基于智能控制器的分布式系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、基于智能控制器的分布式系統(tǒng)研究與應(yīng)用Re search and Application of Distributed Control Syste m Based on Intelligent Controller張為民1張梅紅2(華南理工大學(xué)機械工程學(xué)院1,廣州510640;張掖市蔬菜局2,張掖734000摘要介紹了一種分布式控制系統(tǒng)在溫濕度測控領(lǐng)域的應(yīng)用,重點講述了以單片機AT 89C51為核心的智能控制器研究。該系統(tǒng)可完成被測量的現(xiàn)場顯示、報警及復(fù)雜控制。數(shù)據(jù)自動存儲及上傳等,由管理計算機完成數(shù)據(jù)的分析、顯示并打印多種曲線和報表。關(guān)鍵詞AT 89C51分布式控制系統(tǒng)控制策略專家智能控制器A

2、bstract The application of a distributed control system in tem perature and hum idity m onitoring and control area is introduced in this paper.The re 2search of an intelligent controller with AT 89C51single chip com puter as the core is em phasized.Various measured parameters can be locally displaye

3、d ,the functions of alarm and s ome com plex control strategies can be com pleted.All the data can be automatically saved uploaded ,then be displayed ,ana 2lyzed and printed out as corresponding curves and reports by management com puter.K eyw ords AT 89C51Distributed control system C ontrol strateg

4、y Intelligent expert controller0引言在糧食倉儲、制藥、溫室大棚等領(lǐng)域?qū)嵤貪穸鹊淖詣訙y量與控制領(lǐng)域由于系統(tǒng)投資有限,同時,被控對象大時滯、非線性特點明顯,所以一些常規(guī)算法如傳統(tǒng)的PID ,往往控制效果不理想。我們以單片機AT 89C51為核心,結(jié)合專家控制的特點1,成功研制了可單機使用、具有較高性能/價格比的智能控制器。同時,通過RS 2485將由多臺控制器組成的現(xiàn)場控制站和上位管理操作站構(gòu)成分布式系統(tǒng),并且在聯(lián)片溫室大棚測控項目上得到了成功的應(yīng)用。1現(xiàn)場控制站研制1.1輸入、輸出信號溫度與濕度傳感器分別選用具有線性(05V 輸出的LM 35與IH3605。由于

5、在不同溫度下濕度傳感器的線性率會發(fā)生變化,故需進(jìn)行比例和偏差系數(shù)校正。以單片機AT 89C51為核心的智能控制器,通過測量值修正專家系統(tǒng),完成實時測量值的修正。該專家系統(tǒng)建有知識庫(靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫,并結(jié)合推理算子完成實時濕度信號的采集。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲可在線修改的設(shè)置參數(shù)(如多組比例、偏差系數(shù),動態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲實時溫度、濕度值。所采集的濕度參數(shù)可用以下公式表示:H =f (T ,a ,b ,y (1式中:T 為動態(tài)溫度;a 為比例系數(shù);b 為偏差系數(shù);y 為A/D 轉(zhuǎn)換值。推理算子主要為:真實RH =y/(110546-0100216T (2修正RH =真實RH ×a +b(

6、3智能控制器輸出為3路開關(guān)量信號(220VAC/24VDC 繼電器輸出,可控制交(直流電磁閥。1.2現(xiàn)場智能控制器現(xiàn)場智能控制器不僅能夠多路參量檢測、自動記錄、輪流顯示、存儲和實時數(shù)據(jù)傳送、進(jìn)行聲光報警,而且能夠完成參數(shù)組態(tài)輸入及在線修改復(fù)雜過程的手/自動控制以及信號自動校準(zhǔn)和故障自動診斷功能1。主要由前置I/O 單元、A/D 單元、DO 單元、報警單元、單片機單元、LE D 單元、鍵盤單元、存儲單元、串行通信單元、電源等幾部分組成24。8路低通濾波電路將現(xiàn)場檢測到的05V 標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行隔離變換,經(jīng)8位逐次逼近A/D 轉(zhuǎn)換器TC L0834巡回轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,選中地址0x97H;DO 單元經(jīng)光電

7、隔離電路,完成3路220VAC/24VDC 繼電器輸出,選中地址0x80H 、0x81H 、0x82H;報警單元驅(qū)動蜂鳴器、發(fā)光二極管完成聲光報警功能;單片機單元AT 89C51完成主控程序運行和數(shù)據(jù)處理功能;存儲單元X 25045完成主控程序和參數(shù)的存儲,選中地址0x94H;LE D 單元完成4位LE D 數(shù)據(jù)顯示;鍵盤單元完成3個按鍵功能,分別為通道選擇鍵(可輸入16組參數(shù)、增加鍵、減少鍵,選中地址0x90H 、0xB3H 、0xB2H;串行通訊單元75LBC184完成網(wǎng)絡(luò)與AT 89C51之間數(shù)據(jù)通信,選中地址0x96H;電源單元完成交流220V 電源到直流工作電源的轉(zhuǎn)換,功耗小于5W

