检测与仪表 化工自动化及仪表,2Control and Instruments in Chemi010,37(1cal2): Indust59~6ry 2 基于VFC的过程参数信息采集系统设计 张永春 (常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002) 摘要: 由LM331、80C51单片机及其他外围器件组成数据采集系统,对多路过程参数进行信息采集,不仅能 提高系统的抗干扰能力,还可灵活提高数据采集的精度。讨论了ADC对信息采集系统的影响后,对基于VFC的 数据采集系统的硬件结构、数据采集控制程序进行设计,系统具有良好的通用性和扩展性,应用范围广泛。 关键词:模数转换器;信息采集;过程参数;压频转换 中图分类号:TM744文献标识码:A 文章编号:1000—3932(2010)12-0059-04 1 引 言 制 。’ 。对于过程参数而言,一般具有慢变特性,因 随着现代工业生产的迅速发展,生产工艺条件变 此采用热电阻、热电偶等测温元件即可满足动态性 得越来越复杂,由于计算机技术、智能仪表技术提供 能的要求。 了实现先进控制算法的工具,使过程控制仪表逐渐向 数字化、智能化和网络化方向发展。自动化生产中设 争([ H ( ) ,,,( )一 备的运行状态、产品的质量通常由温度、压力、流量、 液位以及成分等过程参数所反映,如何准确地获取过 图1温度检测系统的组成环节 程参数的信息是计算机控制技术、智能仪表技术得以 由图1设温度检测系统总的灵敏度s为: 应用的基础。过程参数检测的精度不仅依赖于传感 器和信号调理环节的精度,还与模数转换器(ADC)的 S: : △ △ △u, :s S:S, (1)1~ 、‘ 精度密切相关。设计数字化过程参数信息采集系统 由此可得系统输出的表达式: 时,如果ADC选择不当,必然对系统的性能指标造成 Y=SlS2S3 (2) 不利影响,难以达到最优控制的目的。ADC按其工作 对上式取对数后进行全微分,得到: 原理可分为比较式、积分式和压频转换(VFC)式等, dy d ds^dS .. ., 一S S3 与比较式、积分式ADC相比,VFC式ADC因具有抗 干扰能力强、成本低、信号易于远传等特点,在过程参 由于 是被测对象,其误差与检测系统本身无 关,这里不予考虑,由式(3)得: 数信息采集中有着广阔的应用前景,成为ADC接口 ry=r1+r2+l-3 (4) 技术的一个发展方向…。 式中:r (i=1,2,3)——s ,s:,Js 环节的相对误差, 2过程参数采集系统的误差构成 传感器、信号调理电路、ADC接口组建为一个 ri= ;r ——整机相对误差, = 。由式(4)可 ‘)f 过程参数采集系统的基本原则是使采集系统的性能 以看出温度检测系统的整机误差由组成系统各环节 达到预先规定的要求。以自动化生产中最为常见的 的误差共同构成,其中传感器环节通过选用高精度 温度信息采集为例,如造纸厂网前箱温度控制系统, 测温元件、设计恰当的补偿环节可满足精度要求,信 为保证纸张质量,工艺要求网前箱温度保持在 号放大环节的精度可通过选用高精度仪用放大器来 61℃,允许误差不超过q-1 oC。采用智能仪表技术 保证,在此重点讨论ADC环节的构成。 控制时,需要对温度进行信息采集,根据给定±1 oC 3定时时间与VFC器件转换精度的关系 的误差要求,系统的检测精度应达到1.5%,即仪表 ADC是数据采集系统的核心单元,选择ADC时 的精度等级应不低于1.5级。设构成温度检测系统 主要考虑转换速率和转换精度。因过程参数信息的 的各环节如图1所示,其中.s 为温度传感器的灵敏 变化频率不会很高,转换速率不是主要矛盾,设计时 度;Js,为放大器的增益;Js,为ADC的分辨率; 只考虑ADC的转换精度。ADC的误差主要是指输 (j∞)、H2(joJ)分别为传感器与放大器的频率特 入信号传递到输出所产生的量化误差,计算ADC误 性,频率特性决定了系统的动态性能,对于含有传感 器的检测系统,系统的动态特性主要受传感器的限 收稿日期:2010—11-08(修改稿) ・6O・ 化工自动化及仪表 第37卷 差的过程实际上就是确定ADC位数的过程。量化 程中,为防止温度过高而烧坏催化剂,要在反应器的 误差与ADC位数的关系如图2所示。 固定催化剂床层内的不同位置上安装热电偶进行测 量化误差 温,通过逻辑运算选出最高温度进行控制,即构成所 谓的选择性控制系统。由于温度采集点的分散性, 如果对每一个参数设置独立的采样单元,不仅会使 仪表体积庞大、成本增加,而且可能造成系统的布局 混乱,无法保证系统的可靠运行 。考虑到工业生 产中的被控过程多为慢变过程,即温度、压力、流量 9 10 11 1 2 位数 等参数的变化频率不会很高,因而设计时采用了分 图2量化误差与转换器位数的关系 布式数据采集处理结构,利用LM331、80C51单片机 及一些其他外围器件构成的多路信息采集系统硬件 从图2中可以看出,位数在11位以下的A/D 原理如图4所示。 转换器量化误差比较大。在选择ADC时如果位数 信息采集系统的核心控制器采用智能仪表中常 较少,因量化误差较大必然使参数检测系统的整体 用的80C51单片机,为了扩展系统实时数据存储、处 精度下降;如果选择位数较多的比较式ADC或积分 理能力,外扩一片8K数据存储器6264,利用80C51 式ADC,器件成本增加较多,从经济性考虑也是不 的P2.6引脚对其进行片选,字选信号线由P0.0~ 合适的。若选用压频转换式ADC,其分辨率可由定 P0.7和P2.0~P2.4构成,P0口分时复用作为数据 时时间灵活改变,为得到较高的分辨率,只需适当延 总线与6264进行数据传送。