1. 基于ADSL的热网监控系统总体结构

　　1.1 概述

　　城市热网监测与控制是城市市政工程的重要组成部分，热网监控制系统的控制节点一般在地理上分布范围较广，很难用一种接入方式实现所有节点的接入。目前比较常见的接入方式有PSTN接入方式、GPRS接入方式、数传电台接入方式、专线接入等方式。[1]

　　这些接入方式都有其适用的场合，但是都存在带宽低、运行成本高的缺点。本文提出一种基于ADSL的热网监控系统，以ADSL方式实现节点的通信接入。其优点是：(1)接入方便，一般城市中有电话网络覆盖的地方都可以提供这种接入方式；(2)带宽高，最大可以达到2Mbps，可以大幅度地提高监控的实时性；(3)投资小；(4)运行成本低。

　　1.2 系统总体结构

　　基于ADSL的热网监控系统的总体结构如图1所示，一个典型的热网监控系统由一个监控中心和多个控制节点组成。监控服务器负责与各控制节点的数据通信，接收控制节点发出的工况数据，并根据热网的的运行状况，向控制节点发送指令，调整整个热网的供热平衡。数据库服务器保存当日及历史工况数据，为数据分析和决策提供支持；WEB服务器显示热网运行工况监控界面。

　　热力公司下设有若干个热力站，一般每个热力站设置一个控制节点，控制节点由嵌入式系统构成。控制节点一方面通过传感器采集现场的供/回水温度、流量、压力等工况数据，并控制电磁阀、调节阀和变频器，调节现场运行参数；另一方面，通过ADSL Modem 接入Internet，将工况数据通过Internet传送到监控中心，控制节点也可以接收监控中心发出的指令，调整现场工况运行参数。[2]

图1:基于ADSL的热网监控系统结构图

　　2 .基于ADSL的热网监控系统关键技术

　　基于ADSL的热网监控系统中有效地利用了控制技术、计算机技术和通信技术领域的最新成果，采用的关键技术有：

　　2.1监控中心基于WEBGIS的监控界面的设计与实现

　　GIS(地理信息系统)技术的发展对热网监控的界面提出了更高的要求，不仅要能够以表格、曲线等显示工况数据，还要求能够以电子地图导航的方式在浏览器中实现热力站的数据查询与显示。目前，WEBGIS的实现有两种种方法，一种是在商用GIS软件其基础上进行二次开发完成。第二种方法是在开源的WEBGIS服务器的基础上二次开发完成。在实际应用中，由于商用GIS造价昂贵，采用开源的Mapserver作为GIS服务器。

　　2.2网络控制系统控制算法的研究

　　热网远程监控系统是一个网络控制系统（NCS），其控制对象是一个大滞后的对象，目前还没有一个很好的数学模型和控制算法能够解决这一控制问题。目前，热力公司一般采用的方法是通过人的经验来完成热网平衡的调整，研究一个适合热网监控的控制算法，并充分考虑的环境温度的影响，对节约能源，提高供热效率意义重大。网络控制系统中由于带宽的限制会产生时延，研究时延对控制算法的影响也是一个需要解决的问题。

　　2.3控制节点软、硬件系统设计

　　热力站控制节点如果采用工控机、PLC等技术实现的话，控制节点的成本较高。采用嵌入式系统设计实现控制节点将降低整个系统的造价，有利于大规模推广。

　　2.4 VPN协议的设计与实现

　　采用ADSL的节点接入方式后，由于利用了Internet传输控制数据，存在数据安全性的问题。为了保证数据的安全性，可以采用VPN(虚拟专用网)技术保证传输数据的安全性。[3]

　　3.控制节点软、硬件系统设计

　　3.1 控制节点硬件系统设计

　　控制节点的硬件系统基于三星公司ARM7处理器S3C44B0X实现，如图2所示：

　　S3C44B0X是三星公司生产的ARM7(Advanced RISC Machine)内核的32位微处理器，具有8路十位A/D转换器和其他硬件资源，该芯片成本低，非常适合用于热网监控系统。电源选用5v/24v开关电源，为嵌入式系统和传感器供电。晶振采用10MHZ的晶振模块，S3C44B0X内部具有锁相环，可以在该晶振的基础上产生66MHZ的稳定输出频率。

　　显示部分采用VFD高亮度显示屏，具有点阵输出，亮度高、视角宽的优点。该屏用来显示现场的温度、流量、压力等工况数据。此外，为了满足人机交互的要求，还扩展了指示灯和键盘，该部分通过S3C44B0X的通用I/O实现。

　　系统通过MAX232芯片扩展了2个RS-232串行口，一个用于调试，另外一个用于与变频器的通信。

　　由于S3C44B0X内部不具有网络接口，通过扩展RTL8019A网络控制芯片实现网络接口，该芯片的通信速率为10Mbps，完全能够满足系统要求。该芯片经过网络隔离变压器和RJ45接口，与ADSL MODEM通信，完成拨号和网络通信的功能。

