基于以太网的粒子炉远程测控系统的设计
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摘要
二十一世纪是信息经济的时代,网络成为各项信息交流的热门手段。工业以太网以其独特的优点成为工业控制领域公认的21世纪控制网络的最佳解决方案。目前,基于以太网的工业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统,应用在各个控制领域。
针对目前大多数流态粒子炉的温度、压力控制系统仍存在体积庞大,造价高,加热效率不理想,控制精度往往不能满足要求等缺点,作者在论文工作中尝试基于以太网控制系统的概念,实现一个流态粒子炉温度、压力远程分布式测控系统的设计。该系统由上位机和多个具有以太网接口的现场测控单元组成。现场测控单元的设计包含输入输出通道、以太网接口,并嵌入了实时操作系统μc/Os-Ⅱ和TCP/IP协议。测控单元首先采集粒子炉温度和压力数据,通过以太网传送到作为上位机的工业控制计算机,而上位机依据上传的数据实现参数白整定FUZZY-PID控制算法,然后将所获得的控制数据通过以太网下传给现场测控单元执行,从而实现了粒子炉温度和压力的远程测控。
论文详细阐述了系统的基本原理、结构和测控单元电路的硬件设计,并给出了整个系统的软件实现和集成方法。
21th century is the era of information and network is becoming the hot point in the area of communication that exchanges information. In the field of industry control networks the Ethernet is thought to become the best solution due to its special merits. Nowadays Ethernet based industrial control system is gradually spreading into the area of fieldbus control system and applied in different field of industry control.
The controllers of those already installed fluidized particle furnace exhibit the disadvantages in volume, cost, efficiency and accuracy, and thus guiding to the motivation of this thesis to design an Ethernet-based distributed measurement and control system. The proposed system is composed of a supervisory computer, a number of front-end measurement/control units, and the Ethernet linkage connecting each of these system components. The microcontroller-based front-end units are designed to embody I/O, Ethernet interface, embeddedμC/OS-II and TCP/IP to perform data acquisition and control action output. In such a system, each front-end unit gathers temperatures and pressure of an individual furnace, and transfer the data via Ethernet to the supervisory computer. The computer performs control algorithms such as the self- tuning parameter FUZZY-PID for each furnace and transfer back to the front end also via Ethernet the resulting control action that is used to regulate corresponding executive such as a thyristor controller heater.
The paper gives a detailed description of the thesis work including the basic theory, design principles, system configuration, electronic hardware, as well as the software implementation and the system integration.
针对目前大多数流态粒子炉的温度、压力控制系统仍存在体积庞大,造价高,加热效率不理想,控制精度往往不能满足要求等缺点,作者在论文工作中尝试基于以太网控制系统的概念,实现一个流态粒子炉温度、压力远程分布式测控系统的设计。该系统由上位机和多个具有以太网接口的现场测控单元组成。现场测控单元的设计包含输入输出通道、以太网接口,并嵌入了实时操作系统μc/Os-Ⅱ和TCP/IP协议。测控单元首先采集粒子炉温度和压力数据,通过以太网传送到作为上位机的工业控制计算机,而上位机依据上传的数据实现参数白整定FUZZY-PID控制算法,然后将所获得的控制数据通过以太网下传给现场测控单元执行,从而实现了粒子炉温度和压力的远程测控。
论文详细阐述了系统的基本原理、结构和测控单元电路的硬件设计,并给出了整个系统的软件实现和集成方法。
21th century is the era of information and network is becoming the hot point in the area of communication that exchanges information. In the field of industry control networks the Ethernet is thought to become the best solution due to its special merits. Nowadays Ethernet based industrial control system is gradually spreading into the area of fieldbus control system and applied in different field of industry control.
The controllers of those already installed fluidized particle furnace exhibit the disadvantages in volume, cost, efficiency and accuracy, and thus guiding to the motivation of this thesis to design an Ethernet-based distributed measurement and control system. The proposed system is composed of a supervisory computer, a number of front-end measurement/control units, and the Ethernet linkage connecting each of these system components. The microcontroller-based front-end units are designed to embody I/O, Ethernet interface, embeddedμC/OS-II and TCP/IP to perform data acquisition and control action output. In such a system, each front-end unit gathers temperatures and pressure of an individual furnace, and transfer the data via Ethernet to the supervisory computer. The computer performs control algorithms such as the self- tuning parameter FUZZY-PID for each furnace and transfer back to the front end also via Ethernet the resulting control action that is used to regulate corresponding executive such as a thyristor controller heater.
