摘 要：本文介紹了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的通用智能溫度控制儀表從站的設(shè)計方法。在這里采用了模糊自適應(yīng)PID的控制方法，使儀表對不同參數(shù)模型的系統(tǒng)均具有較好的控制性能。由于采用現(xiàn)場總線通信技術(shù)，控制儀從站具有良好的適應(yīng)性，配置靈活，擴(kuò)充和管理都很方便。 關(guān)鍵詞：模糊自適應(yīng)PID控制 SPC3 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線 Abstract：This paper introduces the design of common intelligent temperature control instrument based on PROFIBUS-DP filed bus. Because of using the adaptive fuzzy PID control, the instrument has better control function for different parameter model system. And because of using field bus, it has good adaptation and convenient configuration, which also can be increased easily and managed conveniently. Keywords：Adaptive fuzzy PID control;SPC3;Profibus-DP Filed bus; 引言 　　目前各種溫度控制儀表最常用的控制技術(shù)是數(shù)字PID控制技術(shù)，并且被控溫度系統(tǒng)的模型或者結(jié)構(gòu)在運行過程中常常發(fā)生變化，如果不調(diào)整控制器參數(shù)就難以達(dá)到良好的控制效果。調(diào)整PID參數(shù)是一個復(fù)雜的過程，需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗。模糊自適應(yīng)PID控制可以在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析，采用模糊推理的方式能實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整，不僅使得溫度控制儀表使用更方便，而且提高了控制精度。同時，雖然現(xiàn)在許多溫度控制儀表都具有RS232串行通信接口，能通過串行方式與PC機或其他設(shè)備進(jìn)行通信，但是這種一對一的通信方式不能應(yīng)用于目前發(fā)展較快的總線式控制系統(tǒng)，難以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求。PROFIBUS是目前世界上使用最廣泛的現(xiàn)場總線協(xié)議之一，占有巨大的市場份額。因此設(shè)計開發(fā)具有先進(jìn)控制算法、具有PROFIBUS-DP接口的智能溫度控制儀表從站就具有一定的理論意義和實際意義。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　將溫度控制儀表設(shè)計為PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)的一個從站，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由SPC3通信板和溫控儀表主板兩部分組成。SPC3是德國SIEMENS公司的專用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了DP協(xié)議中FDL層，能夠承擔(dān)通信部分的微處理器負(fù)載，可獨立完成全部PROFIBUS-DP通信功能。INTEL微處理器80C32的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)、完成溫度控制，同時組織采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過SPC3發(fā)給主站，并根據(jù)SPC3 產(chǎn)生的中斷對SPC3 接收到的主站發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存。 [align=center] 圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　在該系統(tǒng)中，溫度傳感器采用AD公司的TMP03/04時間輸出式數(shù)字溫度傳感器。這種傳感器輸出經(jīng)過調(diào)制后的矩形波，應(yīng)用中只需測得其輸出方波占空比T1/T2中T1和T2的實際時間寬度，即可計算出被測對象的溫度。同時與微處理器連接時只需將芯片輸出與微處理器的定時器/計數(shù)器相連，就可很容易地測出T1、T2的時間寬度，并計算出相應(yīng)的溫度值。其次，80C32微處理器僅有256Bytes 的片內(nèi)RAM，系統(tǒng)擴(kuò)展了64KB的EPROM和32KB的RAM用以保存用戶所設(shè)置的參數(shù)、站地址、識別號、各種報文以及采集數(shù)據(jù)和實現(xiàn)智能控制所需的參數(shù)。LED顯示和鍵盤輸入進(jìn)一步完善了系統(tǒng)，使得在現(xiàn)場也能調(diào)整控制參數(shù)和讀取相關(guān)信息。