传统炉温数据采集控制系统之改进

1、传统炉温数据采集控制系统之改进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

2、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

3、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-

4、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 Compon

5、ent 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、）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*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