基于智能控制器的分布式系统研究与应用

1、基于智能控制器的分布式系统研究与应用Re search and Application of Distributed Control Syste m Based on Intelligent Controller张为民1张梅红2(华南理工大学机械工程学院1,广州510640;张掖市蔬菜局2,张掖734000摘要介绍了一种分布式控制系统在温湿度测控领域的应用,重点讲述了以单片机AT 89C51为核心的智能控制器研究。该系统可完成被测量的现场显示、报警及复杂控制。数据自动存储及上传等,由管理计算机完成数据的分析、显示并打印多种曲线和报表。关键词AT 89C51分布式控制系统控制策略专家智能控制器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引言在粮食仓储、制药、温室大棚等领域实施温湿度的自动测量与控制领域由于系统投资有限,同时,被控对象大时滞、非线性特点明显,所以一些常规算法如传统的PID ,往往控制效果不理想。我们以单片机AT 89C51为核心,结合专家控制的特点1,成功研制了可单机使用、具有较高性能/价格比的智能控制器。同时,通过RS 2485将由多台控制器组成的现场控制站和上位管理操作站构成分布式系统,并且在联片温室大棚测控项目上得到了成功的应用。1现场控制站研制1.1输入、输出信号温度与湿度传感器分别选用具有线性(05V 输出的LM 35与IH3605。由于

5、在不同温度下湿度传感器的线性率会发生变化,故需进行比例和偏差系数校正。以单片机AT 89C51为核心的智能控制器,通过测量值修正专家系统,完成实时测量值的修正。该专家系统建有知识库(静态数据库和动态数据库,并结合推理算子完成实时湿度信号的采集。其中静态数据库存储可在线修改的设置参数(如多组比例、偏差系数,动态数据库存储实时温度、湿度值。所采集的湿度参数可用以下公式表示:H =f (T ,a ,b ,y (1式中:T 为动态温度;a 为比例系数;b 为偏差系数;y 为A/D 转换值。推理算子主要为:真实RH =y/(110546-0100216T (2修正RH =真实RH ×a +b(

6、3智能控制器输出为3路开关量信号(220VAC/24VDC 继电器输出,可控制交(直流电磁阀。1.2现场智能控制器现场智能控制器不仅能够多路参量检测、自动记录、轮流显示、存储和实时数据传送、进行声光报警,而且能够完成参数组态输入及在线修改复杂过程的手/自动控制以及信号自动校准和故障自动诊断功能1。主要由前置I/O 单元、A/D 单元、DO 单元、报警单元、单片机单元、LE D 单元、键盘单元、存储单元、串行通信单元、电源等几部分组成24。8路低通滤波电路将现场检测到的05V 标准信号进行隔离变换,经8位逐次逼近A/D 转换器TC L0834巡回转换为数字量,选中地址0x97H;DO 单元经光电

7、隔离电路,完成3路220VAC/24VDC 继电器输出,选中地址0x80H 、0x81H 、0x82H;报警单元驱动蜂鸣器、发光二极管完成声光报警功能;单片机单元AT 89C51完成主控程序运行和数据处理功能;存储单元X 25045完成主控程序和参数的存储,选中地址0x94H;LE D 单元完成4位LE D 数据显示;键盘单元完成3个按键功能,分别为通道选择键(可输入16组参数、增加键、减少键,选中地址0x90H 、0xB3H 、0xB2H;串行通讯单元75LBC184完成网络与AT 89C51之间数据通信,选中地址0x96H;电源单元完成交流220V 电源到直流工作电源的转换,功耗小于5W

8、。图1所示为84自动化仪表第26卷第7期2005年7月PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION V ol.26N o.7July 2005现场智能控制器系统原理框图 。图1现场智能控制器系统原理框图以串行通信单元为例,说明智能控制器通信功能软硬件的实现方法。在硬件线路中将串行通信单元75LBC184的“D 、R ”管脚连接至AT 89C51“RX 、TX ”管脚,“RE 、DE ”管脚连接至AT 89C51“P 16”管脚,“B 、A ”管脚外接RS 2485串行通信网。AT 89C51选中地址0x96H 对75LBC184完成通信编程。通信速率为2400波特率

9、,遵循IEC870-5-1数据传输协议,两线制RS 2485连接方式,通信站点距离可达1200米 。图2串行口控制寄存器SC ON 设置示意图图2所示为AT 89C51串行口控制寄存器SC ON 设置示意图。本系统中SC ON 设置为0xd0H 。S M 0、S M 1为“1”、“1”,即为串行工作方式3。RE N 为“1”,即允许串口接收数据。另外,还应设置控制寄存器TC ON 、中断允许控制寄存器以及中断优先级控制寄存器IP 的相应位。具体的C 语言初始化程序如下:v oid sp init (SC ON =0xd0;设置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;设置定时器工作方式G C M 1M 0(2400BAUD 12MHZ TC ON =0x50;设置TC ON 控制字 TF1TR1TF0TR0IE1IT 1IE0IT 0,电平触发TH1=0x f3;设置波特率2400BAUD T L0=0x12;TH0=0x34;IE =0x92;设置E A =1、ES =1、ET 0=1,开放串口中断IP =0x10;设置PS =1,串口优先级高sp sm =0;初始化数据包TX E N =0;1.3现场智能控制器控制功能实现现场智能控制器的自动控制功能,主要指控制程序通过读入组态参数值,调用控制算法完成各