The paper gives a detailed description of the thesis work including the basic theory, design principles, system configuration, electronic hardware, as well as the software implementation and the system integration.
引文
[1]黄一夫.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.
[2]阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[3]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[4]魏庆福.现场总线技术的发展与工业以太网综述[J].工业控制计算机.2002,vol15,No.1.
[5]王廷尧.以太网技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[6]冯东芹等.工业以太网及其应用技术讲座,第四讲:工业以太网在工业控制中的实时性问题[J].自动化仪表,2003,24(7),67-70.
[7]李宇,徐洲.刚玉流动粒子炉渗碳浓度场的非线性有限元法模拟[J].机械工程材料,2001(1):11-13.
[8]陆志华.保护气氛流动粒子炉的研制[J].上海金属,2003,7:42-45.
[9]沙占友,王彦朋,孟志永等编著.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2003
[10]Analog Devices.Understanding the Serial Download Protocol[EB/OL].http://www.analog.com/microconver.2004.4
[11]周铁成,张帆,别至,李超.电气设备上地线的处理方法[J].电子工业专用设备,2002(2):23-35
[12]刘光斌,刘冬,姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社,2003
[13]Toshiba.TLP521 Datasheet[EB/OL].http://www.21ic.com.1998.2.17.
[14]Texas Instrument.TIL300 Datasheet[EB/OL].http://www.all datasheet.com,1996.7.21.
[15]Realtek.RTL8019AS Datasheet[EB/OL].http://www.realtek.com.tw,2005.8.26.
[16]曹宇,魏丰,胡士毅.用51单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯[J].电子技术应用.2003,1:21-22.
[17]陈金花.基于智能仪表的电阻炉温度控制系统的设计及其应用[D].江苏大学,2007.
[18][美]Jean J.Labrosse著.邵贝贝等译.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ(第二版.北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[19]任哲编著.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[20]叶丰桥,黄海.UCOS-11在51XA上的移植应用[J].工业控制计算机.2002(4).
[21]徐爱钧,彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].北京:电子工业出版社,2004.
[22]Stevens,TCP/IP详解,卷1:协议,机械工业出版社,2000.4.
[23]Stevens,TCP/IP详解,卷2:实现,机械工业出版社,2000.4.
[24]Adam Dunkels.The uIP Embedded TCP/IP Stack-The uIP 1.0 Reference Manul[EB/OL].http://www.sics.se/～adam/uip/,2006.
[25]裴晓刚μC/OS-Ⅱ下TCP/IP协议栈研究与实现[D].西北工业大学,2005
[26]邓治国,张维新.uIP_TCP/IP协议栈在51系列单片机上的应用[J].微计算机信息,2004.Vo120.No3:88-90.
[27]张懿慧,陈泉林.源码公开的TCP/IP协议栈在远程监测中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2004.11:61-64.
[28]黄琛.51系列微处理器上操作系统和网络协议栈移植的研究[D].华中科技大学,2004.
[29]何璐.工业以太网中的测控节点的设计[D].合肥工业大学,2007.
[30]李明.温度压力控制系统的实现与数字模块的VHDL仿真[D].南京航空航天大学,2003.
[31]符永逸.智能型温度控制器的研制[D].武汉理工大学,2006.
[32]Analog Devices.Using the ADμC834 C-library[EB/OL].http://www.analog.corn/microconverter,2001.12.1.
[33]Analog Devices.ADμC834 Datasheet[EB/OL].http://www.analog.com,2003.9.16.
[34]屠乃威,付华,阎馨.参数自适应模糊PID控制器在温度控制系统中的应用[J].微计算机信息,2005,6.
[35]吴彬,模糊控制在计算机监控系统中的应用[D].西北工业大学,2007.
[36]易灵芝,王根平,菜让平.基于蓝牙技术的远程测温系统的设计[J].
[37]周根荣,姜平,陈瑞祥.基于C8051F单片机的远程温湿度监控系统[J].仪表技术与传感器,2005,12.
[38]孙磊.工业以太网控制系统研究[D].合肥工业大学,2004.
[39]马忠梅等,单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.12
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