時間：2022-04-16 04:36:15
序論：在您撰寫控制系統(tǒng)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
導讀:紙漿配漿采用絕干量比例控制方式,自治漿池和廢紙漿池的紙漿以一定的絕干量配比打入成漿池充分混合,同時送往造紙車間的成漿的濃度需要控制在工藝給定要求范圍內(nèi)?？刂瞥绦虿捎米孕虚_發(fā)的組態(tài)軟件DDCRun進行設計,顯示操作程序使用VisualC++6.0開發(fā),接口程序利用WinDriver進行開發(fā)。在本系統(tǒng)中,控制程序采用軟件組態(tài)方式實現(xiàn)。
關鍵詞:紙漿,軟件組態(tài),動態(tài)鏈接庫,DDCRun
0.引言
隨著造紙機車速的提高和設備的更新,原來的配漿箱方式配漿已逐步被管道配漿方式替代,而在管道配漿方式中,采用的三種配漿方式包括流量給定控制方式,比率自動控制方式和絕干量配比自動控制方式。配比自動控制方式按參與配漿的絕干纖維量來計算和控制各種漿的配比,具有配漿效果好,漿種配比穩(wěn)定等優(yōu)點。
1.配漿自動控制系統(tǒng)總體設計
紙漿配漿采用絕干量比例控制方式,自治漿池和廢紙漿池的紙漿以一定的絕干量配比打入成漿池充分混合,同時送往造紙車間的成漿的濃度需要控制在工藝給定要求范圍內(nèi)。為了保證生產(chǎn)的正常運行,防止成漿池缺漿和滿漿,在控制廢紙漿和自制漿的絕干量配比同時,需要控制廢紙漿和自制漿的濃度和成漿池的液位。
2.配漿自動控制系統(tǒng)的硬件設計
2.1 硬件結(jié)構(gòu)
2.1.1濃度的檢測與控制
濃度計采用武漢宇通儀表有限公司的DBNZ-1200型的動刀式紙漿濃度變送器,電動調(diào)節(jié)閥選用上海中泰自動化儀表廠的ZAZC型電動調(diào)節(jié)閥。
2.1.2流量的檢測與控制
流量計采用上海光華儀表廠的LDG-150S型的電磁流量計,檢測精度為0.5%,長時間測量累計誤差小于1%。伺服放大器采用上海自動化儀表十一廠的ZPE-2010型伺服放大器,變頻器采用日本富士通公司的5000G11S/P11S變頻器。
2.2 硬件抗干擾技術(shù)
在此主要采用那RC濾波抗干擾技術(shù)。我們選用了光電隔離的多功能HY-6040A/D板,該板使用三總線隔離的形式,使其抗干擾能力大大增強。在此基礎上,我們在810接口板上設計了RC濾波電路。對于變化速度很慢的直流信號,在儀表輸入端加入濾波電路可使混雜于信號的干擾衰減至最小,這樣我們就有效的提高了系統(tǒng)的硬件抗干擾能力。參考網(wǎng)。
3.配漿自動控制系統(tǒng)的控制策略
本配漿控制系統(tǒng)控制部分可分為絕干量配比控制;廢紙漿和自制漿濃度控制;成漿池液位的控制及聯(lián)鎖控制,各控制部分具有耦合作用。
絕干量配比的控制較為復雜,廢紙漿、自制漿的濃度、流量變化等都會對配比控制產(chǎn)生干擾,同時配比控制時又要考慮到節(jié)省能耗。通過對配比的分析,對配比中比重占較大的自制漿,我們將自制漿泵滿負荷運行,而讓廢漿泵根據(jù)給定的配比,采用帶有延遲環(huán)節(jié)的增量PID控制算法控制。
廢紙漿和自制漿的濃度的控制,由于兩者相互不影響,且受其他影響較少,我們分別通過控制相應電動閥的開度來控制加水量,從而控制紙漿的濃度。參考網(wǎng)。采用較為典型的閉環(huán)控制策略,控制算法采用增量式PID控制。
紙漿液位的控制,紙漿液位的控制是本控制系統(tǒng)的一個難點,由于攪拌器的動作及液位本身的不穩(wěn)定,給液位控制帶來了困難。參考網(wǎng)。我們采用了帶聯(lián)鎖的液位寬限開關控制策略:
3.1 以成漿池液位為主控制對象,設立成漿池液位高低限開關,成漿池液位高于高限開關時,自動關閉廢漿池泵和自制漿池泵;如果成漿池液位低于低限開關時,根據(jù)自制漿池和廢漿池液位要求,確定是否啟動廢漿池泵和自制漿池泵控制。
3.2 考慮到液位的波動,在對采集的液位數(shù)據(jù)進行平均濾波的同時,對限位開關值設立寬限,寬限值的大小通過實際試驗確定。當液位波動值小于寬限值時,則不動作;只有當液位變化值大于寬限值時才進行相關動作。
3.3 考慮到廢漿池與自制漿池的聯(lián)鎖要求,啟動廢漿池泵和自制漿池泵時必須滿足:廢漿池和自制漿池的液位必須同時都大于設定的下限值。同時,濃度控制電動閥也產(chǎn)生聯(lián)鎖動作。
4. 配漿自動控制系統(tǒng)的軟件設計
在本控制系統(tǒng)中,軟件必須安全可靠,可移植性和可擴展性好,參數(shù)修改方便,調(diào)試簡單。本系統(tǒng)軟件分為:控制程序,顯示操作程序,數(shù)據(jù)采集程序。各個部分分別開發(fā),并通過DLL結(jié)合成一個有機整體。
控制程序采用自行開發(fā)的組態(tài)軟件DDCRun進行設計,顯示操作程序使用Visual C++6.0開發(fā),接口程序利用WinDriver進行開發(fā)。系統(tǒng)軟件的各個組成部分通過DDL實現(xiàn)連接。
4.1 數(shù)據(jù)采集程序
WinDriver可用于各種接口程序的開發(fā),在本系統(tǒng)中,我們 采用它開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序的接口,我們首先使用驅(qū)動程序開發(fā)工具Windriver創(chuàng)建基于PCI/ISA的設備驅(qū)動程序,在此基礎上,我們就可以在Visual C++中利用上述工具產(chǎn)生的硬件操作函數(shù)編寫相應的數(shù)據(jù)采集程序。同時我們把數(shù)據(jù)采集程序做成DLL形式,DDCRun控制程序通過調(diào)用它實現(xiàn)控制程序和系統(tǒng)硬件的接口。 4.2 控制程序
在本系統(tǒng)中,控制程序采用軟件組態(tài)方式實現(xiàn)。具有大大縮短開發(fā)周期,減輕調(diào)試復雜性,方便控制程序修改,系統(tǒng)易于維護等優(yōu)點。
DDCRun控制組態(tài)軟件是我們自行開發(fā)設計的模塊化的控制組態(tài)軟件,它的各個模塊是以DLL的形式存在的。首先編寫好控制程序需要的各個功能模塊DLL:增量式PID,加減運算,限幅運算,絕干量統(tǒng)計,條件開關,平均濾波等;然后將各個模塊添加到DDCRun;最后便可以根據(jù)控制策略進行組態(tài)設計,設置控制參數(shù)和相應硬件接口板卡的地址。
控制程序通過調(diào)用WinDriver生成的數(shù)據(jù)采集程序與硬件直接聯(lián)接;與此同時,在顯示操作程序中,通過調(diào)用DDCRun提供的接口函數(shù),實現(xiàn)對控制程序各個控制模塊的輸入輸出讀寫和控制參數(shù)的修改。
在系統(tǒng)調(diào)試過程中,我們只須通過軟件修改控制算法的參數(shù)即可達到預定的控制目標。
4.3 顯示操作程序
顯示操作程序是本系統(tǒng)必須的組成部分,具有以下特點:界面簡單直觀,用戶操作方便,運行穩(wěn)定可靠,滿足人體工學要求,采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Visual C++6.0設計。根據(jù)要求功能模塊分為[主界面]、[流量濃度曲線]、[液位曲線]、[報警顯示] 、[參數(shù)設置]、[統(tǒng)計報表]、[關于系統(tǒng)]、[退出系統(tǒng)]、[密碼保護]等九個模塊。
為了方便歷史數(shù)據(jù)的查詢和以后網(wǎng)絡化的需要,我們將所有有關數(shù)據(jù)保存在關系數(shù)據(jù)庫SQL Server中,通過ADO對象對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行操作。
ADO是面向?qū)ο蟮腛LE DB,它繼承了OLE DB技術(shù)的優(yōu)點,并且對OLE接口作了封裝,定義ADO對象,使應用程序的開發(fā)得到了簡化。ADO技術(shù)屬于數(shù)據(jù)庫訪問的高層接口,其主要優(yōu)點是易于使用、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小。與DAO和RDO類似,ADO也是一種基于對象的集合 .
主界面 主要實現(xiàn)重要參數(shù)的顯示,紙漿動態(tài)顯示功能以及啟動和停止自動控制的功能。主要參數(shù)包括:廢紙漿池的液位.濃度.電動水閥開度和變頻泵的電流信號大小;成漿池的液位,濃度和兩個抽漿泵的紙漿濃度和流量,自制漿池和廢紙漿池的液位,濃度,電動水閥開度和變頻泵的電流信號大小。同時,主畫面上的水流動態(tài)顯示,使得系統(tǒng)狀態(tài)更加直觀。
流量濃度曲線、液位曲線、報警顯示、參數(shù)設置、統(tǒng)計報表、密碼保護 實現(xiàn)系統(tǒng)密碼保護、修改等功能。
5.結(jié)束語
與手工配漿相比,成漿的纖維配比更加穩(wěn)定,系統(tǒng)控制精度高,提供了配漿的質(zhì)量與效率;與此同時減輕 了工人的勞動強度。
自動控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)的各個領域越來越普及,作用也不斷加大,文章介紹了現(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)的基本概念,控制方式和整個系統(tǒng)的組成元件。
關鍵詞:自動控制系統(tǒng)控制方式組成
1、自控系統(tǒng)的基本概念
1.1 自動控制的重要性
(1)自動控制技術(shù)水平的高低,標志著一個國家工業(yè)和科技先進與否。
(2)高水平的自動控制技術(shù)對一個國家的工業(yè)、國防和科學起著至關重要的作用。
(3)自動控制原的基本思想和基本方法可以用于各個領域。
(4)每個工程技術(shù)人員和高級管理人員必須具備自動控制原理的知識。
1.2 控制的定義
控制主要是指給一個運動過程施加約束,使運動過程按指定的路徑,向期望的方向發(fā)展。自動控制的定義:是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設備或裝置,使機器、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。
2、自動控制系統(tǒng)基本控制方式
自動控制系統(tǒng)是指為自動達到某一目的,由相互制約的各個部分按一定規(guī)律組織成的、具有一定功能的整體。自動控制系統(tǒng)的組成主要包括控制器、被控對象、反饋環(huán)節(jié)、給定裝置等。而自動控制系統(tǒng)基本控制方式主要有開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制三種。
2.1 開環(huán)控制如圖1所示
其特點是在控制器和被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋作用,簡單、控制精度低。
2.2 閉環(huán)控制如圖2所示
閉環(huán)系統(tǒng)自動把輸出量反送到輸入端并與輸入量進行比較,得到偏差信號,偏差越大,控制力度也越大。迫使輸出量向輸入量靠近。 故控制精度高。反饋是指將檢測出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端,并與輸入量進行比較的過程。負反饋主要是指偏差量=輸入量-反饋量。負反饋的自動調(diào)節(jié)原理可簡單總結(jié)為輸出量反饋量偏差量控制量輸出量反之,也一樣?？傊?能自動減小偏差,恒定輸出。
2.3 閉環(huán)控制的特點包括以下兩個方面
(1)自動檢測偏差,不斷調(diào)整控制量,克服前向通道上的各種干擾,控制精度高,穩(wěn)定性好。
(2)對反饋通道上的干擾不能克服,對反饋設備要求高,價格貴,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。
2.4 復合控制如圖3所示
該圖為干擾補償?shù)拈_環(huán)控制和按偏差的閉環(huán)控制相結(jié)合,復合控制的效果也比單一的反饋控制或者單一的開環(huán)控制的效果都好。
3、自動控制系統(tǒng)的組成
圖4為一個簡單控制系統(tǒng)實例,主要包括:
給定環(huán)節(jié)——用于產(chǎn)生輸入到控制系統(tǒng)的指令信號。指令信號通常稱為輸入量或給定量,常用r來表示。
比較環(huán)節(jié)——用于將給定量與反饋量進行比較,比較環(huán)節(jié)的輸出量等于兩輸入量的代數(shù)和。箭頭上的符號表示輸入在此相加或相減。給定量與反饋量的差值,稱為偏差,常用e來表示。
控制器——接受偏差信號,通過轉(zhuǎn)換與運算,產(chǎn)生控制量u,以改善系統(tǒng)的性能。控制量常用u來表示。
中間環(huán)節(jié)—— 它的作用是將控制信號進行變換、功率放大等,以便對被控對象進行控制。達到糾正偏差的目的。
被控對象G——它是要求實現(xiàn)自動控制的設備。它接受控制量并輸出被控制量。系統(tǒng)輸出量常用c來表示。不希望的、影響系統(tǒng)輸出的信號,稱為擾動,常用n來表示。
反饋環(huán)節(jié)——將輸出量轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置,主反饋是與輸出成正比或成某種函數(shù)關系,但量綱與參考輸入相同的信號,用b來表示。
隨著的自動控制系統(tǒng)在各行業(yè)應用的不斷加深,自動控制系統(tǒng)開發(fā)與應用企業(yè)也面臨著更高挑戰(zhàn)。這就要求自動控制開發(fā)企業(yè)必須加大對相關人才培養(yǎng)與引進,通過人才戰(zhàn)略提高自身的市場競爭力,提高對應用自動控制系統(tǒng)客戶的售后服務,保障自動控制系統(tǒng)的精準性,為該技術(shù)的應用發(fā)展打下堅實的基礎。
近些年來,隨著科學技術(shù)的不斷進步,電氣工程與自動化控制系統(tǒng)技術(shù)水平也日益提高,在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位,具有提高自動化水平、提高生產(chǎn)效率、延長設備使用年限等特點。因此,做好電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的實踐是企業(yè)應當重視的工作。
1 電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的概述
(1)電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的設計。在電氣工程與自動化控制系統(tǒng)設計中,主要有閉環(huán)控制、開環(huán)控制以及復合控制三種,其中,閉環(huán)控制控制過程是根據(jù)給定值和反饋量偏差來完成的,能夠預防震蕩,確?？刂蒲b置正常工作。開環(huán)控制的控制裝置與受控對象之間是順向作用,優(yōu)點在于控制過程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,不足之處是控制精度差、抗干擾能力低,主要適用于對控制性能要求相對偏低的場合。復合控制是一種反饋控制方式,只有在被控量變化后,控制系統(tǒng)才會進行調(diào)節(jié)與控制,控制過程、被控量不會受復合控制的影響。
(2)電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的方式。電氣工程與自動化控制系統(tǒng)主要可以分為集中式、分布式以及信息集成化三種,具體是指:
首先,集中式控制系統(tǒng)。此種控制系統(tǒng)只有一個處理器,承擔著系統(tǒng)的所有功能的處理任務,其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設計與操作簡便、維護成本較低,其缺點有在監(jiān)控對象增加時,處理器工作效率會降低,處理工作過程會受任務多少影響,主機使用空間減少,在功能增加時,只能通過增加電線方式解決,會增加成本,影響系統(tǒng)可靠性[1].
