摘 要：針對傳統(tǒng)控制中自動化程度較低的問題，研制了智能工業(yè)循環(huán)水加藥控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于TI公司的32位定點DSPTMS320C2812，由下位機(jī)和上住機(jī)兩部分組成，實現(xiàn)了現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合。本系統(tǒng)的獨特之處就是利用TMS320C2812的事件管理器產(chǎn)生PWM信號進(jìn)行調(diào)理后作為D／A輸出，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低了硬件成本，同時系統(tǒng)可以隨時實現(xiàn)自動和手動控制的靈活切換。
1 引 言
工業(yè)循環(huán)水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是按照工藝要求投加各種藥劑，以此來保證優(yōu)良的水質(zhì)。傳統(tǒng)的藥劑投加主要是依靠人工進(jìn)行。操作者的實際經(jīng)驗在這種加藥方法中起決定作用，不能滿足藥劑的精確投加。為此，我們針對國內(nèi)工業(yè)水處理行業(yè)的工藝要求，并吸取了國內(nèi)外同行加藥控制系統(tǒng)的優(yōu)點，研制了適合國內(nèi)特點的智能循環(huán)水加藥控制器。該控制系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，實現(xiàn)了現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
智能循環(huán)水加藥控制系統(tǒng)是針對循環(huán)水處理現(xiàn)場設(shè)計的。需要滿足的功能是實現(xiàn)水處理過程中的自動加藥和自動排污。比如說在現(xiàn)場pH值高于一定值時系統(tǒng)要能實現(xiàn)自動加酸，而低于一定值時要實現(xiàn)自動加堿；而在雜質(zhì)多于一定值時要能自動加氯排污等。本系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)實現(xiàn)現(xiàn)場水質(zhì)數(shù)據(jù)采集以及控制現(xiàn)場各個泵的動作，上位機(jī)主要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方式采用RS．485實現(xiàn)。下位機(jī)主要由輸入信號調(diào)理部分、DSP控制部分、輸出信號調(diào)理部分、本地面板顯示部分組成。首先將現(xiàn)場的傳感器采集信號諸如pH值傳感器信號、ORP傳感器信號、TEMP傳感器信號、COND傳感器信號等進(jìn)行調(diào)理，使這些傳感器的輸出信號統(tǒng)一調(diào)理成0．6— 3 V的電平信號，控制器采用TI公司的32位定點TMS320C2812，該DSP芯片帶有16路12位的AD輸入，足夠滿足現(xiàn)場精度要求，所以本系統(tǒng)不需要另外加A／D轉(zhuǎn)換芯片。我們把調(diào)理的0～3 V的電平信號直接接人TMS320C2812的A／D口。根據(jù)這些電平信號的大小就能知道現(xiàn)在水的各種時參數(shù)值。比如pH值，當(dāng)pH為7時，轉(zhuǎn)換的輸入信號為1．8 V，當(dāng)pH為14時．轉(zhuǎn)換的輸入信號為0．6 V，當(dāng)pH為0時，轉(zhuǎn)換的輸入信號為3 V，然后系統(tǒng)希望的pH值通過上位機(jī)設(shè)定發(fā)送給DSP。DSP把系統(tǒng)希望的值作為設(shè)定值，而把剛才pH通道A／D輸入的值作為反饋值，采用位置增量PID算法，設(shè)定值和反饋值的差作為偏差來實現(xiàn)加酸加堿量的計算。DSP再把這個計算結(jié)果值送給D／A。本系統(tǒng)中D／A我們采用
MAX5250B和DSP產(chǎn)生的PWM信號調(diào)理實現(xiàn)，然后再把D／A的輸出電壓信號進(jìn)行調(diào)理和電壓轉(zhuǎn)電流變成4～20 mA的電流信號來控制現(xiàn)場加酸加堿泵的動作。其它信號的控制思路和pH控制完全一樣。同時在控制現(xiàn)場還有一個顯示面板，該顯示面板由顯示和鍵盤輸入兩部分組成。顯示主要顯示當(dāng)前水質(zhì)的一些重要參數(shù)，比如pH值、ORP值、TEMP值、COND值等。鍵盤輸入主要完成一些傳感器的標(biāo)定作用，這將在本文的后續(xù)部分作具體介紹。顯示板和控制器之間采用RS．485通信方式實現(xiàn)。