　　数据采集部分的实现原理如下：供/回水温度、流量、压力六路4-20mA模拟信号经过I./V变换电路变为S3C44B0X内部A/D要求的0-2.5v信号，完成数据采集。

　　执行机构部分的工作原理如下：

　　通过扩展D/A转换器，输出模拟信号，实现对调节阀开度的调节。通过通用I/O和光隔，控制电磁阀的开关动作。与变频器的通信由RS-232串行口完成，通过串行口向变频器发送指令，调节加压泵工作状态。

　　3.2 控制节点软件系统设计

　　如图3所示，整个系统架构采用了层次式体系结构的设计模式，每一层都为其上一层提供调用服务，这种设计模式具有良好的可扩展性和可维护性。

　　最底层是操作系统层，采用vxWorks实时操作系统,该层还提供了TCP/IP协议的封装供中间件层调用。

　　操作系统层的上面是中间件层，该层为应用层提供服务。包括硬件驱动模块和通信协议模块两部分。

　　中间件层上面为应用层，是系统的应用软件，包括了数据采集模块、自动控制模块和远程通信三个模块。该层通过调用中间件层提供的服务以及操作系统内核提供的服务实现。

　　应用层的三个模块对实时性要求较高，通过设计若干个独立的任务实现。

　　数据采集模块是一个周期性的任务，每隔100ms采集一次数据，利用操作系统内核实现精确定时。当有报警发生时，采用中断的方式处理。数据采集模块和其他两个模块的通信采用消息队列和共享内存的方式实现。

　　自动控制模块根据实时数据控制执行机构的动作，调整热网运行工况，也可以接受来自远程通信模块的指令，调整运行工况。

　　远程通信模块将实时数据通过网络传送到监控中心，并接受来自监控中心的控制指令。远程通信模块和自动控制模块的任务间通信通过消息队列实现。

　　4.结束语

　　本文提出的基于ADSL的热网监控系统是一种廉价、可靠、带宽高的热网监控解决方案，该方案同样适用于其他城市管网（如水、煤气）的监测，有较宽泛的应用领域。目前，该系统还有一些技术问题需要解决，如网络控制系统的控制算法和时延的问题等，有待于在今后的工作中继续研究。

　　本文的创新点是采用ADSL技术作为热网远程监控的通信方式，并采用嵌入式系统设计实现控制节点，具有成本低、实时性好的优点。本系统在某市经过两个采暖期的运行,证明系统运行稳定可靠，通过降低能耗、减员增收等，年创造经济效益527万元。

图1  卡紧机构和工作台的顺序动作动作
　　顺序如图2所示。

图2  动作顺序图
2  单片机控制系统组成
　　实现上述控制功能的方案有多种，如继电器接触器控制系统、可编程序控制器控制系统、单片机控制系统等。本文用单片机控制系统来实现上述控制动作，单片机控制系统的组成如图3所示。

图3  单片机控制系统结构图
　　单片机采用Motorola公司的MC68HC11E1。为了仿真实验的需要，单片机控制系统采用上海广茂达电子信息有限公司的能力风暴机器人ASUII中的主控制板。行程开关KX1～KX4用机器人上的碰撞开关来模拟，碰撞开关电路如图4(a)所示。电机D1、D2用机器人2轮的驱动电机来模拟，电路如图4(b)所示。其中，电机驱动芯片选用的是TI公司的SN754410。

图4  能力风暴机器人上的碰撞开关电路和驱动电机电路
3  VJC程序流程
　　使用能力风暴机器人的编程开发环境VJC1.6（可以从上海广茂达电子信息有限公司网站www.grandar.com上下载）编制、调试和下载程序。针对上述单片机双电机启停控制系统，用VJC1.6编制的流程图如图5所示。实际的单片机控制系统，只要把相应的传感器及其驱动电路、电机及其驱动电路更改成适应实际对象的元器件，就仍然可以用这种单片机控制板和相应的编程软件。更进一步的应用可以扩充软硬件系统。
　　程序总体为一循环程序。在每一次循环中，依次检测4个碰撞开关，按照电机的动作顺序要求启动或停止电机。程序模块的使用和变量的设置方法此处从略，请参见说明书，或与上海广茂达电子信息有限公司联系。
　　图5的流程图在VJC1.6环境下可以转化为C语言程序，具体可参看VJC1.6的使用。
　　在VJC1.6环境下编制的程序，无论是流程图还是C语言程序，均可以直接下载到单片机的闪存或EEPROM中， 这也是这种编程和开发方法受到人们欢迎的原因。但是目前这种方法仅用在以单片机为核心的智能机器人的程序开发之中，还没有专门用于单片机开发的这种图形化编程环境，相信不久的将来就会出现这种方法。

图5  双电机启停控制部分流程图
结语
　　这里单片机系统实现的功能就相当于一个可编程控制器系统，而且编程语言是流程图语言。可见，某些单片机系统略加扩充就可以成为一个可以使用流程图编程、C语言编程和汇编语言编程的功能相当完备的可编程控制器，从而与现有的可编程控制器在工业控制领域并驾齐驱。
(本文转自电子工程世界：http://news.eeworld.com.cn/mcu/2011/1102/article_5985.html)