其次,分布式控制系統(tǒng)。此種控制系統(tǒng)有多個控制回路,每個控制回路分別承擔一部分系統(tǒng)功能,可以有效解決集中式控制系統(tǒng)的不足,同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中獲取、管理與控制。但是,分布式控制系統(tǒng)也存在一定不足,主要是受儀表類型復雜、標準不一影響,會增大維修工作難度。第三,信息集成化控制系統(tǒng)。信息化集成控制系統(tǒng)是在計算機技術(shù)、信息技術(shù)等基礎上發(fā)展出來的一種控制系統(tǒng),是指在電氣自動化控制設施與機械設備之間以信息技術(shù)作為連接,比如微電子處理技術(shù)等,提高信息獲取效率,提升控制系統(tǒng)自動化水平。
(3)電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的重要性。在工業(yè)生產(chǎn)中,電氣工程與自動化系統(tǒng)起著十分重要的作用,具體體現(xiàn)在以下三方面:
首先,能夠提高設備的可靠性,通過自動化系統(tǒng),可以對電氣工程相關設備狀態(tài)進行自動檢測,檢驗元件參數(shù)指標以及可靠性,確保在各種環(huán)境條件下,設備都可以良好運行,并對其進行相應改進與完善,確保電氣工程的可靠性。
其次,可以增強系統(tǒng)的適用性,在生產(chǎn)過程中,電氣工程與自動化系統(tǒng)能夠自動記錄所有的運行數(shù)據(jù),并通過對數(shù)據(jù)的自動分析、對比,根據(jù)實際需求來對工作進行自動控制與調(diào)節(jié),從而有效增強系統(tǒng)的適用性。
第三,可以提高生產(chǎn)的先進性,在工業(yè)生產(chǎn)中,自動化控制水平是一項十分重要的衡量指標,通過應用電氣工程與自動化控制系統(tǒng),可以自動完成對生產(chǎn)過程與產(chǎn)品的測試工作,在保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時,提高生產(chǎn)效率,從而實現(xiàn)生產(chǎn)先進性的提升[2].
2 電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的實踐
(1)在智能化方面的實踐。在電力系統(tǒng)當中,其運行的可靠性、安全性等與智能化水平有著密切聯(lián)系。因此,將電氣工程與自動化控制系統(tǒng)應用于系統(tǒng)的智能化當中,可以提高系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)能力,解決電氣工程早期自動化控制存在的不足,促進電氣工程的進步,有效提升電氣工程自動化控制的整體水平。對于智能化控制器而言,其優(yōu)點主要是可以同時完成諸多不同數(shù)據(jù)的處理,也可以承擔一些其他控制器難以完成的工作,比如難度較高、危險性較大的工作。電氣工程與自動化控制系統(tǒng)在智能化方面實踐,不僅體現(xiàn)在提高智能化技術(shù)的先進性、實用性方面,還體現(xiàn)在增加電氣工程的穩(wěn)定性上。在未來工業(yè)發(fā)展趨勢中,智能化方面電氣工程與自動化控制系統(tǒng)應用將會越來越加廣泛,分布在智能化的各個領域,對智能化的發(fā)展與進步起著重要促進作用。因此,應當加強對電氣工程與自動化系統(tǒng)在智能化方面實踐的研究,針對不同問題采取相應的措施,可以提高智能化中電氣工程與自動化系統(tǒng)可靠性與安全性,避免事故發(fā)生[3].
(2)在變電站配電的實踐。在變電站配電中應用電氣工程與自動化控制系統(tǒng),會對變電站運行設備故障與事故進行自動記錄,利用監(jiān)控、操作的圖像化與智能化特點,不僅可以提高變電站運行效率,也能夠有效提高變電站配電自動化系統(tǒng)的管理水平,對變電站配電進步有著重要意義,有助于促進電氣工程自動化控制的發(fā)展。
3 結(jié)語
綜上所述,電氣工程與自動化控制系統(tǒng)是國家社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎,加強對電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的了解,掌握其設計方式、控制系統(tǒng)模式等內(nèi)容,將其合理應用于工業(yè)生產(chǎn)的實踐當中,對于工業(yè)生產(chǎn)效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量等起著重要保障作用。因此,對電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的實踐展開研究,借鑒先進技術(shù),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,對電氣工程與自動化控制系統(tǒng)發(fā)展有著重要意義。
摘 要:現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程,隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,生產(chǎn)過程的強化,對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴格要求,以及各公司間的激烈競爭,人工操作和一般的控制遠遠不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求,工業(yè)過程控制系統(tǒng)已成為工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的設備,它是保證現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)化、低耗和高效生產(chǎn)的主要技術(shù)手段。
關鍵詞:過程控制 儀表 系統(tǒng)
1、過程控制儀表與控制系統(tǒng)
如圖所示是一個單元組合儀表構(gòu)成的簡單控制系統(tǒng)。圖中控制對象代表生產(chǎn)過程中的某個環(huán)節(jié),控制對象輸出的被控變量(T P L F等),經(jīng)變送、轉(zhuǎn)換成相應的信號,送顯示、記錄、調(diào)節(jié)與給定單元來的給定值進行比較,將偏差值進行一定運算后,發(fā)出信號控制執(zhí)行單元的動作,將閥門開大或關小,改變控制量,直到被控變量與給定值相等。
2、控制系統(tǒng)的工作原理
2.1 液位控制系統(tǒng)
圖中,檢測變送器檢測到水位高低,當水為高度與正常給定水位之間出現(xiàn)偏差時,調(diào)節(jié)器就會立刻根據(jù)偏差的大小去控制給水閥,使水位回到給定值上。從而實現(xiàn)水位的自動控制。
2.2 溫度控制系統(tǒng)
它由蒸汽加熱器、溫度變送器、調(diào)節(jié)器和蒸汽流量閥組成?？刂颇繕耸潜３殖隹跍囟群愣?。當進料流量或溫度等因素的變化引起出口物料的溫度變化時,通過溫度儀表測得的變化,并將其信號送至調(diào)節(jié)器與給定值進行比較,調(diào)節(jié)器根據(jù)其偏差信號進行運算后將控制命令送至調(diào)節(jié)閥,改變蒸汽量維持出口溫度。
2.3 流量控制系統(tǒng)
它由管路、孔板和差壓變送器、流量調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)閥?？刂颇繕耸潜３至髁亢愣ā．敼艿榔渌糠肿枇Πl(fā)生變化或有其他擾動時,流量將偏離設定值。利用孔板作為檢測元件,把孔板上、下游的差壓接至差壓變送器,將流量信號標準信號;該信號送至調(diào)節(jié)器與給定值進行比較,流量控制器根據(jù)偏差信號進行運算后將控制命令送至控制閥,改變閥門開度,就調(diào)整了管道中流體的阻力,從而影響了流量,使流量維持在設定值。
自控系統(tǒng)由被控對象、檢測元件、控制器和調(diào)節(jié)閥四部分組成。組成方框圖如下:
3、控制系統(tǒng)的分類
由于控制技術(shù)的廣泛應用以及控制理論的發(fā)展,使得控制系統(tǒng)具有各種各樣的形式,但總的來說分為兩大類,即開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1 開環(huán)控制
這種控制方式又分兩種、一種是按設定值進行控制。其操縱變量與設定值保持一定的函數(shù)關系,當設定值變化時,操縱變量隨之變化。另一種是按擾動量進行控制,即所謂前饋控制,如圖:在蒸汽加熱器中,若負荷為主要干擾,如果使蒸汽流量與冷流體流量保持一定關系,當擾動出現(xiàn)時,操縱變量隨之變化。
3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的輸出(被控變量)通過測量、變送環(huán)節(jié),又返回到系統(tǒng)的輸入端,與給定信號比較,以偏差的形式進入控制器,對系統(tǒng)起控制作用,整個系統(tǒng)構(gòu)成一個封閉的反饋回路,這種控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。
4、結(jié)語
通過上面論述表明,自動化程度的完善就等于生產(chǎn)力的提高,雖然先期階段增大了投資費用,然而在長期正常的運轉(zhuǎn)中可以實現(xiàn)各項能源的節(jié)約,其特點十分顯著,其取得的收益遠遠大于先期的投入。
摘要:本文簡單介紹了智能家庭控制系統(tǒng)的組成、旅行、功能、系統(tǒng)設計以及產(chǎn)品選擇的要點,工程設計事例等。
關鍵詞:家庭控制器 自動監(jiān)控 安全防范
l 引言
隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)水平的提高,特別是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高,促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化,居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面,改變了人們生活習慣,提高了人們生活質(zhì)量,家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。
2 智能家居控制系統(tǒng)概述
智能家庭控制系統(tǒng)是以HFC、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、公共電話網(wǎng)、無線網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡為物理平臺,計算機網(wǎng)絡技術(shù)為技術(shù)平臺,現(xiàn)場總線為應用操作平臺,構(gòu)成一個完整的集家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。
智能家居控制系統(tǒng)的總體目標是通過采用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、控制技術(shù)和集成技術(shù)建立一個由家庭到小區(qū)乃至整個城市的綜合信息服務和管理系統(tǒng),以此來提高住宅高新技術(shù)的含量和居民居住環(huán)境水平。
系統(tǒng)通常由系統(tǒng)服務器、家庭控制器(各種模塊)、各種路由器、電纜調(diào)制解調(diào)器頭端設備CMTS、交換機、通訊器、控制器、無線收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等主要部分組成。
3 智能家居控制系統(tǒng)功能
智能家庭控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范三個方面。
3.1家庭通信
家庭通信可采用電話線路、計算機互聯(lián)網(wǎng)、CATV線路、無線局域網(wǎng)等方式。
(1)電話線路
通過電話線路實現(xiàn)雙向傳輸語音信號和數(shù)據(jù)信號。
(2)計算機互聯(lián)網(wǎng)
通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息交互、綜合信息查詢、網(wǎng)上教育、醫(yī)療保健、電子郵件、電子購物等。
(3)CATV線路
通過CATV線路實現(xiàn)VOD點播和多媒體通信。
(4)無線局域網(wǎng)
通過無線收發(fā)器、天線、各種無線終端,實現(xiàn)雙向傳輸數(shù)據(jù)信號。
3.2家庭設備自動監(jiān)控
家庭設備自動監(jiān)控包括電器設備的集中、遙控、遠距離異地(通過電話或Internet)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集。
(1)家用電器的監(jiān)視和控制
按照預先所設定程序的要求對熱水器、微波爐、視像音響等家用電器進行監(jiān)視和控制。
(2)熱能表、燃氣表、水表、電度表的數(shù)據(jù)采集、計量和傳送根據(jù)小區(qū)物業(yè)管理的要求所設置數(shù)據(jù)采集程序,通過傳感器對熱能表、燃氣表、水表、電度表的用量進行自動數(shù)據(jù)采集、計量,并將采集結(jié)果遠程傳送給小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)。
(3)空調(diào)機的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制
按照預先所設定的程序,根據(jù)時間、溫度、濕度等參數(shù)對空調(diào)機進行監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。
(4)照明設備的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制按照預先設定的時間程序,分別對各個房間照明設備的開、關進行控制,并可自動調(diào)節(jié)各個房間的照度。
(5)窗簾的控制
按照預先設定的時間程序,對窗簾的開啟/關閉進行控制。
