特殊工况下动态物位测控系统的研究
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摘要
在工业生产过程中，经常需要对固体和液体的物位进行准确测量，从而实现对企业生产过程的自动化检测和智能控制，以提高企业生产效率，实现生产过程的无人化管理。
由于本研究系统被测对象环境温度较高且潮湿，同时料仓中有大量粉尘及蒸汽，因此传统的料位检测方法不能满足本测试要求。本文在分析国内外各种物位检测技术的基础上，针对特殊工况下动态物料高度的检测进行了系统的探讨与研究。首先建立了料仓中的压力分布数学模型，推导出料位高度与仓底均布压力间的数学关系式，并据此设计了中温电阻应变式压力传感器，同时对它在实际应用中存在的零点漂移等问题提出了改进措施，提高了传感器性能，解决了上述特殊工况下动态物料检测的技术难题。同时为适应工厂要求对多目标、多参数进行监测的要求，采用了分布式计算机控制系统，该系统以AT89C52单片机为核心，内部集成了信号调理、数据采集与处理、显示等电路并扩展了大容量存储器以保存最近几次生产过程的检测数据，同时还采用了RS485网络总线技术可以方便的将数据传输给上位控制中心。为了实现生产过程的自动化控制，在总结人工手动操作经验基础上，单片机控制系统中采用了模糊控制算法，可以根据实时采集到的高度值输出相应的电压控制量来调节输料管阀门的开度大小，从而实现对料位高度的智能控制。程序设计采用模块化设计思想，分别用C51语言编写单片机代码和Borland C++语言设计上位机程序来实现控制系统所要求的功能，并对串口类的实现、多线程的创建等几个关键问题作了介绍。
In the industrial procedure,solid or liquid level should often be measured accurately to implement the automatic monitoring and unwatched management of enterprise production.
The traditional level measuring methods cann't meet our demand because the subjective investigated is in such a poor systemic condition that the temperature is a little high and there's so many mill dust and steam there.In this article we perform systemic discuss and research against the dynamic level measuring method under special working condition on the basis of analyzing kinds of level measuring technique in and abroad.First we establish the pressure distribution mathematic model in storage bin and then deduce the mathematic relation between level height and the uniform stress on the bottom of the bin and designed a resistance compressive stress sensor used for the special condition and put forward a resoivement according to its zero excursion existing in practical use. In order to reach the requirement of applying for the multi-objective and multi-parameter measuring,we adopt the distributing computer controlling system which the AT89C52 single chip was used as core in the system,also the circuit of signal conditioning and data acquisition and processing are all integrated in the system. We use nixie tube to fullfill the displaying function and adopt high-capacity memory to record the data of production process. In order to transmit the data collected to the upper control center,the RS485 network bus technique has been employed in the monitoring system to complete the function of communication between the microcontrollers and upper PC computer.In order to implement the automation of production process,we use fuzzy control algorithm routine in the single chip.lt can adjust the opening angle of electric valves with corresponding voltage according to the real-time material level that measured and so the automation control of material level was implemented. In design of programming,we use modularization design method and adopted the actual prevalent Keil C51 compiler to write the code of single chip controller. As regards of upper PC computer,we adopted Borland C++ language to design the program interface and implement the function of control system,what's more several key component such as the implementation of serial port class and the creation of multi-thread were also introduced here.
由于本研究系统被测对象环境温度较高且潮湿，同时料仓中有大量粉尘及蒸汽，因此传统的料位检测方法不能满足本测试要求。本文在分析国内外各种物位检测技术的基础上，针对特殊工况下动态物料高度的检测进行了系统的探讨与研究。首先建立了料仓中的压力分布数学模型，推导出料位高度与仓底均布压力间的数学关系式，并据此设计了中温电阻应变式压力传感器，同时对它在实际应用中存在的零点漂移等问题提出了改进措施，提高了传感器性能，解决了上述特殊工况下动态物料检测的技术难题。同时为适应工厂要求对多目标、多参数进行监测的要求，采用了分布式计算机控制系统，该系统以AT89C52单片机为核心，内部集成了信号调理、数据采集与处理、显示等电路并扩展了大容量存储器以保存最近几次生产过程的检测数据，同时还采用了RS485网络总线技术可以方便的将数据传输给上位控制中心。为了实现生产过程的自动化控制，在总结人工手动操作经验基础上，单片机控制系统中采用了模糊控制算法，可以根据实时采集到的高度值输出相应的电压控制量来调节输料管阀门的开度大小，从而实现对料位高度的智能控制。程序设计采用模块化设计思想，分别用C51语言编写单片机代码和Borland C++语言设计上位机程序来实现控制系统所要求的功能，并对串口类的实现、多线程的创建等几个关键问题作了介绍。
In the industrial procedure,solid or liquid level should often be measured accurately to implement the automatic monitoring and unwatched management of enterprise production.