　　图1 通信系统结构框图
　　2 硬件设计
　　通讯系统的结构框图如图1 所示。
　　2.1 信号转换电路
　　单片机支持 TTL 电平，可以采用MAX485 芯片来实现RS485 与TTL 之间的信号转换 （如图2）。MAX485 芯片采用单一电源+5 V 工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，内部含有一个驱动器和接 收器。RO 和DI 端分别为接收 器的输出和驱动器的输入端， 分别与单片机的RXD 和TXD 相连；RE 和DE 端分别为接收 和发送的使能端，当RE 为逻 辑0 时，器件处于接收状态； 当DE 为逻辑1 时，器件处于 发送状态，因为MAX485 工作 在半双工状态，所以只需用单 片机的一个管脚控制这两个 引脚即可；PLC 里RS485 总线的A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端,当A 引脚的 电平高于B 时，代表发送的数据为1；当A 的电平低于B 端时，代表发送的数据为0。在A 和B 端之间加匹配电阻，一般可选100Ω 左右的电阻。

　　3 软件设计
　　控制系统采用单主机/多从机的组网方式，PLC 为主机，电机变频器和单片机为从机。 艾默生公司的PLC 和电机变频器之间已经建立了采用RS485 总线，MODBUS 协议的通讯 [3][4]，为了实现PLC 与单片机的通讯，须先了解PLC 与电机变频器的通讯特点，然后建立 连接通讯。
　　3.1 PLC 与电机变频器的通讯特点
　　采用RTU 方式的Modbus 协议，帧格式如图3 所示。 波特率为9600bps，数据格式为1-8-N-2，字符间间隔少于 1.5 个字符时间（1.72ms），RTU 帧的最大帧长度是256 个 字节。帧之间的空闲时间取命令码设定和Modbus 内部约 定值中的较大值。Modbus 内部约定的最小帧间空闲如下： 帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5 个字符时间 （4ms）来界定帧。帧之间的总线空闲不需要累加起始和 结束空闲。数据采用CRC16 校验，整个信息参与校验， 校验和的高低字节需要交换后发送。

　1 引言
　　在自动控制领域，PLC 和单片机都受到广泛应用。PLC 具有稳定可靠，抗干扰能力强， 功能强大且使用方便等特点[1]，单片机具有成本低廉，使用灵活，功能多样等特点。PLC 与 单片机结合，互相联系，互相通讯，将扩展控制功能，更好的控制复杂的系统。
　　在研究混合动力电动汽车驱动系统[2]时， 采用PLC 作为主控制器，控制电机变频器和发 动机节气门控制器，实现对电机和发动机功率的 综合控制。因为PLC 和变频器均是艾默生公司 的产品，均支持RS485 接口和MODBUS 协议， 所以控制系统统一采用RS485 接口和MODBUS 协议。而发动机节气门控制器采用89C51 单片 机，所以要通过建立PLC 与单片机的通讯，实 现控制。

　　图1 通信系统结构框图
　　2 硬件设计
　　通讯系统的结构框图如图1 所示。
　　2.1 信号转换电路
　　单片机支持 TTL 电平，可以采用MAX485 芯片来实现RS485 与TTL 之间的信号转换 （如图2）。MAX485 芯片采用单一电源+5 V 工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，内部含有一个驱动器和接 收器。RO 和DI 端分别为接收 器的输出和驱动器的输入端， 分别与单片机的RXD 和TXD 相连；RE 和DE 端分别为接收 和发送的使能端，当RE 为逻 辑0 时，器件处于接收状态； 当DE 为逻辑1 时，器件处于 发送状态，因为MAX485 工作 在半双工状态，所以只需用单 片机的一个管脚控制这两个 引脚即可；PLC 里RS485 总线的A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端,当A 引脚的 电平高于B 时，代表发送的数据为1；当A 的电平低于B 端时，代表发送的数据为0。在A 和B 端之间加匹配电阻，一般可选100Ω 左右的电阻。

　　3 软件设计
　　控制系统采用单主机/多从机的组网方式，PLC 为主机，电机变频器和单片机为从机。 艾默生公司的PLC 和电机变频器之间已经建立了采用RS485 总线，MODBUS 协议的通讯 [3][4]，为了实现PLC 与单片机的通讯，须先了解PLC 与电机变频器的通讯特点，然后建立 连接通讯。
　　3.1 PLC 与电机变频器的通讯特点
　　采用RTU 方式的Modbus 协议，帧格式如图3 所示。 波特率为9600bps，数据格式为1-8-N-2，字符间间隔少于 1.5 个字符时间（1.72ms），RTU 帧的最大帧长度是256 个 字节。帧之间的空闲时间取命令码设定和Modbus 内部约 定值中的较大值。Modbus 内部约定的最小帧间空闲如下： 帧头和帧尾通过总线空闲时间不小于3.5 个字符时间 （4ms）来界定帧。帧之间的总线空闲不需要累加起始和 结束空闲。数据采用CRC16 校验，整个信息参与校验， 校验和的高低字节需要交换后发送。