3.3家庭安全防范
家庭安全防范主要包括多火災報警、可燃氣體泄漏報警、防盜報警、緊急求救、多防區(qū)的設置、訪客對講等。家庭控制器內(nèi)按等級預先設置若干個報警電話號碼(如家人單位電話號碼、手機電話號碼、尋呼機電話號碼和小區(qū)物業(yè)管理安全保衛(wèi)部門電話號碼等),在有報警發(fā)生時,按等級的次序依次不停地撥通上述電話進行報警(可報出家中是哪個系統(tǒng)報警了)。同時,各種報警信號通過控制網(wǎng)絡傳送至小區(qū)物業(yè)管理中心,并可與其它功能模塊實現(xiàn)可編程的聯(lián)動(如可燃氣體泄漏報警后,聯(lián)動關閉燃氣管道上的電磁閥)。
(1)防火災發(fā)生
通過設置在廚房的感溫探測器和設置在客廳、臥室等的感煙探測器,監(jiān)視各個房間內(nèi)有無火災的發(fā)生。如有火災發(fā)生家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。家庭控制器還可以根據(jù)有人在家或無人在家的情況,自動調(diào)節(jié)感溫探測器和感煙探測器的靈敏度。
(2)防可燃氣體泄漏
通過設置在廚房的可燃氣體探測器,監(jiān)視燃氣管道、灶具有無燃氣泄漏。如有燃氣泄漏家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,并聯(lián)動關閉燃氣管道上的電磁閥,同時通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。
(3)防盜報警
防盜報警的防護區(qū)域分成兩部分,即住宅周界防護和住宅內(nèi)區(qū)域防護。住宅周界防護是指在住宅的門、窗上安裝門磁開關,在對外的玻璃窗、門附近安裝玻璃破碎探測器;住宅內(nèi)區(qū)域防護是指在主要通道、重要的房間內(nèi)安裝被動紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器。當家中有人時,住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關、玻璃破碎探測器)設防,住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設備(紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器)撤防。當家人出門后,住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關、玻璃破碎探測器)和住宅內(nèi)區(qū)域防護的防盜報警設備(被動紅外探測器或被動紅外/微波雙技術(shù)探測器)均設防。當有非法侵入時,家庭控制器發(fā)出聲光報警信號,并通知家人及小區(qū)物業(yè)管理部門。另外,通過程序可設定報警裝置的等級和報警器的靈敏度。
(4)訪客對講
住宅的主人通過訪客對講設備與來訪者進行雙向通話或可視通話,確認是否允許來訪者進人。住宅的主人利用訪客對講設備,可以對大樓入口門或單元門的門鎖進行開啟和關閉控制。
(5)緊急求救
當遇到意外情況(如疾病或有人非法侵入)發(fā)生時,按動報警按鈕向小區(qū)物業(yè)管理部門進行緊急求救報警。緊急求救信號在網(wǎng)絡傳輸中具有最高的優(yōu)先級別,由于是人在緊急情況下的求救信號,其誤報的可能性很小。
4 智能家居控制系統(tǒng)類型
4.1系統(tǒng)類型
智能家庭控制系統(tǒng)可分成采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、HFC的智能家庭控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)、KS485的智能家庭控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)等類型。
4.2基本特點
、功能、適用范圍
(1)采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了與電話線連接的收發(fā)器,利用電話網(wǎng)絡作為信息傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務器、家庭控制器(內(nèi)置了與電話線連接的收發(fā)器)、路由器、收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,利用原有的電話線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的共網(wǎng)傳輸。
(2)采用HFC的智能家庭控制系統(tǒng)
采用HFC的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了CableModem,利用有線電視的HFC網(wǎng)絡作為信息傳輸網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
HFC網(wǎng)絡采用共享方式,其共享帶寬為36Mbps。當上網(wǎng)人數(shù)較多時,上網(wǎng)的速度會變慢。由于Cable Modem設備費用較高,用戶網(wǎng)絡的開通費用高。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務器、家庭控制器(內(nèi)置了Cable Modem)、路由器、電纜調(diào)制解調(diào)器頭端設備CMTS、有線電視傳輸網(wǎng)絡、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成o
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,僅將原有的有線電視HFC網(wǎng)絡進行雙向改造,就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像信號的共網(wǎng)傳輸。
(3)采用以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)
采用以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計
·基本特點:家庭智能控制器內(nèi)配置了以太網(wǎng)網(wǎng)卡,利用以太網(wǎng)作為信息傳輸網(wǎng)。以太網(wǎng)同時支持住戶計算機和智能家庭控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且大大地簡化了布線,可以節(jié)省布線的投資。
以太網(wǎng)傳輸速率較高,傳輸速率有10Mbps、100Mbps等。根據(jù)傳輸距離的要求,由小區(qū)物業(yè)管理中心至各樓交換機采用5類以上4對對絞線、多模光纜或單模光纜,由交換機至家庭控制器采用超5類4對對絞電纜。
·系統(tǒng)組成:系統(tǒng)由系統(tǒng)服務器、家庭控制器、路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建和改造的智能化住宅(小區(qū))工程,用以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像信號的雙向傳輸。
(4)采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計《智能家居控制系統(tǒng)設計施工圖集如3X602第21、22、23頁。
·基本特點:采用一個覆蓋全部ISO/OSI標準七層通信協(xié)議、開放性的LonWork總線技術(shù),一臺系統(tǒng)服務器最多可連接127臺LONWorks路由器,一臺LonWorks路由器最多可連接63臺家庭控制器。每臺家庭控制器為LonWork一個通道上的網(wǎng)絡節(jié)點,每個網(wǎng)絡節(jié)點包括有神經(jīng)元(NEURON)芯片、振蕩器、電源、一個通過媒介通信的收發(fā)器和與監(jiān)控設備接口的I/O設備(電路)、存儲器等。
LonWorks直接通信距離可達2700m(雙絞線、78Kbps),其通信傳輸速度最大可達1.25Mbps(此時有效傳輸距離為130m)。LonWorks路由器至小區(qū)物業(yè)管理中心線路長度超過2700m時,需在總線上加裝中繼器。傳輸線通常采用雙絞線,根據(jù)需要也可采用同軸電纜或電力線。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務器、家庭控制器、路由器、LonWorks路由器、交換機、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程。
(5)采用KS485的智能家庭控制系統(tǒng)
采用KS485的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計03X602第18、19、20頁。
·基本特點:KS485串行接口總線為主從式網(wǎng)絡,它的通信為半雙工、采用雙向單信道連接方式。RS485串行接口總線的傳輸介質(zhì)采用雙絞線,它可以高速地進行遠距離傳輸,傳輸速度與傳輸距離的技術(shù)指標如下:傳輸速率為10Mbit/s時,最大傳輸距離是12m;傳輸速率為1Mbit/s時,最大傳輸距離是120m;傳輸速率為100kbit/s時,最大傳輸距離是1200m。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務器、家庭控制器、路由器、通訊器、控制器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)特別適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程。
(6)采用無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)
采用無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計03X602第24、25頁。
·基本特點:利用無線作為信息傳輸網(wǎng),該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求,而且從系統(tǒng)服務器至家庭控制器、家庭控制器至各種現(xiàn)場末端裝置均采用無線傳輸方式,小區(qū)、樓內(nèi)、戶內(nèi)無需布線,施工簡單,可以節(jié)省施工的投資。
無線網(wǎng)的工作頻率符合IEEE802.11b標準要求。
·系統(tǒng)組成:由系統(tǒng)服務器、家庭控制器、無線收發(fā)器、各種探測器、各種傳感器、各種執(zhí)行機構(gòu)、打印機等組成。
·系統(tǒng)功能:實現(xiàn)家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范。
·適用范圍:該系統(tǒng)適用于新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,且特別適用于改造的智能化住宅(小區(qū))工程,不用敷設線路就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸。
5 系統(tǒng)設計及產(chǎn)品選用要點
5.1智能家庭控制系統(tǒng)類型的選用
新建、擴建的智能化住宅(小區(qū))工程,宜采用LonWorks的智能家庭控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)或采用RS485的智能家庭控制系統(tǒng)。改造的智能化住宅(小區(qū))工程,宜采用公共電話網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)、HFC的智能家庭控制系統(tǒng)或無線網(wǎng)的智能家庭控制系統(tǒng)。
5.2家庭控制器的選用
家庭控制器的選用主要包括功能、總線技術(shù)及模塊化設計、擴展功能、可按用戶的基本要求進行配置等方面的選用要求。
(1)家庭控制器功能的選用
家庭控制器通常具有以下功能:
·家庭防盜報警;
·家庭火災報警;
·家庭燃氣泄露報警;
·家庭緊急求助;
·遠程設防與撤防;
·遠程報警;
·訪客對講;
·家用電器監(jiān)控;
·家用表具數(shù)據(jù)采集及處理;
·空調(diào)機監(jiān)控;
·接入網(wǎng)接口;
·小區(qū)電子 公告;
·信息查詢;
·家用設備報修等。
(2)家庭控制器功能的選擇
在工程設計中,家庭控制器功能的選擇可參見下表所示。
5.3總線技術(shù)及模塊化設計
·家庭控制器要求采用總線技術(shù),如LonWorks、R5485、BACnet、C^NBlls、CEBus、X一10;
·家庭控制器要求采用模塊化設計,以便用戶可以根據(jù)需求選擇不同的模塊完成不同的功能。
5.4擴展功能
家庭控制器要有一定的擴展功能,考慮能適應今后發(fā)展的需要。
5.5可按用戶的基本要求進行配置應能根據(jù)用戶提出有哪些被控設備及監(jiān)視控制要求(功能要求)等因素,來對家庭控制器組成進行配置,包含模塊種類的選擇和各種模塊數(shù)量的選擇。
6 設備的安裝
6.1交換機、路由器、控制器、放大箱、分配箱、電話分線箱
康居住宅家庭控制器功能設置表
級嗣
消防
安防
訪客對講
家電監(jiān)控
表具數(shù)據(jù)遠傳
基本級(1A)
1.在住戶內(nèi)安裝緊急按鈕開關。
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器。
具有語音對講及控制開啟樓道人口處防盜門功能。
1~2點
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
提高級(2A)
在室內(nèi)安裝可燃氣體泄
漏自動報警裝置。且能就地
發(fā)出聲光報警信號。
1.在住戶內(nèi)兩處安裝緊急按鈕開關。
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器,在戶門、及用臺、外窗安裝
人侵報警裝置。
具有語音對講及控鑭開啟樓道人口處防盜門功能?？蓪?
