基于ARM9的過程控制系統與實驗裝置改造

梁 華

(重慶工商大學 檢測控制集成系統重慶市市級工程實驗室, 重慶 400067)

基于ARM9的過程控制系統與實驗裝置改造

梁 華

(重慶工商大學 檢測控制集成系統重慶市市級工程實驗室, 重慶 400067)

“過程控制系統與裝置”課程實驗主要使用THJ-2型高級過程控制實驗系統,由于設備老化跟不上實驗教學需求,該文重新設計了控制系統軟件硬件的開發工作。針對該實驗系統使用中存在的問題,在THJ-2型實驗系統的原理及裝置基礎上,采用ARM9處理器設計了DCS(distributed controlling system)實驗平臺,開發了基于WinCE6.0的嵌入式軟件平臺。通過該平臺的建設,滿足了實驗課程的要求,填補了原有實驗系統的技術空白,完善了實驗系統的功能。

過程控制系統與裝置； 實驗教學； DCS； ARM9； WinCE6.0

培養學生理論聯系實際的能力尤為重要。如何建設具有開放性的、設計性的綜合實驗,加強學生的動手能力和創新精神的培養是當前學校實驗室建設所面臨的一個重要課題。過程控制系統是一門與工業生產過程聯系十分密切的課程[1-3],在整個自動化及相關專業的課程體系中占有重要的地位。過程控制涉及的范圍極廣,覆蓋了如石油、化工、電力、冶金、輕工、建筑等行業[4-5]。

由于過程控制在國民經濟中占有極其重要的地位。隨著生產規模的不斷擴大,過程控制系統經歷了基地式氣動信號控制系統、電動模擬信號控制系統、計算機集中控制系統、集散控制系統等幾個階段。過程控制是控制理論、工藝知識、計算機技術和儀器儀表等知識相結合而構成的一門應用學科。對于過程控制這樣一門不斷發展的技術,傳統的實驗教學設備難以取得最佳教學效果。

結合重慶工商大學過程控制系統實驗教學環節,由于陳舊老化的實驗設備再加上其采用8位單片機構成的控制系統技術落后,無法滿足現代學生實驗需求,如果繼續投入資金購置新設備未免造成原有部分設備的浪費,因此本項目借助教師科研課題,結合實際教學過程,注重理論研究與實踐教學相結合,科學安排理論教學內容,改革實踐教學手段與方法,著重采用ARM9處理器對實驗設備進行改造,開發出分布式控制系統DCS(distributed control system)硬件平臺,提升其技術含量,并利用WinCE6.0搭建實驗平臺,豐富其軟件功能,加入先進控制理論,強調學生創新思維和能力的培養,為學生打下堅實的專業基礎。同時,實驗室建設和學科建設緊密相連,相互依托,為教師進行科研創新和服務于經濟建設提供強大的物質基礎和技術支持。

1 實驗設備總體結構

為了能夠滿足大多數自動化專業過程控制課程實驗內容,同時又能夠使學生加深對其他相關課程比如嵌入式系統、電子信息、軟件工程等的深入理解,本系統采用具有ARM9內核的LPC3250處理器[6]作為控制站通信節點的處理器。LPC3250是一種低功耗、高性能并帶有矢量浮點協處理器的ARM926EJ-S內核的32位微控制器,具有豐富的外設,是眾多嵌入式控制應用系統靈活、有效的解決方案。系統總體結構如圖1所示。

圖1 DCS總體結構

圖1中,控制器具有人機接口、存儲器、以太網通信、USB、RS485、調試等接口電路。其中,具有兩路獨立的RS485通道,用作冗余。

為了滿足改造后的控制系統與現有部分可用設備的連接,DCS控制器設計了IO和AD通道,實現與外部傳感器變送器以及執行機構的無縫連接。改造后設備結構見圖2。

圖2 改造后設備系統結構

改造后的控制系統,用DCS控制器替代原有8位單片機構成的控制系統,外部可用的變送器傳感器、執行器、水箱連接電纜、水路等設備可以重復利用。改造后的DCS控制器中新增加了2個軟件庫,一個是外部接口庫,如表1所示；另一個是算法類型庫,如表2所示。

表1 DCS外部接口庫

表2 控制算法庫

改造后的實驗系統,利用新增庫,可以根據學生具體實驗需求加入實驗系統,構造各種結構和功能的實驗系統,與原有實驗系統比較,靈活性極大增強,提高了學生的學習興趣,而且鍛煉了他們的實際動手能力,實驗時能做到每人一個實驗系統,實驗效率高,實驗效果好,避免了學生做實驗的大鍋飯現象。本系統設計的DCS控制器見圖3。

