长沙西门子PLC代理商电源供应商

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当今的自动化技术发展，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的竞争压力，他们需要进一步降、缩短产品生产周期，并能够完成产品的新换代。而采用新的自动化技术正是解决这一系列问题的有效手段。

1、PAC控制技术产生的背景

自20世纪70年代，PLC取代了原有的继电器控制系统以来，被广泛地使用到各种控制系统中，成为自动化领域中竞争力的控制工具。其优势为：高性和稳定性。但传统PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。尽管如此，PLC还是在很多工业应用中被使用。据来自ARC、联合开发公司（VDC）以及网上PLC培训资源PLC．net的估计，80％的PLC用于小型应用（1～128I／O）；78％的PLC的I／O是数字的；80％的PLC应用问题可由20条梯形逻辑指令集来解决。但是，如果要在工程中开发剩余的20％的应用时，我们就不得不突破PLC的限制了。

20世纪90年代，随着计算机技术的不断提高与发展，人们开始考虑使用PC机来进行系统控制，以求通过PC来满足剩余的20％的应用，给用户带来多的选择。在许多工程应用中，PC机已能实现原来PLC的控制功能。并且具有强的数据处理能力、强大的网络通讯功能以及能够执行比较复杂的控制算法和其近乎无限制的存储容量等优势。但是基于PC的自动化控制也有其不足之处，其设备的性、实时性和稳定性都较差，而这3个方面正是在工业现场经常需要克服的问题。

2、PAC控制技术的特点及其优势

由于PC和PLC都有其各自的优缺点，因此，人们开发出了新的控制器来解决20％的应用，并把PLC和PC的特性地结合在一起。市场ARC咨询机构采用了PAC或可编程自动化控制器这一术语，它定义了一种新类型的控制器，该控制器是由一个轻便的控制引擎作为支持，并且提供了多种功能的开发工具。这种控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的性、坚固性和分布特性。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，ARC提出了PAC的5个重要特点。分别为：①多功能性，在一个平台上至少有两个逻辑、运动、PID控制、驱动和处理功能；②单一的多功能开发平台使用通用的标记和单个数据库来访问所有的参数和功能；③通过结合IEC61131—3，用户向导和数据管理，软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程；④开放的，模块化结构能解决从工厂机器布置到加工车间中单元操作的工业应用；⑤采用既定的网络协议和程序语言标准来用户的网络数据交换，如TCP／IP，OPC．XML和SQL查询语言。

与传统的控制技术相比，PAC技术主要具有以下优点。

1）采用单一的控制器。PAC具有单一的控制器，可用于处理数字和模拟I／O，具有运动视觉功能和模块化仪器，因此当用户需要视觉等功能时就不必购买其他控制器了。

2）控制。控制如模糊逻辑和神经网络等控制技术不仅需要强大的浮点处理器，而且还需要占用大量的内存，PAC平台就可以满足这些条件。

3）实时分析。PAC可以实时地采集来自模拟或数字I／O通道的数据，并且对这些数据进行实时的分析，从而能有效地检测故障状态。如进行阶次跟踪和振动分析来检测机器的运行状况。

4）性。PLC在通过以太网发送的数据包是非加密的，所以它并不适合用于防止入侵。而PAC发送的数据包是可以加密的。虽然这并不是目前需要考虑的因素，但是未来性必然会成为一个重要的方面。

5）多种速度的确定性应用。PLC只能以固定的速度运行，所以它不能以不同的速率来立完成各任务。而PAC上运行的操作系统就具有这样的特性，它可以进行并行处理。

6）灵活的记忆功能。PAC有一个模块，可升级的记忆功能，允许用户执行系统以满足当前的应用要求，以及可在将来进行一定的扩展。而PLC只有固定的记忆容量。

7）机器视觉。由于受到速率的限制，PLC平台上不能提供视觉功能。PAC的机器视觉可以出利用传统的方法很难测量出来的产品缺陷和错误。

8）提高生产率。一个通用的轻便控制引擎和综合工程开发的平台允许快速开发、实施和迁移项目工程；并且，由于它的开放性和灵活性，确保了控制点和操作以及企业业务系统之间的无缝连接，优化了工厂的流程，提高了生产效率。

