基于C8051F120單片機的電力設備運行環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設計?

周勁松 張 超 郝結東

（1.國華徐州發(fā)電有限公司 徐州 221000）（2.江蘇大學機械工程學院 鎮(zhèn)江 212013）（3.江蘇電力裝備有限公司 常州 213000）

1 引言

隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活水平也得到了不斷的提高。與此同時，人們對電力設備的要求也越來越高，電力設備的應用也越來越廣泛。電力設備平穩(wěn)、安全的運行是地域經(jīng)濟發(fā)展與人們穩(wěn)定生產(chǎn)生活的前提［1～2］。但受到地域環(huán)境等客觀因素的制約，包括儀表箱、端子箱以及電力保護柜等在內(nèi)的很多電力設備不得不在一定的特殊環(huán)境下運行。而環(huán)境中過高或過低的溫度與濕度對這些電力設備運行的安全性都有著巨大的威脅［3～4］。因此，對電力設備運行環(huán)境中的溫濕度進行快速、有效的控制就顯得尤為重要。

為了對電力設備運行環(huán)境中的溫濕度進行良好的控制，為電力設備運行提供適宜的環(huán)境，提高電力設備運行過程中的安全性能，較多專家學者對溫濕度的控制進行了研究。例如：李麗［5］等通過PIC16F877A處理器設計了一種電力設備的溫濕度控制器，通過SHT11型溫濕度傳感器對環(huán)境中溫度和濕度信號采集后，直接利用硬件電路來實現(xiàn)對溫濕度的控制。由于該系統(tǒng)沒有對采集的溫濕度信息與目標溫濕度信息經(jīng)過算法策略計算，而是直接通過硬件調(diào)控溫濕度，難以保證控制的有效性。又如呂川［6］等提出了一種高壓電力線溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計，利用太陽能給系統(tǒng)供電，通過STM32做為控制器，利用GPRS手段與SOCKET方法實現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度的監(jiān)測。該方法雖然實現(xiàn)了對電力設備現(xiàn)場的溫濕度監(jiān)測，但是系統(tǒng)缺乏控制方法，無法對現(xiàn)場溫濕度進行控制。

為了提高對電力設備運行環(huán)境中溫濕度監(jiān)控的有效性以及快速性，本文提出了一種基于C8051F120單片機的電力設備運行環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設計。利用運算速度較快的C8051F120單片機做為中央控制器，設計了系統(tǒng)的硬件電路部分。配以自適應PID算法作為軟件控制方法，用以對采集的溫濕度信息與目標溫濕度信息進行快速、準確的計算得出控制量，供中央控制器作為控制的依據(jù)，從而實現(xiàn)對電力設備運行環(huán)境中溫濕度進行快速、有效的智能控制。

2 本文智能控制系統(tǒng)架構設計

電力設備運行環(huán)境中溫濕度的控制依據(jù)為，操作員設定的目標溫濕度以及現(xiàn)場實時監(jiān)測到的溫濕度信息。智能控制系統(tǒng)的主要工作原理為，通過主動對監(jiān)測現(xiàn)場溫濕度信息后，將該信息與目標溫濕度信息進行計算，從而根據(jù)計算結果對執(zhí)行單元進行控制。基于智能控制系統(tǒng)對電力設備運行環(huán)境溫濕度監(jiān)控的原理，本文所設計的智能控制系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 本文智能控制系統(tǒng)架構設計示意圖

從圖1可見，首先，當智能控制系統(tǒng)獲取到設定的目標溫濕度信息以及采集到現(xiàn)場溫濕度信息后，將這兩個信息送入C8051F120中央控制器。然后，中央控制器通過調(diào)用自適應PID算法，以目標溫濕度信息以及現(xiàn)場溫濕度信息為依據(jù)，計算出控制量。最后，C8051F120中央控制器通過控制量的大小，對執(zhí)行單元進行控制，執(zhí)行單元根據(jù)接收到的控制電信號，對制冷器、風扇以及加熱器進行控制，從而實現(xiàn)對電力設備運行環(huán)境溫濕度的智能控制。

3 硬件電路設計及工作原理

通過對本文智能控制系統(tǒng)架構的設計以及智能控制系統(tǒng)的工作原理分析，本文將智能控制系統(tǒng)的硬件電路分為了人機交互平臺模塊、核心控制模塊、溫濕度監(jiān)控模塊以及執(zhí)行模塊四個單元。具體的硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設計框圖

從圖2可知，核心控制模塊是一個以C8051F120為中心的控制部分，C8051F120為整個硬件的核心部分，起到協(xié)調(diào)外圍各硬件單元的作用。C8051F120是Silicon Lab公司一款具有100MIPS計算能力的單片機，其具有功耗低、計算快以及穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，能夠為本文所設計的智能控制系統(tǒng)提供良好的控制作用。整個電路中人機交互平臺模塊可供用戶與系統(tǒng)進行交互。在此采用中達優(yōu)控科技的S-700型液晶觸摸屏作為人機交互接口，該液晶觸摸屏具有多通信接口以及高分辨率等優(yōu)點。同時，人機交互平臺模塊中還利用高亮LED以及喇叭組成聲光報警電路，以供電力設備運行環(huán)境出現(xiàn)異常時進行聲光報警。硬件電路中對運行環(huán)境中溫濕度的采集主要是通過溫濕度監(jiān)控模塊而實現(xiàn)，該模塊的核心器件為AM2315型高精度溫濕度傳感器，該傳感器具有靈敏度高以及抗干擾性能強的特點，能夠對電力設備運行環(huán)境中的溫濕度情況進行實時準確的采集。執(zhí)行單元是依托于晶閘管而實現(xiàn)的，本文采用英飛凌公司的T1190N18TOF型晶閘管來對加熱器、風扇以及制冷器進行控制。

