基于基于 FCS 的温度控制系统的温度控制系统摘要：温度控制工业应用中占有非常重要的地位，温度的高低直接影响到各种加热炉和加工设备的安全和使用寿命。为及时准确的对多点温度进行监控，设计了一个机遇 FCS 的温度控制系统。实验证明，该系统方案具有稳定性、可靠性高、稳定性好等特点，以及可在相关的工控组态软件下进行模拟设计多点温度传感器数据传输控制组态设计，实现温度的闭环控制。关键词：温度、FCS、控制系统1、引言：温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程与温度密切相关。则在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金，化工，建材，食品，机械，石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有不所不同。例如冶金，机械，食品，化工等各种工业生产中广泛使用的各种加热炉，热处理炉，反应炉等；燃料有煤气，天然气，油，电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。2、温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在农业生产，国防，科研以及日常生活等领域占有重要的地位。唯独控制系统在人类供热，取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已经有两百余年的历史。器件，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于 PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS） ，现场总线控制系统（FCS）等。单片机的发展历史虽然不长，但它凭借这体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其它温度控制系统而言，单片机响应速度慢，中断源少，不利于在复杂，高要求的系统中使用。各种温度控制系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到相互补长取短。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本，美国，德国等先进国家相比还有着比较大的差距。成熟产品主要以“点位”控制级常规的 PID 控制为主。它只能适用一般温度系统控制，难于控制滞后，复杂，时变温度系统控制。而适用于较高控制现场合的智能化，自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已经有较多较成熟的产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化，自适应，参数自整定等方面取得成果。日本，美国，德国，瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度，智能化，小型化等方面快速发展。3、现场总线控制系统（FCS）方案计算机技术和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革。一种世界上最新型的控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control System）在 20 世纪 90 年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。4、FCS 特点FCS 有如下特点：（1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID 与控制中心，取代每台仪器两根线。 （4）在总线上 PID 与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 （5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。 （6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。 （7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 （8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。 （10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。5、控制系统结构及总体设计51、设计的任务本设计的控制对象为一封闭的室内空间，对于室内温度的变化通过相应的传感器进行数据反馈，并通过指示灯进行显示是否超过规定温度，同时做出制冷或加热的控制。5.2 、控制系统结构针对室内温度的具体控制对象，如加热、制冷、显示等，建立单回路的控制系统，各单回路的控制结构如下图（1）所示。PID对象温度设定温度测量 值5.3、总体设计对于室内温度控制系统的要求，基于 CAN 总线控制系统采用如图（2）所示的总体设计方案。工控机CAN 总线 驱动模块CAN 总线 AD 模块CAN 总线 DA 模块CAN 总线 开关输入 模块指示灯热电偶测 量值热电偶测量 值加热器、制 冷器加热器、 制冷器运 行状态CAN 总线温度控制回路以热电偶采样温度作为测量值，用户设定作为期望，控制加热器，以及制冷器的工作使测量值跟踪期望值。并通过指示灯显示当前工作状态。在设计中，在房间的不同地方有对应的热电偶用一块 CAN 总线控制模块来进行控制和信号采集，并将其安装在现场，这样可以大大减少热电偶信号在传输过程中可能有的干扰。加热器和制冷器的控制通过 CAN 总线 DA 模块来进行，加热器和制冷器的运行状态等开关量信号进入 CAN 总线开关量输入模块。6、控制系统硬件设计本控制系统硬件主要包括现场 CAN 总线 I/O 模块以及工控机的CAN 总线 EPP(高速增强型并行口)接口板，模块的硬件结构框图如下图（3）所示。电源 管理MCU地址选择AD 芯片继电器室温测量状态信息指 示CAN 总线控制器总线收发器接线端子看门狗在设计中，MCU 采用片内集成了 8K EEPROM 的 AT89C52 芯片、CAN 控制器 SJA100、CAN 收发器 PCA82C250、AD 芯片 AD7715、室温测量 DS18B20。供电电源为 24V 直流，经过 DC-DC 变换，可以得到模块中各芯片工作需要的各种电压，整个芯片总线模块的功耗在30mA 以下。系统复位有三种方式：上电复位、手动按键复位和程序跑飞导致的看门狗强制复位，看门狗芯片采用 X5045P。 。当系统上电时，看门狗芯片发出复位信号，对 MCU、SJA1000 和 AD 芯片进行上电复位；通过按下手动复位按键降低看门狗芯片的供电电压至监视电压以下，完成手动复位；通过对该芯片的 CS 进行定时输出，定时清除看门狗的定时器。除了完成看门狗的功能外，X5054P 芯片还提供了512*8 位 EEPROM,可以将一些需要保护的数据保留的数据保存在其中，以避免掉电或者复位时丢失。CAN 总线网络接口如下图（4）所示，其网络节点号由 MCU 读取地址选择拨码开关决定。对于完成不同控制功能的各类型 CAN 模块，其 I/O 接口部分各不相同。这里介绍驱动模块部分。驱动模块 I/O 部分包括两组继电器、两路 AD 转换器以及一路室温测量，以完成对加热或制冷和显示的控制。两路 AD 与 MCU 通过串行口进行数据交换，通过 MCU 的 I/O口来片选 AD。通过 I/O 口完成对继电器的控制和对室温状态的显示。EPP 接口板也是利用 SJ1000 和 PCA82C250 作为核心部分，并直接与工控机或 PC 机的 EPP 接口连接，直接与上位机的 CPU 进行数据收发。7、控制系统软件设计系统软件由三大部分组成，如图（5）所示。CAN 总线数据收发过程控制软件数据显示和操作界面图（5）中CAN 总线数据收发部分直接和下层硬件交互，完成对现场数据的采集和对现场执行机构的命令。此部分收到的数据一方面发给数据显示和操作界面进行可视化显示，一方面发送到过程控制软件部分，提供过程控制需要的数据。过程控制软件部分一方面将控制命令转送各 CAN 总线数据收发部分，另一部分还将控制曲线等图表发送到显示界面上显示，而此部分也接收来自数据显示的操作界面的一些预设定的参数，以更好地完成控制。