The traditional level measuring methods cann't meet our demand because the subjective investigated is in such a poor systemic condition that the temperature is a little high and there's so many mill dust and steam there.In this article we perform systemic discuss and research against the dynamic level measuring method under special working condition on the basis of analyzing kinds of level measuring technique in and abroad.First we establish the pressure distribution mathematic model in storage bin and then deduce the mathematic relation between level height and the uniform stress on the bottom of the bin and designed a resistance compressive stress sensor used for the special condition and put forward a resoivement according to its zero excursion existing in practical use. In order to reach the requirement of applying for the multi-objective and multi-parameter measuring,we adopt the distributing computer controlling system which the AT89C52 single chip was used as core in the system,also the circuit of signal conditioning and data acquisition and processing are all integrated in the system. We use nixie tube to fullfill the displaying function and adopt high-capacity memory to record the data of production process. In order to transmit the data collected to the upper control center,the RS485 network bus technique has been employed in the monitoring system to complete the function of communication between the microcontrollers and upper PC computer.In order to implement the automation of production process,we use fuzzy control algorithm routine in the single chip.lt can adjust the opening angle of electric valves with corresponding voltage according to the real-time material level that measured and so the automation control of material level was implemented. In design of programming,we use modularization design method and adopted the actual prevalent Keil C51 compiler to write the code of single chip controller. As regards of upper PC computer,we adopted Borland C++ language to design the program interface and implement the function of control system,what's more several key component such as the implementation of serial port class and the creation of multi-thread were also introduced here.
引文
[1] 张宝芬．自动检测技术及仪表控制系统．北京：化学工业出版社，2000
[2] Edward L. Schuler. Measuring Level with RF Admittance Sensors.1989.8
[3] 秦永烈编．物位测量仪表．北京：机械工业出版社，2001
[4] 吴锡祺等．计算机模糊控制技术与仪表装置．北京：中国计量出版社，1999
[5] 肖生灵．农业物料学．东北林业大学出版社，2001
[6] 徐开先等．实用新型传感器及其应用，辽宁科学技术出版社，1995
[7] 马良．应变电测与传感技术．中国计量出版社，1996
[8] 北京农业机械化学院主编．农机测试技术．农业出版社，1985
[9] 黄继昌等．传感器工作原理及应用实例．北京：人民邮电出版社，1999
[10] 单成祥．传感器的理论与设计基础及其应用．北京：国防工业出版社，1999
[11] 陶宝祺，王妮．电阻应变式传感器．北京：国防工业出版社，1995
[12] 徐国富等．非电量电测工程手册．北京；机械工业出版社，1987
[13] 黄继昌等．传感器工作原理及应用实例．人民邮电出版社，1999