　　图3 RTU 方式
　　RS485 是异步半双工的通讯总线。主机处于主导和支 配地位，定时发出监控命令，等待从机的应答。从机处于 侦听状态，不能主动往总线发送数据，在接收到主机发送 的一帧信息后，首先判断地址码是否本机地址，如果此帧 信息的地址码和本机地址相同，则继续处理命令码和数 据，如果此帧信息的地址码和本机地址不同，则忽略。接收完一个主机监控命令后，先进行校验，如果校验正确则执行接收的监控命令，并根据命令 回送相应的应答帧。任何时刻只能有一个从机处于发送状态，但主机发送时所有从机都必须 处于接收状态。
　　上位机PLC 的通讯流程图如图4 所示。

　图4 上位机PLC 的通讯流程图
　　3.2 PLC 与单片机通讯的实现
　　表 1 PLC 与单片机通讯的帧字节数

　　单片机进行通信时工作在“方式一”的状态下[5]。 因为PLC 发出的数据帧第一个字符为地址数据，所 以单片机在接收数据时要区分接收到的数据是否是 帧的第一个字符。根据单片机每接收完一个字节数 据RI 就置1，而且帧间间隔4ms 以上，字符间隔少 于1.72ms， 可以通过计时的方式来判断帧的第一个 字符。当RI 置1，开始计时，到下一次RI 置1，计 时结束，当时间间隔大于4ms，则后一次RI 置1 时 接收的字符是帧的第一个字符，当时间少于1.72ms， 则不是。
　　为了简化程序，可以协议好PLC 与单片机通讯 的帧字节数为6 个字节，如表1。单片机根据地址字 符数据判断是否是本机地址，如果是，则接收处理 后面的5 个字节数据，计算前四个字节的CRC 校验 码，并与接收到的两个字节CRC 校验，进行核对， 如果不相同，则不反馈数据给PLC，也不执行数据 包含的指令，如果相同，则反馈数据给PLC，执行 数据包含的指令。下位机单片机程序的流程图如图5 所示。

　　4 结束语
　　本文作者创新点：在艾默生 PLC 与其变频器的 通讯基础上加入了基于RS485 接口Modbus 协议的 PLC 与单片机的多机通讯，该通讯方案硬件接口简 单，软件和通信协议有很好的通用性，可以拓展为PLC 与多个变频器和单片机的同时通讯， 也可应用于其他工程的多机通讯系统中。该通讯方案已经成功应用于混合动力电动汽车的驱 动电机及发动机节气门的综合控制。
(本文转自电子工程世界：http://news.eeworld.com.cn/qrs/2011/1028/article_7155.html)　图3 RTU 方式
　　RS485 是异步半双工的通讯总线。主机处于主导和支 配地位，定时发出监控命令，等待从机的应答。从机处于 侦听状态，不能主动往总线发送数据，在接收到主机发送 的一帧信息后，首先判断地址码是否本机地址，如果此帧 信息的地址码和本机地址相同，则继续处理命令码和数 据，如果此帧信息的地址码和本机地址不同，则忽略。接收完一个主机监控命令后，先进行校验，如果校验正确则执行接收的监控命令，并根据命令 回送相应的应答帧。任何时刻只能有一个从机处于发送状态，但主机发送时所有从机都必须 处于接收状态。
　　上位机PLC 的通讯流程图如图4 所示。

　　图4 上位机PLC 的通讯流程图
　　3.2 PLC 与单片机通讯的实现
　　表 1 PLC 与单片机通讯的帧字节数

　　单片机进行通信时工作在“方式一”的状态下[5]。 因为PLC 发出的数据帧第一个字符为地址数据，所 以单片机在接收数据时要区分接收到的数据是否是 帧的第一个字符。根据单片机每接收完一个字节数 据RI 就置1，而且帧间间隔4ms 以上，字符间隔少 于1.72ms， 可以通过计时的方式来判断帧的第一个 字符。当RI 置1，开始计时，到下一次RI 置1，计 时结束，当时间间隔大于4ms，则后一次RI 置1 时 接收的字符是帧的第一个字符，当时间少于1.72ms， 则不是。
　　为了简化程序，可以协议好PLC 与单片机通讯 的帧字节数为6 个字节，如表1。单片机根据地址字 符数据判断是否是本机地址，如果是，则接收处理 后面的5 个字节数据，计算前四个字节的CRC 校验 码，并与接收到的两个字节CRC 校验，进行核对， 如果不相同，则不反馈数据给PLC，也不执行数据 包含的指令，如果相同，则反馈数据给PLC，执行 数据包含的指令。下位机单片机程序的流程图如图5 所示。

　　4 结束语
　　本文作者创新点：在艾默生 PLC 与其变频器的 通讯基础上加入了基于RS485 接口Modbus 协议的 PLC 与单片机的多机通讯，该通讯方案硬件接口简 单，软件和通信协议有很好的通用性，可以拓展为PLC 与多个变频器和单片机的同时通讯， 也可应用于其他工程的多机通讯系统中。该通讯方案已经成功应用于混合动力电动汽车的驱 动电机及发动机节气门的综合控制。
(本文转自电子工程世界：http://news.eeworld.com.cn/qrs/2011/1028/article_7155.html)