用一臺工控機(jī)作為上位機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控作用，上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方式也采用RS．485。上位機(jī)主要顯示當(dāng)前水質(zhì)的參數(shù)和各泵的工作狀態(tài)，并將水質(zhì)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)保存人數(shù)據(jù)庫，可在需要的時候進(jìn)行查詢。同時還實現(xiàn)一些設(shè)定操作，手動控制等功能。當(dāng)上位機(jī)設(shè)置為手動操作時，此時控制器所有輸出為0，現(xiàn)場各泵的操作可以由人來手動控制，這樣可以實現(xiàn)檢修工作。同時在監(jiān)控現(xiàn)場還有一臺PLC控制器作為備用監(jiān)控系統(tǒng)。該P(yáng)LC控制器采用西門子公司的$7-200系列的CPU221XP，加上一些擴(kuò)展數(shù)字輸入、模擬輸入模塊等組成。PLC和控制器間的通信采用RS一485通信協(xié)議(其優(yōu)點在于通信距離較長)。系統(tǒng)整個硬件框圖如圖1所示。
3 利用TMS320C2812的I／O， 口產(chǎn)生PWM 信號作為D／A輸出
本系統(tǒng)的模擬量輸出有10路，如果都采用D／A轉(zhuǎn)換芯片無疑增加了系統(tǒng)的硬件成本。由于TMS320C2812具有兩個事件管理器，可以用來產(chǎn)生六路獨立的PWM波信號。本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點就是直接利用TMS320C2812的時間管理器產(chǎn)生六路獨立的PWM信號濾波后作為系統(tǒng)需要的D／A輸出。另外4路輸出信號采用一塊MAX5250B的D／A芯片來實現(xiàn)。
本系統(tǒng)設(shè)計中采用事件管理器來產(chǎn)生PWM輸出。這需要對事件管理器中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，步驟如下：① 設(shè)置和裝載ACTRX；② 初始化CMPR；@設(shè)置和裝載COMCONX；④設(shè)置和裝載T1 CON(對應(yīng)于EVA)或T3CON(對應(yīng)于EVB)來啟動操作；⑤ 將新變化的值重新寫入CMPRX。
按以上步驟編程后產(chǎn)生的PWM信號要想作為本系統(tǒng)的DA輸出，還必須對其進(jìn)行濾波調(diào)理，該濾波調(diào)理電路如圖2所示。
圖2 PWM信號濾波調(diào)理作為D／A輸出電路圖
傳統(tǒng)的智能儀表標(biāo)定一般采用專用的標(biāo)定工作臺，它由工控機(jī)、各類標(biāo)準(zhǔn)信號源、UPS后備電源等組成。標(biāo)定工作臺體積龐大、接線復(fù)雜、價格高昂，一般只在生產(chǎn)廠家或?qū)嶒炇沂褂茫S修維護(hù)人員無法在現(xiàn)場對智能儀表進(jìn)行二次標(biāo)定，在智能儀表測量系統(tǒng)中，需要對外界各種信號進(jìn)行測量。測量過程一般是先用傳感器把外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后用A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號。但是不同的傳感器輸出信號范圍不同，同一傳感器在不同的環(huán)境中輸出的同樣信號并不代表同一種情況。比如說在不同溫度下，同樣的pH值，同一pH傳感器輸出的信號也會有變化。這樣就會在現(xiàn)場測量時造成誤差。因此在測量現(xiàn)場就需要經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定一般是借助于數(shù)學(xué)解析表達(dá)式來編寫程序，從而達(dá)到標(biāo)定的目的。比如說現(xiàn)在pH值傳感器輸出的信號表示pH值為7．8，但是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試計測量出實際pH值為7．9，那么就需要