現(xiàn)住戶與安防監(jiān)控中心的直接聯(lián)系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄
收及遠傳、超限爿斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
先進級(3A)
1.在室內(nèi)安裝可燃氣體泄漏自動報警裝置,當燃氣體泄漏報警后能自動切斷氣源、打開捧氣裝置,且能就地發(fā)出聲光報警信號。
2.在住戶內(nèi)設置火災自動報警裝置。
1.在住戶內(nèi)不少于兩處安裝緊急按鈕開關。
2.在住戶內(nèi)安裝入侵報警探測器,在戶門及陽臺門、外窗安裝入侵報警裝置。
具有語音、可視對講及控翻開啟樓道入口處防盜門功能,可實現(xiàn)住戶與安防監(jiān)控中心的直接聯(lián)系。
2點以上
熱能表、燃氣表、水表、電度表的自動抄收及遠傳、超限判斷、自動檢查、分時計費、實時計量、管理功能。
這些設備均應安裝在電氣豎井內(nèi)或公共走道的墻上(內(nèi))。
6.2家庭控制器
暗裝(或明裝)在墻內(nèi)(上),其底邊距地面1.4m左右。家庭控制器應設置在住戶大門附近(宜距戶門0.5m以內(nèi)),且容易操作(包括設防與撤防)的地方。
6.3可燃氣體探測器
安裝在廚房內(nèi)的燃氣管道、灶具附近,當住戶使用的是天然氣,燃氣探測器吸頂棚安裝在距頂棚300ram以內(nèi)的地方;當住戶使用的是液化石油氣,燃氣探測器安裝在距地面300mm以內(nèi)地方。
6.4感溫探測器設置在廚房內(nèi),它吸頂棚安裝。
6.5感煙探測器設置在起居室、臥室等房間內(nèi),它吸頂棚安裝。
6.6緊急按鈕開關
設置在起居室沙發(fā)和主臥室床頭附近的墻上,及衛(wèi)生間的墻上。緊急按鈕開關暗裝在墻內(nèi),其底邊距地面0.5m~1.2m。
6,門(窗)磁開關
安裝在門扇和門框內(nèi)或窗扇和窗框內(nèi)。
6.8玻璃破碎探測器
安裝在窗戶和玻璃門(陽臺)附近的墻上或吸頂棚安裝。
6.9被動紅外侵入探測器和被動紅外/微波雙技術(shù)探測器
安裝在住戶的主要通道、重要的房間內(nèi),它吸頂棚安裝或安裝在頂棚的墻角處。
6.10紅外遙控器
安裝在被控電器設備正面附近的墻上,距離不能超過紅外線工作范圍,且與電器設備之間沒有遮擋。
7 工程設計實例
以二室戶型為例介紹戶內(nèi)的智能家庭控制系統(tǒng)設計,設計標準采用康居住宅先進級(3A)。采用以太網(wǎng)的家居控制系統(tǒng),家庭控制器與戶內(nèi)各模塊之間采用R.$485總線,家庭控制器可通過電話線或計算機網(wǎng)絡接收控制指令、發(fā)出信息,所選用的家庭控制器具有可視訪客對講功能。家居控制系統(tǒng)圖參見國家建筑標準設計03X602第17頁,二室戶型家居控制平面圖參見圖1、2所示,家庭控制器與室內(nèi)設備的連接參見圖3所示。
在起居廳、臥室設置了感煙探測器,廚房設置了感溫探測器、可燃氣體探測器,各房間的窗戶、陽臺推拉門上及附近設置了門(窗)磁開關和玻璃破碎探測器,起居廳設置了被動紅外侵入探測器,起居廳、臥室、衛(wèi)生間設置了緊急按鈕開關。對電、水、燃氣進行計量;可對餐廳、起居廳、臥室的燈進行控制;當可燃氣體探測器探測到有燃氣泄漏后,聯(lián)動控制關閉燃氣管道上電磁閥、開啟排煙風機;當有各種探測器報警后,聯(lián)動警報發(fā)聲器發(fā)出報警聲音。
家庭控制器共提供13路輸入:電度表(電度表安裝在照明配電箱內(nèi))、燃氣表、熱能表、可燃氣體探測器、感溫探測器、感煙探測器、緊急按鈕開關、被動紅外侵入探測器、玻璃破碎探測器各1路,水表、門(窗)磁開關各2路。
家庭控制器共提供7路輸出:警報發(fā)聲器控制1路、燃氣管道上電磁閥控制1路、排煙風機控制1路、照明控制4路。
三室戶型、復式結(jié)構(gòu)、別墅的智能家庭控制平面圖及家庭控制器與室內(nèi)設備的連接參見國家建筑標準設計
8 設計中應注意的事項
當防火規(guī)范規(guī)定必須設置火災報警系統(tǒng)時,感煙探測器、感溫探測器及可燃氣體探測器的設置及系統(tǒng)的構(gòu)成須遵循《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》GB50116-98的規(guī)定。
【摘要】:通過對某電廠一電除塵器的振打控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀的分析,提出提高電除塵器振打控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和自動化水平的方法,并根據(jù)現(xiàn)場工人多年的運行經(jīng)驗重新編寫了振打程序。
【關鍵詞】:可編程控制器;電除塵器;振打控制系統(tǒng)
我國是世界上大氣污染最嚴重的國家之一,由于我國是以煤為主要能源的國家,大氣污染以煙塵和二氧化硫為主的煙煤型污染,其中火電廠環(huán)境問題尤為嚴重。電除塵器將越來越受到重視。解決這一問題,就有必要對電除塵器振打控制部分進行研究分析,結(jié)合生產(chǎn)實際進行升級改造,從而提高電除塵器的可靠性。我國由于起步晚,技術(shù)基礎底子薄,要滿足國家的環(huán)保指標,其治理量大面廣時間短,目前國內(nèi)有少數(shù)企業(yè)在研究電除塵器集散控制系統(tǒng)并開始應用例如福建龍凈環(huán)保股份有限公司等,大多數(shù)集成國外產(chǎn)品和自主開發(fā)少部分產(chǎn)品。國際上例如瑞典Flakt公司、德國Lurgi公司、美國GE公司、EE公司等均在研究電除塵技術(shù)。通過總結(jié)長期實驗研究成果和消化吸收國劍。先進技術(shù)和經(jīng)驗開發(fā)研制出一批結(jié)構(gòu)新穎的電除塵器。
1.電除塵器振打控制系統(tǒng)[:請記住我站域名/]結(jié)構(gòu)分析
振打控制系統(tǒng)分為監(jiān)控層,控制層,設備層三層。監(jiān)控層由1臺上位機組成,通過上位機可以在中央控制室監(jiān)視現(xiàn)場設備的運行狀況,并可以直接在上位機上啟動現(xiàn)場設備;控制層由可編程控制器、空氣開關、繼電器、接觸器、熱繼電器和電纜等組成,它接受并執(zhí)行監(jiān)控層的指令,是控制系統(tǒng)的重要組成部分;設備層是分布在現(xiàn)場的閥門、電機和檢測儀表等。
改系統(tǒng)的監(jiān)控層和控制層的任何一個出故障都會造成整個電廠的生產(chǎn)停機,給企業(yè)造成很大的損失。目前該電廠的電除塵器的振打控制系統(tǒng)控制層采用施耐德的PLC(非雙機熱備)作為主控制器,一臺工控機作為監(jiān)控層。在這種情況下如果監(jiān)控層或控制層出現(xiàn)故障整個電廠的設備都的停機,給電廠造成不可沽量的損失。
2.系統(tǒng)控制系統(tǒng)的改進
針對上述對某電廠一的電除塵器的振打控制系統(tǒng)的分析,針對性的提出了解決方案。
(1)考慮到在電廠整個設備運行過程中電除塵器可以短時間停運和整個發(fā)電系統(tǒng)不停機的前提下:
a.種輸入輸出備用模塊和一備用CPU,當系統(tǒng)控制系統(tǒng)故障時,可以在短時間內(nèi)換掉故障的器件;
b.對監(jiān)控層提出了熱備用的方案,即采用再提供一臺工控機,使它與原有的工控機并列運行,大幅度的提高了系統(tǒng)的可靠性。
(2)基于現(xiàn)場工人對系統(tǒng)多年運行的經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的運行方式比較簡單并且工人的勞動強度大,自動化水平低。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)只有自動和手動的控制方式且自動的控制方式較為簡單,還需要人工手動操作。針對這種情況,由現(xiàn)場工人提出的控制方式,我們又重新編寫了控制程序,提高了振動控制系統(tǒng)的自動化水平,達到了可無人值守。
a.自動:八個料倉按照一定的時序自動啟停閥門和風機,將灰排出。操作人員不需要任何操作,故障時系統(tǒng)自動停機。
b.半自動:操作人員可以任意選取運行的需要運行的閥門并可設定運行的周期(八個料倉全部卸灰一次為一個周期),啟勸后,系統(tǒng)按一定時序啟停選取的閥門,達到運行周期時系統(tǒng)自動停止。
c.手動:操作人員可以任意啟停任一臺閥門。這種方式用于系統(tǒng)調(diào)試。
在正常情況下系統(tǒng)的運行處于自動控制狀態(tài)下;當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,可切換止半自動的控制狀態(tài)下運行,此時維修人員可以將故障的設備進行更換。
3.軟件設計
編程軟件使用MODICON編程軟件concept2.5。考慮到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,所有的功能和模擬量計算、累積、比較及邏輯判斷均在PLC內(nèi)完成,在正常工作條件下,可獨立對整個系統(tǒng)進行全自動控制,不需要上位機的參與。
軟件由主程序和4個子程序(自動、半自動、手動、模擬量轉(zhuǎn)換)組成。分別為自動、半自動、手動分配標志位,在主程序中循環(huán)檢測三個標志位,檢測到那個標志位置1則調(diào)用相應的子程序。這樣程序運行周期短。自動子程序按運行周期設置一個計時器,隨著計時器的遞增達根據(jù)時序依次啟停閥門,達到排灰的目的。
4.結(jié)語
該電廠的電除塵器改造后,系統(tǒng)自動化程度極大提高,降低了現(xiàn)場工人的工作量,同時工人誤操作的幾率下降,提高了系統(tǒng)的可靠性。改進后的控制系統(tǒng)提供與全廠信息管理系統(tǒng)的接口,使得廠內(nèi)管理層能隨時掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài),有利于全廠的調(diào)度。該系統(tǒng)自投運以來,用戶反映良好,達到了預期的目標。
1系統(tǒng)主要硬件電路設計
1.1HT6221鍵盤編碼電路
不同的按鍵表示上升、下降、前進、后退、停車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等控制信號,按鍵通過HT6221編碼芯片編碼后,OUT1輸出38kHz的編碼信號,通過507kHz中波調(diào)制后,經(jīng)過功率放大、阻抗匹配,最后由L型天線輸出.為了提高天線的輻射效率,L型天線與地面平行的部分采用20cm寬的銅板.HT6221鍵盤編碼電路原理圖如圖3所示.
1.2頻率調(diào)制與發(fā)射電路
MAX038是高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器,具有頻率高、精度好等優(yōu)點,廣泛用于設計鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路,本系統(tǒng)采用MAX038產(chǎn)生507kHz基波信號,頻率調(diào)制IN1輸入的38kHz編碼信號(圖3所示OUT1)后,輸出給功率放大電路.陸基控制平臺的功率放大電路采用TI公司的OPA561芯片,OPA561是典型的電流型運放,滿功率狀態(tài)下有1MHz的帶寬增益,具有外圍電路簡單、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點.頻率調(diào)制與功率放大電路如圖4所示.
1.3電磁波接收與解調(diào)電路
水下航模的電磁波接收電路采用CD9088專用集成芯片.CD9088廣泛用于設計調(diào)頻收音機,具有從天線接收到鑒頻級輸出的全部功能,還具有搜索調(diào)諧、信號檢測、靜噪以及頻率鎖定環(huán)(FLL)等功能.CD9088輸出的信號經(jīng)過電容耦合后輸出給功放電路TDA2822,經(jīng)過放大后的輸出信號采用TLC372電壓比較器進行比較,輸出端(圖5OUT-MCU)接水下航模的控制核心MSP430單片機.電磁波接收電路的原理圖如圖5所示.
1.4紅外光波發(fā)射、接收電路
紅外光波發(fā)射電路采用TSAL6200紅外發(fā)射器,紅外發(fā)射端的協(xié)議為自定義協(xié)議,載波頻率為38kHz的方波;紅外光波接收電路采用TSOP138紅外接收器,TSOP138有接收紅外信號、內(nèi)置信號放大、濾波、檢波輸出等功能.紅外解調(diào)后的信號經(jīng)過單片機處理,即可恢復出原編碼信號.紅外光波發(fā)射、接收電路原理如圖6所示.
1.5直流電機驅(qū)動電路
直流電機采用L298N驅(qū)動芯片,通過MSP430單片機改變L298N芯片控制端的輸入電平,實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制;通過MSP430單片機產(chǎn)生PWM波信號,調(diào)整直流電機的轉(zhuǎn)速.為了減小由于電機在啟停過程中產(chǎn)生的感應電動勢對單片機I/O口的影響,采用光電耦合器將控制部分與電機驅(qū)動部分隔離開來,可減少電機驅(qū)動電路對單片機的干擾.直流電機驅(qū)動電路如圖7所示.
2系統(tǒng)軟件設計
2.1編碼與解碼程序設計
中波通信的編解碼過程以及通信協(xié)議是本系統(tǒng)程序設計的關鍵[13].中波編碼采用HT6221編碼協(xié)議,該協(xié)議由一位起始碼、16位地址碼、16位數(shù)據(jù)碼組成.其中16位地址碼包括8個連續(xù)的“0”和8個連續(xù)的“1”,16位數(shù)據(jù)碼由8位數(shù)據(jù)原碼和8位數(shù)據(jù)反碼構(gòu)成.起始碼中的“0”和“1”分別用9ms的低電平和4.5ms的高電平表示,用0.56ms的低電平和0.56ms的高電平表示數(shù)據(jù)碼中的“0”,用0.56ms的低電平和1.68ms的高電平表示數(shù)據(jù)碼中的“1”.對應的解碼方式為:當單片機檢測到起始碼并讀到連續(xù)的8個“0”和8個“1”后,隨后接收的16位碼便為數(shù)據(jù)碼.紅外通信的編解碼方式參考了HT6221編碼協(xié)議.該通信協(xié)議也是由起始碼、16位數(shù)據(jù)碼和結(jié)束碼組成.其中16位數(shù)據(jù)碼包括8位數(shù)據(jù)原碼和8位數(shù)據(jù)反碼.起始碼中的“0”和“1”分別用9ms的低電平和4.5ms的高電平表示;數(shù)據(jù)碼中的“0”采用0.56ms的低電平和0.56ms的高電平表示,“1”采用0.56ms的低電平和1.68ms的高電平表示;結(jié)束碼采用4.5ms低電平表示.解碼方式與中波通信過程相同.
