CN104865915A - 聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器 - Google Patents

Abstract

聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，该控制器包括硬件部分和软件部分；在开关量输入和开关量输出之间建立了反馈关系；在模拟量输出和第二串口通讯之间建立了调节关系；在第一串口和第二串口之间建立了数据传递关系；开关量输入输出接口分别连接相应开关阀门的输入和状态反馈端；第一串口通信接口与上位机进行连接，完成指令接收、检测通信功能；第二串口通信接口与各种传感器相连，由处理器来处理接收到的传感器数据；模拟量输出端口与滴加阀门连接，用于调节阀门开度，控制滴加流速；软件部分要控制的设备对象进行抽象整合，通过C语言利用结构体，把设备对象抽象化程序上的结构体，达到封装设备对象的相关数据。

Description

聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器

技术领域

本发明涉及一种聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，属于工业自动化生产线技术领域。

背景技术

工业自动化技术的特点是由概念当中产生出来的，所谓工业自动化是指没有人的参与而自动的进行工业控制和进行工业生产，它能够自动调节工业的参数、技术指标、产品合格度等；生产设备根据相关的一定程序和指令进行自动的控制操作的生产过程。工业自动化技术主要包括：硬件技术，软件技术和系统技术三部分。目前，工业自动化系统通常分5级：企业管理级、生产管理级、过程控制级、设备控制级和检测驱动级。前两级管理级主要涉及计算机的软件、网络技术和信息技术；过程控制级涉及智能控制技术和工程方法；设备级和检测驱动级涉及三电一体化技术、现场总线技术和新器件交流数字调速技术。在工业自动化领域的另一个发展趋势是管控一体化，所谓管控一体化就是建立全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业横向通信和纵向通信紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义广泛的综合系统。工业和一般企业网络大致分为3层，即企业管理层，过程监控层和现场控制层。

因此，在工业自动化技术发展趋势的大背景下，聚羧酸减水剂自动化生产线的工业自动化，主要涉及过程监控层和现场控制层，其中应用最突出和明显的是智能控制技术和现场总线技术。

现有的聚羧酸减水剂生产线在过程控制级和检测驱动级往往遇到很多困难，这主要是因为控制方式多采用传统的人工方式和电路设计，对于生产线的智能化改造需要一个长期的过程，人力和财力的投入会逐渐增长。另外，对大多数中小型企业PLC控制器的使用成本太高，可利用资源浪费严重。

因此针对聚羧酸减水剂自动化生产线的智能化改造，提出了通过现场总线，采用MCU控制器与同样有CPU置入的传统测控仪表组成具有数字技术和通信能力的控制框架。目前，国内外的现场总线有60多种，由于商业利益，导致了近年来制订现场总线国家标准大战，在市场和技术发展需要统一的国际标准的呼声下，国际电工委员会修改后的IEC61158.3～6标准最终于2000年1月4日获得通过。但目前国内对现场总线技术的应用还比较迟缓，一是期待单一的现场总线国际标准的确立，但客观事实是IEC通过了8种总线标准，估计在短时间内难以改变；二是现场总线在系统集成上存在困难，条件还不成熟，此外还存在总线产品互操作的认定和可靠性方面的问题。

现有的聚羧酸减水剂生产线进行生产中，如何达到调节器与现场有关仪表一起实现自主调节，从而实现控制的彻底分散，是调节更加及时，去除过多的人工生产参与，提高生产产品精度不高，并提高整个系统的可靠性都是存在的客观问题。

发明内容

聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器采用主流的ARM内核控制芯片作为主要的控制器核心，利用MODBus现场总线标准，实现RS485/MODBus总线网络的工业组网。通过控制器功能模块的滴加，开关和反馈，以及串口或CAN总线通信方式，配合加入CPU的数字仪表等，从硬件上解决聚羧酸减水剂自动化生产线上的智能化控制。烧制加入了模块化软件编程思想和PID、智能加料算法的软件，实现了生产检测，提高产品精度，智能调节和智能滴加加料的功能。

