防彈衣生產線溫度控制系統設計改進

嚴旭歷，朱凌云

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201600）

用于防彈衣生產的三大材料之一的超高分子量聚乙烯纖維產品生產線上的溫度控制系統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，控制表將模擬信號轉換成數字信號，與用戶設定的現場溫度比較，小于用戶設定的溫度則現場的加熱絲得電加熱，反之加熱絲失電不加熱，形成一個溫度控制閉環[1]。

此系統經過長時間運行之后存在一些問題：1）鉑電阻反饋的模擬信號到溫度采集儀的距離太遠，信號衰弱嚴重；2）鉑電阻反饋的模擬信號與三相交流電源線一起布線，模擬信號線受到的干擾非常嚴重；3）現場每個溫控點都要走3根鉑電阻模擬信號線，若生產線的溫控點多的話，必然造成布線及施工難度大，線材浪費嚴重，成本高。

因此目前的溫度控制系統存在控制效果不佳、成本高等劣勢。本文設計一種智能溫度控制系統，對產線環境改變不大的情況下，解決目前出現的問題，使溫度控制效果更好，系統更穩定，成本更低。本設計方案采用的是數字量傳輸方式，首先在設備現場離鉑電阻最近的地方將鉑電阻反饋的模擬信號轉換成溫度數字信號，然后通過RS485將數字信號輸出到遠處的溫度主控制器，主控制器將采集到的數量信號進行計算并顯示到液晶屏人機界面上，用戶可以通過觸摸屏對現場的溫度進行設定，控制器通過模糊PID算法計算后控制加熱設備。

1 硬件設計

1.1 硬件設計總方案

智能溫度控制系統總體方案設計采用工業上常見的現場AD采樣、RS485傳輸、LCD液晶觸摸屏控制顯示的設計方案。包括現場溫度的AD采集模塊、觸摸液晶屏主控模塊、數字量輸出控制模塊、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生產的WT-HMI70F人機界面，如圖2所示。

圖1 硬件總體框架Fig.1 Hardware overall framework

圖2 液晶觸摸屏主控模塊Fig.2 LCD touch screen master module

WT-HMI70F人機界面控制板處理器采用三星公司生產的ARM9內核S3C2440，主頻達到400 MHz。此模塊為工業級產品，符合歐洲標準EMC規范，前面板符合NEMA4的防護規定，具有一路RS232接口、一路RS485接口、一個USB接口、一路以太網接口。

本設計方案通過此人機界面模塊的RS485通信接口，采用MODBUS通信協議，接收現場傳輸過來的溫度數字量，經過模糊PID運算后顯示在液晶屏上，同時與用戶設定的溫度比較，然后通過RS485輸出去控制現場數字量輸出模塊。

1.3 數字量輸出控制模塊

數字量輸出控制模塊采用Witium生產的WT-ADC216F分布式模塊。WT-ADC216F模塊的處理器采用ST公司生產的COTEX-M3內核STM32F103。該模塊具有八路繼電器輸出、一路RS485支持MODBUSRTU標準通信協議。該模塊為工業級產品，廣泛用于工業現場數字量輸出控制，如報警燈控制或大功率固態繼電器開關。

本方案通過WT-ADC216F模塊的RS485接口接收人機界面送來的控制信號，經過本模塊的繼電器輸出控制大功率固態繼電器，從而控制現場380 V加熱絲的加熱狀態。

1.4 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊采用臺灣巨諾公司生產的雙回路AD模塊，此模塊專門用于鉑電阻溫度采集并轉換成數字量，廣泛應用于工業場合。具有兩個模擬量（鉑電阻）輸入通道、一路RS485 Modbus RTU通信接口、16位高精度AD轉換、符合工業標準EMC規范。

本設計方案通過此AD模塊采集現場鉑電阻溫度模擬量，轉換成16位精度的數字量，通過RS485 MODBUS通信協議發送到遠程控制柜的觸摸液晶屏主控模塊，進行溫度采集及運算。

2 軟件設計

本系統方案中軟件設計主要在觸摸液晶屏主控模塊內，包括嵌入式WINCE操作系統、驅動及應用程序，而應用程序包括：圖形交互界面、RS485通信協議、模糊PID控制算法。

WinCE操作系統廣泛應用于工業現場，適合本控制系統。系統軟件框圖如圖3所示。

圖3 系統軟件框架圖Fig.3 System software framework

2.1 WINCE操作系統功能定制及驅動程序設計

WINCE操作系統及驅動程序是基于底層的中間層，是對應用程序層提供的一個軟件開發平臺[2]。本方案WINCE操作系統定制及驅動程序設計是基于微軟提供的標準BSP包，然后根據觸摸液晶主控模塊的硬件需求修改及添加BSP包的內容。其中設備驅動添加了RS485通信、液晶屏及觸摸屏驅動；配置文件修改了部分環境變量及.bib文件。

2.2 圖形交互界面程序的實現

圖形交互界面程序采用EVC進行開發，EVC是WINCE操作系統開發圖形交互界面的集成開發環境。本系統的圖形交互界面設計采用微軟的MFC框架，使用MFC及ATL庫提供的一組可重用通用類、繼承或間接派生類協肋開發，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、用戶設定的4路溫度控制值、溫度數據歷史記錄保存及查詢、歷史記錄文件讀取、四路溫度控制實時曲線顯示、超溫報警燈顯示等。

2.3 RS485通信協議、模糊PID控制算法

本系統RS485通信協議采用標準的MODBUSRTU通信協議，其通用性強，應用廣泛。由于AD采集及數字量輸出模塊軟件已設計為MODBUS從機模式，因此觸摸液晶主控模塊的通信程序為主機模式，其通信指令主要有向從機讀取溫度數據、向從機輸出數字量控制信息等。