图1 工艺流程简化框图
2、硬件设计
提升机的硬件设计包括信号检测环节、门控制环节、传送电机控制环节、提升机小车电机控制环节、变频调速及电机拖动环节它们之间的互相关系如图2所示。

图2 提升机控制原理框图
提升机是典型的顺序控制，控制信号决定其运行状态。提升机信号检测主要由一系列的行程开关和光电传感器完成。本设计采用美国邦纳工程国际有限公司生产的光电传感器和LSX型行程开关。
门控电机和传送带电机实现自动门的开关和货物的传送，采用直流他励电机，工作时要求有简单的刹车过程。
提升机采用变频器的矢量自动转矩提升控制方式；变频电动机为松下标准的EM-FBH型，4极三相电动机。变频器选择松下DV707H-5500BC型变频器，其三相电源R、S、T经接线端子进入变频器为自身主回路和控制回路供电，输出端U、V、W接电动机的快速绕组，N、P端接制动单元和制动电阻，以减少制动时间，加快制动过程，制动过程中电梯机械系统的动能转换成热能，消耗在制动电阻上，因此电梯控制柜要保持良好的散热条件。
由于该系统的I/O量只有61个，属于小型控制系统，选用OMRON公司生产的CPM1A系列PLC组建系统时，单机容量还不能满足系统的要求必须附加扩展。
将输入信号40个，输出信号21个按各自功能类型分好，并与PLC的I/O编码一一对应，编排好地址。
3、软件设计
通过工艺流程图，可以看到该提升机如果按照典型的顺序控制编写程序将会给程序带来许多重复指令，但如果将提升机的PLC控制程序分为点动操作和自动控制两部分。点动操作是指手动控制模块；自动控制又可分为自动上升模块、自动下降模块和卡板自动调整模块三部分
（1）点动操作
点动操作主要用于调试或检修，这些操作包括手动开门/关门、手动进板/出板、手动上升/下降，但这些操作都必须满足一些特定的条件才能实现，因此在程序设计中使用连锁指令IL（02）与连锁清除指令ILC（03），如图3所示，如果IL前的条件是OFF，那么在IL和ILC之间的那一部分程序就不执行；如果IL前的条件是ON，那么在IL和ILC之间的那一部分程序就正常执行。

图 3 点动操作程序结构
（2）自动控制
由于急停或停电恢复后无须通过点动操作完成剩下的操作或者复位，因此辅助继电器采用断电保护型继电器，定时器也需要具备断电保护功能。
4、结束语
由于采用了PLC和变频器进行控制，使得控制精度提高，可靠性增强，提高了生产效率。在实际应用中取得了良好的效果。
 
(本文转自电子工程世界：http://news.eeworld.com.cn/qrs/2011/1006/article_6759.html)

　　图1  卡紧机构和工作台的顺序动作动作
　　顺序如图2所示。
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图2  动作顺序图
　　2  单片机控制系统组成
　　实现上述控制功能的方案有多种，如继电器接触器控制系统、可编程序控制器控制系统、单片机控制系统等。本文用单片机控制系统来实现上述控制动作，单片机控制系统的组成如图3所示。
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图3  单片机控制系统结构图
　　单片机采用Motorola公司的MC68HC11E1。为了仿真实验的需要，单片机控制系统采用上海广茂达电子信息有限公司的能力风暴机器人 ASUII中的主控制板。行程开关KX1～KX4用机器人上的碰撞开关来模拟，碰撞开关电路如图4(a)所示。电机D1、D2用机器人2轮的驱动电机来模拟，电路如图4(b)所示。其中，电机驱动芯片选用的是TI公司的SN754410。
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图4  能力风暴机器人上的碰撞开关电路和驱动电机电路
　　3  VJC程序流程
　　使用能力风暴机器人的编程开发环境VJC1.6（可以从上海广茂达电子信息有限公司网站www.grandar.com上下载）编制、调试和下载程序。针对上述单片机双电机启停控制系统，用VJC1.6编制的流程图如图5所示。实际的单片机控制系统，只要把相应的传感器及其驱动电路、电机及其驱动电路更改成适应实际对象的元器件，就仍然可以用这种单片机控制板和相应的编程软件。更进一步的应用可以扩充软硬件系统。
　　程序总体为一循环程序。在每一次循环中，依次检测4个碰撞开关，按照电机的动作顺序要求启动或停止电机。程序模块的使用和变量的设置方法此处从略，请参见说明书，或与上海广茂达电子信息有限公司联系。
　　图5的流程图在VJC1.6环境下可以转化为C语言程序，具体可参看VJC1.6的使用。
　　在VJC1.6环境下编制的程序，无论是流程图还是C语言程序，均可以直接下载到单片机的闪存或EEPROM中，这也是这种编程和开发方法受到人们欢迎的原因。但是目前这种方法仅用在以单片机为核心的智能机器人的程序开发之中，还没有专门用于单片机开发的这种图形化编程环境，相信不久的将来就会出现这种方法。
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图5  双电机启停控制部分流程图
　　结语
　　这里单片机系统实现的功能就相当于一个可编程控制器系统，而且编程语言是流程图语言。可见，某些单片机系统略加扩充就可以成为一个可以使用流程图编程、C语言编程和汇编语言编程的功能相当完备的可编程控制器，从而与现有的可编程控制器在工业控制领域并驾齐驱。
　　参考文献
　　[1]  上海广茂达电子信息有限公司. 能力风暴智能机器人开发系统VJC1.0使用手册，2003.
　　[2]  上海广茂达电子信息有限公司.能力风暴智能机器人ASMII/ASUII使用手册,2003.
　　[3]  谢宋和，宋寅卯，路康，等.Motorola单片机原理及应用系统开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.
　　刘广瑞（博士、副教授），主要研究方向为自动控制理论、机器人控制、流体传动与控制、可编程序控制器与现场总线、数控机床等；
吴文静（研士），主要研究方向为数字液压技术。
(本文转自电子工程世界：http://news.eeworld.com.cn/qrs/2011/1006/article_6767.html)

