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(jī)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(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用,重點(diǎn)講述了以單片機(jī)AT 89C51為核心的智能控制器研究。該系統(tǒng)可完成被測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)顯示、報(bào)警及復(fù)雜控制。數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)及上傳等,由管理計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析、顯示并打印多種曲線和報(bào)表。關(guān)鍵詞AT 89C51分布式控制系統(tǒng)控制策略專(zhuān)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(cāng)儲(chǔ)、制藥、溫室大棚等領(lǐng)域?qū)嵤貪穸鹊淖詣?dòng)測(cè)量與控制領(lǐng)域由于系統(tǒng)投資有限,同時(shí),被控對(duì)象大時(shí)滯、非線性特點(diǎn)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(jī)AT 89C51為核心,結(jié)合專(zhuān)家控制的特點(diǎn)1,成功研制了可單機(jī)使用、具有較高性能/價(jià)格比的智能控制器。同時(shí),通過(guò)RS 2485將由多臺(tái)控制器組成的現(xiàn)場(chǎng)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(cè)控項(xiàng)目上得到了成功的應(yīng)用。1現(xiàn)場(chǎng)控制站研制1.1輸入、輸出信號(hào)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(huì)發(fā)生變化,故需進(jìn)行比例和偏差系數(shù)校正。以單片機(jī)AT 89C51為核心的智能控制器,通過(guò)測(cè)量值修正專(zhuān)家系統(tǒng),完成實(shí)時(shí)測(cè)量值的修正。該專(zhuān)家系統(tǒng)建有知識(shí)庫(kù)(靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù),并結(jié)合推理算子完成實(shí)時(shí)濕度信號(hào)的采集。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)可在線修改的設(shè)置參數(shù)(如多組比例、偏差系數(shù),動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)RH =y/(110546-0100216T (2修正RH =真實(shí)RH ×a +b(

6、3智能控制器輸出為3路開(kāi)關(guān)量信號(hào)(220VAC/24VDC 繼電器輸出,可控制交(直流電磁閥。1.2現(xiàn)場(chǎng)智能控制器現(xiàn)場(chǎng)智能控制器不僅能夠多路參量檢測(cè)、自動(dòng)記錄、輪流顯示、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送、進(jìn)行聲光報(bào)警,而且能夠完成參數(shù)組態(tài)輸入及在線修改復(fù)雜過(guò)程的手/自動(dòng)控制以及信號(hào)自動(dòng)校準(zhǔn)和故障自動(dòng)診斷功能1。主要由前置I/O 單元、A/D 單元、DO 單元、報(bào)警單元、單片機(jī)單元、LE D 單元、鍵盤(pán)單元、存儲(chǔ)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(chǎng)檢測(cè)到的05V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(bào)警單元驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、發(fā)光二極管完成聲光報(bào)警功能;單片機(jī)單元AT 89C51完成主控程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理功能;存儲(chǔ)單元X 25045完成主控程序和參數(shù)的存儲(chǔ),選中地址0x94H;LE D 單元完成4位LE D 數(shù)據(jù)顯示;鍵盤(pán)單元完成3個(gè)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(dòng)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(chǎng)智能控制器系統(tǒng)原理框圖 。圖1現(xiàn)場(chǎng)智能控制器系統(tǒng)原理框圖以串行通信單元為例,說(shuō)明智能控制器通信功能軟硬件的實(shí)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(duì)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(diǎn)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(jí)控制寄存器IP 的相應(yīng)位。具體的C 語(yǔ)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(shí)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(kāi)放串口中斷IP =0x10;設(shè)置PS =1,串口優(yōu)先級(jí)高sp sm =0;初始化數(shù)據(jù)包TX E N =0;1.3現(xiàn)場(chǎng)智能控制器控制功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能控制器的自動(dòng)控制功能,主要指控制程序通過(guò)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(shuō)明。首先,基本的專(zhuān)家智能控制策略如下:本地控制自動(dòng)間歇式控制。若檢測(cè)值低于設(shè)定值Sj ,且持續(xù)一定時(shí)間T b 后,則輸出繼電器閉合(如用于繼電器開(kāi)通供水閥門(mén)。然后斷開(kāi)一段時(shí)間T k ,再根據(jù)測(cè)量值決定是否繼續(xù)輸出閉合;µ手動(dòng)控制。直接控制輸出閉合或斷開(kāi)。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(dòng)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(kāi)控制;若Idy =2則不允許遠(yuǎn)方管理人員控制。實(shí)現(xiàn)