[14] 徐恕宏．传感器原理及其设计基础．机械工业出版社，1994
[15] 张以材等．压力传感器的设计制造与应用，冶金工业出版社，1998
[16] 强锡富．传感器．北京：机械工业出版社，2002
[17] 王厚枢等．传感器原理．北京：航空工业出版社，1987
[18] 徐科军等．自动检测和仪表中的共性技术．北京：清华大学出版社，2000
[19] 易继锴等．智能控制技术．北京：北京工业大学出版社，1999
[20] 陈宗海．过程系统建模与仿真．合肥：中国科学技术大学出版社，1997
[21] 王家桢．调节器与执行器．北京：清华大学出版社，2001
[22] 曹润生等．过程控制仪表．浙江：浙江大学出版社，1987
[23] 陆培文等，阀门选用手册．北京：机械工业出版社，2001
[24] Katsuhiko Ogata.现代控制工程(第三版) 北京：电子工业出版社，2000
[25] 孙庚山等．工程模糊控制．北京：机械工业出版社，1995
[26] 惠敦炎．模糊控制及其在过程控制方面的应用．测控技术，1997．16(2)
[27] 汤兵勇等．模糊控制理论与应用技术．北京：清华大学出版社，2002
[28] 李友善等．模糊控制理论及其在过程控制中的应用．，北京：：国防工业出版社，2001
[29] 何新贵．模糊知识处理的理论与技术．北京：国防工业出版社，1994
[30] 章卫国．一种高精度模糊控制系统的设计方法．微电子学与计算机，1998．4
[31] 章卫国等．模糊控制理论与应用．西安：西北工业大学出版杜，1999
[32] 何平等．模糊控制器的设计及应用．北京：科学出版社，1999
[33] 张曾科．一种提高模糊控制器控制精度的方法．清华大学学报，1998．38(3)
[34] 徐国忠．单片机模糊控制恒压供水系统的研究．微电子学与计算机，1998．4
[35] 王毅．过程装备控制技术及应用．北京：化学工业出版社，2001
[36] 周泽魁．控制仪表与计算机控制装置．北京：化学工业出版社，2002
[37] Haissig, Christine. Adaptive fuzzy temperature control for hydronic heating systems. IEEE Control Systems Magazine. 2000,20
[38] Narazaki, Hiroshi. Alternative method for inducing a membership function of a category. International Journal of Approximate Reasoning. 1994,7
[39] Wang, Hongyan. Cruise fuzzy control for automobile with CVT. Journal of Mechanical Engineering. 2001, 9
[40] 魏克新等．采用模糊控制工具箱设计模糊控制器的方法．电气传动，1998．3
[41] 苏金明．Matlab 6.1实用指南．北京：电子工业出版社，2002
[42] 闻新等．Matlab模糊逻辑工具箱的分析与应用．北京：科学出版社，2001
[43] 张福学．现代实用传感器电路．中国计量出版社，1992
[44] 丁镇生．传感器及传感技术应用．北京：电子工业出版社，2001
[45] 李华．MCS—51系列单片机实用接口技术．北京航空航天大学出版社，
[46] 张毅刚等．MCS-51单片机应用设计．哈尔滨工业大学出版社，2000
[47] 江祥贤．多用途单片机数显表．电子与自动化，1994．1
[48] 徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用．电子工业出版社，
[49] 王新贤．通用集成电路速查手册．山东：山东科学技术出版社，2002
[50] 傅信监．过程计算机控制系统．西安：西北工业大学出版社，1995
[51] 高金源．计算机控制系统—理论、设计与实现．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[52] 徐继红．提高RS-485网络可靠性的若干措施
[53] 张玉茹．PC机和多片单片机间的远距离通讯．计算机应用，1998．3
[54] 邹宽明，单片机外围器件实用手册-数据传输接口器件分册．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[55] 冯正鸣．采用RS-485串行接口测试系统的远距离通讯．计量技术，1997．9
[56] Jan Axelson著．串行端口大全．北京：中国电力出版社，2001
[57] 孙前明．组合称重微机控制系统的研究与开发[硕士学位论文]．江苏大学，2002
[58] 赖麒文．8051单片机C语言彻底应用．北京：科学出版社，2002
[59] 孙传友等．测控系统原理与设计．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[60] 刘滨等．C++Builder 4高级编程实例精解．北京：国防工业出版社，2000
[61] 黄军等．Delphi串口通信编程．北京：人民邮电出版社，2001
[62] 项举伟等．利用Windows API函数构造C++类实现串行通讯．测试技术，2000．1(11)
[63] 骆阳．在Windows95／98下实现监控系统的串行通讯．微计算机信息，2001．17(2)
[64] 李现勇．Visual C++串口通信技术与工程实践．北京：人民邮电出版社，2002
[65] John Miano等．Borland C++ Builder编程指南．北京：电子工业出版社，1998
[66] Charlie Calvent,et al. C++ Builder应用开发大全．北京：清华大学出版社，1999
[67] 郑明．C++ Builder与Windows API经典范例．北京：清华大学出版社，2002
[2] Edward L. Schuler. Measuring Level with RF Admittance Sensors.1989.8
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