　　随着电力电子器件和控制技术的不断应用，通用变频器作为以实现产业机械为主的自动化、省力化、节能化的交流调速装置而得到了迅猛发展。由于对通用变频器技术进步的期待日益高涨，而使其的应用不仅在工业生产方面，而且在健康/医疗设备、娱乐装置、环境/生活方面的装置及家用领域的使用也得以不断扩大。

　　在新市场应用的不断扩大之中，原先的各种变频器的应用方面的技术进步也同样突飞猛进，系统装置本身及其运用形态也更趋向自动化。为此用户对变频器的要求也必然随着各用途市场的动向而变化。对于一般的通用变频器在某些应用上还存在着功能不足的情况，为填补此差距，有不少用户不得不利用程序控制等系统方面的措施来弥补。这是由于变频器厂家对产品的通用性能方面过于重視所至，而且各家提供同样类似的功能也使变频器趋向于便于统一使用的方向。但在近来各变频器应用系统显现出特殊化应用的趋势，若还是单纯地只意识到其通用性，则难以对广大特定用户提供方便使用的变频器产品。为此三垦把能随时提供尽如人意予以对应的变频器作为这次开发的设计指导思想，从而把SAMCO-vm05系列予以了产品化。

　　SAMCO-vm05系列、是把SAMCO-I系列的三垦独特的V/f控制和无速度传感器矢量控制的感应电机高性能驱动的计算作为基础，而制作了具有各种用途特化功能的产品。

　　本文作重介绍SAMCO-vm05变频器在多种卷绕设备的卷绕控制中的应用。

　　２． 卷绕装置的专用功能

　　２．１ 卷绕控制功能

　　作为丝线、布匹、紙张之类的卷绕装置而应用了形形色色的方式，但在本产品所配备的卷绕控制功能，将不再需PLC及昂贵的矢量变频器或是转矩电机等，就能构筑成廉价的卷绕系统。

　　把多台变频器直接地互相连接，把张力架的張力予以反馈并设定好卷绕功能，即能实现各种丰富多彩的卷绕控制。

　　２．２ 应用于拔丝机

　　用在对銅線等予以拔丝加工（伸線機）时所用的卷绕装置时、其首要条件是要使主机側的线速度同卷绕側的线速度予以联动。然而、即使是以恒速进行联动运转，但是随着卷绕时间的推移、就会因卷绕側卷粗而发生速度误差、最終则可能导致断线现象。

　　对应拔丝机的卷绕控制、是随着卷绕时间的经过、而把卷绕側电机的转速予以变化、并在卷绕变粗或抑制卷绕松卷的同时进行速度控制的卷绕控制。

　　变频器基本上是使用于加工机（主机）及卷绕机用的２台，其以控制线互相连接、并以加工机（主机）的动作而使卷绕机予以联动。在分别设定了卷绕开始的频率、卷绕终了的频率、以及卷绕时间的参数、并输入了张力架（张力吸収装置）位置检测信号之后，即能在指定的时间中、一直到指定的频率为止对输出频率予以控制来进行卷绕。

　　中途的张力架动作的补偿、能以张力架补偿功能在最小变动范围内与以控制。此外、在变频器中是按三垦独特的卷绕曲线进行计算的、并随着卷绕时间的经过、对卷绕粗度予以补偿。

　　张力架补偿是随张力架位置而进行的可变增益控制，可对比较缓慢的巻粗现象所引起的变化及加减速时的急剧的变化都予以补偿。此外，卷绕计算曲线具有4套设定、并能以外部输入信号来进行选择。由此、即使卷绕时间或绕线筒直径发生很大的变化、也能以１条曲线切换信号简便地改变系统。