2.2系統(tǒng)軟件設計流程圖
陸基控制平臺沒有微處理器,簡化了系統(tǒng)的程序設計.水下航模采用MSP430單片機為控制核心,主要負責檢測來自陸基控制平臺的無線電波的解碼信號,根據(jù)譯碼指令控制紅外光波發(fā)射電路和狀態(tài)指示電路,水下航模子系統(tǒng)流程圖如圖8(a)所示.水面?zhèn)鲃訂卧瑯硬捎肕SP430超低功耗單片機檢測紅外光波接收電路的解碼信號,根據(jù)解碼指令控制直流電機驅(qū)動電路,完成牽引水下航模的升降和位移測量功能,并將當前的工作狀態(tài)通過LCD顯示,水面?zhèn)鲃訂卧刂屏鞒虉D如圖8(b)所示[14].
3系統(tǒng)測試與分析
3.1水下航模運行時間測試與分析
當L型天線的水平部分與水面距離為2m時,設定快速上升時間為3s,快速下降時間為4s,慢速上升時間為6s,慢速下降時間為8s,分五次測量的結(jié)果見表1.從表1可以看出,快速升降的時間最大誤差為5%,而慢速升降的時間最大誤差為10.6%,主要原因是水下航模在下降過程中受到向上的浮力作用而存在擺動,影響觀察者判斷其停止的準備位置.
3.2天線高度對電磁波通信的影響
水下航模離水面的距離為0.5m,天線距水面的距離變化范圍為2~10m,通過陸基控制平臺設定狀態(tài)和水下航模指示燈狀態(tài)的對應關系測試無線通訊建立是否有效,規(guī)定L1亮表示前進,L2亮表示倒退,L3亮表示停車,L4亮表示左轉(zhuǎn)彎,L5亮表示右轉(zhuǎn)彎.具體測試結(jié)果見表2.從表2可以看出,當天線高度為10m時,系統(tǒng)的指示運行狀態(tài)與陸基控制平臺設定的狀態(tài)仍然一致,綜合測試系統(tǒng)通信的誤碼率小于2%,說明在此范圍內(nèi),天線與水下航模的垂直距離對無線電波的傳輸效率影響甚微.由于條件所限沒有進行天線高度與通信建立有效性的完整實驗,但是從理論分析可知,電磁波信號在水和空氣的界面處存在劇烈的反射效應,在水中傳播時也有比較強的衰減,因此,當天線離水面的距離足夠遠時,無線電波通信將失效.
3.3設定速度與實際速度對比情況
本系統(tǒng)所使用的電機在最大轉(zhuǎn)速情況下提供給懸索的線速度為15cm/s,考慮到水下航模的重量對電機轉(zhuǎn)速的影響,本系統(tǒng)結(jié)合光電門的實測速度,采用PID算法控制電機轉(zhuǎn)速,表3給出了10組測定數(shù)據(jù),水面?zhèn)鲃訂卧獛铀潞侥Ｉ档膶嶋H速度可以通過液晶顯示屏觀察.從表3可以看出,系統(tǒng)存在一定的測量誤差,但是3次實際測量速度的平均值與設定值非常接近.
4結(jié)語
水下無線通信系統(tǒng)以兩片MSP430單片機為控制核心,采用中波和紅外光波通信,通過HT6221編碼和CD9088解碼完成了陸基控制平臺與水下航模的電磁波通信,實驗測試結(jié)果表明,頻率為507kHz的電磁波在經(jīng)過空氣與水面的界面反射和水下衰減后,仍然能夠在水下有效傳輸50cm以上,說明中波相比高頻電磁波在水下無線通信系統(tǒng)中有更加優(yōu)越的抗衰減特性.因此,系統(tǒng)模型可以廣泛應用于淺水區(qū)域的信息采集和無線電傳輸,或者作為深水區(qū)域與陸基設備通訊的中繼站,在國防、工業(yè)和智能 農(nóng)業(yè)等方面有著廣泛的應用前景.本系統(tǒng)采用了電磁波通信訊、紅外光波通訊、電機精確控制、編碼解碼、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示等技術(shù),具有較強綜合性和擴展性,特別是可以借鑒無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的設計思想,通過一個陸基控制平臺,同時控制多個水下航模執(zhí)行相同的控制指令,完成在一定水域的多個水下接受終端的控制過程,可用于水面防區(qū)的探測器布防和水雷布點,也可以用于精細養(yǎng)殖區(qū)域的水下精密監(jiān)測.
自動化率和自動化技術(shù)差距將我國的自動化設備水平和紡機技術(shù)結(jié)合起來綜合考慮,我國的整體水平與國際的紡機自動化技術(shù)水平差距顯著。不過,對于不同的紡機產(chǎn)品來說他們有不同的差異。首先,是我國的紡織工業(yè)設備的水平只有占總體的四分之一能夠達到國際的先進標準;再者,我國的棉織和制造新設備在技術(shù)上也只是達到了國際90年代的水平,可見我國的科技是多么的落后;再其次,毛紡織、印染類機械與國際水平的差異也相當明顯。以上所述,不計這些在技術(shù)指標方便出現(xiàn)的差異,我國的紡機產(chǎn)品的設計理念和是否擁有可靠性也與國際有著非常大的差異。引起人們關注的是,整個紡機行業(yè)的自動化率國際站整體的50%,而我國的紡機自動化率也只能占了其中的15%~20%。
紡機機械工藝復雜、程序繁瑣,因此各種不同的紡織機械,他們對于自動化的需求也各有不同,出現(xiàn)了五花八門的形式。不同的控制裝置在不同的紡織設備上發(fā)揮著不同的價值,來滿足紡機行業(yè)的需求,來提高紡機的效率。梳棉機近年來紡機采用計算機來控制自調(diào)勻整裝置,提高高速時的控制效果,特別可以消除滯后現(xiàn)象。立達(Rieter)公司的C4-A型梳棉機釆用了混合環(huán)式自調(diào)勻整裝置,用閉路循環(huán)方式,通過對一對階梯羅拉進行檢測,調(diào)控給棉羅拉速度來控制長片段的勻整;釆用聯(lián)控形式(擾動可變補償)來控制短片段勻整,即在出口處通過稱量棉網(wǎng)重量,發(fā)現(xiàn)棉網(wǎng)超標立即進行調(diào)整,控制過程的干預是通過調(diào)控棉羅拉的速度來完成的。立達(Rieter)公司研制成的C.I.S.紡紗自動化生產(chǎn)線,在清缸工序中釆用了Aero-feed散棉喂給裝置,再用ABC-Control型處理機控制清缸連續(xù)化和自動化生產(chǎn)線。操作人員可以通過VDU彩色圖表管理機臺,取代了開棉、清棉和梳棉的人工中心控制,具有控制、監(jiān)視、報警和記錄等多種功能。2.2并條機自調(diào)勻整是并條機自動化內(nèi)容中很重要的一個動作。這種方法實現(xiàn)了棉條條干均勻,能夠使紗的粗細相同,否則在紡機織布的時候,很容易引起細的紗出現(xiàn)斷頭現(xiàn)象。綜合以上情況的敘述,如果在紡織過程中發(fā)現(xiàn)條干過粗或者過細,就需要利用設備來檢測出來,并能夠?qū)@種情況及時作出調(diào)整,來達到符合要求的目標,以免事后無法挽回。自動調(diào)節(jié)的過程重點是要檢測,然后在經(jīng)過計算機的處理,最后運用電動機調(diào)頻來進行操作。這一系列的自動化機制體系,是相當復雜的過程,而且難度也是很大。我國的產(chǎn)品水品在國際上還是比較落后,所以,這樣的設備目前仍然需要從國外引進。
細紗機細紗機在落紗環(huán)節(jié)方面,傳統(tǒng)的方式是采用人工換管,人工接頭,細紗機的錠數(shù)以前采用人工換管和人工接斷頭的方法。每臺細紗機的錠數(shù)都很少,而現(xiàn)在細紗機的技術(shù)有所進步,錠數(shù)從起初的300個到了現(xiàn)在的1000左右,如果仍然用人工換管,那么不但產(chǎn)生的斷頭多,而且紡織的效率也會大大降低,消耗工人的勞動量。其實,造成斷頭的原因是由紗管形狀和張力的大小來決定的,雙速電動機是一種能夠解決此問題的一個最佳方式,可以有效的減少斷頭情況的發(fā)生。粗紗機有細紗必有粗紗,粗紗是用粗紗機來制作的,他的原理在于要將熟的棉條進行拉伸后處理,進一步分離度,有利于之后細紗機對細紗的加工。傳統(tǒng)的粗紗機是采用了電動機,粗紗機的作用是將熟棉條進行拉伸后形成粗紗,以進一步增加取向和分離度,利于后道細紗機的加工。粗紗機的人機界面使用觸摸屏,應用PLC來進行控制,傳統(tǒng)的粗紗機也采用了運用電動機的方法由多種機構(gòu)分別傳動及升降。絡筒機我國當前的絡筒機結(jié)構(gòu)主要是采用了電子齒輪和電子凸輪的數(shù)碼結(jié)構(gòu),也就是由單錠來進行傳動?？墒怯捎跈C械上的電機沒有能夠直接進行傳動的連接,所以用高速精密的計算控制來做輔助,就可以方便的高速精密的交叉卷繞,織紗的速度遠超過了傳統(tǒng)的絡筒機,有效的提高了織紗效率。無梭織機隨著機械自動化技術(shù)在社會上的廣泛應用和推廣,迎合趨勢,有一種新的技術(shù),無梭織機技術(shù),這種技術(shù)在不斷提高創(chuàng)新水平,也使得紡機技術(shù)得到了新的突破,不斷實現(xiàn)自動化?，F(xiàn)在有些汽車的程序控制就是運用其中的原理,像汽車的開關程序控制,他能夠在規(guī)定的時間內(nèi)給車自動加油,自動收集計算數(shù)據(jù)、將織機的各種參數(shù)顯示出來,其中包括他的產(chǎn)量和效率等等的原因分析,這樣就大大提高了生產(chǎn)效率。機械自動化的現(xiàn)在,電子選色,計算機自動紡織紡織品,還可以通過變換編織圖形還改變編織物的圖案。
實現(xiàn)紡機技術(shù)的自動化、科技化,領先化,是我們首要面對的課題,同樣,這也是一個難以攻破的難關。時展的今天,我們國家在一些技術(shù)的發(fā)展上仍然落后于其他國家,在國際上沒有優(yōu)勢地位,這與科技人員的探索精神不夠強烈密不可分,雖然紡機行業(yè)自動化相對傳統(tǒng)有所進步,但仍有很多嚴重的不足。政府應正視紡織機械的現(xiàn)代化進程,加大對自動控制設備的改進力度,與國際接軌,提高產(chǎn)品效率,節(jié)約社會資源,走可持續(xù)發(fā)展道路。
目前,我國農(nóng)藥的有效利用率僅為20%~40%,噴施的大部分農(nóng)藥流失到了環(huán)境中,不僅浪費資源,而且造成環(huán)境污染[1].提高植保機械技術(shù)水平,進行高效、低污染施藥技術(shù)研究及機具開發(fā)是一項迫切的任務[2].射流混合技術(shù)[3]是利用管道中水的能量直接吸入液體農(nóng)藥,它在石油化工行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應用,但在植保機械方面應用得還比較少.射流混藥不但可以減少藥液對機件的損害,降低對機件的要求,而且節(jié)約了使用過程中多余的農(nóng)藥,減少了農(nóng)藥的傾倒所造成的污染[4].因此,研制和開發(fā)在線射流自動混藥裝置,是安全、可靠、高效使用農(nóng)藥,以及降低殘留物對環(huán)境污染的關鍵之一,同時也是發(fā)展植保機械的有力措施[5].對于在線射流混藥[6],前人已經(jīng)對其機理進行了相應研究,例如,何培杰等[7]對射流混藥裝置的混合管進行了數(shù)值模擬,得出了徑向速度和軸向速度在混合管內(nèi)的分布規(guī)律.邱白晶等[8]建立了射流混藥裝置數(shù)學模型,確定了射流混藥裝置數(shù)值模擬方案,并根據(jù)試驗參數(shù)設計了射流混藥器,進行了射流混藥測試研究.但是存在的問題是混藥比值遠達不到實際生產(chǎn)中所需混藥比要求,且無法精確控制射流混藥器的進藥量.為了解決上述問題,文中設計一種基于DSP和LabVIEW的在線射流混藥控制系統(tǒng),以增大混藥比的可調(diào)范圍,實現(xiàn)藥量的精確控制.