设计时选用了 长定时时问却不会增加系统成本。 MCP506A作为多路开关,MCP506A具有l6路模拟 LM331是单片集成式VFC器件,其价格低廉, 输入和1路模拟输出,使系统具备了良好的可扩展 满量程频率范围为1 Hz~100 kHz,用来构成ADC 性。多路过程参数通过传感器、变送器、采样保持器 接口时只需要少量外接元件,接口简单且便于实现 后送入MCP506A的各输入端,当MCP506的片选信 隔离,具有良好的变换精度和线性度,因此非常适合 号P2.7有效时,MCP506A根据单片机的P0.0一 于构成过程参数信息采集系统。利用LM331构成 P0.3引脚送来的通道设置信号选通相应的模拟通 ADC的原理如图3所示,来自放大器的模拟电压信 道,将一路被测信息送入LM331进行压一频变换。 号 经LM331变换为频率与其成正比的脉冲信号, 在本系统中用80C51内部 作定时器,并令其受外 脉冲频率为:fo=K×Vi,其中 为比例系数,由 部引脚INT0控制,T1作计数器。将LM331的频率 LM331的外围器件所决定。在定时时间 内对 输出端通过启动同步接口接到80C51的T1引脚,在 LM331的输出脉冲进行计数,则计数结果为:N= 所设定的定时时间内对LM331的输出脉冲计数, 实现对该路参数的A/D转换。 T ̄fo=K×T×vi,显然输入电压 与计数值Ⅳ成 LM331与80C51单片机构成A/D转换器,对某 正比,从而完成了模拟量到数字骨的转换。由于计 一数误差为4-1个字,故转换精度由汁数值Ⅳ所决定, 输入电压 进行模数转换的精度取决于定时时 Ⅳ值越大,转换精度越高。假设输入电压 不变,则 间 和LM331的输出脉冲频率 ,而LM331的输出 LM331的输出频率 固定,此时J7、,值正比于定时时 频率与外围器件参数的选择有关 ’ ,其输出频率 与输入电压、外围器件参数的关系如下: 间 ,因此只需增加定时时间即可有效提高A/D转 = 换的精度,从而保证检测系统的整体性能 。 f. R 其中:K 面 ,设计时选用典型值,令R 输出 =6.8 kn、R£=.100 kD,,C =0.01 F。系统中若取 扁动脉 K=2 00I?,则可计算出R :28.424 kD,,电路中 用一只27 kD.的固定电阻和一只5 kD,的可调电阻 图3 LM331构成ADC原理框图 串联构成,用于调整LM331的增益偏差和R¨ 、c 所引起的偏差。选择好以上参数后,LM331的输出 4 LM331组成的信息采集系统设计 频率与输入电压的关系简化为:fo=2 ooov ̄,设某 4.1信息采集系统硬件设计 时刻LM331的输入电压为 ,则80C51在定时时间 工业自动化仪表通常要对被控过程的多个过程 内对 的计数结果反映了 的大小,即完成了A/ 参数进行监控,例如在固定床反应器内合成氨的过 D转换功能。 第12期 张永春.基于VFC的过程参数信息采集系统设计 ・6l・ 图4 LM331构成ADC接口电路 4.2信息采集系统的软件设计 START:M0V DPTR.加7FFFH 如果被测参数经过前向通路调理后的变化范围 MOV A.Rl 为0—10 V,由上述所选取的参数可知LM331的最高 MOV X@DPTR.A 输出频率为20 kHz,则根据仪表所需的检测精度,只 CLR P1.O SET BP1.O 需改变相应的定时时间即可满足设计要求。对于一 CLR 170;采样标志清O 般的工业用仪表,检测精度达到1.0级已经足够了, M0V TMOD. 59H 根据误差合成理论可知,A/D转换器只需达到12位 M0V THD.躬CH 分辨率即可,据此可计算出所需的定时时间为: M0V n .加lBOH 一4 096 M0V TH1.加OH ”‘ MOV rL1.加0H 即取定时时间为200 ms,每秒可完成5次左右 M0V 1t7.}}O2H 的转换,对于温度、压力、流量等过程参数而言可以 M0V IP. 02H 满足要求。80C51采用6 MHz的晶振,1D工作于方 M0V IE.船AH 式1时,其最大定时时间只有131 ms,为获得所需定 SE IB TR0 时,软件设计时利用1]D溢出中断进行定时扩展,每 SE IB TRl 100 ms令,ID产生一次定时中断,中断两次后读取 CLR P1.1 SETB P1.1 T1计数值Ⅳ,Ⅳ即为该次的转换结果。16路参数每 HERE: JBC FO.C IDTl 次的转换结果首先依次存放于80C51内的20H~ sJMP HERE 3FH单元,再根据控制算法决定是否转存入6264中 C1DT1: CLR P1.0 以便今后调用。采样控制程序如下: SETB P1.O ORG 0000H CLR TR0 UMP MAIN CUl TR1 0RG 000BH M0V @R0,TL1 ;取转换结果 LJMP TOINT INC RO MAIN: MOV R0,#20H M0V @RO.THl MOV 1t2,#10H INC R0 MOV R1,#00H INC R1 :切换采样通道 ・62・ DJNZ R2.START UMP CHULI 化工自动化及仪表 第37卷 统达到所需的精度要求,从而为自动化仪表的可靠 运行奠定基础。 参考文献: [1]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:北京 航空航天大学出版社,2004:162—168. 