基于嵌入式的FFU控制系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 針對大量使用空氣凈化設(shè)備的市場需求，開發(fā)一種FFU遠程集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有巡檢、報警、通信、風(fēng)速設(shè)定、電流檢測、分組管理、液晶顯示、FFU驅(qū)動等功能。對于大量FFU設(shè)備，F(xiàn)FU驅(qū)動采用低功耗的設(shè)計，具有調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能等優(yōu)點，而通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分布式星型與總線混合結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)操作簡單、安裝方便、擴展性強，主要用于工廠車間、地鐵通風(fēng)等大型場所。

關(guān)鍵詞： 遠程集中控制; 低功耗; 分布式結(jié)構(gòu); 系統(tǒng)設(shè)計; 人機交互界面; FFU

中圖分類號： TN876?34" " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2019）21?0163?04

Abstract： A remote centralized control system for fan filter unit （FFU） is developed to meet the market needs for a large number of air purification equipments. The system has the functions of patrol， alarm， communication， wind speed setting， current detection， group management， liquid crystal display， FFU drive， etc. For a large number of FFU devices， a low?power design is adopted for the FFU drive， which has the advantages of wide speed range， high stability， high reliability， and energy?saving. The distributed star?type and bus hybrid structure is adopted in communication network structure. The control system is easy to operate and install， and has high expansibility. It is mainly used in large?scale sites such as factory workshop and subway ventilation and so on.

Keywords： remote centralized control; low?power consumption; distributed structure; system design; human?computer interactive interface; RS 485

0" 引" 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。而生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)環(huán)境決定了產(chǎn)品質(zhì)量，這就迫使廠家追求更高的生產(chǎn)技術(shù)和更好的生產(chǎn)環(huán)境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)ιa(chǎn)環(huán)境有著苛刻的要求[1]。對于大型場所，常采用多臺通風(fēng)設(shè)備，這就需要對多臺通風(fēng)設(shè)備集中控制，而傳統(tǒng)的分散控制難以滿足生產(chǎn)需求。而現(xiàn)場總線控制技術(shù)滿足于工業(yè)的集中控制，現(xiàn)場總線技術(shù)以其開放性、數(shù)字化、雙向傳輸、多站通信等獨特優(yōu)勢脫穎而出，在集成電路、工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了控制功能的底層化，優(yōu)化了傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)，在各工業(yè)領(lǐng)域起到了不可替代的作用[2]。

FFU（Fan Filter Unit）作為一種凈化設(shè)備，目前在各種潔凈工程中得到廣泛應(yīng)用。FFU又叫風(fēng)機過濾單元，也就是風(fēng)機和過濾器連接在一起，能自己提供動力的潔凈設(shè)備。在FFU的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，其控制系統(tǒng)的應(yīng)用率還是比較低的，而且在國際市場上流行的FFU智能化控制系統(tǒng)中，一般配備無刷直流電機FFU[3]。本文中所使用的FFU為單相交流異步電機。

1" 控制系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)主要包括主機、從機及其通信部分，采用現(xiàn)場總線集散型控制方式，實現(xiàn)了FFU調(diào)速、遠程通信、人機交互設(shè)置等功能。采用液晶屏來實現(xiàn)人機交互功能，主機和從機之間的通信采用RS 485通信協(xié)議，主機和電腦通信采用RS 232通信協(xié)議，主機芯片和液晶屏通信采用串口通信方式，控制信號通過RS 485模塊傳送到從機控制器，改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加空氣流動，空氣通過SCAF（自潔式過濾器）降低空氣粉塵濃度和二氧化碳濃度。電腦和主機通信，進行出廠設(shè)置和調(diào)試程序。采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可以節(jié)省許多傳統(tǒng)通信線路的端子和線纜，使系統(tǒng)更加簡潔。現(xiàn)場總線技術(shù)的全數(shù)字化通信特點特別適用于糾錯和信息防撞的設(shè)計，進一步提高多點雙向通信的可靠性[4]。

2" 系統(tǒng)功能實現(xiàn)和電路設(shè)計

2.1" 通信功能

系統(tǒng)采用星型與總線接線方式混合使用，整個系統(tǒng)由主機、硬件轉(zhuǎn)發(fā)器和控制器組成。控制系統(tǒng)中，每一個和主機進行通信的從機設(shè)備都需要有自己唯一的通信地址。當(dāng)使用轉(zhuǎn)發(fā)器時，主機與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的接線采用星型連接。轉(zhuǎn)發(fā)器與轉(zhuǎn)發(fā)器、轉(zhuǎn)發(fā)器與從機之間的接線為總線方式，轉(zhuǎn)發(fā)器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的接線稱為一層總線。轉(zhuǎn)發(fā)器與從機之間的接線稱為二層總線。通過這些拓撲結(jié)構(gòu)，遠程控制系統(tǒng)可以通過單片機對大量FFU進行集中控制和監(jiān)控，即可以控制FFU運行、停止，也可以監(jiān)控FFU狀態(tài)和故障。因此這種集中控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的分散控制相比，具有規(guī)模大，方便管理，局部故障不會影響其他FFU運行的特點。