用戶啟動該硬件電路后，可以通過液晶觸摸屏將預定的溫濕度信息輸入到硬件電路中。硬件電路通過溫濕度監(jiān)控模塊，對運行環(huán)境中的現(xiàn)場溫濕度信息進行采集，并將采集結果進行濾波、整形后傳入中央控制器。中央控制器獲取到現(xiàn)場采集的溫濕度信息后，就啟用控制算法計算出控制量。中央控制器再根據(jù)控制量對相應晶閘管的開度進行控制，以調(diào)節(jié)現(xiàn)場的加熱器、風扇以及制冷器的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電力設備運行環(huán)境的智能控制。

當運行環(huán)境中溫度過高時，系統(tǒng)將根據(jù)溫度的超調(diào)量控制制冷器的制冷度，以及風扇的轉向以及轉速，對運行環(huán)境進行降溫處理。當運行環(huán)境中溫度較低時，系統(tǒng)將根據(jù)溫度的偏差量對加熱器進行控制，對運行環(huán)境進行升溫處理。當運行環(huán)境中濕度偏高時，系統(tǒng)將啟動加熱器對運行環(huán)境進行加熱，以使得水分子受熱后蒸發(fā)，同時系統(tǒng)還將控制風扇的轉向以及轉速，將水蒸氣排出電力設備運行環(huán)境外。

4 控制算法

控制算法是系統(tǒng)軟件部分的核心。系統(tǒng)利用控制算法對目標溫濕度與實時溫濕度進行計算得出控制量，以供中央控制器對外圍硬件模塊進行控制，進而實現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度環(huán)境的智能控制。系統(tǒng)的控制正確度以及速度，與控制算法的計算精度以及復雜度息息相關［7～8］。因此，一個好的控制算法是提高控制系統(tǒng)性能的關鍵。

PID算法是一種應用較為廣泛，而且控制準確度較高的控制算法。PID算法的根本是一種通過設定目標溫濕度值S（x）與現(xiàn)場采集溫濕度值R（x）線性計算的方法。其計算過程為［9～10］

對式（1）進行積分、微分以及比例運算后，可得出常用的數(shù)字PID算法：

式中，KP、KI、KD分別代表了比例、積分以及微分系數(shù)。

從式（2）可見，PID算法主要通過 KP、KI、KD對控制量進行計算。但KP、KI、KD的設定是一個繁雜的過程，若KP、KI、KD的值設定不當，將導致控制結果出錯。因此，PID算法的魯棒性能以及可移植性能較差［11～12］。

為了提高算法的魯棒性以及可移植性，保證系統(tǒng)控制正確度的穩(wěn)定性，本文將溫濕度控制過程中的偏差量C以及偏差率δC引入算法中。利用模糊控制方法，通過偏差量C以及偏差率δC對KP、KI、KD進行調(diào)整，使得算法具有自適應性。

通過聯(lián)合式（2）、（3）、（4）、（5），便可得到自適應的PID算法，可通過偏差量C以及偏差率δC自適應的計算控制量。

5 實驗結果與分析

利用Matlab7.10做為仿真軟件，在Intel i5為處理器的PC機上進行仿真實驗。仿真過程中將文獻［15］中方法做為對照組。

實驗中將對本文控制系統(tǒng)與對照組控制系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)控制以及濕度調(diào)節(jié)控制進行測試。溫度調(diào)節(jié)控制測試時，先將實時環(huán)境溫度設定為40°，而目標溫度設定為20°，記錄不同方法的調(diào)節(jié)曲線，用以對不同溫度控制方法的性能進行對比。濕度調(diào)節(jié)時，先將實時環(huán)境相對濕度設定為75%RH，而目標濕度設定為20%RH，記錄不同方法的調(diào)節(jié)曲線，用以分析不同濕度控制方法的性能。

不同控制方法對溫度以及濕度的調(diào)節(jié)控制過程如圖3所示。其中圖3（a）為不同方法對溫度調(diào)節(jié)控制的曲線，其中圖3（b）為不同方法對濕度調(diào)節(jié)控制的曲線。通過對比3（a）可見，本文控制方法較對照組方法能夠較快的對溫度進行調(diào)節(jié)控制、曲線波動較小。通過對比3（b）可見，本文控制方法的曲線較對照組方法的曲線不僅最高超調(diào)量較小，而且到達目標濕度的速度也更快。說明本文所設計的溫濕度智能控制系統(tǒng)，能夠較快、較準確地對電力設備運行環(huán)境的溫濕度情況進行智能控制。

圖3 不同方法溫濕度調(diào)節(jié)控制結果

6 結語

本文采用C8051F120單片機作為硬件電路中央控制器，配以人機交互、溫濕度采集、執(zhí)行單元等模塊電路，耦合自適應PID算法設計了一種溫濕度智能控制系統(tǒng)。通過實驗結果顯示，本文所設計的溫濕度智能控制系統(tǒng)，能夠較快、較準確地對電力設備運行環(huán)境中的溫濕度進行調(diào)控，有助于提高電力設備運行的安全系數(shù)。