1在線射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)
在線射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由儀器控制柜、異步電動機、柱塞泵、電控閥、射流混藥器、噴桿、電動機驅(qū)動模塊、單向閥、流量傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等裝置構(gòu)成.采用三相異步電動機為動力源,自行設計電動機的驅(qū)動板,利用TMS320F2812DSP的EV模塊實現(xiàn)電動機的調(diào)速.電動機通過聯(lián)軸器帶動柱塞泵進而控制混藥器進水口的流量.在線射流混藥裝置的核心部件射流混藥器如圖2所示,其基本結(jié)構(gòu)參數(shù):射流嘴收斂角α為16°,擴散管擴散角β為8°,混合管長度L為17.04mm,混合管直徑dt為3.55mm,吸入角度γ為60°.在混藥器進藥口安裝了流量控制閥,通過DSP的D/A模塊控制閥門的開度來實時調(diào)節(jié)混藥器進藥量.在射流混藥器的進水口、進藥口及出水口都分別安裝有壓力及流量傳感器,傳感器的模擬信號通過DSP的A/D模塊采集,DSP通過RS232將數(shù)據(jù)傳給上位機.上位機實時顯示管道中混藥前后水的流量及壓力的變化并保存試驗數(shù)據(jù).
2系統(tǒng)硬件組成
射流混藥系統(tǒng)硬件組成如圖3所示.
2.1工控機、TMS320F2812DSP處理器工控機作為上位機提供試驗所需的基本參量如水流量和藥流量等信息要求,通過RS232接口傳遞給TMS320F2812DSP處理器.DSP處理器的功能為采集流量、壓力、轉(zhuǎn)速信號,輸出電動調(diào)節(jié)閥的控制信號,進行三相異步電動機的變頻調(diào)速.同時,DSP將采集的信號通過RS232上傳回工控機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的實時顯示和保存.
2.2實時信號采集由于射流混藥器的流量傳感器、壓力傳感器及電動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出4~20mA的模擬信號,而DSP處理器的I/O口只能接受3.3V的電壓信號,所以選用光電隔離芯片TLP521,對傳感器檢測信號進行轉(zhuǎn)化,處理后的檢測信號送入DSP的A/D模塊.
2.3變量執(zhí)行器變量執(zhí)行器主要由三相異步電動機和高精度電控調(diào)節(jié)閥構(gòu)成.三相異步電動機的控制芯片選用TI公司的TMS320F2812DSP,其硬件電路主要由DSP控制電路、供電電路、驅(qū)動電路、信號處理電路等組成.DSP輸出的PWM信號經(jīng)過光電隔離后送入驅(qū)動芯片,由驅(qū)動芯片驅(qū)動MOSFET,由其組成的三相全橋驅(qū)動電路對電動機進行控制.高精度電控調(diào)節(jié)閥的工作電壓為24VDC,接受0~10V或4~20mA的模擬量控制信號,為此采用DAC8532擴展了DSP的D/A模塊,通過D/A模塊輸出的模擬信號控制閥門的開度,進而控制進藥口藥液流量.
3系統(tǒng)軟件設計
3.1系統(tǒng)的上位機軟件設計選用LabVIEW為開發(fā)平臺,設計簡單友好的人機交互界面,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示及實時保存,能夠根據(jù)實際要求適時改變射流混藥器的進水量和進藥量.同時利用串口與下位機DSP進行實時通信.其人機交互界面如圖4所示.
3.2系統(tǒng)的下位機軟件設計系統(tǒng)的下位機軟件采用C語言開發(fā),軟件的設計采用了模塊化的方法.第1步對水流量控制模塊進行設計.通過對電動機轉(zhuǎn)速和管道中水的流量進行標定,擬合得電動機轉(zhuǎn)速與水流量的關系曲線(見圖5),函數(shù)關系為Qw=0.018n+0.84,(1)式中:Qw為管道中水的流量,L/min;n為電動機轉(zhuǎn)速,r/min.電動機控制程序中定義Qw為給定管道中水的流量,n為給定電動機轉(zhuǎn)速,nt為測得的電動機轉(zhuǎn)速,則水流量的控制流程如圖6所示.第2步對藥量控制模塊進行設計.在高精度電控調(diào)節(jié)閥的前后安裝壓力傳感器,閥前安裝流量傳感器,通過DSP的D/A模塊輸出的電壓信號控制電控閥的開度,進而對藥流量調(diào)節(jié).由于電控閥為機械裝置,所以存在幾十ms的響應時間和延遲時間,但是對試驗結(jié)果影響極小.對電控閥兩端的控制電壓和實際藥流量進行標定,得出藥流量與電控閥的輸入電壓之間的關系曲線,如圖7所示.圖中U為電由圖7可知,當藥流量小于0.29mL/s時,電控閥的輸入電壓與實際藥流量基本為線性關系;當藥流量大于0.29mL/s時,兩者的關系曲線近似為二次曲線,擬合得到兩者的函數(shù)關系式為。
4控制系統(tǒng)試驗
4.1試驗方案設計流量控制是影響混藥效果的主要因素,為了驗證本控制系統(tǒng)的實際控制效果,對系統(tǒng)的軟件及硬件進行綜合測試.在水箱和藥箱中分別加入純水和紅色的染色劑,用紅色染色劑代替藥原液,進行流量控制測試研究.試驗分為水流量跟蹤試驗、藥液吸入量隨水流量的變化試驗、不同混合比情況下藥液的控制試驗。
4.2水流量控制跟蹤性能測試為了檢測水流量控制系統(tǒng)的性能,測試了在電動機不同轉(zhuǎn)速工況下,流量管道中水流量的跟蹤性能,測試結(jié)果如表1所示,QT為目標水流量,QP為實際水流量,ΔQ與er分別為絕對誤差和相對誤差.試驗表明,實際水流量能夠較好地跟蹤目標水流量.水流量控制系統(tǒng)的相對誤差在2%以內(nèi).
4.3藥液吸入量隨水流量變化試驗在不加入藥液控制系統(tǒng)的情況下,測試在電動機不同轉(zhuǎn)速工況下,混藥比值及變化情況.試驗結(jié)果見表2.表中n為電動機轉(zhuǎn)速;Qw1為試驗所得水流量,L/min,為了計算混藥比,把單位轉(zhuǎn)化為mL/s后的水流量用Qw2表示;QM為藥流量;R為計算所得混藥比.由表2可見,未設置藥液控制系統(tǒng)時,隨電動機轉(zhuǎn)速增大,射流器吸入的水流量與藥流量的比值即計算混藥比值逐漸減小,但變化不大,其變化關系如圖9所示.由表2及圖9可知,該混藥比的量值僅為(5~8)∶1,與實用施藥過程中混藥比(一般為幾百∶1)[9-10]相差甚遠. 按正?；焖幈?設為200∶1)計算,表2中工況所需吸入的藥量范圍應為0.72~1.63mL/s,而試驗中吸入藥量范圍達18.16~65.15mL/s.說明此時射流器吸入的藥液量遠遠大于所需吸入的農(nóng)藥量,即此時的混藥比不能滿足實用要求,這將導致無法在實際的混藥機具上實施有效混藥.為此必須加設藥液控制系統(tǒng),以實現(xiàn)對混藥濃度的精確控制.
4.4藥原液控制跟蹤性能試驗在加入藥液控制系統(tǒng)以后,在恒定水流量的情況下,模擬實際混藥過程,改變混藥比,增大混藥比的調(diào)節(jié)范圍,測試藥原液的跟蹤情況.設定電動機轉(zhuǎn)速分別為830r/min,水流量為16.61L/min,測試在不同混藥比的情況下,藥原液的跟蹤情況.測試結(jié)果見表3,其中QMT為目標藥流量,QMP實際藥流量,ΔQ與er分別為絕對誤差和相對誤差.為了保證測試結(jié)果的可靠性,設計了對比試驗,設定電動機轉(zhuǎn)速為430r/min,水流量為8.7L/min,測試在不同混藥比的情況下,藥原液的跟蹤情況.測試結(jié)果見表4.由表3,4可知,在加入藥原液控制系統(tǒng)以后,無論電動機轉(zhuǎn)速在830r/min還是430r/min的情況下,盡管改變了水藥的混合比,但是實際藥流量都能夠跟蹤目標藥流量,且可以獲得相對誤差在3%以內(nèi)的控制精度.可見混藥控制系統(tǒng)對增大混藥比的可調(diào)寬度、提高射流混藥器的控制精度發(fā)揮了關鍵作用.
5結(jié)論
以DSP和LabVIEW為核心設計了一套在線射流混藥濃度控制系統(tǒng),解決了射流混藥器混藥比可調(diào)范圍窄、控制精度低的問題,提高了混藥的精度,能夠根據(jù)實際要求適時調(diào)節(jié)混藥比,實現(xiàn)精確智能混藥.為射流混藥機具的生產(chǎn)實用提供依據(jù).1)該控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對水量、藥量的精確控制,從而可以獲得適合實用的混藥比值,顯著(數(shù)十倍)增加混藥比的調(diào)節(jié)寬度,優(yōu)化控制性能,節(jié)能增效,提高安全性.2)水流量和藥流量跟蹤性能試驗表明,水流量控制系統(tǒng)的相對誤差在2%以內(nèi),藥流量的控制系統(tǒng)的相對誤差在3%以內(nèi).3)系統(tǒng)簡便實用,能夠根據(jù)實際施藥過程,實時調(diào)節(jié)水流量和藥流量,實現(xiàn)變量混藥.
