新一代DCS中智能温度监控系统设计与实现

新一代DCS中智能温度监控系统设计与实现
路永华
【摘要】传统的分布式温度监控方法存在费时费力、不便应用在特殊环境、不便
用于多点融合监控等弊端,因此设计并实现了新一代DCS智能温度监控系统,通过核心为ARM7LPC2292芯片的下位机及时调整全部温控点的温度,自主设置温度、显示实际温度与报警;采用核心为89C51微处理器模块,将上、下位机的信息互相传递,确保上位机随时查询温度信息;通过CC2530终端节点实时采集测温终端的温度数据,将温度数据无线发送给CC2530协调器节点,不再采用传统的中转服务器方式,而是采用协调器节点通过串口与上位机进行通信,并在上位机中进行温度数据的处理
和存储;软件设计过程中,对系统监控过程中上位机和下位机间的主从通信方式进行
详细分析,并给出了系统温度监控数据通信传输的流程图,分析了系统实现温度监控
的数据库访问代码以及温控曲线显示代码的设计;实验结果说明,所设计系统性能好、操作简单、控制准确率高.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)004
【总页数】4页(P1202-1204,1248)
【关键词】DCS设置;智能监控;温度控制
【作者】路永华
【作者单位】兰州商学院信息工程学院,兰州 730020
【正文语种】中文
【中图分类】TP181
0 引言
随着计算机技术和智能控制要求的不断提高，控制系统的开放分布式体系呈现强劲的发展态势［1－3］。

其中，针对温度的各种监控系统在工业、环境监测、医疗
等领域具有较高的应用价值。

DCS 即分布式控制系统（distributed control system），采用分布式智能温度监控系统对连续运行的大规模工业热处理设备进
行监控，能够增强系统控制精度可稳定性，提高产品质量和工作的安全性［4－6］。

当前的分布式温度监控系统主要来自和利时、西门子等公司，系统存在费时费力、不便应用在特殊环境、不便用于多点融合监控等弊端［7－10］。

因此，本文在充分研究传统DCS系统的基础上，研究和设计了新一代DCS智能温度监控
系统。

1 新一代DCS温控系统的结构逻辑设计
与传统的DCS 温控系统不同，本系统需要考虑稳定性、先进性以及开放性。

这就不能采用传统系统中，通过服务器中转的模式。

而是通过串口与上位机下位机直接通信，进行数据交换。

系统总体结构如图1所示。

图1 DCS设置中的温度调节控制系统结构图
新一代温控系统结构分布式包括上、中、下3级。

下位机（即温控仪）的作用是，随时调整热处理机器所有温控点的温度，能自动设置温度、显示真实温度与报警，系统设备硬件组成如图2所示。

下位机数量最多可达32台。

中位机采用89C51
微处理器为核心，具有64K 数据存储器与DS1302时钟单元，能将上、下位机的信息互相传递，确保上位机随时查询温度信息，中位机中的CC2530测温终端模
块实现现场温度的采集、处理和存储。

上位机可随时显示机器真实温度、设定温度、位置曲线、实时系统参数以及显示温度与位置曲线，还能查询最原始的数据记录与
表格，并将其打印。

2 温控系统核心硬件设计
2.1 下位机硬件设计
系统中的下位机（即温控仪），可随时调整全部温控点的温度，自动设置温度、显示真实温度与报警。

系统设备硬件组成如图2所示，下位机的核心为
ARM7LPC2292芯片，该种芯片是32位ARM 芯片，是RockE40PLC 系列中最
为前端的产品。

ARM7LPC2292芯片采用PLC 系统，通过传感器以及传感器接口电路完成温度数据的收集与流程控制，将获取的模拟温度信号经A／D 转换电路
转换成数字信号，再采用CAN 通信接口同上位机通信。

该模块具有故障自诊断、短路保护和LED 指示功能等特点。

图2 下位机系统设备硬件组成图
2.2 CC2530测温终端硬件设计
图3 CC2530测温终端硬件结构图
当前的DCS温控系统多是通过服务器作为中转，对温度信息进行串联，保证上下
位机信息的通常，但是，这种设计思路的弊端较为明显，虽然对服务器进行了冗余设计，但是，一旦服务器出现错误，上位机与下位机的温度信息就会失去关联，本文采用串口的协调器节点设计结构，使上下位机直接通信。

通过CC2530测温终
端模块实现现场温度的采集、处理和存储。

CC2530终端节点可以实时采集测温终端的温度数据，并将温度数据无线发送给CC2530协调器节点。

协调器节点通过
串口与上位机进行通信，同时在上位机中进行相关数据处理，并将处理后的数据存储在后台服务器中。

其系统结构如图3所示。

CC2530测温终端包括RemoDAQ
－8000温控实验平台、CC2530终端节点、ZigBee无线通信、微处理器模块等。

其作用在于可对待测点的温度实时收集，同时利用无线方式，把温度信息传送至协调器节点。

CC2530协调器包括微处理器和无线通信模块。

其功能是利用RS232
将收到的信息传输到PC机上，再通过PC机进行处理与显示。

RemoDAQ 温控实验平台包括R－8520、R－8036、R－8065、Pt－100等。

其中，R－8520是用于完成RS232电平与RS485电平间的互换；R－8036用于把收集到的温度模拟量转化为数字量；R－8065用于完成Pt－100和电热杯的加热与结束；Pt－100类似温度传感器，其测量温度大约在－500～1200℃之间，电阻随温度变化而变化。