二級網(wǎng)絡(luò)混合拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它表示出電腦和主機通信，主機和從機通信的連接關(guān)系。主機和從機通信之間需要轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采取先星型后總線型連接，與主機連接的轉(zhuǎn)發(fā)器是星型連接的兩個節(jié)點，與從機連接的是總線連接方式。為了保證裝置在錯綜復(fù)雜的環(huán)境中可靠運行，PCB設(shè)計布線時，初級電路與次級電路分開布置，元器件布局要緊湊，元器件位置要按照信號流向進行布局，遵循先防護后濾波的原則;同組信號線要平行等長走線[5]。重點考慮信號的參考地，使信號有最小的傳輸路徑[6]。

2.2" FFU驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用串聯(lián)電容分壓的方式，根據(jù)工廠的實際需求設(shè)計出三檔調(diào)速，分別為高檔、中檔、低檔。通過繼電器選擇控制檔速，因為工廠的環(huán)境比較復(fù)雜，F(xiàn)FU的驅(qū)動電路必須可靠和穩(wěn)定，因為數(shù)量多，節(jié)能很關(guān)鍵，串聯(lián)電容分壓調(diào)速可靠性高、能耗小，繼電器控制穩(wěn)定性高。繼電器驅(qū)動電路采用光耦隔離開關(guān)和三極管，光耦隔離開關(guān)的作用是實現(xiàn)信號與強電的隔離，由于光耦隔離開關(guān)的驅(qū)動能力弱，加一個三極管提高其驅(qū)動能力。FFU驅(qū)動電路圖如圖2所示，A端口接控制信號，L端口接電源火線，M端口接FFU端，Y1是繼電器。

2.3" 人機交互界面

根據(jù)實際需求，液晶屏需要監(jiān)視全部區(qū)域的FFU運行狀態(tài)，F(xiàn)FU數(shù)量比較多，顯示的信息量大，功能多，同時考慮到經(jīng)濟性，選用7寸觸摸液晶屏，液晶屏上不僅能顯示FFU的運行狀態(tài)，還能進行調(diào)速、密碼設(shè)置、區(qū)域啟停設(shè)置等功能。當(dāng)FFU故障時，液晶屏上顯示紅色報警，蜂鳴器鳴響。

液晶屏主要顯示兩大界面：一是風(fēng)機列表;二是系統(tǒng)設(shè)置。風(fēng)機列表顯示的是所有FFU的運行狀態(tài)，不能進行設(shè)置。在風(fēng)機列表中，可以直接觀察每一個區(qū)域，每一臺FFU的運行情況，當(dāng)出現(xiàn)通信故障或FFU運行不正常時，液晶屏上顯示紅色報警信息。系統(tǒng)設(shè)置顯示的是所有功能的設(shè)置，即包括修改密碼、屏幕亮度、廠家信息、恢復(fù)默認設(shè)置、恢復(fù)出廠設(shè)置、單機風(fēng)速調(diào)整、從機批量啟停、區(qū)域批量啟停和聯(lián)機數(shù)量調(diào)整。聯(lián)機數(shù)量調(diào)整的功能根據(jù)客戶的需求可以設(shè)定區(qū)域數(shù)量和從機數(shù)量，區(qū)域批量啟停是為了方便操作，使整個區(qū)域的FFU啟動或停止，液晶屏系統(tǒng)設(shè)置界面圖如圖3所示。

2.4" 電流檢測電路設(shè)計

通過電流檢測可以判斷出FFU運行的檔位，根據(jù)設(shè)定的檔位與運行的檔位對比可以判斷出FFU是否正常運行。A，B端口與FFU串聯(lián)，T2為電流互感器，[C1]具有電容濾波功能，D1，D2，D3，D4為橋式整橋電路，E端為芯片所測的模擬信號，根據(jù)測得的信號量轉(zhuǎn)化為FFU實際運行檔位。電流檢測電路圖如圖4所示。

2.5" 芯片選擇

FFU控制系統(tǒng)的功能多，信息量大，主機芯片需要3個串口進行通信：一是主機芯片與從機通信，采用串口1;二是主機芯片與液晶屏通信，采用串口2;三是主機芯片與電腦通信，采用串口3。由于功能多，F(xiàn)FU控制系統(tǒng)采用μC/OS?Ⅲ操作系統(tǒng)和emWin人機交互界面，所以主機芯片采用STM32F407ZGT6芯片，能夠滿足設(shè)計需求。從機控制器的芯片采用STC15W408AS芯片，抗干擾能力強，具有加密技術(shù)，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，可省掉外部E2PROM，大容量2 KB SRAM，功耗低，可靠性高，這樣在設(shè)計電路上就會方便很多。

