PROFIBUS总线式智能温控仪表的研制

摘 要：本文介绍了基于PROFIBUS-DP现场总线的通用智能温度控制仪表从站的设计方法。在这里采用了模糊自适应PID的控制方法，使仪表对不同参数模型的系统均具有较好的控制性能。由于采用现场总线通信技术，控制仪从站具有良好的适应性，配置灵活，扩充和管理都很方便。关键词：模糊自适应PID控制 SPC3 PROFIBUS-DP现场总线Abstract：This paper introduces the design of common intelligent temperature control instrument based on PROFIBUS-DP filed bus. Because of using the adaptive fuzzy PID control, the instrument has better control function for different parameter model system. And because of using field bus, it has good adaptation and convenient configuration, which also can be increased easily and managed conveniently.Keywords：Adaptive fuzzy PID control;SPC3;Profibus-DP Filed bus;引言　　目前各种温度控制仪表最常用的控制技术是数字PID控制技术，并且被控温度系统的模型或者结构在运行过程中常常发生变化，如果不调整控制器参数就难以达到良好的控制效果。调整PID参数是一个复杂的过程，需要相当的经验。模糊自适应PID控制可以在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方式能实现PID参数的在线自调整，不仅使得温度控制仪表使用更方便，而且提高了控制精度。同时，虽然现在许多温度控制仪表都具有RS232串行通信接口，能通过串行方式与PC机或其他设备进行通信，但是这种一对一的通信方式不能应用于目前发展较快的总线式控制系统，难以适应工业生产的要求。PROFIBUS是目前世界上使用最广泛的现场总线协议之一，占有巨大的市场份额。因此设计开发具有先进控制算法、具有PROFIBUS-DP接口的智能温度控制仪表从站就具有一定的理论意义和实际意义。1 系统硬件设计　　将温度控制仪表设计为PROFIBUS-DP总线系统的一个从站，其结构框图如图1所示，主要由SPC3通信板和温控仪表主板两部分组成。SPC3是德国SIEMENS公司的专用协议转换芯片，内部集成了DP协议中FDL层，能够承担通信部分的微处理器负载，可独立完成全部PROFIBUS-DP通信功能。INTEL微处理器80C32的主要任务是采集数据、完成温度控制，同时组织采集到的现场数据并通过SPC3发给主站，并根据SPC3 产生的中断对SPC3 接收到的主站发出的输出数据转存。[align=center]图1.系统结构框图[/align]　　在该系统中，温度传感器采用AD公司的TMP03/04时间输出式数字温度传感器。这种传感器输出经过调制后的矩形波，应用中只需测得其输出方波占空比T1/T2中T1和T2的实际时间宽度，即可计算出被测对象的温度。同时与微处理器连接时只需将芯片输出与微处理器的定时器/计数器相连，就可很容易地测出T1、T2的时间宽度，并计算出相应的温度值。其次，80C32微处理器仅有256Bytes 的片内RAM，系统扩展了64KB的EPROM和32KB的RAM用以保存用户所设置的参数、站地址、识别号、各种报文以及采集数据和实现智能控制所需的参数。LED显示和键盘输入进一步完善了系统，使得在现场也能调整控制参数和读取相关信息。系统采用8155作为8位LED数码管和4位键盘的接口，同时显示系统设定温度值和检测温度值，4位键盘为：位选键、增量键、减量键和功能键。8155的PA口、PB口分别作为LED显示的行选线和列选线，PC口的低4位作为键盘输入口。　　80C32与SPC3之间的接口单元的电路如图2所示，其主要功能是利用协议芯片SPC3使作为从站的仪表与PROFIBUS-DP现场总线连接，从而使数据能在主站与从站之间传递。接口单元用80C32作为处理器单元管理通信事务，协议芯片SPC3完成关键的时间帧部分。SPC3的内部存储器SRAM完成数据的存储，80C32完成对协议芯片的初始化、数据的接收和发送。SPC3 和80C32之间通过双口RAM交换数据，SPC3的双口RAM应在80C32地址空间中统一分配地址。此外80C32通过P0和P2口扩展外部存储器EPROM和RAM。P0口作为数据线和低8位地址线，通过地址锁存器与RAM相连;P2口作为高8位地址线，可直接与RAM连接;外接的64 K EPROM由80C32的外部程序存储器读选通端控制。SPC3的地址总线的pin8、pin9、pin10经电阻后接地。SPC3的波特率发生器产生的时钟脉冲信号经分频后可以同时给80C32提供时钟脉冲，省去了外部晶振。[align=center]图2 80C32与SPC3接口电路 图3 系统程序流程图[/align]2 系统软件设计　　系统主程序原理图如图3，主程序包括初始化、数据采集和智能控制程序和PROFIBUS-DP总线通信程序。初始化程序完成对80C32微处理器和SPC3协议芯片的初始化，PROFIBUS-DP通信程序通过编写PROFIBUS-DP协议，实现智能温控仪表从站与主站间的通信。通信软件开发的核心部分是提供用户访问SPC3 寄存器的宏接口和进行变量定义的头文件模块;处理组态数据检查、分配从站参数和从站地址设定中断事件的中断程序;根据组态数据计算输入输出数据长度，辅助缓冲区分配，缓冲区初始化，设置I/ O 数据长度，各缓冲区更新函数等外部函数模块。由于系统在软件的设计上采用SIEMENS公司提供的软件包DPS2，使用户的主要工作简化为用户主程序的设计，主要集中在SPC3 初始化、启动、外部信号处理程序、从站数据的发送、接收来自主站的数据、诊断事务的处理以及智能控制程序部分的程序设计上，从而在缩短开发时间的同时，保证了DP从站各种功能的实现和系统开发的可靠性。3 模糊自适应PID控制　　模糊自适应PID控制系统的原理框图如图4所示，它是以模糊规则调节PID参数的一种自适应控制系统，是在普通PID控制系统的基础上，增加了一个模糊控制规则环节，从而给出在不同实时状态下对PID参数的推理结果。[align=center]图4 模糊自适应PID控制系统原理图[/align]　 　　表1 模糊控制表4 小结　　本文从软硬件两方面对通用智能温度控制仪表进行了设计和探讨。该仪表使用通信控制器SPC3和介质存取线路来实现仪表与现场总线网络的数据交换，提高了仪表之间的互操作性;控制算法上采用模糊自适应PID控制技术，使仪表能适用于更广泛的控制对象，具备了一定的通用性。参考文献　　[1]阳宪惠,魏庆福,徐用娥.现场总线技术及其应用[M],北京：清华大学出版社,1999.　　[2]刘宝坤.计算机过程控制系统[M],机械工业出版社,2000　　[3]易继锴,候媛彬.智能控制技术[M],北京工业大学出版社,1999　　[4]方彦军,薛菲.PROFIBUS-DP智能从站的开发与实现[J],仪表技术与传感器，2004.4