摘要：分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合城鄉(xiāng)交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的硬件電路設計方案。 關鍵詞：交通控制 交通燈 時間發(fā)生器 定時器
1 引言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。
隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，筆者進行了深入的研究，以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設計計算和實驗調(diào)試等問題來進行具體分析討論。
圖1
2 交通燈控制系統(tǒng)設計
城市路通信號控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號機、多時段且具有無電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號機以及聯(lián)網(wǎng)式自適應多相位智能型信號機。具體采用哪種類型，應根據(jù)其應用場合及特點加以確定。其中，第一種類型以其成本低，設計簡單，安裝及維護方便等特點得到了廣泛應用。本文討論的城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)就屬于該種類型。該交通燈控制系統(tǒng)主要由時間發(fā)生器電路、光電檢測電路、控制電路等幾個部分組成。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
1.1 時間發(fā)生器電路
時間發(fā)生器電路由一片74191、時鐘脈沖產(chǎn)生電路和幾個門電路構(gòu)成，其中時鐘脈沖產(chǎn)生電路如圖2所示。時鐘脈沖產(chǎn)生電路用一片555定時器業(yè)構(gòu)成多諧振蕩器，設計脈沖周期為4s,其計算公式為：T1=(2R2+R1) Cln2=0.7×5.7MΩ×1μF，以此信號作為74191的CP。74191的四個狀態(tài)輸出端QAQBQCQD可用四個門電路進行譯碼。當QAQBQCQD=0000時，電路輸出低電平信號給D觸發(fā)器和控制電路的IO輸入端；而當QAQBQCQD=1000時，電路輸出高電平信號給黃燈驅(qū)動電路。74191接成減計數(shù)工作狀態(tài)，LD信號由控制電路的O1提供，應將置數(shù)輸入端A、C接高電平Vcc,B、D端接D觸發(fā)器的輸出端，還可根據(jù)D觸發(fā)器的不同輸出狀態(tài)置入數(shù)5和數(shù)15。
2.2 控制電路
控制電路主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、RC電路和反相器構(gòu)成、電路如圖3所示。該電路有兩個輸入端和三個輸出端。當QAQBQCQD=0000時，輸入端IO為低電平，此時信號將直接經(jīng)O1輸出給LD以進行異步置數(shù)，因此74191的0000狀態(tài)持續(xù)時間很短暫。輸入端I1由光電檢測電路的輸出信號提供，當有車輛時，輸出低電平；無車輛時輸出高電平。輸出信號O1=I1，而輸出信號O2而由I1經(jīng)反相器、RC電路和一單穩(wěn)態(tài)電路得來。O1的作用是當鄉(xiāng)間道無車輛時，保持主干道綠燈亮，鄉(xiāng)間道紅燈亮。當主干道綠燈變亮并檢測到鄉(xiāng)間道有車輛（即I1=0）時 ，O2觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路并維持主干道綠燈亮66s,即T2 = RCln3=1.1×6MΩ×10μf=66(s)。
圖3
2.3 光電檢測電路
光電檢測電路由光源和光電三極管構(gòu)成，該電路可根據(jù)需要選擇現(xiàn)成產(chǎn)品，如CP850系列的CP851，該器件的光電傳感器輸距離可達15m。
2.4 交通燈控制及驅(qū)動電路
交通燈控制電路由一個D觸發(fā)器、一個三輸入或門和兩個反相器組成，其電路如圖3所示。D觸發(fā)器的作用是在鄉(xiāng)間道非常繁忙時，對紅綠燈的轉(zhuǎn)換進行控制。三輸入端或門的作用是當鄉(xiāng)間道無車輛和主干道綠燈剛亮而鄉(xiāng)間道就有車通過時維持主干道綠燈亮時間大于60s。
由于紅綠燈的功率較大（十幾瓦），一般集成門電路無法驅(qū)動，因此需要設計一個特定的驅(qū)動電路，該電路可用功率管和高驅(qū)動能力的電源構(gòu)成，具體電路如圖4所示。功率管及電源大小可根據(jù)交通燈的功率進行計算。電路仿真時，可用一小燈泡直接接在門電路的后面。
3 結(jié)束語
根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的邏輯電路，筆者采用加拿大交換圖像技術(shù)有限公司推出的Electronics Work Bench(簡稱EWB)軟件進行了仿真實驗[4]。在眾多的電路仿真軟件中，EWB的工作 界面非常直觀。仿真過程中，用光電檢測器來模擬現(xiàn)場的各種情況，結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全可以達到設計要求。
論文關鍵詞: 城市軌道交通 計算機 聯(lián)鎖
論文摘要: 介紹了北京城市軌道交通計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的硬件改進, 闡述了諸如扣車、緊急關閉和軌道區(qū)段故障時單獨操縱道岔等特殊聯(lián)鎖功能和與A TP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯功能的軟件實現(xiàn)。
考慮到信號工程的技術(shù)趨勢和經(jīng)濟上的合理性, 北京城市軌道交通13 號線信號計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng), 采用鐵科院開發(fā)研制的T YJL2Ⅱ 型系統(tǒng)。雖然此系統(tǒng)已在全路400 余個站場投入使用, 但在滿足現(xiàn)有的各項技術(shù)條件要求, 實現(xiàn)進路上的道岔、信號機和軌道電路的正確聯(lián)鎖關系, 確保列車運行安全的同時, 還必須進行一系列的改進和完善, 以滿足城市軌道交通所要求的特殊聯(lián)鎖功能, 并實現(xiàn)與A TP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進
根據(jù)北京城市軌道交通的特點, 對T YJL2Ⅱ 型計算機聯(lián)鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了如下的改進。
1. 各站通常不設信號維修人員, 為了確保系統(tǒng)在監(jiān)控機或控制臺故障的情況下仍能夠不間斷地可靠運行, 將監(jiān)控機和控制臺納入到了雙機熱備的覆蓋范圍之中, 使其在故障時可由相應的聯(lián)鎖機申請切換。具體地講, 對站場簡單的車站, 直接將監(jiān)控機安裝在聯(lián)鎖機柜內(nèi), 取消聯(lián)鎖總線的切換電路。A 監(jiān)控機和A 控制臺隨著A 聯(lián)鎖機的切換而切換, B 監(jiān)控機和B 控制臺也如此。而對站場復雜的車站, 除切換方式同簡單車站外, 仍采用原有TYJL2Ⅱ 型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu), 保留聯(lián)鎖總線的切換電路。
2. 由于計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的操作方式分為控制中心集中控制和車站分散控制, 且通常采用中心集中控制方式, 因此系統(tǒng)在各站的監(jiān)控機部分增加了與CTC 分機的接口, 接收中心集中控制時的命令信息, 并向中心發(fā)送本站的表示信息, 接口采用RS2422 雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。車站分散控制時, 系統(tǒng)采用鼠標式控制臺和按鈕式單元控制臺互為備用的原則進行設計, 使操作方式更加方便靈活。
3. 為了便于維修, 計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的采集、驅(qū)動電路板均改為6U 標準, 計算機電源、采集電源、驅(qū)動電源和地線檢查器改為插接方式。同時, 為適應北京城市軌道交通機柜上出線的要求, 系統(tǒng)的聯(lián)鎖機柜結(jié)構(gòu)也相應地改為采集、驅(qū)動層在上, 計算機層、電源層在下。
4. 在保持原有T YJL2Ⅱ 型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)不變的情況下, 為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力, 采取的措施主要包括: 提高印制板采用的芯片等級, 按5V 計算機電路與12V 采集、驅(qū)動電路分別布線, 并且分開設置接插件; 在接口架的驅(qū)動條件線上增加防雷器件; 采集、驅(qū)動32 芯電纜靠電路板一側(cè)增加抗電磁干擾磁環(huán)等等。
2 系統(tǒng)特殊聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)
由于北京城市軌道交通計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)增加了諸如自動進路、自動折返、扣車、緊急關閉和軌道區(qū)段故障時單獨操縱道岔等一系列特殊聯(lián)鎖功能, 因此在聯(lián)鎖軟件中又增加了相應的模塊, 具體可分為3 類。
1. 原聯(lián)鎖軟件中沒有與其類似的功能, 需要建立全新的算法, 增加新模塊。如, 扣車必須確定扣車狀態(tài)的輸入與哪些所要驅(qū)動的發(fā)車進路的信號控制輸出有關; 扣車狀態(tài)的輸出與哪些扣車按鈕的輸入有關。在此基礎上建立實現(xiàn)扣車這種特殊聯(lián)鎖功能的算法, 并予以實現(xiàn), 完成扣車作業(yè)。
2. 原聯(lián)鎖軟件中有與其類似的功能, 可利用原有算法。如, 緊急關閉與原有的超限絕緣檢查功能非常類似, 其技術(shù)條件也基本相同。因此, 可利用原聯(lián)鎖邏輯模塊中的超限檢查的算法, 在股道的二端分別設置與超限檢查模塊類似的緊急關閉模塊來實現(xiàn)緊急關閉作業(yè)。
3. 原聯(lián)鎖軟件中雖有與其類似的功能, 但需對其算法稍加修改。如, 軌道區(qū)段故障時單獨操縱道岔與原聯(lián)鎖邏輯模塊中的單獨操縱道岔稍有不同, 二者的區(qū)別在于是否進行區(qū)段占用檢查。只要在原聯(lián)鎖邏輯模塊中的單獨操縱道岔模塊的算法中, 去掉區(qū)段占用檢查條件, 就可以得到軌道區(qū)段故障時單獨操縱道岔模塊的算法。在道岔區(qū)段軌道電路故障的情況下, 且人工確認該道岔區(qū)段無車時, 可以采用非常手段實現(xiàn)單獨操縱道岔作業(yè)。
雖然實現(xiàn)各項特殊聯(lián)鎖功能的模塊所采用的算法是不同的, 算法的確定也是不同的, 但由于原有的TYJL2 Ⅱ 型計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖軟件是按照故障2安全的原則設計的, 新增加或修改的模塊也均按此原則設計, 不會影響原有計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)軟件故障2安全性的實現(xiàn)。
3 安全編碼邏輯功能的實現(xiàn)
北京城市軌道交通計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng), 增加了與ATP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯功能, 并通過軟件加以實現(xiàn)。其軟件的數(shù)據(jù)仍采用按站場圖形基本模塊鏈表進行連接的方式, 遇有站場改變時只需在相應位置插入對應的模塊。程序采用模塊化的設計方法, 如需增加或改動某個環(huán)節(jié), 也只需增加或改動相應的模塊。
與ATP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯軟件的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)2 部分。其中, 靜態(tài)數(shù)據(jù)包括: 與站場結(jié)構(gòu)緊密相關的編碼模塊的代碼、在鏈表中的位置、其控制特征以及其他必須的信息, 如軟件運行所需的索引表、控制表等相關內(nèi)容。就編碼模塊而言, 對于非道岔區(qū)段, 每1 個軌道區(qū)段均設有1 套速度碼繼電器和1 個編碼模塊, 并入鏈; 對于道岔區(qū)段, 考慮到道岔區(qū)段設有定位發(fā)碼和反位發(fā)碼2 套獨立的速度碼繼電器, 因此也分設2 個編碼模塊。動態(tài)數(shù)據(jù)則是在模塊靜態(tài)數(shù)據(jù)對應的緩沖區(qū)記錄模塊狀態(tài)、在程序中當前所處的層, 以及程序運行所必須使用的變量等信息。定義了編碼模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后, 在聯(lián)鎖邏輯運算模塊中增加編碼邏輯處理模塊, 可以實現(xiàn)與ATP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯軟件的技術(shù)要求。模塊中包含2 類程序, 一類是不受進路控制的編碼模塊, 另一類是受進路控制的編碼模塊處理程序, 二者的區(qū)別在于模塊掃描方式的不同, 不受進路控制的編碼模塊處理時按索引表掃描, 受進路控制的編碼模塊處理時按進路管理緩沖區(qū)掃描。
與ATP 系統(tǒng)結(jié)合的安全邏輯編碼軟件的實現(xiàn), 無論是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是程序結(jié)構(gòu), 都借鑒了聯(lián)鎖邏輯運算模塊在提高軟件可靠性和安全性方面的經(jīng)驗。為減少形成危險側(cè)錯誤輸出的可能性, 軟件采用冗余編碼方式, 將有關安全的編碼信息按不同規(guī)則分別存儲于不同的緩沖區(qū), 使用時需比較一致才認為其有效。同時, 軟件采用分層遞進的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu), 上一層的錯誤會被下一層發(fā)現(xiàn), 不會由于錯誤擴展導致系統(tǒng)級錯誤。此外, 軟件對可能發(fā)生的錯誤視情況不同, 采取不同的方式進行處理。對于數(shù)據(jù)錯誤, 程序從發(fā)現(xiàn)錯誤層開始終止執(zhí)行, 對已進行的處理采取程序卷回的方法恢復執(zhí)行命令前的狀態(tài), 并給出相應的提示。當影響安全的關鍵緩沖區(qū)發(fā)現(xiàn)錯誤后, 程序?qū)⒉扇∏袛噍敵龅拇胧?。對于硬件故障引起的錯誤, 如果硬件故障導致發(fā)生的錯誤是不影響安全的, 那么程序?qū)⒔o出報警提示, 并將故障可能影響的信息置為安全側(cè)。如果當硬件故障可能導致發(fā)生影響安全的錯誤時, 程序?qū)⒉扇⊥Ｖ构ぷ鞯拇胧?