本发明采用的技术方案是一种聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，该控制器包括硬件部分和软件部分；具体而言硬件部分包括两路通信、一组开关量输入、一组开关量输出、一组模拟量(DAC)输出，并且在当前硬件基础上形成了对应的驱动程序、软件开发平台。控制器具体由主处理器核心区、开关量输入输出模块、模拟量输出(DAC)模块、第一串口通信模块(CAN或RS232)、第二串口通信模块(RS485)构成。在当前的应用中，在开关量输入和开关量输出之间建立了反馈关系。在模拟量(D/A)输出和第二串口通讯之间建立了调节关系。在第一串口和第二串口之间建立了数据传递关系。开关量输入输出接口分别连接相应开关阀门的输入和状态反馈端。第一串口通信接口与上位机进行连接，完成指令接收、检测等通信功能。第二串口通信接口与各种传感器相连，由处理器来处理接收到的传感器数据。模拟量输出端口与滴加阀门连接，用于调节阀门开度，控制滴加流速。

此外，工业现场干扰因素多，在聚羧酸减水剂工厂环境也不例外，存在各种干扰源，需要有效措施来降低它们对信号的干扰，保证信号准确可靠的传输。处理器输入输出的信号通过高速光耦和磁耦隔离措施，与各功能模块连接，使处理器输出或接收几个模块的信号，进行相互稳定的通信，起到抗干扰保护作用。

软件部分要控制的设备对象进行抽象整合，通过C语言利用结构体，把设备对象抽象化程序上的结构体，达到封装设备对象的相关数据。通过C语言函数模块化，把设备对象的操作动作进行编程实现，最后在工程结构里面整合在一个单独的设备源文件中，实现设备的数据和动作成为一体，明确设备的功能和控制方式，形成一个功能单元。例如：计量罐设备的抽象，规定了计量罐数据结构，包含它的相关数据，如质量。对它的附属动作使用函数实现，包括定量加量、定速滴加、定量出料，形成一个整体上的滴加单元。

在软件设备整合抽象化各个功能单元后，进行软件整体结构的设计，借助硬件上，外设都有自己的数据寄存器，在软件结构中设置一个大的缓冲区，把缓冲区分成几个空间区域，分别分配给功能单元，使这些区域成为功能单元的数据寄存器，保存功能单元的数据，功能单元可以通过功能函数直接读取属于自己的数据区域。如同功能单元拥有自己的数据寄存器一样。

在软件功能单元中，滴加单元采用PID算法进行流量控制，根据PI控制公式，控制滴加阀的开度(因为滴加阀开度越大，速度越大，质量变化越大)，达到控制流速的目标。

P和I系数都是通过多次实验测得的调整值。I调节质量误差，滴加开始前,通过获取上位机里面用户输入的速度值和滴加时间，控制器计算出需要滴加的质量，使用传感器传输的当前反应釜质量减轻滴加质量，算出理想的滴加后质量，滴加完成后，读取传感器的质量数据，减去理想的滴加质量得到的差再乘于调节系数I进行质量调节。P调节速度误差，滴加时记录滴加前后系统时间，使用滴加过程前后质量差除以这段时间得出当前速度，用户输入速度和当前速度的差乘于P进行速度调节，最后加上当前的调节阀开度得出最后的调节阀开度，达到调节滴加流速目的。

软件的这种模块化编程还可以进行模块的扩展，只有硬件满足要求，需求增多，都可以满足需求。

本发明的有益结果：聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器利用工业4.0的理念，实现了生产线智能改造，彻底解决了产品质量不稳定问题，是切实生产中去除人工操作。实现了提高产品精度，促进智能化的目的。

附图说明

图1：聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器结构框图。

图2：智能控制器软件结构图。

图3：聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器现场使用图。

图4：智能控制器流程图。

具体实施方式

结合图1到图4部分，在以下部分对这些图示进行详细描述：

聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器结构框图(如附图图1所示)，主要有实现功能的各个硬件模块组成，主要包括了主处理器MCU芯片，RS485通信模块、CAN总线或串口通信模块、开关控制和反馈模块、滴加控制模块，提供了三种电压的电源模块，使用电源隔离模块把GND分开形成了MCU核心区和外围设备区。由于工业现场干扰巨大，电源隔离和信号隔离(高速光耦隔离、电磁隔离)也占了硬件较大一部分。