12、以上控制策略的土壤干濕度專(zhuān)家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)修改。圖3土壤干濕度專(zhuān)家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3中E =(R ,e ,H ,U ,是專(zhuān)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(kù)已定義的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)集。2上位管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組態(tài)及監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)以上位機(jī)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(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)、操作及報(bào)警記錄畫(huà)面、操作(畫(huà)面切換、現(xiàn)場(chǎng)遙控、打印(各種報(bào)表的隨機(jī)、定時(shí)打印、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理5、自檢(實(shí)時(shí)檢測(cè)控制器、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、上位機(jī)等的故障,并

13、產(chǎn)生報(bào)告信息6等功能。上位機(jī)可選用工控機(jī)或商用計(jì)算機(jī)。串行通信控制器選用RS -232/485轉(zhuǎn)換卡PC L -745B 完成與PC 機(jī)串口的連接,多臺(tái)智能控制器與PC L -745B 的2個(gè)獨(dú)立RS -485通信口連接,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(lái)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和監(jiān)控軟件的快速開(kāi)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(cè)量報(bào)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(kù)結(jié)構(gòu),是實(shí)用、直觀的人機(jī)接口軟件,設(shè)有豐富的圖形界面以及簡(jiǎn)單的菜單和對(duì)話(huà)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(huà)面為例說(shuō)明監(jiān)控軟件程序的實(shí)現(xiàn)。總貌畫(huà)面主要集中反映多個(gè)智能控制器溫濕度等被監(jiān)測(cè)量的實(shí)時(shí)值(正常為黃色、報(bào)警情況(高報(bào)粉紅色、低報(bào)藍(lán)色、高高報(bào)紅色、低低報(bào)深藍(lán)色、開(kāi)關(guān)狀態(tài)(斷開(kāi)紅色、閉合綠色,并可完成輸出電磁閥(斷開(kāi)紅色、閉合綠色的手動(dòng)控制。一幅畫(huà)面的顯示數(shù)量由用戶(hù)組態(tài)時(shí)靈活定義。圖4所示為總貌畫(huà)面生成程序流程圖。 圖4總貌畫(huà)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(dòng)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(dòng)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(cè)控項(xiàng)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(guò)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(cè)控及管理功能。該項(xiàng)目的分布式控制系統(tǒng)的上位管理計(jì)算機(jī)采用工控機(jī),安裝在控制管理

16、室內(nèi),具體配置為:CPUP 800,內(nèi)存64M ,硬盤(pán)40G,顯存8M ,CRT 15,通用鍵盤(pán)、鼠標(biāo),操作系統(tǒng)W indows2000Professional 。每座溫室大棚的耳房?jī)?nèi)安裝有一臺(tái)智能控制器,與現(xiàn)場(chǎng)溫濕度探頭、滴灌控制電磁閥共同組成現(xiàn)場(chǎng)控制站。現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)有手動(dòng)灌溉系統(tǒng)切換裝置,以便在溫室斷電、現(xiàn)場(chǎng)控制器故障、電磁閥故障等情況出現(xiàn)時(shí)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(guò)安裝、布線、調(diào)試,該分布式系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)穩(wěn)定,并通過(guò)了張掖市園藝協(xié)會(huì)的驗(yàn)收。至今,主要取得了以下運(yùn)行效果:監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的投入改

17、善了溫室環(huán)境。空氣、土壤溫度測(cè)量精度為±1(測(cè)量范圍為-40+80,空氣、土壤濕度測(cè)量精度為±2%RH (測(cè)量范圍為090%RH ,非凝結(jié),滿(mǎn)足了溫室生產(chǎn)需要。由于監(jiān)測(cè)、報(bào)警及時(shí),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(qiáng)度,同時(shí)也降低了溫室的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。由于報(bào)警功能的實(shí)時(shí)有效,降低了生產(chǎn)人員的工作壓力。而土壤干濕度專(zhuān)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(shí)現(xiàn)了灌溉的按需分配,系統(tǒng)運(yùn)行后平均節(jié)水近1/3。調(diào)度管理的自動(dòng)化,為農(nóng)業(yè)科研及管理提供了有利的科學(xué)手段。控制器組態(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(zhǎng)條件及方法提供了有效手段。同時(shí),各種趨勢(shì)圖及報(bào)表也為制定生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)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(yǔ)基于單片機(jī)技術(shù)的智能控制器應(yīng)用配置靈活,操作簡(jiǎn)便。其組成的分布式系統(tǒng)在聯(lián)片溫室大棚測(cè)控項(xiàng)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(lái)的損失,提高了該領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)水平,是較為理想的經(jīng)濟(jì)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(jī)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