9）降低了操作成本。由于使用了通用标准架构和网络，使用户能够从成本的角度出发来选择不同的系统部件，而不是专有的产品和技术；只要求用户在统一的平台和开发环境下培训，而不需要学习多种环境；为用户提供了一个无缝的迁移路径，保护了用户在I／O和应用开发方面的投资。

3、PAC控制技术的解决方案及主要产品

从定义可以看出PAC其实是一个系统的概念。它包括了两部分内容：一体化的软件平台和基于开放式模块化结构的硬件平台。PAC技术的解决方案也围绕这两个方面展开。

一般来说，有两种提供PAC软件的方式：基于PLC控制的软件和基于制的软件。

1）基于PLC控制的软件方案。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件，这些新功能包括以太网通信，运动控制和算法。通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型的应用而设计的。

2）基于制的软件方案。在PC方面，主要的解决方案是通过采用实时操作系统（RTOS）如来自美国WindRiver公司的Vx Works来实现的。实时操作系统能够控制系统的各个层面，从I／O读写速率到控制器上各个线程的级。并且为了使用户能为容易地开发出的控制程序，生产厂商增加了抽象层和I／O读写架构。因而这种灵活的软件非常适合于定制控制，数据记录和通信等方面的应用。

硬件方面的解决方案主要是依靠的CPU技术和开放式的设计（如：工业以太网）。根据摩尔定律，新的CPU在其体积小、功耗低的情况下数据处理能力却变的强。从而使用户在获得为稳定、的CPU的同时还获得了出众的计算能力。也使得制造厂商有可能去选择标准的嵌入式系统结构进行设计，摆脱传统PLC因采用专有的硬件结构体系所带来的局限，使系统具有为丰富的功能前景。所谓开放就是在产品设计、元器件选择、网络通信、操作系统、监控及显示等方面都采用标准或大家公认的工业标准。时刻想到标准化就能使不同厂家的产品兼容、互换、并且能连接在同一个网络中运行。像工业以太网就是这样的标准。以太网（Ethernet）自1975年问世以来，至今市场占有率已高达80％，毫无疑问是当今LAN（局域网）领域中的网络。以太网可以分为很多等级，一般简单的控制系统没有必要采用以太网，但对复杂的系统是很有用的，操作方便，而且能直观地看到各处的图像。

目前已有多个厂家提供符合PAC定义的特征和性能的产品，其中主要的应用产品如下。

GE Fanuc公司的PAC是由一体化的软件开发平台CIMPLICITY Machine Edition（ME）和开放式模块化硬件平台PAC Systems RX3i／7i构成的。ME包括3个软件包，如图1所示。

图1 GE PAC

其中View是人机界面工具包，实现SCA—DA／HMI功能；Logic Developer为Soft—logic开发包，它符合IEC61131标准，提供所有开发、监控和调试程序的工具；Motion De—veloper是运动控制开发包，用来确保运动控制程序的开发，并且提供了多达100个运动控制和复杂控制的算法模块。在硬件平台方面，GE Fanuc公司目前推出了PAC Systems RX3i／7i两个系列的产品。

NI公司的PAC，其特色在于整合了测试测量领域中应用非常广泛的开发平台LavView。PAC系统开发软件LabVIEW不仅为用户提供创建复杂测量控制系统的编译灵活性，同时因为它直观的图形化开发界面而变得非常容易使用。在LabVIEW中，用户可以利用数百个内置的控制和分析函数，快速开发各种复杂程序。用户还可以在LabVIEW中调用其他软件开发的程序代码，来进行处理I／O、运动控制、机器视觉及仪器通信等各种应用。PAC系统开发硬件包括Compact FieldPoint，CompactRIO，Compact Vi-sion System，Industrial PC。如图2所示。

