基于Lonworks技術的模糊控制智能節(jié)點的設計

1、引 言

在化工生產(chǎn)中，溫度通常是一個重要的控制參數(shù)，對于一些過程比較復雜，工藝要求精準的化工生產(chǎn)過程，采用傳統(tǒng)的PID控制方式很難克服過程擾動的影響。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，則可實現(xiàn)對溫度的精確平穩(wěn)控制。

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

本文以某化工廠一個化學反應生產(chǎn)過程為例，介紹了一種基于Lonworks技術的溫度模糊控制系統(tǒng)，詳細介紹了其中智能節(jié)點的設計方法。該化學反應生產(chǎn)過程是：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℃。由于是放熱反應，所以采用調(diào)節(jié)冷凍水流量來控制反應溫度。此溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時變、有噪聲干擾、純滯后等特性，難以用精確的數(shù)學模型描述，因此傳統(tǒng)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(tǒng)設計

2.1 模糊控制系統(tǒng)的結構

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

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采樣時刻的反應溫度，t(n-1)為前一個采樣時刻的反應溫度，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(diào)節(jié)閥門的開度：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冷凍水閥門開度u的基本論域為[0，100%]。各對應模糊關系見表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(guī)則中直接給出。

表1 反應溫度t與其模糊子集T的模糊關系

表2 反應溫度變化量△t與其模糊子集△T的模糊關系

表3 原料A加入速度v與其模糊子集V的模糊關系

本系統(tǒng)共建立了60條模糊控制規(guī)則。根據(jù)控制規(guī)則，最后得到下面的模糊控制查詢表，見表4。其中UF為考慮原料A加入速度v時為確定閥門開度u而引入的中間值，它與原料A加入速度的模糊子集V的關系見表5。

表4 模糊控制量u(%)查詢表

表5 UF與原料A加入速度的模糊子集V的關系

3、系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構如圖1所示，共包含三大部分：上位機、LON總線和智能節(jié)點。其中：

圖1 系統(tǒng)結構圖

上位機主要負責LON網(wǎng)絡的安裝、維護和管理，可對溫度進行實時監(jiān)控。同時建立測量值數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行存檔和歸表以便查詢、打印。上位機還可作為Web服務器與Internet相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

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

4、智能節(jié)點硬件設計

智能節(jié)點采用的Neuron芯片是可帶外存儲器的MC143150。其片內(nèi)有三個CPU，即：網(wǎng)絡CPU、應用CPU和介質(zhì)訪問CPU。它們與I/0口驅動電路、定時器、片內(nèi)存儲器、網(wǎng)絡通訊接口通過8位數(shù)據(jù)總線和16位地址相連。該芯片有11個可編程的I/0口對象。通過引腳的不同配置，為外部硬件提供靈活的接口，實現(xiàn)不同的I/0對象。

4.1 溫度控制節(jié)點的設計

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

圖2 溫度控制節(jié)點結構圖

4.2 溫度測量節(jié)點的設計

溫度測量節(jié)點的結構如圖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。