??? 摘??要: 分析了化學(xué)參數(shù)測控儀表智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的發(fā)展趨勢,研究了水質(zhì)環(huán)境參數(shù)中溶解氧、溫度、PH值、電導(dǎo)率等的測量補(bǔ)償算法和相關(guān)控制策略。介紹了測控儀的硬件組成原理、測控電路以及軟件功能和流程。該測控儀已成功應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中。
??? 關(guān)鍵詞: PROFIBUS-DP? 測控儀? 環(huán)境參數(shù)
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??? 水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的檢測控制與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及百姓生活密切相關(guān)。我國從上世紀(jì)50年代開始,已先后研制和生產(chǎn)了各種型號的工業(yè)PH計(jì)、DO計(jì)及電導(dǎo)率計(jì)等儀表。但普遍存在造價(jià)高、功能單一、無法和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)連接的問題。隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,測控儀表正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展。因此,研制一種帶有現(xiàn)場總線接口,能夠?qū)崿F(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)檢測控制的通用型智能儀表,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。
1? 多環(huán)境參數(shù)的檢測原理和算法
??? 多環(huán)境參數(shù)檢測過程所用到的化學(xué)傳感器,其輸出多是非線性的,除了與被測水體的化學(xué)含量有關(guān)外,還與溫度、氣壓及鹽度等其他參數(shù)密切相關(guān),且在被測溶液的作用下,傳感器的輸出會產(chǎn)生漂移。因此一般在測量前都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)及最大值的標(biāo)定校正。此外,由于制造工藝因素,不同傳感器的零點(diǎn)殘余電流和最大量程電流存在一定的差異。在分析試驗(yàn)中分析不同傳感器原理特性和多參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上,本文總結(jié)出各參數(shù)的檢測算法和實(shí)現(xiàn)方法。
1.1 溶解氧的測量
??? 溶解氧測量采用YSI5739型傳感器,其電極的陰極由4mm的黃金片組成,陽極即參比電極為銀電極,二極的空間充以電解液,二端用具有通透選擇性聚四氟乙烯薄膜覆蓋。當(dāng)對金電極與銀電極間加0.7V左右的極化電壓時(shí),水中溶解氧透過薄膜,在陰極上還原,產(chǎn)生穩(wěn)定的擴(kuò)散電流。電流大小可用下列公式表示:
??? L=K·n·F·A·Pm·Cs/Dm
??? 試驗(yàn)表明,在其他參數(shù)(溫度、鹽度、大氣壓)不變的情況下,擴(kuò)散電流的大小與樣品中氧分壓成正比例關(guān)系,故測得電流值便可計(jì)算出溶解氧的含量。溶解氧傳感器調(diào)理電路如圖1所示。
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??? 調(diào)理電路的輸出Uo飽和氧電壓隨溫度而上升,相同溫度下不同傳感器的電壓值也不盡相同,但同一傳感器的飽和氧電壓在不同溫度下成確定的比例關(guān)系,公式表示為:
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??? Utn、Ktn為tn溫度下的飽和溶氧電壓和氧溫系數(shù)。由關(guān)系式I=KCs和U=I0C可知,在一定溫度下,溶氧電壓U正比于氧濃度O。溶氧量溫度補(bǔ)償關(guān)系如圖2所示。
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??? 由圖2可知:得出:
??? 上式中:Utx為tx溫度下的飽和溶解氧電壓,Ut0為t0溫度時(shí)的校準(zhǔn)飽和溶解氧電壓。校準(zhǔn)量Ut0用以表征不同傳感器斜率特性。在測量中,將各溫度下的Ktx、Otx值存放在智能儀表EPROM中,Ut0由校準(zhǔn)操作存放在E2PROM中,這樣就可由檢測到的Ux計(jì)算出溶解氧含量。另外,為了進(jìn)一步提高溶解氧的測量精度,還要檢測大氣壓和水質(zhì)電導(dǎo)率,用于對溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
1.2 PH值測量
??? PH值測量傳感器選用上海雷磁E-201-C型塑殼可充式復(fù)合電極,該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復(fù)合電極,其測量范圍在0~14PH,輸出為電壓信號,無需進(jìn)行i-v的變換。PH值的信號調(diào)理電路如圖3所示。
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1.3 鹽度(電導(dǎo)率)測量
??? 鹽度(電導(dǎo)率)是衡量水質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)水環(huán)境遭受污染或富營養(yǎng)化威脅時(shí),往往會導(dǎo)致水中離子濃度增加。對水中鹽度動態(tài)變化過程的監(jiān)測,可及時(shí)反映池水污染程度的變化,同時(shí)還可為精確測定溶氧提供補(bǔ)償參數(shù)。本設(shè)計(jì)使用電導(dǎo)電極作為傳感元件,通過測定水的電導(dǎo)率來計(jì)算鹽度。其測量電路如圖4所示。