　　２．３ 应用于送线机

　　在形形色色的卷绕系统的构成中、有时还需要同卷绕側进行相反动作的送线側的装置（送线机）。本控制法、是此类装置所最为合适的送线机对应功能。

　　送线机是同卷绕側的卷绕速度予以联动来作为其基本动作的。但在不能得到卷绕装置而来的速度情报时、联动运转就会成为非常困难的动作。即使是在这种情况下、本控制也能同卷绕側的速度无关来进行供线。

　　卷绕側的速度变化、全反映在张力架的动作上、检测此张力架的动作并进行原位控制、为事先预防送线时的过张力及卷绕的松卷现象、来改变旋转方向和转矩。由此动作、即能进行不受卷绕側速度影响的单独的送线机控制。此外、考虑到断线时的紧急停机、在超越了断线判断电平时、即使其进行DC制动（直流制动）停止动作。此外、在进行卷线的准备作业时、若发生过多的送线时、即会在反转方向进行回卷控制。
　　２．４ 应用于卷绕机

　　从送线筒把线材送到绕线筒的卷绕机方面、会因其线的材质而要求某种恒定的張力和某种恒定的线速度。图6所示的光纤的卷绕装置中、由于使用的是非常容易断线的线材、所以应以数m～数十m／分的低速来进行恒張力、恒线速度的卷绕.

　　其特征在于驱动送线部绕线筒的变频器和驱动卷绕部分绕线筒的变频器是互相独立地进行控制的。卷绕側的变频器、是以装置滑車上所设置的PG速度传感器的速度反馈脉冲为依据来进行线速度恒定控制的。此外，送线側的变频器是使用着专用的卷绕功能的、并以张力架的位置检测反馈信号为基准来进行張力的恒定控制的。

　　也就是说，不使用相互的比率联动信号等、而是以卷绕側变频器的线速度恒定控制为基础、即由送线侧的变频器紧跟卷绕侧的变频器速度来进行張力控制、从而总能保持稳定的卷绕动作。此外、对予卷绕的中途停机后的再起动、或是改变卷线筒直径时的再起动、都能不受比率联动影响而进行稳定的卷绕动作。

　　相互控制部分的线速度、从卷绕开始到卷绕结束是始终保持恒速的。为保持此恒定速度、相互的卷线筒的转速、在送线部分是逐渐上升的、而在卷绕部分则是逐渐下降的。

　　在实现此特性时、特别是供线側的变频器的張力控制是起了很大效果的。通常、为把张力架的位置控制在所希望的位置时，使用PI控制，若增益的设定値不太合适时、就可能会经常发生微小的或是较大的振動现象而使控制变得非常困难。而本控制的手法是为抑制微小振动张力架的偏移幅度而进行的盲区控制以及抑制振动现象并能进行高速响应的可变增益控制，这些都在变频器内部予以了增强。此外，同送线机一样由于断线时的DC制动（直流制动）的停止动作，在通线时的反转方向的回卷控制从而形成了廉价的系统构成并提高了其控制性能和作业性能。

　　３． 后记

　　近几年来变频器应用系统正迅速地趋向特性化，若只是单纯地意识到通用性能的话则就难以满足特性化用户的需求。作为用户来说，现在也更为急切地要求变频器能对各用途市场的迅猛发展的动向逐步予以对应。

　　本文所记载的对卷绕装置方面的应用、是对应形形色色系统而开发的专用功能的实例。

　　日益追求技术发展的各种变频器应用系统正在不断地实现专用化，希望本文能为正在致力于变频卷绕控制的用户提供帮助。
 

图1 系统结构图
　　由于高速造纸机多电机同步传动系统必须具备高速的总线通讯能力，以保证各传动点实时同步。PROFIBUS-DP采用两种传输技术：RS485与光纤。其数据传输速率最高可达到12Mbps/s，比其它主要的现场总线速率都高，可以满足多电机同步传动的要求，实现系统的高速通讯能力。
　　2PROFIBUS-DP总线通讯转换接口
　　从系统结构图中我们可以看出，PLC通过PROFIBUS-DP总线与变频器进行通讯的过程中，PROFIBUS-DP通讯转换接口是信号通讯的关键部分，如图2所示。在我研究所设计的通讯接口中使用的是PROFIBUS通信专用ASIC结合单片机来完成设计。其中PROFIBUS通信专用ASIC选用的是西门子公司的SPC3，系统的控制核心选用Intel公司的MCS-51系列单片机中的80C31。

