一種帶控制組態的智能溫控器設計

王利恒，朱志峰，李鵬程

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

溫度控制器廣泛應用于工業生產和日常生活中，大到工業生產中的復雜溫度控制，小到家用空調的室溫控制，都離不開溫控器。 溫控器的工作原理類似，但用在不同被控對象上，其控制算法和控制輸出的邏輯也不同。 本文設計一個帶控制組態的通用智能溫控器，用戶通過人機界面的組態可以靈活實現不同溫控的要求。

1 溫控器硬件設計

溫控器的通用性設計體現在輸入信號的多樣性、控制算法的多樣性和邏輯輸出的可組合性幾個方面，其中輸入信號的多樣性和邏輯輸出的可組合性需要得到硬件的支持，系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 系統的硬件結構Fig.1 System hardware structure

（1）溫度輸入支持熱電阻（RTD）、熱電偶（TC）和4~20 mA 的標準變送器信號[1]。 3 路熱電阻/熱電偶采用TI 公司的24 位溫度傳感器適用的AD 轉換芯片ADS1248 采集溫度信號，該芯片提供SPI 接口，CPU 可以通過SPI 接口直接控制并獲取采樣數據；4~20 mA 標準變送器信號通過IV 變換成0~2.5[2]，直接接入STM32F103 的AD，通過STM32 的AD 程序獲得采樣數據。

（2）為了獲得較好的邏輯控制功能，系統設計了8 路通用DI 信號，如圖2 所示。 每路DI 采用光電隔離，通過跳線選擇可以支持有源或無源的開關量信號輸入。

圖2 DI 輸入Fig.2 DI input

（3）硬件提供2 種形式的調節或變送輸出。 一種是PWM 輸出，可以用來直接控制SSR。 另一種是4~20 mA 輸出，可以控制標準調節器，也可以作為某一個模擬量的變送輸出。

（4）系統提供7 路繼電器輸出，用戶可以根據實際需要來組態。 7 路繼電器使用一片ULN2003 驅動，如圖3 所示。

（5）HMI 使用帶觸屏的串口屏， 用戶的功能組態和操作都通過觸摸屏完成，不需要實體按鍵。 如果應用有實體按鍵的需求，可以通過通用輸入接入按鍵，并在組態中實現實體按鍵的功能。

圖3 DO 輸出Fig.3 DO output

（6）硬件提供一路RS485 通信接口，通過軟件實現Modbus 協議。 可以作為一個標準的Modbus 設備接入到現場總線系統中。

2 控制器數據結構

設計出合理的數據結構是實現靈活組態的前提，借鑒PLC 工作原理，本文設計的控制器數據結構主要包含3 類：設備數據表、內部數據表、參數表[3]。

設備數據表與輸入輸出通道的數據一一對應。該數據表是通過對應外設的驅動程序來實現數據的實時更新。 設備驅動程序采用中斷或定時的方式，實時讀取輸入通道數據至設備數據表，同時根據設備數據表進行實時更新輸出通道狀態。

內部數據表是系統定義的內部可組態變量表。內部數據表包含8 組IS 信號，8 組TS 信號，8 路報警信號，8 路EVT（事件）信號、7 路繼電器邏輯信號和4 路輸出控制量信號。

用戶通過HMI 進行組態的邏輯關系以參數表形式保存起來。 這部分內容是用戶可設置的。 系統監控和掃描程序按照用戶組態的參數對邏輯運算進行更新。

系統的數據結構關系如圖4 所示。 設備驅動程序負責更新設備數據表；用戶組態界面負責更新參數表；系統監控和掃描程序負責按照參數表和設備數據表來更新內部數據表。 控制算法庫暫時提供常規PID、模糊控制器2 種可選。 設備數據表、內部數據表、 參數表都映射到Modbus 數據區， 可以使用Modbus 總線通過上位機scada 軟件實現監控組態。

3 功能組態原理及實現

溫控器的組態可分為控制回路組態和邏輯控制組態兩部分。

3.1 控制組態回路

控制回路組態結構原理如圖5 所示。

圖4 系統的數據結構關系Fig.4 System data structure relationship

圖5 控制回路組態結構原理Fig.5 Control loop configuration structure principle

系統提供4 組可組態控制回路，一個控制回路用戶通過組態來選擇輸入通道，控制類型（定值、程序或隨動控制），選擇控制算法以及輸出通道。 組態完成的回路可以獨立完成單回路控制系統。 通過對控制類型及控制輸出通道的擴充，后期可以實現串級控制結構。

3.2 邏輯控制組態

對象的控制除了有回路調節控制外，往往還需要一些設備的啟停等開關邏輯控制。 而使用普通溫度控制器往往還需要增加小型PLC 來作為系統程序工作流程的控制。 本文設計的控制器為了方便完成整個對象的控制，特設計了邏輯控制組態功能[4]。該部分功能相當于簡化的可編程邏輯控制器，主要通過可組態的內部數據表來實現。

內部數據變量輸出是一個布爾變量（ON/OFF），其輸出是根據設計好的數據結構，通過用戶組態的參數來更新變量狀態。 各種內部變量的輸出邏輯會有不同，但設計的思路類似，這里以TS 信號和EVT信號的設計與組態為例說明： 一個TS 信號會根據用戶組態的參數以及過程變量來實時更新自己狀態（ON/OFF），其組態與邏輯關系如圖6 所示。