2.3 上位机下位机通信中的信息处理模块设计
温度监控系统通过核心为89C51微处理器模块，将上、下位机的信息互相传递，确保上位机随时查询温度信息。

微处理器模块选用51系列80C51单片机，其内部结构如图4所示。

该系统选用CHMOS工艺技术生产的高性能8位单片机，集成时钟输出和向上或向下计数器等功能。

80C51配有8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8KB片内存储器ROM、32个双向输入输出I／O 口、3个16位定时／计数器与5个两级中断结构，同时配有一个全双工串行通信口以及片内时钟振荡电路。

采用工作电压为3.3V 的MAX232电平转换芯片，作为80C51单片机芯片和RS232串口通信的芯片。

本文采用5 V 电池供电，利用LMS117稳压芯片把5 V 转换为3.3V，确保终端节点拥有更好的灵活性。

图4 80C51内部结构图
3 系统软件设计
3.1 上位机与下位机的通信协议设计与实现
本文设计的智能温度监控系统，进行温度数据监控过程中，控制单元和现场监控单元不再是并列关系，而是一种主从关系。

其中，控制单元是上位机，现场监控单元是下位机，它们间的通信协议选用主从的工作方式进行。

系统进行温度监控时，温度信息通信过程如图5所示。

进行通信时，先由上位机利用RS－485总线，呼叫全部下位机的呼叫帧。

因全部
下位机都与总线相连，所以全部下位机都接收到了呼叫帧，呼叫帧中含有上位机呼叫某台下位机的位置信息。

所有下位机将收到呼叫帧里的位置，将其与本机位置对比，只有满足条件的下位机才能与上位机建立通信关系。

控制帧与数据帧是通信时用的两个帧。

控制帧可建立与修护上位机与下位机间通信的链路。

数据帧的作用是信息与数据的传递。

为了确保温度监控数据通信的实时性，如果接收方在指定时间内没有收到对方的响应帧，则将上一帧数据再重新发送一次，等待对方响应帧。

若该情况连续3次都没有收到对方响应帧，则推断通信线路出现错误或对方发生故障，通信双方终止通信。

图5 智能温度监控系统中温度数据主从通信流程图
3.2 温度信息采集过程的软件代码实现
3.2.1 温度数据库的访问
本文设计的新一代DCS设置中智能温度监控系统，通过现场显示屏呈现温度监控信息时，各页面需要先访问温度数据库。

假设各个页面都需要编写ASP代码，把ASP代码编写成一个独立的conn.inc文件，在能用到数据库连接的ASP页面中导入＜！－－ include file＝”inc／conn.inc”－－＞语言来使用这个文件，就能完成连接，提高系统访问数据库的工作效率。

Conn.inc文件里的信息如下：
3.2.2 系统温度信息柱状图的动态显示
系统通过VML 技术与网页定时刷新，完成温度监控信息柱状图的动态显示。

IE 内置的标记语言，能快捷地完成柱状图的描画。

本文通过Rect元素完成温度监控信息柱状图，VML在使用前须作以下声明：
通过数据库可得到数据平均值pi101Avr，将其除以10完成1∶10显示比例。

通过服务器端执行ASP 算出数据pi101Avr，将其使用在客户端JScript脚本中。

为
了实现条形图动态显示运行趋势，利用自动更新数据及网页自动刷新的方式来完成。

在＜head＞范围中加入代码＜metaht tp－equiv＝”refresh”content＝”20”＞，式中20指每隔20s刷新一次页面。

4 实验分析
为了验证本文设计的新一代DCS设置中的智能温度监控系统的有效性，需要进行
相关的实验分析。

实验采用本文系统对某工业窑炉中的温度进行监控，图6描述
了本文系统下窑内所有温控点在某一时刻的控制状况。

通过现场长时间操作，证明本文系统性能好、操作简单、控制准确率高，是一款非常理想的工业窑炉温控系统。

图6 窑内各温控点某一时刻温度控制情况
图7描述窑内某一通道的温度趋势图，此通道的设定温度为36℃。

从图中可以看出，通过一段时间的调整，温度基本保持稳定，改通道完成控制精度±0.6℃。

通
过检测结果，证明系统软、硬件运作正常，能完成预定目标。

图7 通道1温度变化趋势图
通过检测，PC机上显示的温度数据与协调器节点显示的温度数据相同，系统运作良好。

表1通过分析当前温度与设定温度间的关系，可以看出要求温度与真实温
度相差范围在1.4℃之间，要求温度同真实温度间的误差是2.4%，满足既定的要求，说明本文系统可对工业窑炉温度进行高精度的控制。

表1 设置温度与实际温度分析表
5 结论
本文设计并实现了一种新一代DCS设置中智能温度监控系统，通过核心为
ARM7LPC2292芯片的下位机及时调整全部温控点的温度，自主设置温度、显示
真实温度与报警；采用核心为89C51微处理器模块，将上、下位机的信息互相传递，确保上位机随时查询温度信息；通过CC2530终端节点实时采集测温终端的
温度数据，将温度数据无线发送给CC2530协调器节点，协调器节点通过串口与
上位机进行通信，并在上位机中进行相关数据处理和存储。

软件设计过程中，对系统监控过程中上位机和下位机间的主从通信方式进行详细分析，并给出了系统温度监控数据通信传输的流程图，分析了系统实现温度监控的数据库访问代码以及温控曲线显示代码的设计。

仿真实验结果说明，所设计系统性能好、操作简单、控制准确率高。

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