图2 NI PAC

ICPDAS泓格科技的PAC的主要产品有WinCon／LinCon。WinCon的操作系统为bbbbbbs CE．net；LinCon的操作系统为bbbbbdedLinux。WinCon支持串行式连接、Ethernet网络连接、并行式连接；提供了Soft Logic PLC的软件包和bbbbbded View等套装监控系统；采用OPC和Modbus两种数据通信方式；具有标准的关系型数据库；并且可以利用Visual Basic．net等多种工具进行自行开发程序。

除了上述典型产品外，还有一些其他公司的产品，例如：Beckoff公司的CX1000等等。它们也都有自己的特点。

4、PAC技术的发展趋势

随着市场的需要，PAC技术在未来的几年内将朝着以下几个方向进一步发展。

1）设备规格的多样化。为了满足各种实际生产状况的需要，PAC的规格将会呈现出多样化的发展趋势。在具体的生产环境中，选择合适的控制系统要求的PAC，有利于降。

2）支持多的控制功能。目前，PAC已经将逻辑、运动、过程控制等功能集成到了单一的平台上。而未来，PAC将进一步融合多的功能，例如对于性的考虑，批处理等等。当信息被越来越广泛地使用时，其性就将成为需要考虑的因素。

3）商业系统的集成。为了实现真正的实时性，自动化设备供应商将在PAC内部继续创建商业系统的连接通道而不依赖于其他的连接设备。PAC将内嵌制造执行系统（MES）的一些属性，例如：标准接口的建立，它将有利于好地解决控制层和管理层之间的连接问题。

4）简单的系统维护。PAC将往小化智能化的方向发展，但同时它将拥有出众的数据处理能力。其软件可以监控机器运转状况，硬件可以完成复杂的自检工作。为了提高生产率、增加利润，企业就及时有效地传递数据信息。PAC的这种数据处理能力，可以满足用户在任何时间通过任何形式（如：e-mail，网页）对数据进行维护。

5）延长产品的生命周期。通过采用新技术来获得高生产效率固然十分重要，但是新技术的使用是否会大幅增加成本和培训费也是厂家十分关注的问题。PAC未来平台将仍然采用标准化的设计，其卖主可以继续使用原来的商业技术和以太网等标准，从而有效地降低了对成本的投入。

5、结束语

PAC既可以满足工业控制系统对于开放性和柔性的要求，又可以满足用户对稳定性和性的要求。利用PAC控制技术，可以有效地为客户降低生产成本、提高生产效率，实现收益的增长。ARC指出，尽管PLC的价格在逐渐下降，但是其整体销售额在未来的几年内仍趋于上升。而作为结合了PC和PLC优势的PAC，我们有理由相信随着PAC技术的不断完善、发展和价位逐步的逼近于PLC，PAC技术必将在未来的工业自动化领域中成为控制系统的主流。

引言

磨矿过程是选矿厂的中间工序。矿石经过物理的研磨、分级作用，颗粒由大变小到一定的程度，才能达到矿石的单体解离或近于单体解离，有利于选别工序的金属回收和金属富集。因此磨矿过程是影响选矿生产的关键环节，直接制约着选矿产品质量和金属回收率。此外，磨矿作业能耗占选矿厂整个选矿过程的40%～60%。因此磨矿过程实现自动控制具有重要意义。国外对磨矿过程的建模与控制的研究已经相当深入，控制方法包括优化控制[1]，多变量控制[2]，预测控制[3]，但是国外的磨矿流程和设备与我国不尽相同，国外一般都用棒磨机为一段开路磨矿，或以新给矿配水力旋流器构成磨矿闭路，并普遍使用粒度计等高精密在线检测仪表，因此其研究成果难以适用于实现我国磨矿过程的自动控制。国外对于磨矿粒度的软测量的研究，于用来代替常规仪表实现回路控制[4]。我国的磨矿过程具有自身特点，广泛使用螺旋分级机。磨矿过程本身的大惯性、参数时变、非线性、边界条件波动大等复杂特性，以及关键工艺指标磨矿粒度难以在线测量，导致在我国磨矿过程自动化水平低，目前只在部分厂矿实现了给矿、给水等基础回路的自动控制。欧洲钢铁工业技术发展指南指出：“对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现[5]”。文献[6]针对选矿过程提出了过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构的自动化系统。文献[7]提出了企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金矿企业综合自动化系统，成功应用于辽宁省排山楼金矿，且成效显著。结合磨矿的生产技术要求及工艺特点，从稳定产品质量、提高磨矿效率、降低能耗的总体控制目标出发，基于优化关键生产工艺指标的实际出发，结合系统、案例推理等人工智能技术，提出了过程管理系统和过程控制系统组成的二层结构的磨矿过程综合自动化系统。

