模塊的處理器采用ST公司生產(chǎn)的COTEX—M3內(nèi)核STM32F103。該模塊具有八路繼電器輸出、一路RS485支持MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。該模塊為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量輸出控制，如報(bào)警燈控制或大功率固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)。
    本方案通過(guò)WT-ADC216F模塊的RS485接口接收人機(jī)界面送來(lái)的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)本模塊的繼電器輸出控制大功率固態(tài)繼電器，從而控制現(xiàn)場(chǎng)380 V加熱絲的加熱狀態(tài)。
1．4 模擬量采集模塊
    模擬量采集模塊采用臺(tái)灣巨諾公司生產(chǎn)的雙回路AD模塊，此模塊專(zhuān)門(mén)用于鉑電阻溫度采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，廣泛應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合。具有兩個(gè)模擬量(鉑電阻)輸入通道、一路RS485 Modbus RTU通信接口、16位高精度AD轉(zhuǎn)換、符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EMC規(guī)范。
    本設(shè)計(jì)方案通過(guò)此AD模塊采集現(xiàn)場(chǎng)鉑電阻溫度模擬量，轉(zhuǎn)換成16位精度的數(shù)字量，通過(guò)RS485 MODBUS通信協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程控制柜的觸摸液晶屏主控模塊，進(jìn)行溫度采集及運(yùn)算。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)方案中軟件設(shè)計(jì)主要在觸摸液晶屏主控模塊內(nèi)，包括嵌入式WINCE操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序，而應(yīng)用程序包括：圖形交互界面、RS485通信協(xié)議、模糊PID控制算法。
    WinCE操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，適合本控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

2．1 WINCE操作系統(tǒng)功能定制及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    WINCE操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序是基于底層的中間層，是對(duì)應(yīng)用程序?qū)犹峁┑囊粋€(gè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本方案WINCE操作系統(tǒng)定制及驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)是基于微軟提供的標(biāo)準(zhǔn)BSP包，然后根據(jù)觸摸液晶主控模塊的硬件需求修改及添加BSP包的內(nèi)容。其中設(shè)備驅(qū)動(dòng)添加了RS485通信、液晶屏及觸摸屏驅(qū)動(dòng)；配置文件修改了部分環(huán)境變量及．bib文件。
2．2 圖形交互界面程序的實(shí)現(xiàn)
    圖形交互界面程序采用EVC進(jìn)行開(kāi)發(fā)，EVC是WINCE操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)圖形交互界面的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)的圖形交互界面設(shè)計(jì)采用微軟的MFC框架，使用MFC及ATL庫(kù)提供的一組可重用通用類(lèi)、繼承或間接派生類(lèi)協(xié)肋開(kāi)發(fā)，生成界面主體框架。圖形交互界面程序主要完成了4路溫度采集值顯示、用戶(hù)設(shè)定的4路溫度控制值、溫度數(shù)據(jù)歷史記錄保存及查詢(xún)、歷史記錄文件讀取、四路溫度控制實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、超溫報(bào)警燈顯示等。
2．3 RS485通信協(xié)議、模糊PID控制算法
    本系統(tǒng)RS485通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通信協(xié)議，其通用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。由于A(yíng)D采集及數(shù)字量輸出模塊軟件已設(shè)計(jì)為MODBUS從機(jī)模式，因此觸摸液晶主控模塊的通信程序?yàn)橹鳈C(jī)模式，其通信指令主要有向從機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)、向從機(jī)輸出數(shù)字量控制信息等。
    本系統(tǒng)的智能溫度控制體現(xiàn)在溫度模糊PID控制算法上。
    本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)及控制對(duì)象為大爐溫度，該類(lèi)型的被控對(duì)象會(huì)隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)控制效果的變化，用經(jīng)典法來(lái)預(yù)測(cè)PID會(huì)存在不可靠現(xiàn)象，系統(tǒng)工程師可以經(jīng)過(guò)一段時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)或?qū)懭虢?jīng)驗(yàn)值，系統(tǒng)也可以定期自整定PID。但是這些方法都會(huì)產(chǎn)生高昂的維護(hù)費(fèi)用、同時(shí)也會(huì)打斷產(chǎn)線(xiàn)的正常生產(chǎn)。因此本系統(tǒng)引入模糊PID控制算法，對(duì)經(jīng)典PID的3個(gè)系數(shù)加入模糊算法控制，從而對(duì)大爐溫度控制對(duì)象進(jìn)行模糊控制，解決因季節(jié)或環(huán)境變化導(dǎo)致控制效果不理想的問(wèn)題。
    一般增量式PID的經(jīng)典公式：
   