本系統的智能溫度控制體現在溫度模糊PID控制算法上。

本系統應用現場及控制對象為大爐溫度，該類型的被控對象會隨著季節的變化出現控制效果的變化，用經典法來預測PID會存在不可靠現象，系統工程師可以經過一段時間到現場進行維護或寫入經驗值，系統也可以定期自整定PID。但是這些方法都會產生高昂的維護費用、同時也會打斷產線的正常生產。因此本系統引入模糊PID控制算法，對經典PID的3個系數加入模糊算法控制，從而對大爐溫度控制對象進行模糊控制，解決因季節或環境變化導致控制效果不理想的問題。

一般增量式PID的經典公式：

軟件實現：Kp*Error+Ki*SumError+Kd*dError

加入模糊控制之后，kp，ki，kd的值會隨著環境的變化而發生細微改變而非一成不變。

加入PID之前，控制系統的傳遞函數是：1/（s2+23s）。

加入模糊算法之后的模糊PID控制系統結構圖如圖4所示。

圖4 模糊PID控制結構圖Fig.4 Fuzzy PID control structure

現場溫度為控制對象，用戶設定的溫度值為控制系統給定值，AD采集模塊獲取的溫度值為控制系統反饋值，反饋值及給定值經過系統的模糊PID控制算法運算之后去控制現場加熱設備的狀態，從而控制溫度對象[3]。

本系統模糊PID控制算法根據系統運行的不同狀態及工程經驗，結合 PID系統中 Kp，Kd，Ki三者系數的關聯性，設計模糊整定參數。系統使用偏差值Error和Error_Change作為模糊判定的輸入， 語言取 {NB，NS，O，PS，PB}， 根據 Error和Error_Change 整定 Kp，Ki，Kd的模糊值， 同樣取 {NB， NS，O，PS，PB}5個模糊值。然后建立模糊規則表，表1為Kd規則表，Ki，Kp模糊規則表與 Kp規則表類似[4-5]。

不同的控制系統對 PID的 3個系數 Kp，Ki，Kd的模糊也不同，本系統希望控制對象溫度值能盡快恢復到穩態，所以Kd系數的模糊尤為重要，設置的Kd對Error_Change特別敏感[6]。

學習開始了，老師手把手的叫我認識薩克斯上的每個音符，告訴我嘴型怎樣咬住笛頭就可以發音，我認真地聽著老師的講解，不放過每個細節。按照老師的方法試著吹，果然發出了渾厚響亮的音，心里一陣竊喜。一遍一遍地練了起來，我能連貫地吹出“哆，銳，咪……西”。老師向我點頭微笑起來，我心里的緊張頓時消失了許多，但心中絲毫不敢放松。按照老師的要求不斷地練習著。

以下是本系統的模糊PID控制算法軟件實現代碼：

typedef struct

表1 K d模糊規則表Tab.1 K d fuzzy rule table

{ DOUBLEError；

DOUBLE Error_Change；

DOUBLE Prop；

DOUBLE Inte；

DOUBLE Diff；

FUZZYPID GetPIDValue（FIS*fis， FUZZYPID fuzzpid）

{ DOUBLE**outputMatrix；

FUZZYPID fuzzpid_result=fuzzpid；

outputMatrix= （DOUBLE**）fisCreateMatrix （fis->in_n，fis->out_n， sizeof（DOUBLE））；

getFisOutput （（DOUBLE*）&fuzzpid， fis， （DOUBLE*）&fuzzpid_result.Prop）；

return fuzzpid_result；

}

3 系統運行結果分析

本智能溫度控制系統在浙江某個防彈衣生產線上運行，現場調試結果的數據經過MATLAB運算得到的系統控制效果圖及現場觸摸液晶主控屏的系統運行圖如圖5所示。

圖5 現場調試效果圖Fig.5 Site commissioning effect

由左邊圖可以看出控制過程前期略有超調，但是對于系統是可接受的，因為生產線剛開始的時候需要預熱爐子。控制過程中測試人員加入一次擾動，可以看出系統不會因為擾動產生震蕩，而之前使用經典PID測試的時候受到擾動后會產生震蕩。因此模糊PID控制算法可以解決防彈衣生產線上大爐溫度因季節或環境變化導致控制效果不理想的問題。

由右邊圖可看出本智能溫度控制系統的對大爐溫度對象的控制精度可以達到±0.1度。

4 結束語

通過本方案的設計及防彈衣生產線爐溫控制現場運行結果分析，溫度控制的精度從原來的±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；使用數字信號傳輸數據及控制，使得溫度反饋及輸出控制的時間大大縮短，穩定性大幅度提高，從而提高了產品的質量及生產效率。

[1]李人厚，秦世引.智能控制理論和方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[2]李大為.Windows CE工程實踐完全解析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]謝克明.現代控制理論基礎[M].北京：北京工業大學出版社，2004.

[4]徐建林，陳超.模糊控制在熱處理電阻爐中的應用研究[J].熱加工工藝，2002（5）：58-59.XU Jian-lin，CHEN Chao.The stuay of fuzzy control for the heat treatment electric-furnace[J].Hot Working Technology，2002（5）：58-59.

[5]Kovacic Z，Bogdan S，胡玉玲，等.模糊控制器設計理論與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[6]張健民.模糊控制在寶鋼1580加熱爐節能控制中的應用研究[J].冶金自動化，2003（6）：7-9.ZHANGJian-min.Application research on fuzzy energy saving contro in Baosteel 1580 reheating furnace[J].Metallurgical Industry Automation，2003（6）：7-9.