11、种控制功能。如本地控制、远方控制、持续控制、间歇控制等。这里以本地或远方土壤干湿度控制为例作一说明。首先,基本的专家智能控制策略如下:本地控制自动间歇式控制。若检测值低于设定值Sj ,且持续一定时间T b 后,则输出继电器闭合(如用于继电器开通供水阀门。然后断开一段时间T k ,再根据测量值决定是否继续输出闭合;µ手动控制。直接控制输出闭合或断开。远方控制设置允许标志Idy 。若Idy =1则远方管理人员可进行自动间歇式控制(如本地控制;µ若Idy =2则远方管理人员完成输出闭合控制;若Idy =3则远方管理人员完成输出断开控制;若Idy =2则不允许远方管理人员控制。实现

12、以上控制策略的土壤干湿度专家控制系统结构如图3所示。其中数据库中的Sj 、T b 、T k 等参数可由智能控制器在线修改,Idy 值由上位机修改。图3土壤干湿度专家控制系统结构框图图3中E =(R ,e ,H ,U ,是专家控制系统输入集,R 是干湿度设定,H 是修正值,U 是输出集而K 为数据库已定义的经验知识集。2上位管理计算机系统组态及监控程序开发以上位机为主的上位管理操作站主要完成初始化参数设置、CRT 显示(总貌画面、实时趋势、历史趋势、操作及报警记录画面、操作(画面切换、现场遥控、打印(各种报表的随机、定时打印、后台数据管理5、自检(实时检测控制器、网络通信系统、上位机等的故障,并

13、产生报告信息6等功能。上位机可选用工控机或商用计算机。串行通信控制器选用RS -232/485转换卡PC L -745B 完成与PC 机串口的连接,多台智能控制器与PC L -745B 的2个独立RS -485通信口连接,每个节点有唯一的网络地址。而软件主要由系统软件、组态软件、监控软件组成。采用W indows98或W indows2000系统软件。采用VB 来进行系统组态和监控软件的快速开发。初始化组态软件主要完成通信控制器参数、智能控制器规模、被测量报警上下限值设置等组态定义,结果保存在setting.ini 文件中供监控软件调用。94基于智能控制器的分布式系统研究与应用张为民,等监控软

14、件采用Access 数据库结构,是实用、直观的人机接口软件,设有丰富的图形界面以及简单的菜单和对话框,可以作到内容丰富、操作方便。该软件调用VB Printer.Print 完成打印任务,并提供在线帮助功能。这里以总貌画面为例说明监控软件程序的实现。总貌画面主要集中反映多个智能控制器温湿度等被监测量的实时值(正常为黄色、报警情况(高报粉红色、低报蓝色、高高报红色、低低报深蓝色、开关状态(断开红色、闭合绿色,并可完成输出电磁阀(断开红色、闭合绿色的手动控制。一幅画面的显示数量由用户组态时灵活定义。图4所示为总貌画面生成程序流程图。 图4总貌画面生成程序流程图下面的代码是根据组态结果产生动态数组的

15、程序实现:Sub InitUI (m As S ingle ,n As S ingle m 、n 分别为两串口上挂接的控制器总数Dim i ,j As IntegerDim obj As Variant根据设置,产生动态数组F or Each obj In colF or i =1T o m +n -1Load obj (i NextNext3分布式系统在联片温室大棚测控项目上的应用以控制管理室为中心,南北各分布有二十座二代温室大棚,最远一座距控制管理室不超过1000米,监控系统主要完成这四十座联片温室大棚的温湿度测控及管理功能。该项目的分布式控制系统的上位管理计算机采用工控机,安装在控制管理

16、室内,具体配置为:CPUP 800,内存64M ,硬盘40G,显存8M ,CRT 15,通用键盘、鼠标,操作系统W indows2000Professional 。每座温室大棚的耳房内安装有一台智能控制器,与现场温湿度探头、滴灌控制电磁阀共同组成现场控制站。现场控制站设有手动灌溉系统切换装置,以便在温室断电、现场控制器故障、电磁阀故障等情况出现时使用。RS -485总线通信系统选用非屏蔽双绞线,施工布线采取地埋方式,沟深115米,有PVC 套管保护,并且冗余备用。经过安装、布线、调试,该分布式系统运行状态连续稳定,并通过了张掖市园艺协会的验收。至今,主要取得了以下运行效果:监测报警功能的投入改

17、善了温室环境。空气、土壤温度测量精度为±1(测量范围为-40+80,空气、土壤湿度测量精度为±2%RH (测量范围为090%RH ,非凝结,满足了温室生产需要。由于监测、报警及时,温湿度条件可得到有效调整,降低了双霉病、炭霉病及疫害病的发生。减轻了作业强度,同时也降低了温室的运营费用。由于报警功能的实时有效,降低了生产人员的工作压力。而土壤干湿度专家控制系统的应用,避免了人工操作的失误,使土壤湿度控制精度达到±3%,实现了灌溉的按需分配,系统运行后平均节水近1/3。调度管理的自动化,为农业科研及管理提供了有利的科学手段。控制器组态参数的在线灵活设置以及上位监控软件

18、的丰富多样,为研究作物的最佳培育和生长条件及方法提供了有效手段。同时,各种趋势图及报表也为制定生产、经营方案提供了科学的原始数据。用高科技手段装备传统农业生产领域,提高了该领域生产装置的技术水平。4结束语基于单片机技术的智能控制器应用配置灵活,操作简便。其组成的分布式系统在联片温室大棚测控项目上的应用,增加了作物产量,减少了病害的发生,避免了因误差或滞后带来的损失,提高了该领域的自动化生产水平,是较为理想的经济型监控装置,并有着广阔的推广应用前景。参考文献1蔡自兴,徐光.人工智能及其应用.清华大学出版社,20002胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社,20023吕映芝.编译原理.清华大学出版