2.6" 電源模塊設(shè)計

整個控制系統(tǒng)中，主機芯片電源電壓為3.3 V，液晶屏、轉(zhuǎn)發(fā)器和從機控制器電源電壓為5.0 V，繼電器電源電壓12 V。各種電源電壓模塊的設(shè)計電路相同，電容、電阻和變壓器的參數(shù)不同。電源模塊采用CR1510芯片電源管理模塊，電源模塊電路圖如圖5所示。

其中，F(xiàn)1為保險管，模塊異常時熔斷，切斷故障;[R2]為繞線電阻，抑制浪涌電流;[R1]為壓敏電阻，吸收雷擊浪涌;L，N輸入端口分別為電源火線和零線;G，H輸出端口分別為正負電源口。

3" 軟件設(shè)計

3.1" 系統(tǒng)程序分析

控制系統(tǒng)上電以后，系統(tǒng)進入初始化，初始化后，系統(tǒng)等待來自液晶屏的參數(shù)設(shè)置中斷、電腦中斷。電腦的中斷為最高優(yōu)先級，液晶屏的中斷為最低優(yōu)先級，如果2個中斷都沒有，就會進行查詢模式，主機查詢所有FFU的當(dāng)前運行狀態(tài)，然后主機把從機發(fā)過來的運行狀態(tài)發(fā)送給液晶屏顯示并保存到存儲器中;如果有液晶屏中斷，主機把液晶屏信息內(nèi)容保存并判斷是否發(fā)送給從機;如果有電腦中斷，主機會把信息保存并判斷是否發(fā)送給從機，主程序流程圖如圖6所示。

3.2" RS 485總線通信協(xié)議設(shè)計

為了使主機能很好地控制各個從機工作和接收相應(yīng)從機傳回來的數(shù)據(jù)，嚴謹?shù)目偩€通信協(xié)議是很關(guān)鍵的技術(shù)之一。為了避免總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受環(huán)境中各種因素的干擾，以導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸有誤，所以數(shù)據(jù)包應(yīng)該加上幀頭和幀尾。

1） 命令信息

由主機發(fā)送各個轉(zhuǎn)發(fā)器和從機的具體命令格式如表1所示。轉(zhuǎn)發(fā)器和從機識別幀頭后開始接收5個字節(jié)的命令，對命令解析后，根據(jù)解析的命令選擇上傳還是向下轉(zhuǎn)發(fā)信息。

2） 數(shù)據(jù)信息

由主機發(fā)送的數(shù)據(jù)包的具體格式如表2所示。數(shù)據(jù)包包括幀頭、幀尾和有效數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)包含地址和風(fēng)機的轉(zhuǎn)速信息。

4" 結(jié)果分析

為了檢驗控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，產(chǎn)品拿到企業(yè)做測試，在一段時間的運行期間，并沒有什么系統(tǒng)故障問題，F(xiàn)FU運行正常，輸出風(fēng)量符合公司的要求，驅(qū)動電路可靠，如果FFU故障和通信故障，液晶屏上會顯示報警信號，蜂鳴器發(fā)出報警，從機控制器點亮紅燈。電腦和主機通信正常，通過電腦可以準(zhǔn)確無誤地設(shè)置FFU控制系統(tǒng)的出廠設(shè)置，并且可以在電腦上查看FFU控制系統(tǒng)的運行情況。主機和液晶屏通信正常，可以把設(shè)置的數(shù)據(jù)保存在存儲器中，恢復(fù)出廠設(shè)置數(shù)據(jù)無誤，保存和恢復(fù)默認設(shè)置無誤，可以通過液晶屏控制所有的從機設(shè)備。主機和從機通信正常，通過RS 485通信模塊把數(shù)據(jù)傳送到從機并接收從機發(fā)過來的數(shù)據(jù)，在液晶屏實時地顯示所有FFU的運行狀態(tài)。測量風(fēng)速結(jié)果如表3所示。其中，F(xiàn)FU無過濾芯時測量的數(shù)據(jù)，型號：ebmpapst M4E074?DF。

5" 結(jié)" 論

該控制系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，得到廠方的認可，方便施工人員的安裝，同時可以快速地發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，減輕了勞動強度，提高了工作效率，功能齊全可靠，設(shè)備體積小、成本低，可應(yīng)用于工廠車間、地鐵通風(fēng)等大型場所。

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