智能控制器软件结构设计(如附图图2所示)，为了以后的控制器的灵活扩展和控制器功能的独立从而采用了图2的设计结构，中间缓冲区(中间变量)可以定义更大(再RAM容量允许的情况下)，定义成共用体，可以对中间变量进行字节(8bits)个字(16bits)的访问，加快数据读取速度，提高处理效率。为了访问方便，对指令解析后的内容分配了中间变量的最前区域，对各个抽象出来的功能单元都可以灵活分配在中间缓冲区的数据区。现在抽象的功能单元有开关和反馈单元、滴加控制单元、RS485通信单元、CAN总线或串口通信单元。

聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器现场使用布置图(如附图图3所示)，从总体上表现控制器在聚羧酸减水剂自动化生产线所处处的位置，用户操作上位机工控机通过CAN总线或串口总线发送指令给控制器，控制器解析指令后，执行指令，控制阀门仪表协调智能化工作，达到是整个设备系统工作和状态监测反馈。

智能控制器执行流程(如附图图4所示)，这是在没有嵌入式实时操作系统的情况下，软件执行的主流程，初始化所以设备(控制器硬件上的功能模块)后，通过中断方式接收指令，并校验。指令解析单元开始解析指令存储解析后的内容懂啊中间缓冲区它自己的数据区。开关和反馈的单元和滴加控制单元相继执行，从它们自己的数据区读取数据完成工作。然后再从指令解析开始循环这个过程。

综合以上描述，聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器很好的在复杂的聚羧酸减水剂生产环境中发挥了良好的作用，提高了产品的品质，保证了产品质量稳定。关键就在于它的智能加料的准确性和使用PID算法的滴加控制。能够很好的完成了用户的生产要求。

Claims (3)

1.聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，其特征在于：该控制器包括硬件部分和软件部分；具体而言硬件部分包括两路通信、一组开关量输入、一组开关量输出、一组模拟量输出，并且在当前硬件基础上形成了对应的驱动程序、软件开发平台；控制器具体由主处理器核心区、开关量输入输出模块、模拟量输出模块、第一串口通信模块、第二串口通信模块构成；在当前的应用中，在开关量输入和开关量输出之间建立了反馈关系；在模拟量输出和第二串口通讯之间建立了调节关系；在第一串口和第二串口之间建立了数据传递关系；开关量输入输出接口分别连接相应开关阀门的输入和状态反馈端；第一串口通信接口与上位机进行连接，完成指令接收、检测通信功能；第二串口通信接口与各种传感器相连，由处理器来处理接收到的传感器数据；模拟量输出端口与滴加阀门连接，用于调节阀门开度，控制滴加流速；

软件部分要控制的设备对象进行抽象整合，通过C语言利用结构体，把设备对象抽象化程序上的结构体，达到封装设备对象的相关数据；通过C语言函数模块化，把设备对象的操作动作进行编程实现，最后在工程结构里面整合在一个单独的设备源文件中，实现设备的数据和动作成为一体，明确设备的功能和控制方式，形成一个功能单元；

在软件设备整合抽象化各个功能单元后，进行软件整体结构的设计，借助硬件上，外设都有自己的数据寄存器，在软件结构中设置一个大的缓冲区，把缓冲区分成几个空间区域，分别分配给功能单元，使这些区域成为功能单元的数据寄存器，保存功能单元的数据，功能单元可以通过功能函数直接读取属于自己的数据区域。

2.根据权利要求1所述的聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，其特征在于：处理器输入输出的信号通过高速光耦和磁耦隔离措施，与各功能模块连接，使处理器输出或接收几个模块的信号，进行相互稳定的通信，起到抗干扰保护作用。

3.根据权利要求1所述的聚羧酸减水剂自动化生产线智能控制器，其特征在于：所述软件部分中采用PID算法进行流量控制，根据PI控制公式，控制滴加阀的开度，达到控制流速的目标；

P和I系数都是通过多次实验测得的调整值；I调节质量误差，滴加开始前,通过获取上位机里面用户输入的速度值和滴加时间，控制器计算出需要滴加的质量，使用传感器传输的当前反应釜质量减轻滴加质量，算出理想的滴加后质量，滴加完成后，读取传感器的质量数据，减去理想的滴加质量得到的差再乘于调节系数I进行质量调节；P调节速度误差，滴加时记录滴加前后系统时间，使用滴加过程前后质量差除以这段时间得出当前速度，用户输入速度和当前速度的差乘于P进行速度调节，最后加上当前的调节阀开度得出最后的调节阀开度，达到调节滴加流速目的。