    軟件實(shí)現(xiàn)：Kp*Error+Ki*SumError+Kd*dError
    加入模糊控制之后，kp，ki，kd的值會(huì)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生細(xì)微改變而非一成不變。
    加入PID之前，控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是：1／(s2+23s)。
    加入模糊算法之后的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

    現(xiàn)場(chǎng)溫度為控制對(duì)象，用戶(hù)設(shè)定的溫度值為控制系統(tǒng)給定值，AD采集模塊獲取的溫度值為控制系統(tǒng)反饋值，反饋值及給定值經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的模糊PID控制算法運(yùn)算之后去控制現(xiàn)場(chǎng)加熱設(shè)備的狀態(tài)，從而控制溫度對(duì)象。
    本系統(tǒng)模糊PID控制算法根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不同狀態(tài)及工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合PID系統(tǒng)中Kp，Kd，Ki三者系數(shù)的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)模糊整定參數(shù)。系統(tǒng)使用偏差值Error和Error_Change作為模糊判定的輸入，語(yǔ)言取{NB，NS，O，PS，PB}，根據(jù)Error和Error_Change整定Kp，Ki，Kd的模糊值，同樣取{NB，NS，O，PS，PB}5個(gè)模糊值。然后建立模糊規(guī)則表，表1為Kd規(guī)則表，Ki，Kp模糊規(guī)則表與Kp規(guī)則表類(lèi)似。

    不同的控制系統(tǒng)對(duì)PID的3個(gè)系數(shù)Kp，Ki，Kd的模糊也不同，本系統(tǒng)希望控制對(duì)象溫度值能盡快恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，所以Kd系數(shù)的模糊尤為重要，設(shè)置的Kd對(duì)Error_Change特別敏感。
    以下是本系統(tǒng)的模糊PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)代碼：
    typedef struct
    由左邊圖可以看出控制過(guò)程前期略有超調(diào)，但是對(duì)于系統(tǒng)是可接受的，因?yàn)樯a(chǎn)線(xiàn)剛開(kāi)始的時(shí)候需要預(yù)熱爐子?？刂七^(guò)程中測(cè)試人員加入一次擾動(dòng)，可以看出系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)產(chǎn)生震蕩，而之前使用經(jīng)典PID測(cè)試的時(shí)候受到擾動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生震蕩。因此模糊PID控制算法可以解決防彈衣生產(chǎn)線(xiàn)上大爐溫度因季節(jié)或環(huán)境變化導(dǎo)致控制效果不理想的問(wèn)題。
    由右邊圖可看出本智能溫度控制系統(tǒng)的對(duì)大爐溫度對(duì)象的控制精度可以達(dá)到±0．1度。
 

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析
    本智能溫度控制系統(tǒng)在浙江某個(gè)防彈衣生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MATLAB運(yùn)算得到的系統(tǒng)控制效果圖及現(xiàn)場(chǎng)觸摸液晶主控屏的系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)本方案的設(shè)計(jì)及防彈衣生產(chǎn)線(xiàn)爐溫控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果分析，溫度控制的精度從原來(lái)的±1度提升到了±0．1度，很大程度提高了溫度控制效果；使用16位AD模擬量采集提高了溫度采集精度；使用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)及控制，使得溫度反饋及輸出控制的時(shí)間大大縮短，穩(wěn)定性大幅度提高，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。