1 磨矿过程描述

磨矿过程主要是将矿石经过磨矿过程，处理成细粒度级的颗粒，提供给选别作业。其工艺流程图如图1所示。圆筒矿仓内的粉矿经由电振排料机、给矿皮带，送入一段球磨机内，经过球磨机、双螺旋分级机组成的一段闭路磨矿系统细磨后，再经过细筛的筛分作用，大颗粒的矿石被送入由二段球磨机、水力旋流器组成的二段闭路磨矿系统继续再磨，水力旋流器的溢流和经筛分作用后的小颗粒被送入选别工序。为了保证磨矿分级效果，在一段磨机入口、一段磨机出口和二段泵池处分别加入一定流量的清水。

磨矿过程关键的工艺指标是二段磨矿的旋流器溢流粒度指标。从控制的角度看，影响磨矿作业的主要因素有一段球磨机给矿量、一段球磨机磨 矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度等。保持球磨机给矿量稳定，使其不波动或波动范围很小，对稳定产品质量、稳定球磨机磨矿过程都是很重要的因素，同时从经济效益的角度考虑应保证球磨机的大处理能力。对于格子型球磨机来说，一个比较合适的磨矿质量浓度是实现球磨机磨矿低的前提，磨矿质量浓度的过高或过低都会产生负面的影响，比如球磨机涨肚等事故。螺旋分级机溢流质量浓度在某种程度上与一次分级溢流粒度有一定的关系，并且溢流质量浓度的高低将会影响分级机返砂的多少和返砂的质量浓度，从而影响球磨机的磨矿效率和球磨机的处理量，因此控制分级机溢流质量浓度是控制产品质量好坏、磨矿效率的重要环节。为了保证水力旋流器在生产上的稳定及其产品质量的稳定，控制旋流器的给矿压力，保证旋流器的工作状况（沉砂呈伞装，角度不能过大或过小），防止产品质量的波动，同时也防止旋流器给矿泵池被打空或打冒。旋流器的溢流粒度与旋流器的给矿质量浓度有一定的关系，此参数配合旋流器的给矿压力将是控制旋流器分级效率的重要工作参数。以上各种因素的相互影响，共同作用，决定了磨矿作业的好坏。正是从该工艺的生产技术要求及工艺特点设计了磨矿过程综合自动化系统。

通过以析，我们确定，磨矿过程的主要控制变量为电振排的振动频率、一段球磨机入口加水阀位开度、螺旋分级机补加水阀位开度、水力旋流器给矿矿浆泵转速、二段泵池补加水阀位开度等；主要被控变量为一段球磨机给矿量、一段球磨机入口加水流量、一段球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机补加水、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度、二段泵池液位等。

2 磨矿过程综合自动化系统

2.1 系统结构与功能

结合选矿厂磨矿过程的特点，提出了磨矿过程综合自动化系统的体系结构，如图2所示。

该系统由磨矿智能优化控制系统和运行过程管理系统两层结构组成。其中智能优化控制系统采用EIC三电一体化计算机集散控制系统集成设计技术和智能控制技术，由磨矿过程智能优化回路设定系统、一段磨矿回路控制子系统与二段磨矿回路控制子系统组成。

运行过程管理系统包括系统监测、故障诊断、设备管理、生产管理、报表生产与打印、系统通讯和操作指导、系统、用户管理和系统导航等功能模块。智能优化控制系统和运行过程管理系统通过设备网、控制网、以太网和实时数据库实现两层和各个子系统之间的信息集成，从而实现磨矿过程的综合自动化。