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??? 測量時(shí),將電導(dǎo)電極固定放置在水中,當(dāng)振蕩器輸出一定頻率的交變信號時(shí),在插入電導(dǎo)池中的電導(dǎo)電極之間便形成交變電場,在電場的作用下,液體導(dǎo)電而產(chǎn)生電流Ix。測量放大器是一個(gè)高輸入阻抗的運(yùn)算放大器,根據(jù)運(yùn)算放大器基本特性有:
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??? 上式表明,水的電導(dǎo)率δx與運(yùn)算放大器的輸出電壓V1成正比,即與運(yùn)算放大器的輸入電流Ix成正比(K、Vs、RF、γ均為常數(shù))。精確測量出V1值,便可得到被測溶液電導(dǎo)率δx,從而計(jì)算出水中的含鹽量。在實(shí)際使用前,需進(jìn)行標(biāo)定,以確定電極電流Ix與鹽度之間的比例因子,測控儀將自動把相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)存入E2PROM中。
2? 測控儀總體硬件結(jié)構(gòu)
??? 測控儀由單片機(jī)系統(tǒng)+SPC3實(shí)現(xiàn),直接面向控制對象,用于對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和控制,即對各傳感器采集進(jìn)來的參數(shù)如溫度、溶氧量、大氣壓、鹽度、PH值等的電壓信號按特定算法進(jìn)行校準(zhǔn)、補(bǔ)償運(yùn)算,計(jì)算結(jié)果經(jīng)LCD顯示出來。測控儀通過SPC3采用RS485與主站進(jìn)行雙向通信,發(fā)送環(huán)境參數(shù)值,同時(shí)獲取主站指令,調(diào)整PID參數(shù),自動調(diào)節(jié)溶解氧和溫度,關(guān)啟電磁閥和水泵,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。測控儀總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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??? 在設(shè)計(jì)中,為了加強(qiáng)可移植性和靈活性以及便于同其他總線相兼容,將通信接口分成SPC3通信板與測控儀表主板。智能儀表主板與SPC3通信板只要留出接口部分的接線即可。
3? 智能從站通信接口芯片SPC3
??? 本設(shè)計(jì)選用SIMENS公司的智能從站通信接口芯片SPC3,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。SPC3集成了DP協(xié)議中的MAC和FDL層,可以承擔(dān)通信部分的微處理器負(fù)載,實(shí)現(xiàn)DP從站通信處理;SPC3通過它的雙口RAM與微處理器交換數(shù)據(jù),微處理器操作SPC3芯片就像操作它的外部RAM;SPC3的總線接口是一個(gè)可參數(shù)化的同步/異步接口,適合于Motorola和Intel的微控制器/處理器。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動建立,用戶通過訪問不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)即可得到各種報(bào)文信息; SPC3內(nèi)部集成1個(gè)看門狗定時(shí)器,操作于3種不同的狀態(tài):波特率監(jiān)測、波特率控制和DP控制。內(nèi)部的UART實(shí)現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換,且SPC3可以自動標(biāo)識總線的波特率(96K~12Mbps)??臻e定時(shí)器控制串行總線電纜上的總線定時(shí)。微序列器(Micro Sequencer,MS)控制整個(gè)SPC3的工作過程。內(nèi)部集成了1.5KB格式化的雙口RAM,用戶程序通過對它的訪問與SPC3交換數(shù)據(jù)。
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4? 多環(huán)境參數(shù)的控制策略
??? 針對環(huán)境參數(shù)變化緩慢、時(shí)滯性大的特點(diǎn),采用了模糊控制和自校正PI控制等控制策略。以水中溶解氧控制為例,溶解氧恒定過程中,供氧與耗氧持平,溶解氧可認(rèn)為保持不變,是一個(gè)純滯后過程;溶氧上升過程為一大時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。因此,水池增氧的數(shù)學(xué)模型可等效為一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié),系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間常數(shù)相比,可忽略不計(jì),均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此,增氧的近似模型為:
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??? 由于水位、溫度、放養(yǎng)量等參數(shù)的時(shí)變性,很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行控制。而模糊控制不需要了解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù),對于未知模型的系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值,因此本測控儀采用模糊控制策略來實(shí)現(xiàn)溶解氧控制。模糊控制器采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu),分別用溶氧偏差E和溶解氧變化率EC作為輸入變量,以調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的控制量U作為輸出變量。E、EC、U相應(yīng)的論域分級為NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL,論域:E、EC為{-3.0,-1.5,-0.5,0,0.5,1.5,3.0};U為{-5,-3,-1,0,1,3,5}。根據(jù)過程控制的成熟經(jīng)驗(yàn)可以得到對應(yīng)控制量的一系列語言規(guī)則:如 If E=NB and EC=NB then U=PB,進(jìn)一步歸納整理可確定系統(tǒng)溶解氧的模糊控制規(guī)則表如表1所示。
