傳統(tǒng)爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)之改進

高慧

摘 ? 要：人類的生活同溫度息息相關(guān)，溫度是各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要條件之一。隨著社會的不斷發(fā)展、科學技術(shù)的不斷進步，各種先進的測量溫度的儀器在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。溫度采集系統(tǒng)被應用于人們生活的方方面面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活的各行各業(yè)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(tǒng)的溫度采集控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀并通過分析得出其優(yōu)劣性，為新的高效的爐溫系統(tǒng)的設計提供幫助。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng);爐溫數(shù)據(jù)采集;現(xiàn)狀;研究

溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，各類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場都需要對溫度進行精準的控制，例如。工業(yè)環(huán)境中的發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)，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(huán)境，許多對溫度敏感的電子儀器儀表無法正常啟動運行，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhì)，酒類生產(chǎn)和儲存需要嚴格的溫控裝置才能保證酒的品質(zhì)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

1 ? ?傳統(tǒng)爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)簡介

溫度控制技術(shù)按照控制目標的不同可以分為兩大類，即動態(tài)時候的溫度跟蹤和恒溫溫度控制。所謂的動態(tài)溫度跟蹤指的是溫度在不同環(huán)節(jié)是不相同的，有一定規(guī)律的變化過程，例如在工業(yè)環(huán)境中常見的酒和醋發(fā)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(nèi)處于一個穩(wěn)定不變的狀態(tài)，即恒溫狀態(tài)，并且要求其溫度只能在一個很小的范圍內(nèi)波動。科學技術(shù)不斷進步，自動化控制系統(tǒng)隨之逐漸更新?lián)Q代，溫度檢測控制元件也在不斷發(fā)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(shù)字式轉(zhuǎn)化以適應自動控制系統(tǒng)的發(fā)展需求。

爐溫數(shù)據(jù)檢測控制系統(tǒng)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(tǒng)的測量精度等參數(shù)產(chǎn)生影響，例如各類傳感器自身的優(yōu)劣性以及整個溫度采集控制系統(tǒng)的環(huán)境因素，還有最為重要的一點就是系統(tǒng)對于精度的要求。因此，不同的溫度控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的單片機溫度采集控制系統(tǒng)采用的是有限通信的信號傳送方式，但這種控制系統(tǒng)在空間布局上有很大的局限性，也就是說溫度控制系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)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?shù)男盘栄a償電路和模數(shù)（Analog-to-Digital，AD）轉(zhuǎn)換電路才能和上位機相連，且這種電路往往結(jié)構(gòu)復雜，性價比不高。

傳統(tǒng)的模擬信號爐溫采集控制系統(tǒng)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(tǒng)布局結(jié)構(gòu)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(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酱鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)傳輸因為自身特點，廣泛適用于復雜地形、高腐蝕性測溫環(huán)境或者是運動的、旋轉(zhuǎn)的測溫對象。隨著數(shù)字電路和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)變得越來越容易了。

基于這一前提，可以設計一種精度高、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），具有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析與處理;將相應的數(shù)據(jù)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(xiàn)場儀表常規(guī)PID控制方式存在的振蕩現(xiàn)象，最終滿足控制精度要求。

3 ? ?改進方法2—基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設計

3.1 ?系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基礎上進行了優(yōu)化設計，例如在傳統(tǒng)的爐溫控制系統(tǒng)中采用的是現(xiàn)場儀表測量爐溫的方式，這種系統(tǒng)我們也把它稱為分離式的儀表控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于搭建系統(tǒng)，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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾侍停诳茖W技術(shù)不斷發(fā)展、電氣自動化技術(shù)不斷更新?lián)Q代的今天，這種測溫系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對于測溫系統(tǒng)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(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

在改進后的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)信號的AD轉(zhuǎn)換、放大等，利用模糊PID算法實現(xiàn)對爐溫數(shù)據(jù)的精確控制，信號傳輸方面采用的是無線組網(wǎng)傳輸方式，有效地解決了傳統(tǒng)有限傳輸方式容易受到環(huán)境條件和傳輸距離等影響的問題。

3.2 ?系統(tǒng)硬件設計

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲電路、爐溫數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)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(gòu)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(zhuǎn)換，電路結(jié)構(gòu)簡單。周波控制器根據(jù)輸入的模擬電壓信號調(diào)節(jié)輸出的脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）的占空比，不同占空比的PWM再去驅(qū)動同周波控制器相連接的固態(tài)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(guān)，采用隔離器件實現(xiàn)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(qū)動大電流負載，因此，常被用于爐溫控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，采用K型熱電偶對爐溫數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)特點，在測溫過程中有自身的優(yōu)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(yè)環(huán)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(huán)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(tǒng)采用的溫度補償電路是ADI公司生產(chǎn)的AD595芯片，AD595是完整的單芯片儀表放大器和熱電偶冷結(jié)補償器。將冰點基準源與預校準放大器相結(jié)合，該器件可從熱電偶信號產(chǎn)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(guān)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(xiàn)對于熱電偶測溫電路的故障診斷與報警。

系統(tǒng)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(zhuǎn)換，這就是爐溫數(shù)據(jù)采集電路的電路構(gòu)成和工作原理。

3.2.3 ?爐溫數(shù)據(jù)存儲電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的傳輸方式采用的是無線組網(wǎng)的傳輸方式，即每個電阻爐的爐溫由單獨的監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測然后統(tǒng)一上傳到上位機的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，無線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了傳統(tǒng)有線傳輸方式下系統(tǒng)布局難的缺陷，因此，傳輸?shù)男屎蜏蚀_度都大大提升。但是設計系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)不丟失。所以，在設計系統(tǒng)時，采用了安全數(shù)碼（Secure Digital Memory，SD）卡進行數(shù)據(jù)的本地存儲，這樣可以保證一旦無線傳輸數(shù)據(jù)中斷，本地保存的數(shù)據(jù)可以上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，不會造成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速度快、可插拔等優(yōu)點，因此，被廣泛地應用于各種便攜式設備。本系統(tǒng)為了保證本地數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信。

3.2.4 ?爐溫數(shù)據(jù)傳輸電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，選用的是Nordic公司生產(chǎn)的Nrf905射頻芯片進行無線傳輸。完成組網(wǎng)后，各個爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)會把采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

3.2.5 ?電源電路

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)軟件設計

基于DSP的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的軟件設計采用TMS320F單片機進行編程設計。本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點就在于使用了模糊PID算法對爐溫數(shù)據(jù)進行精確整定、實時調(diào)節(jié)，最終使得爐溫穩(wěn)定在設定值附近，誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.4 ?結(jié)論

通過數(shù)據(jù)采集傳輸實驗和爐溫控制實驗得到的數(shù)據(jù)分析可見，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)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(jié)語

首先介紹了傳統(tǒng)的爐溫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設計方法，從系統(tǒng)框架、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)驗證幾方面開展論述，達到了預期的研究目標。