4 結(jié)束語
北京市城市軌道交通計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是國內(nèi)城軌領域首次采用國產(chǎn)計算機聯(lián)鎖設備。由于聯(lián)鎖控制系統(tǒng)在性能等方面具有強大的優(yōu)勢, 改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為合理, 特殊聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)方式安全可靠, 并成功地增加了與A TP 系統(tǒng)結(jié)合的安全編碼邏輯功能, 完全滿足了現(xiàn)場運營的實際要求, 因此, 在運營期間, 信號系統(tǒng)以運營狀況穩(wěn)定、性能安全可靠、維護便利, 獲得了用戶的認可, 并在提高作業(yè)效率, 改善
勞動條件等方面收到了良好的使用效果。
引言
機械的安全性就是機械安全使用說明書規(guī)定的預定使用條件下執(zhí)行其功能和在運輸、安裝、調(diào)整、拆卸和處理時不產(chǎn)生傷害或危害健康的能力。任何一臺機械都有風險,會導致危險。這些風險和危險都會導致事故的發(fā)生、對人員造成傷害。當我們能夠關注機械本身的安全性能的時候,其安全功能應該由安全自動化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。安全控制系統(tǒng)的正確設計會影響到機械的安全性能。安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺機械是否符合安全要求的重要依據(jù)[1],本文對于機械制造中的安全控制系統(tǒng)相關問題進行分析。
1 安全控制系統(tǒng)
所謂的安全(控制)系統(tǒng),是在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護、操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護。一旦當工廠裝置本身出現(xiàn)危險,或由于人為原因而導致危險時,系統(tǒng)立即做出反應并輸出正確信號,使裝置安全停車,以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。它包括了現(xiàn)場的安全信號,如緊急停止信號、安全進入信號、閥反饋信號、液位信號等,邏輯控制單元和輸出控制單元[2]。無論在機械制造領域還是在流程化工領域,安全控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中不可或缺的一部分。
從安全控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖我們可以看出,安全控制鏈由輸入(如傳感器)、邏輯(如控制器)、輸出(如觸發(fā)裝置)構(gòu)成。從邏輯上來說,對于安全信號的控制功能可以采用普通繼電器、普通PLC、標準現(xiàn)場總線或DCS 等邏輯控制元器件,從表面上達到我們所需要的邏輯輸出。但是,我們可以注意到,普通繼電器、普通PLC、標準現(xiàn)場總線或DCS 不屬于安全相關元器件或系統(tǒng)。它們在進行安全相關控制的時候可能會出現(xiàn)以下安全隱患:處理器不規(guī)則、輸入/輸出卡件硬件故障、輸入回路故障(比如短路、觸點融焊)、輸出元器件故障(如觸點融焊)、輸出回路故障(如短路、斷路)、通訊錯誤等。這些安全隱患,都會導致安全功能失效,從而導致事故的發(fā)生。所以,安全控制系統(tǒng)就是要求能夠可靠的控制安全輸入信號,一旦當安全輸入信號變化或安全控制系統(tǒng)中出現(xiàn)任何故障,立即做出反應并輸出正確信號,使機器安全停車,以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。
安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來達到安全要求:1)采用冗余性控制;2) 采用多樣性控制;3)頻繁、可靠的檢測(對硬件、軟件、通訊);4) 程序CRC 校驗;5) 安全認證功能塊。
常見的安全輸入設備包括由緊急停止設備、安全進入裝置(安全門開關或聯(lián)鎖裝置)、安全光電設備(安全光幕、安全光柵、安全掃描儀)。安全邏輯部分常采用安全繼電器、安全PLC 和安全總線系統(tǒng)。
2 安全邏輯控制設備
邏輯控制設備是整個安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號,進行邏輯分析,可靠的進行安全輸出控制?，F(xiàn)代自動化安全控制領域中,安全系統(tǒng)的控制元器件有安全繼電器、安全PLC 和安全總線控制系統(tǒng)。
2.1 安全繼電器
安全繼電器,或者稱為安全繼電器模塊,是最簡單的安全邏輯控制元器件。其特點是采用了冗余的輸出控制和自我檢測的功能,實現(xiàn)了對輸出負載的可靠控制。
該模塊的存在2 個安全輸出觸點,這兩個安全輸出觸點在內(nèi)部是由來自2個不同的特殊繼電器K1 和K2 的常開觸點串連而組成。當K1 出現(xiàn)故障的時候,K2 依然可以實現(xiàn)安全觸點斷開的功能。同時,安全繼電器模塊可以通過內(nèi)部電路進行自檢,檢測出外部接線故障和內(nèi)部元器件的故障。
2.2 安全可編程控制器
安全可編程控制器采用了多套中央處理器進行控制,并且這些處理器來自不同的生產(chǎn)商。這樣的控制方式符合了冗余、多樣性控制的要求。這是安全PLC 與普通PLC最根本的區(qū)別。當一定數(shù)量的處理器出現(xiàn)故障后,完好的處理器依然執(zhí)行安全功能,切斷所有安全輸出使系統(tǒng)停機。導致系統(tǒng)停機的處理器的故障數(shù)量取決于不同的系統(tǒng)。如,1oo2 系統(tǒng)(2 取1 的系統(tǒng)),一旦一個處理器出現(xiàn)故障,系統(tǒng)立刻進入故障安全狀態(tài);又如,2oo3 系統(tǒng)(3 取2 的系統(tǒng)),當一個處理器出現(xiàn)故障,系統(tǒng)并不會停機。系統(tǒng)只有在2個處理器同時出現(xiàn)故障的情況下才會導致系統(tǒng)停機。前者我們通常成為2 重冗余系統(tǒng),安全可靠性較高、可用性較低;后者我們通常成為3 重冗余系統(tǒng),其安全可靠性和可用性較高,但相比前者成本高。
對于信號的采集、處理和輸出的過程,安全PLC 都采用了冗余控制的方式。當信號進入PLC 后,分別進入多個輸入寄存器,再通過對應的多個中央處理器的處理,最后進入多個輸出寄存器。這樣,安全PLC 就構(gòu)成了多個冗余的通道。整個過程之中,信號狀態(tài)、處理結(jié)果等可以通過安全PLC 內(nèi)部的暫存裝置進行相互比較,如果出現(xiàn)不一致,則可以根據(jù)不同的系統(tǒng)特性,進入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測出來。
輸入回路可以采用雙通道的方式,通過2 條物理接線進入安全PLC。安全PLC也可以提供安全測試脈沖,用以檢測輸入通道中的故障。安全PLC 的輸出內(nèi)部電路也采用了冗余、多樣性的方式,對一個輸出節(jié)點進行安全可靠控制。安全PLC 可以通過2 種不同的手段,即切斷基極信號和切斷集電極電源兩種不同的方式,將輸出信號由1 轉(zhuǎn)變?yōu)?。無論那種方式出現(xiàn)故障,另外一種方式依然完好的執(zhí)行安全功能。同時,安全PLC 提供了內(nèi)部檢測脈沖,以檢測內(nèi)部故障。
安全PLC 的掃描時間要求為每千條指令1ms 以下?？焖俚闹醒胩幚砉δ懿粌H可以達到緊急停車的要求,同時能夠以較短的時間完成整套系統(tǒng)的安全功能自檢。
在軟件方面,安全PLC 必須有可靠的編程環(huán)境、校驗手段,以保證安全。這主要可以通過規(guī)范安全功能編程來實現(xiàn)。如Pilz 的安全PLC,提供了通過認證的MBS 安全標準功能塊,以幫助編程人員進行合理的、安全的編程。這些安全功能塊經(jīng)過加密,不能夠修改。我們只需要在功能塊的輸入和輸出部分填入相應的地址、參數(shù)和中間變量,即可以完成對安全功能的編程。這些MBS 功能塊涵蓋了機械制造領域及流程化工領域的安全功能控制。
2.3 安全總線控制系統(tǒng)
安全現(xiàn)場總線系統(tǒng)是以安全PLC、安全輸入輸出模塊、安全總線構(gòu)成一套離散式控制系統(tǒng)。硬件和通訊的安全可靠是安全總線控制系統(tǒng)的可靠性判斷依據(jù)。在硬件上,安全總線系統(tǒng)的模塊都采用了冗余、高速的可靠元器件。
3 結(jié)論
安全控制系統(tǒng)是一個靜態(tài)的系統(tǒng),其監(jiān)控系統(tǒng)中的安全相關的參數(shù)。在系統(tǒng)正常運行期間,安全控制系統(tǒng)不作出任何響應。但是當系統(tǒng)出現(xiàn)異常、或安全相關信號被觸發(fā),安全控制系統(tǒng)立刻奪去系統(tǒng)的控制權(quán),根據(jù)其內(nèi)部邏輯,對輸出設備進行安全控制,從而保證了整個系統(tǒng)的安全。安全控制系統(tǒng)中的邏輯控制元器件是決定整個安全控制系統(tǒng)安全等級、設計成本、運行質(zhì)量的重要因素之一。在安全自動化領域,常用的安全邏輯控制元器件包括有安全繼電器模塊、安全可編程控制系統(tǒng)和安全總線系統(tǒng)。針對不同的應用場合,這些安全邏輯元器件可以配置成合適的安全解決方案。
[摘要]本文主要介紹了一款微小型無人直升機的整體控制系統(tǒng),完成了基于單片機技術(shù)的姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件設計,并且完成了檢測信號的模擬輸出和舵機控制的試驗。
[關鍵詞]微小型無人直升機 單片機 姿態(tài)控制系統(tǒng)
一、控制系統(tǒng)總體方案
整個微小型無人直升機控制系統(tǒng)可分為機載部分和地面部分,機載部分負責維持飛機的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面,地面部分根據(jù)飛機的姿態(tài)及得到的圖像信息做出下一步飛行的指令并發(fā)給機載部分?？紤]到使用環(huán)境的復雜情況,由人使用遙控器現(xiàn)場操作可以較好控制飛行,并可對飛行中出現(xiàn)的各種情況及時處理,確保飛行的安全。地面部分與機載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路:一條負責傳送圖像,一條負責傳送飛行狀態(tài)和指令。圖像傳送的數(shù)據(jù)鏈路通過無線攝像頭解決。地面部分可以分為地面工作站和圖像處理平臺,前者與機載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機的飛行狀態(tài)信息,后者獲取機載攝像頭的圖像并對圖像進行處理用以輔助判斷,幫助操作者進行遙控操作。機載部分系統(tǒng)包括:飛行姿態(tài)測量控制系統(tǒng)模塊、圖像設備模塊、數(shù)據(jù)鏈路以及執(zhí)行舵機群等。地面部分包括控制器、工作站、和圖像處理平臺。
二、姿態(tài)控制系統(tǒng)
微小型無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要功能是穩(wěn)定直升機的飛行姿態(tài),或者說是穩(wěn)定直升機的角運動。主要實現(xiàn)方式是在微小型直升機的控制回路上加上一個用于姿態(tài)測量的反饋回路,通過傳感器得到微小型直升機的姿態(tài)信號,然后與要求控制的姿態(tài)信號進行比較,通過設計的反饋控制規(guī)律使輸出的控制信號控制微小型直升機穩(wěn)定在預期的姿態(tài)角度上。微小型直升機姿態(tài)測量控制系統(tǒng)包括傾角傳感器、控制電路、多個舵機、接收機及遙控接收器等硬件部分。
其中控制電路的功能是接收接收機的操控信號和傾角傳感器的輸出信號,可以直接輸出接收機的信號或者切換到輸出遙控信號與傳感器反饋信號疊加處理的結(jié)果,然后舵機接收控制電路的PWM信號控制直升機的旋翼。傾角傳感器實時接收直升機的姿態(tài)信號,輸出到控制電路。
三、控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
對于一般微小型無人直升機而言,其測控系統(tǒng)采用單片機作為控制單元是一種理想的選擇,因為其成本低,體積和重量小。本設計采用混合系統(tǒng)級MCU芯片——C8051F320型單片機作為控制中心的姿態(tài)控制系統(tǒng),選用的傳感器是雙軸的加速度傳感器ADXL202,它可在兩個方向上檢測無人機在姿態(tài)上的變化,并輸出PWM信號給單片機進行處理。由于飛行有3個姿態(tài)角,所以要用2片ADXL202。
單片機處于系統(tǒng)的主導地位,是實現(xiàn)控制算法、完成信號采集和信號轉(zhuǎn)化的核心器件。所有的傳感器信號和遙控指令都由單片機來識別和處理。單片機將這些數(shù)據(jù)按照一定的控制算法運算后,將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號輸出到舵機,或者利用數(shù)據(jù)傳輸模塊,傳回到地面接收裝置,從而完成對飛行器的航向的測控。由于單片機對電源有要求,為了保證其電源的穩(wěn)定性,我們還設計了電源穩(wěn)壓保護電路。
直升機的飛行姿態(tài)有相互關聯(lián)的3對方向(航向,橫滾和俯仰),每對方向都是關系飛機飛行姿態(tài)的直接因素。ADXL202型加速器的測量信號和接收機發(fā)送的信號混合控制直升機的姿態(tài)?？刂齐娐穼⒓铀倨鞯臏y量信號和遙控器發(fā)送的信號進行比較,得到的控制信號來控制舵機的轉(zhuǎn)速。微小型直升機在飛行過程中若受到外力的干擾產(chǎn)生方向的偏差,由加速器測量輸出PWM信號發(fā)送給控制電路,經(jīng)過單片機處理和接收機信號比較后輸出,采用單片機脈沖計數(shù)的方法,向舵機輸出PWM類型的控制指令,操縱舵機的變化,控制保持飛機的姿態(tài)。
在基于單片機的姿態(tài)測控系統(tǒng)中,選用舵機作為執(zhí)行器件,控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角和位移。在舵機控制中,一方面需要完成單片機的控制指令輸出,從而控制航向變化和航向保持,另一方面需要參考原始的控制指令和加速度的反饋信號完成姿態(tài)控制的算法。盡管這兩者來源不同,但是對舵機而言并無太大區(qū)別?？刂菩盘枌Χ鏅C的控制就是改變PWM信號的占空比,利用PWM信號占空比的變化改變舵機的位置。
四、軟件設計及調(diào)試
微小型無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件包括C8051F單片機的初始化、各通道數(shù)據(jù)的獲得、控制算法的實現(xiàn)、輸出PWM信號給舵機。C8051F單片機的初始化包括端口管腳的配置、定時器的初始化、PCA初始化。C8051要接收5個通道的PWM信號,即遙控器的三通道PWM信號,ADXL202的2個通道的PWM信號。控制算法是最關鍵的,首先根據(jù)遙控器輸入的第三個通道PWM數(shù)值進行切換,比如接收到的第三個通過的PWM數(shù)值小于150(1.5ms)就切換到輸出信號不受ADXL202影響的狀態(tài),即輸出信號是遙控器的輸入信號,中間不經(jīng)過處理;如果數(shù)值大于150(1.5ms)就切換到輸出信號是遙控器的輸入信號和ADXL202的信號反饋到遙控器的輸入信號,如果ADXL202測得有加速度證明航向角度偏離了預期的角度,就要通過修正輸出信號保證旋翼保持在預期的轉(zhuǎn)速。
PWM模塊有C8051的PCA模塊配置為高速輸出方式,當PCA0H的值與該模塊的寄存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中的常數(shù)值相等時,CEXn引腳上的邏輯電平發(fā)生一次跳變,同時觸發(fā)一次中斷,實現(xiàn)PWM功能。為了試驗設計出的印刷電路板是否能夠滿足輸出控制信號的要求,設計了試驗程序,來生成固定循環(huán)的能夠控制舵機按照要求的方向來轉(zhuǎn)動。設計的要求是舵機能夠向左以固定頻率轉(zhuǎn)動,然后轉(zhuǎn)回平衡位置,以此來循環(huán)轉(zhuǎn)動。以此來檢驗以單片機為核心的控制電路是否能夠產(chǎn)生控制信號并且驅(qū)動舵機來按要求轉(zhuǎn)動。
經(jīng)過調(diào)試,用數(shù)字式示波器證明舵機完全按照單片機的輸出控制命令進行轉(zhuǎn)動,方向和延遲都正確。