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Design of Process Parameters’Data Acquisition System Based on VFC ZHANG Yong—chun (School of Electronic Information&Electric,Changzhou Imtitute of Technology,Changzhou 213002,China) Abstract:Data acquisition system,which being composed of LM33 1,80C5 1 and some other devices,can improve the system’S anti—interference ability and improve the flexibility of the conversion accuracy.The hardware and soft— ware of data acquisition system based on , conve ̄er were designed after the impact of A/D conve ̄er was dis— cussed.Experiments show that the system has good universality and scalability,and it can be used in many fields. Key words:A/D conve ̄er;data acquisition;process parameters;V/F conve ̄er (上接第58页) 期研究高性能的电压型PWM整流电路提供了有效 经过0.04 S后,系统再次稳定。整流器系统再次稳 参考依据,并在电机变频调速、新能源发电等领域有 定时,整个系统工作在有源逆变的状态下。 很好的应用价值和前景。 上述仿真结果表明整流器无论工作在整流状态 参考文献: 下还是逆变状态下都可实现下述功能:(1)系统的 [1]熊健,张凯,康勇,等.电压空间矢量脉宽调制与常规 输入电流控制理想,电压电流基本同相,功率因数可 SPWM的比较研究[J].电力电子技术,1999,12(1):25—28. 达到0.99以上;(2)系统具有输出电压范围广、脉 [2] YANG Y,MEHRDAD K,VICTOR H M.Control and Imple— 动小、谐波量少和稳压性能好等优点;(3)负载电流 mentation of Three.Phase PWM Converter[J].IEEE Transac— 谐波总畸变率相对低,脉动小。 tions on Power Electronics,2003,18(3):21l一214. 5结论 [3] 杨德刚,刘润生,赵良炳.三相高功率因数整流器的电流控 本文研究了一种基于两相调制的SVPWM可逆 制[J].电工技术学报,2000,10(2):12—16. [4] VLADIMIR B.Analysis of a Hybrid PWM Based on Modiifed 整流器,该控制策略区间判别可以利用硬件实现,简 Space—Vector and Triangle—Comparison Methods[J].IEEE 化了软件计算的时间开销,矢量合成计算易于数字 Transactions on Industry Applications,1997,33(3):756— 化实现;不仅具有较高的母线电压利用率,而且大大 764. 减少了开关损耗,并且可以实现能量的双向流动;网 [5] 胡学芝.基于Matlab的三相电压型PWM整流器建模与仿 侧电流正弦化,功率因数近似于1。本文研究为后 真[J].自动化与仪器仪表,2005,16(6):30—36. Research of Voltage Source Reversible Rectifier Based on SVPWM Control FU Guang-jie.NIU Yi.SUN Chang—ping (School ofElectric Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Chian) Abstract:In order to achieve two—phase modulation control strategy to ensure the input current sinusoidal and the bus voltage stability,while reducing the switching losses of the power electronic devices,voltage space vector control strategy of PWM rectifier based on two—phase modulation method was designed.The direct current control method based on feedforward decoupling control algorithm was used for the control method.A simulation mode1 of rectifier and contro1 system was established.The correctness of theoretical is verified with simulation resuIts. Key words:PWM rectiifer;space voltage vector;two.phase modulation:simulation