基于Lonworks技術(shù)的模糊控制智能節點(diǎn)的設計

1、引 言

在化工生產(chǎn)中，溫度通常是一個(gè)重要的控制參數，對于一些過(guò)程比較復雜，工藝要求精準的化工生產(chǎn)過(guò)程，采用傳統的PID控制方式很難克服過(guò)程擾動(dòng)的影響。如果針對特定的工藝情況，總結控制經(jīng)驗，制定一套有效的模糊控制策略，則可實(shí)現對溫度的精確平穩控制。

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全分布式智能、雙向的串行數字通訊鏈路，它直接溝通生產(chǎn)現場(chǎng)的測量控制和執行設備以及更高層次的自動(dòng)化控制設備，是一種開(kāi)放式控制系統。其中LON(Local Operating Networks)總線(xiàn)是美國ECHELON公司于1991年推出的一種功能全面的局部操作網(wǎng)絡(luò )，廣泛應用于冶金、化工、電力以及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域中，實(shí)現系統的全面網(wǎng)絡(luò )化現場(chǎng)測控。若將模糊控制與LON現場(chǎng)總線(xiàn)相結合，建立一套基于Lonworks技術(shù)的模糊控制系統，則既可以實(shí)施現場(chǎng)級的模糊控制，又可以實(shí)現復雜模糊算法的上位機控制。

本文以某化工廠(chǎng)一個(gè)化學(xué)反應生產(chǎn)過(guò)程為例，介紹了一種基于Lonworks技術(shù)的溫度模糊控制系統，詳細介紹了其中智能節點(diǎn)的設計方法。該化學(xué)反應生產(chǎn)過(guò)程是：先將幾種化工原料按一定比例混合，制成混合料，再向其中加入另一種化工原料A，發(fā)生化學(xué)反應生成所需的產(chǎn)品。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，工藝控制的最佳溫度為T(mén)℃。由于是放熱反應，所以采用調節冷凍水流量來(lái)控制反應溫度。此溫度控制系統具有非線(xiàn)性、時(shí)變、有噪聲干擾、純滯后等特性，難以用精確的數學(xué)模型描述，因此傳統的PID控制方式，很難取得好的控制效果。

2、溫度模糊控制系統設計

2.1 模糊控制系統的結構

在工藝控制的要求和特點(diǎn)的基礎上，同時(shí)分析了大量生產(chǎn)過(guò)程中溫度、原料A加入速度和冷凍水溫度等歷史曲線(xiàn)數據，并對熟練操作人員的操作經(jīng)驗進(jìn)行了歸納整理，最后確定了“三輸入——單輸出”的溫度模糊控制系統。

輸入變量：

(1)反應溫度：t，單位：℃

(2)反應溫度的變化量：△t：t(n)-t(n-1)，單位：℃。式中：t(n)為當前第n采樣時(shí)刻的反應溫度，t(n-1)為前一個(gè)采樣時(shí)刻的反應溫度，采樣周期設為5s。

(3)原料A加入速度：v，單位：kg/h

輸出變量：

冷凍水流量調節閥門(mén)的開(kāi)度：u

2.2 各模糊變量的模糊子集

①反應溫度t的基本論域為[(t-t0)，(t+t0)]，其模糊子集T的論域為[-4，4]，t0為生產(chǎn)中可能達到的最大溫度偏差;②反應溫度的變化量△t的基本論域為[-3℃，3℃]，其模糊子集△T的論域為[-3，3];③原料A加入速度v的基本論域為[0，1200kg/h]，其模糊子集V的論域為[-2，2];④冷凍水閥門(mén)開(kāi)度u的基本論域為[0，100%]。各對應模糊關(guān)系見(jiàn)表1、2、3。其中t1、t2、t3、t4為控制中可能的溫度偏差，且t0>t4>t3>t2>tl。u的精確值將在控制規則中直接給出。

表1 反應溫度t與其模糊子集T的模糊關(guān)系

表2 反應溫度變化量△t與其模糊子集△T的模糊關(guān)系

表3 原料A加入速度v與其模糊子集V的模糊關(guān)系

本系統共建立了60條模糊控制規則。根據控制規則，最后得到下面的模糊控制查詢(xún)表，見(jiàn)表4。其中UF為考慮原料A加入速度v時(shí)為確定閥門(mén)開(kāi)度u而引入的中間值，它與原料A加入速度的模糊子集V的關(guān)系見(jiàn)表5。

表4 模糊控制量u(%)查詢(xún)表

表5 UF與原料A加入速度的模糊子集V的關(guān)系

3、系統結構設計

系統結構如圖1所示，共包含三大部分：上位機、LON總線(xiàn)和智能節點(diǎn)。其中：

圖1 系統結構圖

上位機主要負責LON網(wǎng)絡(luò )的安裝、維護和管理，可對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。同時(shí)建立測量值數據庫，對數據進(jìn)行存檔和歸表以便查詢(xún)、打印。上位機還可作為Web服務(wù)器與Internet相連，實(shí)現遠程監控。

智能節點(diǎn)主要包括溫度控制節點(diǎn)和溫度測量節點(diǎn)。溫度測量節點(diǎn)對溫度進(jìn)行測量并對非線(xiàn)性值進(jìn)行線(xiàn)性化處理，使得到的數值有足夠的精度和線(xiàn)性度，并定期將溫度對應的數字量發(fā)送到LON總線(xiàn)上交上位機處理。溫度控制節點(diǎn)采用模糊控制算法對冷水閥進(jìn)行控制，并負責各采樣點(diǎn)溫度采樣值的顯示與上傳。

4、智能節點(diǎn)硬件設計

智能節點(diǎn)采用的Neuron芯片是可帶外存儲器的MC143150。其片內有三個(gè)CPU，即：網(wǎng)絡(luò )CPU、應用CPU和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)CPU。它們與I/0口驅動(dòng)電路、定時(shí)器、片內存儲器、網(wǎng)絡(luò )通訊接口通過(guò)8位數據總線(xiàn)和16位地址相連。該芯片有11個(gè)可編程的I/0口對象。通過(guò)引腳的不同配置，為外部硬件提供靈活的接口，實(shí)現不同的I/0對象。

4.1 溫度控制節點(diǎn)的設計

溫度控制節點(diǎn)主要包括：Neuron芯片MC143150，外帶的程序存儲器，D/A轉換，執行機構，顯示電路和總線(xiàn)收發(fā)器等，如圖2所示。D/A轉換選用MAX7228，顯示電路由MAX7219及相關(guān)的驅動(dòng)電路構成，執行機構包括AD694及其相關(guān)的外圍電路。執行機構是角行程電動(dòng)執行機構，應用于冷水閥控制。模糊推理所用的知識庫數據存放于神經(jīng)元芯片的E2PROM存儲器中，有一組初始值。系統運行期間可以通過(guò)LON總線(xiàn)從上位機獲取新的控制參數，從而完成控制參數的更新。

圖2 溫度控制節點(diǎn)結構圖

4.2 溫度測量節點(diǎn)的設計

溫度測量節點(diǎn)的結構如圖3所示。包括神經(jīng)元芯片MC143150、程序存儲器、溫度傳感器、光電耦合器MOC3020、A/D轉換電路ADC0809、FTT-10A收發(fā)器等。