傳統爐溫數據采集控制系統之改進

高慧

摘 ? 要：人類的生活同溫度息息相關，溫度是各類工農業生產不可或缺的重要條件之一。隨著社會的不斷發展、科學技術的不斷進步，各種先進的測量溫度的儀器在各行各業得到了廣泛的應用。溫度采集系統被應用于人們生活的方方面面，工農業生產、生活的各行各業對于溫度采集的精度要求越來越高。因此，主要研究目前市場上傳統的溫度采集控制系統的現狀并通過分析得出其優劣性，為新的高效的爐溫系統的設計提供幫助。

關鍵詞：傳統;爐溫數據采集;現狀;研究

溫度是工農業生產中的重要參數之一，各類工農業生產現場都需要對溫度進行精準的控制，例如。工業環境中的發電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內，許多化學反應的工藝過程必須控制在一定的溫度條件下才能進行，煉油廠的原油必須在一定的溫度和壓力條件下才能按照設定的程序分離出汽油、柴油，沒有合適的溫度環境，許多對溫度敏感的電子儀器儀表無法正常啟動運行，農業生產中的糧倉需要精確的溫度控制才能保證儲存的糧食不腐爛變質，酒類生產和儲存需要嚴格的溫控裝置才能保證酒的品質不受到影響。由此可見，研究溫度的精確采集和自動控制是工農業生產和生活中非常重要的一個環節。

1 ? ?傳統爐溫數據采集控制系統簡介

溫度控制技術按照控制目標的不同可以分為兩大類，即動態時候的溫度跟蹤和恒溫溫度控制。所謂的動態溫度跟蹤指的是溫度在不同環節是不相同的，有一定規律的變化過程，例如在工業環境中常見的酒和醋發酵過程中的溫度跟蹤、冶煉爐中的燃燒物的實時溫度控制跟蹤等。恒溫溫度控制指的是被控對象的溫度在一定范圍內處于一個穩定不變的狀態，即恒溫狀態，并且要求其溫度只能在一個很小的范圍內波動。科學技術不斷進步，自動化控制系統隨之逐漸更新換代，溫度檢測控制元件也在不斷發展變化，新型的溫度傳感器種類繁多、應用更加廣泛，逐漸由模擬式向數字式轉化以適應自動控制系統的發展需求。

爐溫數據檢測控制系統最主要的組成部件就是測溫元件、溫度傳感器，各類傳感器因為自身工藝特性都會對系統的測量精度等參數產生影響，例如各類傳感器自身的優劣性以及整個溫度采集控制系統的環境因素，還有最為重要的一點就是系統對于精度的要求。因此，不同的溫度控制系統中采用的溫度傳感器也不盡相同。

2 ? ?改進方法1—基于PCI總線的爐溫數據采集控制系統

傳統的單片機溫度采集控制系統采用的是有限通信的信號傳送方式，但這種控制系統在空間布局上有很大的局限性，也就是說溫度控制系統和工業生產現場之間的距離受限制，同時，溫度傳感器大多采用的是熱電偶、熱電阻等模擬信號傳感器，必須要加上適當的信號補償電路和模數（Analog-to-Digital，AD）轉換電路才能和上位機相連，且這種電路往往結構復雜，性價比不高。

傳統的模擬信號爐溫采集控制系統大都采用模擬信號有線傳輸方式進行測溫，因此，精度不高，而且系統布局結構復雜，操作的靈活性和可操作性不高。為了解決這個問題，在工業生產環節，可以采用無線數據傳輸的方式代替傳統的有線數據傳輸，無線數據傳輸因為自身特點，廣泛適用于復雜地形、高腐蝕性測溫環境或者是運動的、旋轉的測溫對象。隨著數字電路和自動控制技術的不斷發展，無線傳輸的實現變得越來越容易了。

基于這一前提，可以設計一種精度高、數據采集速度快、智能化的基于外設部件互連標準（Peripheral Component Interconnect，PCI）總線的爐溫數據采集控制系統。系統利用現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA），具有數據處理快和PCI總線傳輸速率高的特點，通過相應的算法進行數據分析與處理;將相應的數據信號通過PCI總線接口高速上傳給上位機進行處理和控制;最后采用模糊比例-積分-微分（Proportion、Integral、Derivative，PID）控制算法對爐溫進行了控制仿真測試，改善了現場儀表常規PID控制方式存在的振蕩現象，最終滿足控制精度要求。

3 ? ?改進方法2—基于DSP的爐溫數據采集控制系統的設計

3.1 ?系統概述

本系統在傳統的爐溫數據采集控制系統的基礎上進行了優化設計，例如在傳統的爐溫控制系統中采用的是現場儀表測量爐溫的方式，這種系統我們也把它稱為分離式的儀表控制系統。這種系統的優點是結構簡單、操作方便、易于搭建系統，但是缺點也特別明顯，顯著的缺點就是檢測的通道過于單一，并且實時性差，數據傳輸的速率太低，在科學技術不斷發展、電氣自動化技術不斷更新換代的今天，這種測溫系統已經不能滿足工農業生產現場對于測溫系統的整體要求了。

為了緩解這種供需不平衡的局面，特設計了一款基于數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）的爐溫數據采集控制系統，系統的總體框架如圖1所示。

在改進后的爐溫數據采集控制系統中，檢測爐溫的溫度傳感器采用的是K型熱電偶，采用DSP芯片進行采集到的爐溫數據信號的AD轉換、放大等，利用模糊PID算法實現對爐溫數據的精確控制，信號傳輸方面采用的是無線組網傳輸方式，有效地解決了傳統有限傳輸方式容易受到環境條件和傳輸距離等影響的問題。