圖6 TS 信號組態與邏輯關系Fig.6 TS signal configuration and logic relationship

IS、TS、AL 可以完成大多數的單變量邏輯運算功能。 為了方便實現多個變量的聯合運算，設計了EVT 信號：

EVT 信號可以實現3 個信號的邏輯運算功能。

EVT 信號會根據用戶組態的參數以及過程變量來實時更新自己狀態（ON/OFF），其組態與邏輯關系如下式所示：EVT=＜?。荆糞IG1＞＜OP1＞＜！＞＜SIG2＞＜OP2＞＜!＞＜SIG3＞

SIGx 是3 個參與邏輯運算的變量，用戶可以在DI、IS、TS、AL 和EVT 信號中選擇。 每個變量可以按照用戶組態選擇用原變量還是反變量參與預算。OPx 是3 個變量之間的邏輯運算符，可以選擇AND、OR，運算優先級按左到右。

各種內部變量的狀態可以通過繼電器組態在數字輸出通道中輸出。 7 組繼電器可以和所有的內部變量表變量連接。 所有變量的邏輯運算結果都可以反應在繼電器的狀態的ON/OFF 上。

通過以上組態可以實現靈活的邏輯控制功能。

4 控制器軟件實現

由于控制器的功能比較復雜， 設計中使用了μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系統來開發控制軟件[5]。 軟件采用模塊化設計，與硬件操作直接相關的寫成驅動程序，作為操作系統的板級支持層（BSP）。 系統的軟件結構如圖7 所示。

μC/OS-Ⅲ是一個實時多任務操作系統，除了設備驅動程序外，其他的工作分成4 個任務來完成。

HMI 任務 人機交互的所有工作在該任務完成，用戶通過顯示屏查看信息，并通過觸摸屏輸入信息。 交互生成的數據以參數表的形式保存起來。作為組態控制的數據結構參與控制。

圖7 系統的軟件結構Fig.7 System software structure

控制回路算法任務 按照用戶組態的參數，按照當前的輸入量（PV）和設定量（SV）以及回路使用的控制算法，完成每一個采樣周期的控制輸出量的計算，該任務主要完成回路控制任務[6]。

參數掃描和狀態更新任務 系統參數可以被用戶在HMI 界面更改， 也可以通過Modbus 接口更改，系統狀態值也時刻在變化。 該任務就是通過當前的各狀態值和參數值來計算并更新各內部變量的狀態，該任務主要完成邏輯控制任務。

Modbus 通信任務 該任務實現設備支持Modbus 總線功能，可以通過總線遠程控制設備。

由于本控制器功能復雜，可組態的功能一般是設備制造廠家使用，設備使用廠家只需要做一些簡單操作。 為了安全設置兩級權限，一級權限是操作權限， 主要做一些溫度設定值的常規參數改變；二級權限是組態權限，可以完成復雜功能的重組態。

5 可組態控制器在恒溫箱中的應用

在恒溫箱中除了溫度的模擬量回路控制外，還有設備的啟?？刂疲瑝嚎s機的啟停控制。 如果用普通的溫控器，設備的啟停控制需要單獨使用PLC 或是復雜的繼電器硬連接來實現。 而使用本文設計的控制器就非常方便的完成所有的控制功能。

5.1 溫度的回路控制

輸入設置成熱電阻，采用定值控制（定值可以由操作人員修改），采用PID 控制算法。 控制輸出位PWM，通過PWM 控制SSR 來加熱。使用第一控制回路。 這樣控制回路任務就根據以上設置完成控制輸出計算，并且只掃描第一回路，從而減少掃描時間。

5.2 設備啟?？刂?/h3>

設備啟動控制是一個簡單的邏輯控制，設定繼電器K1 作為控制動力接觸器DO 輸出[7]。 DI1 作為啟動按鈕（常開），DI2 作為停止按鈕（常開）。則按梯形圖實現該邏輯方式如圖8 所示。

圖8 設備啟停控制Fig.8 Device start and stop control

該功能可以通過本控制器的EVT 信號組態實現（注意本控制器邏輯優先級是從左到右）；

EVT1=＜DI1＞＜OR＞＜EVT＞＜AND＞＜！ ＞＜DI2＞

在繼電器組態中將繼電器K1 關聯到EVT1 信號上，則可以通過啟停按鈕來啟動恒溫箱的動力電源電路。

5.3 壓縮機啟?？刂?/h3>

在低溫段，由于溫度的熱慣性，系統很容易超調，因此有必要在在PV 值接近SV 值時啟動壓縮機進行制冷，以實現快速穩定。 這時候可以通過TS 信號的組態來實現。 根據前述TS 信號的邏輯圖，組態設定TS1 低點-20 ℃，中點60 ℃，高點120 ℃，上下偏差都為5 ℃。 則根據TS 的邏輯，當SV 小于60 ℃時，PV＞SV-5 時，TS1 信號為ON；當SV 大于于60 ℃時，PV＞SV+5 時，TS1 信號為ON； 將壓縮機的啟動繼電器K2 與TS1 關聯， 則可以實現當在低溫段，PV＞SV-5 時，啟動壓縮機，減少系統超調量。當在高溫度，PV＞SV+5 時，啟動壓縮機，增快回調時間。

5.4 實物設備運行狀態

組態控制器的實際運行畫面如圖9 所示。 圖9（a）為系統組態設置界面，圖9（b）為系統的過程運行監控畫面。

圖9 組態控制器的運行界面Fig.9 Configuration interface of the controller

6 結語

本文主要研究的是通過該控制器的組態可以適應不同溫控對象的要求。 通過控制算法的選擇和參數的整定，系統可以很快地穩定到目標值。 使用該溫控器實現了一個恒溫箱系統的設計，測試結果表明，系統組態靈活，控制精度和功能達到設計要求。