智能优化控制系统实现各设备逻辑连锁控制、回路控制和回路优化设定控制等功能。逻辑连锁控制主要包括电振排组、给矿皮带、螺旋分级机、矿浆泵及水力旋流器给矿变频器组等设备装置的单机启停操作和全线联起、联停的操作。回路控制主要实现重要工艺参数的连续稳定控制，并控制在工艺要求范围内。控制回路主要包括一段球磨机给矿量、球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、二段水力旋流器给矿压力、给矿质量浓度的回路控制，以及矿浆泵泵池液位的前馈控制，保证磨矿过程的稳定、生产。磨矿智能优化控制系统以保证磨矿产品粒度、提高球磨机的磨矿效率和分级机设备的分级效率、提高球磨机的处理量、降低能耗综合生产指标为目标，采用智能协调控制策略，根据磨矿粒度的目标要求和边界条件等的波动情况，分别对一段磨矿控制系统和二段磨矿控制系统的基础控制回路的设定值进行在线优化。

运行过程管理系统实现运行管理和系统管理功能。从生产过程采集的数据或由控制系统处理后的数据，传送给过程管理系统，由过程管理系统对其进行监视和管理。操作员在控制室通过监控画面和多媒体的生产现场实景监控画面，监控磨矿作业的生产状况和设备状况，从而可以实现在软手动工作方式下的生产操作或在全自动生产方式下实现必要的人工干预。生产与设备的故障诊断系统可以对球磨机给矿断料、球磨机涨肚、球磨机轴瓦异常、泵池泵异常、变频器异常以及生产波动异常、工艺参数变化异常等工况做出判断，给出报警信息与操作上的建议。

2.2智能优化控制策略

磨矿过程综合自动化系统的是能够实现工艺指标优化的磨矿过程智能优化控制系统。为此，提出了磨矿过程智能优化控制策略，其基本架构如图3所示。该策略由智能优化设定系统和磨矿回路控制系统两级结构组成。

智能优化设定系统包括智能协调设定模型、二段溢流粒度软测量模型、二段预测补偿模型、一段磨矿回路设定模型、一段溢流粒度软测量模型、一段预测补偿模型、一段磨矿质量浓度软测量和磨机负荷推理模型组成。

智能协调设定模型根据给定的终产品的关键工艺指标——二段旋流器溢流粒度的目标值，在球磨机处理量和边界条件的约束下，给出二段磨矿控制回路的预设定值和一段磨矿溢流粒度的目标值。该模型结合实际生产工艺要求，采用基于系统的多级决策算法，协调一、二段磨矿产能分配与粒度指标的分配关系。当工艺指标的目标与当前实际的二段分级机溢流粒度的差值在二段磨矿过程具备的调节能力的范围之外时，调整一段磨矿溢流粒度的目标值，以便在大范围内调整磨矿过程的运行状态。

智能协调设定模型采用案例推理算法，给出旋流器的给矿压力、给矿质量浓度的预设定值。在此基础之上，二段预测补偿模型通过将二段溢流粒度软测量得到的粒度预报值与二段溢流粒度的目标值进行比较，根据预报粒度的偏差值，采用前馈校正算法提前对二段磨矿过程的基础控制回路设定值进行前馈修正。

一段磨矿回路设定模型根据智能协调设定模型给出的一段溢流粒度的目标值，给出一段磨矿回路的预设定值。该模型结合球磨机有功功率的动态曲线，采用自寻优控制算法，实现球磨机处理量的大化；采用基于案例推理的磨矿智能优化设定算法，在一段磨矿质量浓度和磨机负荷的约束条件下，根据一段溢流粒度的目标值，给出球磨机给矿量、一次溢流质量浓度和返砂水流量的预设定值。

一段预测补偿模型采用系统技术，将一段溢流粒度软测量得到的粒度估计值与一段溢流粒度的目标值进行比较，根据粒度轨迹的偏差值，对一段磨矿过程的基础控制回路设定值进行修正。