8、。圖1所示為84自動化儀表第26卷第7期2005年7月PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION V ol.26N o.7July 2005現(xiàn)場智能控制器系統(tǒng)原理框圖 。圖1現(xiàn)場智能控制器系統(tǒng)原理框圖以串行通信單元為例,說明智能控制器通信功能軟硬件的實現(xiàn)方法。在硬件線路中將串行通信單元75LBC184的“D 、R ”管腳連接至AT 89C51“RX 、TX ”管腳,“RE 、DE ”管腳連接至AT 89C51“P 16”管腳,“B 、A ”管腳外接RS 2485串行通信網(wǎng)。AT 89C51選中地址0x96H 對75LBC184完成通信編程。通信速率為2400波特率

9、,遵循IEC870-5-1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,兩線制RS 2485連接方式,通信站點距離可達(dá)1200米 。圖2串行口控制寄存器SC ON 設(shè)置示意圖圖2所示為AT 89C51串行口控制寄存器SC ON 設(shè)置示意圖。本系統(tǒng)中SC ON 設(shè)置為0xd0H 。S M 0、S M 1為“1”、“1”,即為串行工作方式3。RE N 為“1”,即允許串口接收數(shù)據(jù)。另外,還應(yīng)設(shè)置控制寄存器TC ON 、中斷允許控制寄存器以及中斷優(yōu)先級控制寄存器IP 的相應(yīng)位。具體的C 語言初始化程序如下:v oid sp init (SC ON =0xd0;設(shè)置SC ON 控制字S M 0S M 1S M 2RE N T 8R8

10、TI RI ,工作方式3T M OD =0x21;設(shè)置定時器工作方式G C M 1M 0(2400BAUD 12MHZ TC ON =0x50;設(shè)置TC ON 控制字 TF1TR1TF0TR0IE1IT 1IE0IT 0,電平觸發(fā)TH1=0x f3;設(shè)置波特率2400BAUD T L0=0x12;TH0=0x34;IE =0x92;設(shè)置E A =1、ES =1、ET 0=1,開放串口中斷IP =0x10;設(shè)置PS =1,串口優(yōu)先級高sp sm =0;初始化數(shù)據(jù)包TX E N =0;1.3現(xiàn)場智能控制器控制功能實現(xiàn)現(xiàn)場智能控制器的自動控制功能,主要指控制程序通過讀入組態(tài)參數(shù)值,調(diào)用控制算法完成各

11、種控制功能。如本地控制、遠(yuǎn)方控制、持續(xù)控制、間歇控制等。這里以本地或遠(yuǎn)方土壤干濕度控制為例作一說明。首先,基本的專家智能控制策略如下:本地控制自動間歇式控制。若檢測值低于設(shè)定值Sj ,且持續(xù)一定時間T b 后,則輸出繼電器閉合(如用于繼電器開通供水閥門。然后斷開一段時間T k ,再根據(jù)測量值決定是否繼續(xù)輸出閉合;µ手動控制。直接控制輸出閉合或斷開。遠(yuǎn)方控制設(shè)置允許標(biāo)志Idy 。若Idy =1則遠(yuǎn)方管理人員可進(jìn)行自動間歇式控制(如本地控制;µ若Idy =2則遠(yuǎn)方管理人員完成輸出閉合控制;若Idy =3則遠(yuǎn)方管理人員完成輸出斷開控制;若Idy =2則不允許遠(yuǎn)方管理人員控制。實現(xiàn)

12、以上控制策略的土壤干濕度專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中數(shù)據(jù)庫中的Sj 、T b 、T k 等參數(shù)可由智能控制器在線修改,Idy 值由上位機修改。圖3土壤干濕度專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3中E =(R ,e ,H ,U ,是專家控制系統(tǒng)輸入集,R 是干濕度設(shè)定,H 是修正值,U 是輸出集而K 為數(shù)據(jù)庫已定義的經(jīng)驗知識集。2上位管理計算機系統(tǒng)組態(tài)及監(jiān)控程序開發(fā)以上位機為主的上位管理操作站主要完成初始化參數(shù)設(shè)置、CRT 顯示(總貌畫面、實時趨勢、歷史趨勢、操作及報警記錄畫面、操作(畫面切換、現(xiàn)場遙控、打印(各種報表的隨機、定時打印、后臺數(shù)據(jù)管理5、自檢(實時檢測控制器、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、上位機等的故障,并

13、產(chǎn)生報告信息6等功能。上位機可選用工控機或商用計算機。串行通信控制器選用RS -232/485轉(zhuǎn)換卡PC L -745B 完成與PC 機串口的連接,多臺智能控制器與PC L -745B 的2個獨立RS -485通信口連接,每個節(jié)點有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。而軟件主要由系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件組成。采用W indows98或W indows2000系統(tǒng)軟件。采用VB 來進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控軟件的快速開發(fā)。初始化組態(tài)軟件主要完成通信控制器參數(shù)、智能控制器規(guī)模、被測量報警上下限值設(shè)置等組態(tài)定義,結(jié)果保存在setting.ini 文件中供監(jiān)控軟件調(diào)用。94基于智能控制器的分布式系統(tǒng)研究與應(yīng)用張為民,等監(jiān)控軟