3.2 ?系統硬件設計

基于DSP的爐溫數據采集控制系統的硬件電路設計主要包括如下幾部分，即爐溫控制電路、爐溫采集電路、采集到的爐溫數據存儲電路、爐溫數據傳輸電路以及電源電路5個部分。

3.2.1 ?爐溫控制電路

在基于DSP的爐溫數據采集控制系統中進行爐溫控制的部分選用的是TAC10型周波控制器，眾所周知，周波控制器不僅可以接受模擬量的電壓信號，還可以接收相應型號的微電流信號。構建爐溫控制電路時，輸入的電壓信號為220 V的交流電壓信號（即通常所說的市電），因此，輸入的電壓信號無需進行任何的轉換，電路結構簡單。周波控制器根據輸入的模擬電壓信號調節輸出的脈沖寬度調制（Pulse width modulation，PWM）的占空比，不同占空比的PWM再去驅動同周波控制器相連接的固態繼電器（Solid State Relay，SSR）。

SSR是一種由分立式的電子元器件、電力電子功率器件等組成的無觸點開關，采用隔離器件實現控制端與負載端的隔離，可以用微小的輸入控制信號直接驅動大電流負載，因此，常被用于爐溫控制系統對加熱棒的溫度進行控制。

3.2.2 ?爐溫采集電路

在基于DSP的爐溫數據采集控制系統中，采用K型熱電偶對爐溫數據進行準確采集。K型熱電偶是一種溫度傳感器，通常需要和顯示儀表、記錄儀表和電子調節器配套使用。它其主要組成部分是感溫元件、固定裝置、接線盒等，其中，感溫元件是重要組成部分。K型熱電偶因為其結構特點，在測溫過程中有自身的優點，例如成本低、線性度高、測溫范圍廣、測量精度高等，因此，在工業環境中有著廣泛的應用。

在實際測溫電路設計中，必須要注意到K型熱電偶輸出的電壓是很小的毫伏級的電壓，并且輸出電壓還會受到環境等因素的影響，如果直接采用K型熱電偶的輸出信號作為控制信號，效果非常差，因此，必須對其進行溫度補償和信號放大。

本系統采用的溫度補償電路是ADI公司生產的AD595芯片，AD595是完整的單芯片儀表放大器和熱電偶冷結補償器。將冰點基準源與預校準放大器相結合，該器件可從熱電偶信號產生高電平（10 mV/℃）輸出。引腳綁定選項使其可用作線性放大器補償器或采用固定或遠程設定點控制的開關輸出設定點控制器，可用于直接放大補償電壓，從而成為提供低阻抗電壓輸出的獨立攝氏溫度傳感器。同時，通過外接電路，AD595芯片還可以實現對于熱電偶測溫電路的故障診斷與報警。

系統工作時，AD595芯片采用5 V電壓供電，K型熱電偶輸出的毫伏級電壓信號輸入到AD595芯片的輸入端，在此進行溫度補償和信號放大后從輸出端輸出，把輸出的放大的電壓信號輸入DSP芯片的輸入點進行AD轉換，這就是爐溫數據采集電路的電路構成和工作原理。

3.2.3 ?爐溫數據存儲電路

基于DSP的爐溫數據采集控制系統的傳輸方式采用的是無線組網的傳輸方式，即每個電阻爐的爐溫由單獨的監控系統進行監測然后統一上傳到上位機的數據監控中心，無線傳輸的方式解決了傳統有線傳輸方式下系統布局難的缺陷，因此，傳輸的效率和準確度都大大提升。但是設計系統時，必須考慮到一個問題，那就是當無線信號由于未知的外部原因而中斷時，如何保證系統的數據不丟失。所以，在設計系統時，采用了安全數碼（Secure Digital Memory，SD）卡進行數據的本地存儲，這樣可以保證一旦無線傳輸數據中斷，本地保存的數據可以上傳給數據監控中心，不會造成數據丟失的問題。

SD存儲卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，其特點是體積小、數據傳輸速度快、可插拔等優點，因此，被廣泛地應用于各種便攜式設備。本系統為了保證本地數據的完整、準確存儲，選用的是16 G大容量的SD卡，并且通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線與DSP之間進行數據通信。

3.2.4 ?爐溫數據傳輸電路

基于DSP的爐溫數據采集控制系統采用無線傳輸方式進行數據傳輸，選用的是Nordic公司生產的Nrf905射頻芯片進行無線傳輸。完成組網后，各個爐溫數據采集控制系統會把采集到的數據統一發送到數據監控中心。

3.2.5 ?電源電路

基于DSP的爐溫數據采集控制系統有兩種電源電路，一種是采用220 V交流市電供電的電路，另外一種是直流電供電電路。

220 V交流市電供電主要是給周波控制器和固態繼電器供電，直流電主要是給Nrf905射頻芯片、溫度補償電路、信號放大電路及DSP供電。本系統中用到的直流電是由220 V的交流電進行蒸餾之后得到的 。

3.3 ?系統軟件設計

基于DSP的爐溫數據采集控制系統的軟件設計采用TMS320F單片機進行編程設計。本系統的一個創新點就在于使用了模糊PID算法對爐溫數據進行精確整定、實時調節，最終使得爐溫穩定在設定值附近，誤差在規定的范圍內。

3.4 ?結論

通過數據采集傳輸實驗和爐溫控制實驗得到的數據分析可見，本系統在數據傳輸穩定性、可靠性、安全性及爐溫控制精度方面完全符合要求，達到了預期效果。

4 ? ?結語

首先介紹了傳統的爐溫數據采集控制系統的缺陷，進而介紹了兩種改進的方法，并且重點敘述了基于DSP的爐溫數據采集控制系統的設計方法，從系統框架、硬件設計、軟件設計、系統驗證幾方面開展論述，達到了預期的研究目標。