图3 磨矿过程智能优化控制策略结构图

关键工艺参数软测量模型包括二段磨矿粒度软测量模型、一段磨矿粒度软测量模型、一段磨矿质量浓度软测量模型和磨机负荷推理模型。其中二段磨矿粒度软测量模型采用基于案例推理的软测量算法对二段磨矿粒度指标进行预报；一段磨矿粒度软测量模型采用人工神经网络对一段磨矿粒度指标进行预报。一段磨矿质量浓度软测量模型根据球磨机的给矿量、返砂水流量、螺旋分级机电流等过程输入输出数据，采用基于神经网络与物料平衡相结合算法，给出当前磨矿质量浓度的在线估计值。建立磨矿质量浓度软测量模型的目的在于解决磨矿质量浓度无法用仪表直接在线测量的问题，以保证适宜的磨矿质量浓度从而使得球磨机的磨矿效率达到。

磨机负荷推理模型根据一段球磨机有功功率，螺旋分级机电流，球磨机给矿量等过程输入输出数据，采用模糊推理算法，给出当前磨机负荷的估计值，并将磨机负荷的估计值输入一段磨矿智能设定模块，作为优化设定的约束条件。

3 综合自动化系统实施及应用效果

某大型赤铁矿选矿厂年处理铁矿石5×106t，其磨矿工序具有8个系列的一段球磨机和7个系列的二段球磨机。所处理的矿石矿物组成复杂，铁矿物嵌布粒度细，属弱磁性难选矿石。以往磨矿的生产主要由操作员通过眼看、手摸、耳听等手段进行操作，往往等发现产品质量有问题后才进行相应的生产参数调整，生产波动较大，操作不稳定，生产质量难以保证，影响正常作业。

结合选矿厂生产工艺实际情况，设计实施了磨矿过程综合自动化系统。控制系统采用美国AB公司的Controllogix5000系统，基于RSview32，VBA等组态开发环境，开发了软件、过程控制软件和优化控制软件，实现了过程控制系统和过程管理系统的集成

在供水系统中，水泵的耗电量占总耗电量的21%以上，采用变频调速技术对水泵运行进行技术改造，可节电20%～50%，既节约了资源，又提高了系统的响应速度和调节精度。智能模糊给水控制器就是应用变频技术和模糊控制方法，根据检测到的信号的状态，按照系统的控制流程通过变频器和执行元件对水泵组进行控制，从而实现恒压供水的目的。并且采用无线技术实现了与上位机的通信，可用于现有给水控制器的升级改造。

给水控制器的硬件设计

智能模糊给水控制器的硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为，与I2C总线的I/O通道接口电路以及E2PROM存储器相结合组成的小化控制系统。包括信号采集、参数设定、数据显示、键盘中断、电机控制等模块。各模块的整体结构设计如图1所示。

用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、设定压力、工作方式等。位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为8位数字量送入CPU。运算再串行输出给74HC164，进而在LED显示。系统的设定数据和其他一些掉电时需要保护的数据都存储在串行E2PROM X5045P中，它是可电擦写的非易失性存储器，CPU通过I2C串行总线对其进行访问，实施读写操作。

信号采集：位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为8位数字量送入CPU。ADC0831是8位逐次比较式单性A/D转换器，自带时钟发生器，具有单通道输入方式，它的串行输出接口容易与微处理器相连。为了实现按比例转换，达到的分辨率，将REF引脚的输入电压设置成模拟输入电压的大值，通常将VREF设置成VCC。片选信号置零才能启动转换，使所有逻辑电路使能，因此，片选信号保持低电平。由于采样间隔比较长，并从成本上考虑，在这里没有安装采样保持器，而是选用了瓷片电容，同样起到了滤波和采样保持的作用。

参数设定：用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、压力、工作方式等。控制面板上有SET、UP、DOWN、PROG四个按键。使用时分别点击按键，开关与地短接，产生一个低电平给单片机的P0.0～P0.3口，在输入数据以后，执行一条取指操作，使引脚上的数据经缓冲器送至内部总线，数据读入CPU,运算串行输出给74HC164，送LED显示。