圖3 設計的DCS控制器

2 實驗設計

利用改造后的實驗設備及系統,學生了解了操作方法后,可以很容易地根據各自需求設計出其實驗及寫出實驗報告。

對實驗設計書和實驗報告也做了改革,要求學生根據本系統的特點,合理規劃出自己的實驗報告。

與原有實驗報告比較,改革后的實驗報告主要增加了對實驗用的外部接口庫和控制算法庫的選擇和描述。這些庫是構成實驗完整硬件系統和軟件算法所必須的庫。

經過本實驗系統的改造,大部分經典PID算法實驗能夠得到比較好的實驗效果。例如,以雙容水箱動態特性測試實驗為例,將原系統中用單片機實現的調節器更改為本DCS控制器,其結構見圖4。

圖4 液位控制系統結構框圖

其中,原有調節器被新開發的DCS控制器代替,其他外圍設備不變。由于DCS控制器采用ARM9處理器,其工作頻率在208 MHz,比原來由8位單片機所構成的調節器運算速度快、效率高,因此在系統性能方面有比較大的提升。在DCS控制器內部,算法仍然使用經典PID算法,采用位置型算式:

(1)

其中,KC=0.5,TI=23,TD=7,采樣時間TS=0.2 s。

通過本系統實驗得到系統的階躍響應曲線見圖5。實驗結果與原有系統完全一樣,雙容對象的階躍響應曲線和動態特性能夠真實地在系統上得到展示。

圖5 雙容水箱階躍響應曲線

為了進一步驗證所研究設備的精度和合理性,本研究將單容水箱作為控制對象,其液位高度為被控參數,采用改造前液位控制系統輸出階躍響應曲線和改造后ARM9控制系統的輸出階躍響應曲線以及仿真曲線進行對比,以驗證設備控制系統的有效性。

根據水箱的動態特性,可以得到單容水箱的傳遞函數為

(2)

其中,Ko為放大系數，設K0=1；T0為時間常數，T0=2。實際PID控制器的傳輸函數及各個參數分別如下:

(3)

根據Z-N參數整定方法,得到KP=7.56,KI=0.13,KD=1.875,在此條件下,得到的理想階躍響應曲線和原有設備測試曲線，以及利用ARM9改造后控制系統得到的曲線見圖6。

圖6 單容水箱階躍響應曲線對比

圖6中,仿真曲線比較理想,通過控制系統實際測得的曲線有偏差,但是改造前設備控制系統和利用ARM9改造后控制系統輸出階躍響應曲線差別不大,都能夠比較客觀反應系統的特性和響應輸出參數。通過實驗證明,本系統的改造是比較成功的。在下一步工作中,項目組成員會繼續添加和完善部分高級控制算法模塊,比如預測控制,模糊控制等,并根據控制系統結構,合理增加外部硬件。通過本系統的改造和不斷完善升級,既滿足了自動化及相關專業過程控制系統課程的實際實驗需求[7-8],又能夠滿足教學、科研、實驗的需求,對學校實驗室建設起到重要的推動作用[9-12]。

3 結論

本文利用ARM9作為處理器開發設計了過程控制系統實驗設備DCS硬件平臺,并基于WinCE6.0嵌入式操作系統設計了系統軟件平臺,在此基礎上,開發了系統擴展功能模塊,對原有陳舊設備進行了技術改造,并且按照改造后系統的實際情況,對實驗報告格式重新進行了部分修改和設計。通過雙容水箱的實驗驗證了本改造系統的可靠性和穩定性,并在計算性能和效率上有提升。通過本實驗教學設備改造,滿足了過程控制系統課程實驗需要,提高了教學效果,增強了學生的專業知識和實際科研及工作能力。

References)

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[3] 范忠雷.《過程裝備控制技術及應用》課程教學方法探討[J].教育教學論壇，2014(28):95-96.

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[5] 方康玲.過程控制系統[M].武漢：武漢理工大學出版社，2007.

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[12] 許桂英,全學軍,許俊強,等.過程裝備與控制工程專業主干課程教學改革研究與實踐[J].廣東化工,2014(2):56-58.

Reform of process control system and experimental equipment based on ARM9

Liang Hua

(Chongqing Engineering Laboratory for Detection,Control and Integrated System,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067, China)

The Process Control System and Equipment course is important for most of automation technology undergraduates,in which THJ-2 lab devices are adopted as the main experimental facilities.As the aging device and its outdated technology,it can not meet the requirement of experiment.Aiming at the shortages of devices,a set of new experiment facilities is developed based on ARM9 processor, and an embedded software platform is proposed for this DCS controller.With the reconstruction of laboratory devices, the experimental teaching becomes more suitable and the advanced embedded system enhances the laboratory technique, and the experimental system is improved.

process control system and equipment; experimental teaching; DCS; ARM9; WinCE6.0

2014- 12- 16 修改日期：2015- 01- 16

重慶工商大學教改項目(2015219)；重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA40037)

梁華(1975—)，女，河北任丘，碩士，講師，研究方向為工業電氣自動化.

TP2713; G484

B

1002-4956(2015)7- 0096- 03