系統(tǒng)采用8155作為8位LED數(shù)碼管和4位鍵盤的接口，同時顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度值和檢測溫度值，4位鍵盤為：位選鍵、增量鍵、減量鍵和功能鍵。8155的PA口、PB口分別作為LED顯示的行選線和列選線，PC口的低4位作為鍵盤輸入口。 　　80C32與SPC3之間的接口單元的電路如圖2所示，其主要功能是利用協(xié)議芯片SPC3使作為從站的儀表與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接，從而使數(shù)據(jù)能在主站與從站之間傳遞。接口單元用80C32作為處理器單元管理通信事務(wù)，協(xié)議芯片SPC3完成關(guān)鍵的時間幀部分。SPC3的內(nèi)部存儲器SRAM完成數(shù)據(jù)的存儲，80C32完成對協(xié)議芯片的初始化、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。SPC3 和80C32之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)，SPC3的雙口RAM應(yīng)在80C32地址空間中統(tǒng)一分配地址。此外80C32通過P0和P2口擴(kuò)展外部存儲器EPROM和RAM。P0口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，通過地址鎖存器與RAM相連;P2口作為高8位地址線，可直接與RAM連接;外接的64 K EPROM由80C32的外部程序存儲器讀選通端控制。SPC3的地址總線的pin8、pin9、pin10經(jīng)電阻后接地。SPC3的波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘脈沖信號經(jīng)分頻后可以同時給80C32提供時鐘脈沖，省去了外部晶振。 [align=center] 圖2 80C32與SPC3接口電路 圖3 系統(tǒng)程序流程圖[/align] 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　系統(tǒng)主程序原理圖如圖3，主程序包括初始化、數(shù)據(jù)采集和智能控制程序和PROFIBUS-DP總線通信程序。初始化程序完成對80C32微處理器和SPC3協(xié)議芯片的初始化，PROFIBUS-DP通信程序通過編寫PROFIBUS-DP協(xié)議，實現(xiàn)智能溫控儀表從站與主站間的通信。通信軟件開發(fā)的核心部分是提供用戶訪問SPC3 寄存器的宏接口和進(jìn)行變量定義的頭文件模塊;處理組態(tài)數(shù)據(jù)檢查、分配從站參數(shù)和從站地址設(shè)定中斷事件的中斷程序;根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)計算輸入輸出數(shù)據(jù)長度，輔助緩沖區(qū)分配，緩沖區(qū)初始化，設(shè)置I/ O 數(shù)據(jù)長度，各緩沖區(qū)更新函數(shù)等外部函數(shù)模塊。由于系統(tǒng)在軟件的設(shè)計上采用SIEMENS公司提供的軟件包DPS2，使用戶的主要工作簡化為用戶主程序的設(shè)計，主要集中在SPC3 初始化、啟動、外部信號處理程序、從站數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收來自主站的數(shù)據(jù)、診斷事務(wù)的處理以及智能控制程序部分的程序設(shè)計上，從而在縮短開發(fā)時間的同時，保證了DP從站各種功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。 3 模糊自適應(yīng)PID控制 　　模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示，它是以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，是在普通PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，從而給出在不同實時狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結(jié)果。 [align=center] 圖4 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理圖[/align] 　 　　表1 模糊控制表 4 小結(jié) 　　本文從軟硬件兩方面對通用智能溫度控制儀表進(jìn)行了設(shè)計和探討。該儀表使用通信控制器SPC3和介質(zhì)存取線路來實現(xiàn)儀表與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，提高了儀表之間的互操作性;控制算法上采用模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)，使儀表能適用于更廣泛的控制對象，具備了一定的通用性。 參考文獻(xiàn) 　　[1]陽憲惠,魏慶福,徐用娥.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M],北京：清華大學(xué)出版社,1999. 　　[2]劉寶坤.計算機過程控制系統(tǒng)[M],機械工業(yè)出版社,2000 　　[3]易繼鍇,候媛彬.智能控制技術(shù)[M],北京工業(yè)大學(xué)出版社,1999 　　[4]方彥軍,薛菲.PROFIBUS-DP智能從站的開發(fā)與實現(xiàn)[J],儀表技術(shù)與傳感器，2004.4