通過設(shè)定操作修正輸出結(jié)果把當(dāng)前結(jié)果強(qiáng)制變換為7．9。標(biāo)定有單點標(biāo)定法和兩點標(biāo)定法兩種。單點標(biāo)定法主要采用先把系統(tǒng)零點測試好，然后利用當(dāng)前實際值和零點值進(jìn)行標(biāo)定。而兩點標(biāo)定法則不需要測試零點，而只需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試計得出兩個實際值即可實現(xiàn)標(biāo)定。以本系統(tǒng)的pH值傳感器標(biāo)定為例來說明單點標(biāo)定法的原理。通過系統(tǒng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)pH值傳感器在pH值為7時經(jīng)過信號調(diào)理輸出給TMS320C2812的A／D 的電壓值為1．8 V，而TMS320C2812的A／D為12位，也就是它的實際測量值在0—4 096之間。1．8 V正好是A／D滿量程3V的3／5。故pH值實際零點在TMS320C2812中反映為2457，也就是說2457是它的零點。在標(biāo)定前的默認(rèn)算法中把傳感器輸出信號0 V電平對應(yīng)為pH值的14，即TMS320C2812的A／D采樣值對應(yīng)為0。假設(shè)某一時刻DSP采樣值為X，則此時計算pH值公式Y(jié)如下所示：
假設(shè)某一時刻DSP采樣值為3 000，根據(jù)式(1) 計算的pH值為4．68。如果系統(tǒng)某一時刻采樣值為V， 實際pH值為U，那么系統(tǒng)采樣值為X 時刻的實際pH值Y 就要用如下公式進(jìn)行計算：
在本設(shè)計中系統(tǒng)開始采用的算法為式(1)，當(dāng)接收到標(biāo)定命令時系統(tǒng)軟件自動切換到式(2)算法中來。
上面就是單點標(biāo)定的原理，只要根據(jù)某一時刻的實際值進(jìn)行標(biāo)定即可。
雙點標(biāo)定就是根據(jù)兩個時刻的實際值進(jìn)行標(biāo)定。比如說系統(tǒng)在某一時刻采樣值為U，此時實際的pH值為M，在另一時刻的采樣值為V，實際值為 N。那么在系統(tǒng)采樣值為某個X 時刻的實際pH值Y就由下式來確定：
由式(2)、(3)看出單點標(biāo)定比雙點標(biāo)定算法要簡單，但是單點標(biāo)定有一個缺點，就是不能在零點附近標(biāo)定。因為根據(jù)式(2)可以知道，在pH=7時進(jìn)行標(biāo)定的話就會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)分母為0，這樣等式就會出現(xiàn)不定值。目前應(yīng)用較多的還是單點標(biāo)定法。
5 TMS320C2812的串口通信
本系統(tǒng)中各模塊問的通信都采用RS-485通信。而這實際利用串口通信加上一塊MAX485芯片將串口通信變換成RS-485通信來實現(xiàn)的。因此本節(jié)介紹一下TMS320C2812的串口通信的實現(xiàn)過程。TMS320C2812的SCI口除具有普通串口的特點外，還具有以下特點：發(fā)送和接收均有一個16級深度的FIFO，可編程64K種不同的波特率，可編程8—16位數(shù)據(jù)長度，空閑線和地址位兩種喚醒多處理器模式，奇偶校驗、過載、幀錯誤和問斷監(jiān)測共4個錯誤檢測標(biāo)志，半雙工或全雙工操作模式，可工作于中斷或查詢方式，具有獨立的接收和發(fā)送中斷使能位。利用TMS320C2812的SCI口進(jìn)行串行通信主要有查詢和中斷兩種模式。中斷模式下需要選擇中斷優(yōu)先級和設(shè)置中斷使能位，除此外，兩種方式都需要設(shè)置操作方式和協(xié)議、字符長度、奇偶校驗、停止位的位數(shù)以及波特率值等操作。所有這些操作都是通過設(shè)置寄存器來實現(xiàn)的。本設(shè)計系統(tǒng)中采用中斷方式實現(xiàn)系統(tǒng)的通信。下面是采用中斷方式進(jìn)行通信的串口初始化程序：
6 結(jié)束語
根據(jù)循環(huán)水處理工藝過程的技術(shù)要求，本智能循環(huán)水控制器從控制系統(tǒng)的硬件配置到應(yīng)用程序設(shè)計以及多種加藥控制方案的實現(xiàn)，都系統(tǒng)地考慮了工業(yè)循環(huán)水處理過程的實際情況。尤其是通過DSP的事件管理器輸出PWM波作為D／A輸出節(jié)省了系統(tǒng)成本，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面直觀靈活，操作簡便。控制系統(tǒng)實現(xiàn)的各項功能均滿足工藝要求，取得了良好的應(yīng)用效果。
作者：北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院自動化系 江存勝，段建民，綦慧，李大慶，倪少強(qiáng)
參考文獻(xiàn)：
[1] 張紅濤，等．5l單片機(jī)和Pc機(jī)串行通信系統(tǒng)設(shè)計[J]．化工自動化及儀表，2005，32(4)．
[2] 楊捷，朱春剛，徐志華．基于WINCE的智能儀表標(biāo)定系統(tǒng)[J]．化工自動化及儀表，2005，32(4)．