数据显示：采用4片8位的串入/并出移位寄存器74HC164作为8位LED显示器的静态控制端口。每一个时钟信号到来时，全部芯片内的数据将同时右移一位，片的码送到下一片的串行数据输入端和输出口的位。单片机I/O口输出的串行数据在移位脉冲的同步作用下，可以渐移到各芯片的并行输出端。这样主程序可以不扫描显示器，从而使之有多的时间处理其他的事务。优点是编程容易，管理简单。

电机控制：设计了由AT89C52的I/O口驱动6个灵敏电继电器，通过控制接触器的通断，实现每台电动机在变频器与电网之间的切换。采用脉冲宽度调制，通过改变电机驱动电压接通时间与通电周期的比值来控制电机的速度。在脉冲的作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。变频调速是通过供水系统管网上的压力传感器对管网的水压进行采样，将压力信号转换成电信号，并将其送至PI调解器与用户设备的压力值进行比较和运算，将转换为频率调节信号送至变频器。变频器根据传送过来的频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现调整水泵的转速，达到水压恒定的目的。

nRF401芯片的应用

● 芯片简介

为了实现对给水控制器的监测，将控制器的信息传给上位机，以便进行数据分析，采用了挪威Nordic公司推出的nRF401单芯片RF收发机。该芯片的大传输速率为20kb/s，仅外接一个晶体和几个电阻、电容、电感元件，可直接与单片机串口相连，用于发送接收数据，由于对数据进行曼彻斯特编码。硬件设计的电路图如图6所示。

图6 无线收发模块的硬件电路图

无线通信协议定义如下：nRF401之间通信数据包共24B，其格式为：

起始码LEAD(2)+目的地址(1)+源地址(1)+数据包ID(1)+指令类型TYPE(1)+日期DATE(5)+数据有效长度LENGTH(1)+数据DATA(10)+CRC校验码(2)

其中括号内的数字为所占用的字节数。

于是就可以很方便的把以上系统的数据包格式定为：

LEAD1=55H，是引导码；
LEAD2=0AAH，是引导码；
ADD1是数据要传送的终止地址；
ADD2是数据包的始发地址；
TYPE是数据包的命令字节，由此确定数据包的类型，包括立即采样、定时上传等；
DATE是日期，包括年、月、日、时、分；
LENGTH是为数据包的有效字节的长度；
DATA是数据包字节；
CRC是校验字节。

由于在系统中无线通信的频率采用433.92MHz作为通信载波频率，主机采用扫描的方式采集从机的数据，它们之间的数据交换方式如图数据交换框图7所示。

图7 数据交换的原理框图

为了使CPU能够处理其他事情，该监测系统的单片机数据采集部分采用了分时处理事件的方法进行控制。它通过日历
时钟芯片DS1302将的时间分成有效的若干段，分时进行数据采集与无线通信，这样就可以使系统顺利工作。另外，为了使系统的工作，还采取了一些软件抗干扰措施。

给水控制器的软件设计

软件采用分段模糊PID自适应控制算法，可以让用户宽范围的选择PID自适应参数，适应宽泛对象的惯性的快速调节，系统参数的设定简单易懂，使控制器控制变频器拖动多泵进行恒压给水。使控制对象的响应速度和调范围实现优化。Fuzzy-PID控制方法采用查表法，提高了运行速度，缩短了调解时间，改善了被控过程的动态、稳定性能，提高了系统的抗干扰能力。

当水位连续变化时，水位传感器信号也不断变化，由此测量值和水位设定值进行比较。得出其误差值，经采样和A/D转换，送入模糊控制器，模糊控制器的输出量加到变频器的控制信号端，去控制电动机，从而改变进水量，保持水位在允许范围内波动，如图8所示。

图8 模糊PID控制原理图

结语

本文设计了一种智能模糊控制器，对系统的动态性能和稳态精度都有较好的改善作用。尤其是采用了nRF401无线收发芯片，实现了与上位机通信，使用方便。模糊控制算法保证了系统可根据运行情况自动修正参数，对系统结构变化或随机干扰有较好的自适应性。

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