14、件采用Access 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),是實用、直觀的人機接口軟件,設(shè)有豐富的圖形界面以及簡單的菜單和對話框,可以作到內(nèi)容豐富、操作方便。該軟件調(diào)用VB Printer.Print 完成打印任務(wù),并提供在線幫助功能。這里以總貌畫面為例說明監(jiān)控軟件程序的實現(xiàn)。總貌畫面主要集中反映多個智能控制器溫濕度等被監(jiān)測量的實時值(正常為黃色、報警情況(高報粉紅色、低報藍(lán)色、高高報紅色、低低報深藍(lán)色、開關(guān)狀態(tài)(斷開紅色、閉合綠色,并可完成輸出電磁閥(斷開紅色、閉合綠色的手動控制。一幅畫面的顯示數(shù)量由用戶組態(tài)時靈活定義。圖4所示為總貌畫面生成程序流程圖。 圖4總貌畫面生成程序流程圖下面的代碼是根據(jù)組態(tài)結(jié)果產(chǎn)生動態(tài)數(shù)組的

15、程序?qū)崿F(xiàn):Sub InitUI (m As S ingle ,n As S ingle m 、n 分別為兩串口上掛接的控制器總數(shù)Dim i ,j As IntegerDim obj As Variant根據(jù)設(shè)置,產(chǎn)生動態(tài)數(shù)組F or Each obj In colF or i =1T o m +n -1Load obj (i NextNext3分布式系統(tǒng)在聯(lián)片溫室大棚測控項目上的應(yīng)用以控制管理室為中心,南北各分布有二十座二代溫室大棚,最遠(yuǎn)一座距控制管理室不超過1000米,監(jiān)控系統(tǒng)主要完成這四十座聯(lián)片溫室大棚的溫濕度測控及管理功能。該項目的分布式控制系統(tǒng)的上位管理計算機采用工控機,安裝在控制管理

16、室內(nèi),具體配置為:CPUP 800,內(nèi)存64M ,硬盤40G,顯存8M ,CRT 15,通用鍵盤、鼠標(biāo),操作系統(tǒng)W indows2000Professional 。每座溫室大棚的耳房內(nèi)安裝有一臺智能控制器,與現(xiàn)場溫濕度探頭、滴灌控制電磁閥共同組成現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場控制站設(shè)有手動灌溉系統(tǒng)切換裝置,以便在溫室斷電、現(xiàn)場控制器故障、電磁閥故障等情況出現(xiàn)時使用。RS -485總線通信系統(tǒng)選用非屏蔽雙絞線,施工布線采取地埋方式,溝深115米,有PVC 套管保護(hù),并且冗余備用。經(jīng)過安裝、布線、調(diào)試,該分布式系統(tǒng)運行狀態(tài)連續(xù)穩(wěn)定,并通過了張掖市園藝協(xié)會的驗收。至今,主要取得了以下運行效果:監(jiān)測報警功能的投入改

17、善了溫室環(huán)境?？諝?、土壤溫度測量精度為±1(測量范圍為-40+80,空氣、土壤濕度測量精度為±2%RH (測量范圍為090%RH ,非凝結(jié),滿足了溫室生產(chǎn)需要。由于監(jiān)測、報警及時,溫濕度條件可得到有效調(diào)整,降低了雙霉病、炭霉病及疫害病的發(fā)生。減輕了作業(yè)強度,同時也降低了溫室的運營費用。由于報警功能的實時有效,降低了生產(chǎn)人員的工作壓力。而土壤干濕度專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用,避免了人工操作的失誤,使土壤濕度控制精度達(dá)到±3%,實現(xiàn)了灌溉的按需分配,系統(tǒng)運行后平均節(jié)水近1/3。調(diào)度管理的自動化,為農(nóng)業(yè)科研及管理提供了有利的科學(xué)手段?？刂破鹘M態(tài)參數(shù)的在線靈活設(shè)置以及上位監(jiān)控軟件

18、的豐富多樣,為研究作物的最佳培育和生長條件及方法提供了有效手段。同時,各種趨勢圖及報表也為制定生產(chǎn)、經(jīng)營方案提供了科學(xué)的原始數(shù)據(jù)。用高科技手段裝備傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,提高了該領(lǐng)域生產(chǎn)裝置的技術(shù)水平。4結(jié)束語基于單片機技術(shù)的智能控制器應(yīng)用配置靈活,操作簡便。其組成的分布式系統(tǒng)在聯(lián)片溫室大棚測控項目上的應(yīng)用,增加了作物產(chǎn)量,減少了病害的發(fā)生,避免了因誤差或滯后帶來的損失,提高了該領(lǐng)域的自動化生產(chǎn)水平,是較為理想的經(jīng)濟型監(jiān)控裝置,并有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1蔡自興,徐光.人工智能及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,20002胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社,20023呂映芝.編譯原理.清華大學(xué)出版