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5? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 測控儀軟件是一個(gè)較復(fù)雜的程序。本設(shè)計(jì)中兼顧開發(fā)效率和代碼運(yùn)行速度,采用KEIL C語言和MCS-51匯編語言混合編程的方法。KEIL C語言是C語言在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用,它提供了十分完備的規(guī)范化流程控制結(jié)構(gòu),易于實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的規(guī)范化和模塊化。為了使從站軟件結(jié)構(gòu)清晰及易于調(diào)試和維護(hù),整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊,不同的模塊完成不同的功能。對于不同的功能模塊,分別指定相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)。而經(jīng)常使用的一些程序都編成函數(shù),這樣既有利于整個(gè)程序的編寫和管理,又可增強(qiáng)可讀性和可移植性。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。
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5.1 多環(huán)境參數(shù)的測控軟件設(shè)計(jì)
??? 為了優(yōu)化從站軟件設(shè)計(jì),對測控程序中一些實(shí)時(shí)性或運(yùn)算能力要求很高的模塊采用匯編語言編程,如參數(shù)實(shí)時(shí)控制、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、傳感器校準(zhǔn)、定時(shí)顯示及E2PROM存取等,同時(shí)把這些模塊嵌入到KEIL C程序中進(jìn)行處理。針對一般參數(shù)測量儀校準(zhǔn)操作繁瑣的缺陷,采用24C02串行E2PROM,編制了傳感器校準(zhǔn)模塊,既可避免每次開機(jī)校準(zhǔn),又可按使用情況進(jìn)行自動標(biāo)定和校準(zhǔn),使儀器長期獲得正確補(bǔ)償和校準(zhǔn),提高了儀器的測量精度。
5.2 PROFIBUS-DP的通信軟件設(shè)計(jì)
??? 由于SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議,因此用戶程序的主要任務(wù)就是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷(中斷服務(wù)流程如圖7(b)所示)對SPC3接收到的主站發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存,編排要通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù),并根據(jù)要求編排外部診斷等。所有SPC3軟件用KEIL C語言編程,其中SPC3初始化包括設(shè)置SPC3允許的中斷、寫入從站識別號和地址、設(shè)置SPC3方式寄存器、診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配制緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始長度,并根據(jù)以上初始值求出各個(gè)緩沖區(qū)的指針及輸人輸出緩沖區(qū)的指針。
6? 應(yīng)用舉例
??? 本測控儀曾在“水產(chǎn)工廠化養(yǎng)殖多環(huán)境因子的智能控制”項(xiàng)目中(江蘇省“十五”攻關(guān)項(xiàng)目)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn),用于對江蘇環(huán)太集團(tuán)水產(chǎn)河豚養(yǎng)殖場的水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測控制?,F(xiàn)場在線測試配置如圖8所示。
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??? 養(yǎng)殖現(xiàn)場測試和成果鑒定表明,本測控儀構(gòu)成的系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了對溶解氧、PH值和溫度等水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確檢測控制和PROFIBUS現(xiàn)場總線通信功能。另外,還可明顯節(jié)約能源、降低養(yǎng)殖成本、減小噪聲污染。
7? 結(jié)束語
??? 本文介紹了基于PROFIBUS-DP多環(huán)境參數(shù)的測控儀。它將多環(huán)境參數(shù)的自動檢測、控制、現(xiàn)場總線通信功能融為一體,是一種適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活水質(zhì)測控的低成本、通用化、多功能儀器。針對不同的工程場合的水質(zhì)環(huán)境參數(shù),本測控儀可形成多個(gè)品種和系列,可廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境監(jiān)測、生物化工以及工業(yè)水質(zhì)處理等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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3?? 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000