图2 通讯接口结构图
　　PROFIBUS-DP接口主要有处理器接口和串行总线接口两部分组成。在处理器接口电路中80C31通过P0口和P2口扩展外部存储器，将SPC3内部的双口RAM作为自己的外部RAM，通过对双口RAM的读写来完成对SPC3的初始化和有关数据的交换。SPC3芯片通过请求发送信号（RTS），发送数据信号（TXD），接收数据信号（RXD）,通过高速光耦HCPL7720和总线收发器SN75ALS176相连，构成串行总线接口。
　　PROFIBUS-DP网络接口在物理上与RS-485网络接口相近，PROFIBUS-DP总线驱动一侧和主站连接，另一侧通过光耦与SPC3连接，采用光耦主要是为了消除来自零线上的干扰。在本设计中选用是SN75ALS176总线驱动芯片和HCPL7720光耦，HCPL7720光耦是一种比较特殊的光耦，它是双电源供电，速度最高达25Mbit。另外在本设计中PROFIBUS-DP总线电缆采用的是A类型的屏蔽双绞线，有助于改善电磁兼容性，其特征阻抗为130～165Ω，截面积>0.3 。
　　PROFIBUS-DP的AS芯片SPC3IC集成了PROFIBUS-DP协议，能够处理PROFIBUS-DP状态机构，因此80C31不用参与处理PROFIBUS-DP状态机。80C31的主要任务是对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种报文的处理。

图3 通讯转换接口主程序流程图
　　由于用于现场的设备要特别考虑抗干扰能力，因此在设备硬件抗干扰技术的基础上，软件方面采用指令冗余，设置软件陷阱，系统的自检及软硬件相结合的看门狗技术，保证软件出轨的自动恢复，从而进一步提高系统的抗干扰能力。
　

　3 结束语
　　基于PROFIBUS-DP现场总线的造纸机多电机同步传动系统的研究与开发，提高了传动系统的可靠性和控制的精度，增强了系统的抗干扰能力。利用PROFIBUS-DP现场总线使系统各设备件具有通讯能力，形成网络系统，同时强大的软件功能可缩短工程时间，提高系统的智能化程度，实现复杂的控制功能，并应用于大中型纸机传动控制系统中，降低对进口产品和软件的依赖性,加大了造纸行业中国内相关产品和技术所占的比重,提高具有自主知识产权的产品在市场中的竞争力。在实际中，用它对造纸系统进行改造，完成了预期的通信和控制功能，大大提高了生产效率，取得了满意的效果,这对国家的经济建设和经济安全都具有重要意义。
 

对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。同时，一些开发商开发了许多适宜各种换流器件的专用驱动模块。有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块。但是，大部分的变频器采用驱动电路。从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。图1是较常见的驱动电路（驱动电路电源见图2）。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。

2）保护电路
当变频器出现异常时，为了使变频器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。每个品牌的变频器都很重视保护功能，都设法增加保护功能，提高保护功能的有效性。
在变频器保护功能的领域，厂商可谓使尽解数，作好文章。这样，也就形成了变频器保护电路的多样性和复杂性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。
图3所示的电路是较典型的过流检测保护电路。由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三部分组成。

3）开关电源电路
开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路提供低压电源。图4富士G11型开关电源电路组成的结构图。

直流高压P端加到高频脉冲变压器初级端，开关调整管串接脉冲变压器另一个初级端后，再接到直流高压N端。开关管周期性地导通、截止，使初级直流电压换成矩形波。由脉冲变压器耦合到次级，再经整流滤波后，获得相应的直流输出电压。它又对输出电压取样比较，去控制脉冲调宽电路，以改变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。
4）主控板上通信电路
当变频器由可编程（PLC）或上位计算机、人机界面等进行控制时，必须通过通信接口相互传递信号。图5是LG变频器的通讯接口电路。

频器通信时，通常采用两线制的RS485接口。西门子变频器也是一样。两线分别用于传递和接收信号。变频器在接收到信号后传递信号之前，这两种信号都经过缓冲器A1701、75176B等集成电路，以保证良好的通信效果。所以，变频器主控板上的通信接口电路主要是指这部分电路，还有信号的抗干扰电路。
5）外部控制电路
变频器外部控制电路主要是指频率设定电压输入，频率设定电流输入、正转、反转、点动及停止运行控制，多档转速控制。频率设定电压（电流）输入信号通过变频器内的A/D转换电路进入CPU。其他一些控制通过变频器内输入电路的光耦隔离传递到CPU中。
 

 
图中L为交流电抗器，P为压力变送器，AI为调节器。系统运行方式包括工频手动运行和变频运行两种，其中工频手动运行适用于变频器检修期，而变频运行适用于正常工作状态，两种运行方式由切换开关SA1及LOGO！230RL控制。变频运行方式的两种工作状态：
变频自动恒压闭环控制：将切换开关SA2置于“闭环”位置，系统控制变频器循环启停M2泵、M3泵，压力变送器P将管道压力转化为标准4～20mA电信号送至调节器，作为调节器压力反馈信号与仪表的压力设定值进行比较后，经仪表PID运算输出控制信号，控制水泵转速。当变频系统出现故障时，可以自动停止运行该系统，同时投用备用工频泵M1。当SA1置于“自动”，SA2置于“闭环”侧时，系统处于变频自动恒压闭环控制运行。LOGO！230RL输出端Q1输出接通，中间继电器KM4吸合，经延时后LOGO！230RL 的Q8输出接通，变频器投入运行。此时M2泵在变频器控制下维持恒压闭环控制，系统在设定压力下工作。当单泵供水压力不能满足压力要求，即压力反馈信号持续低于设定值一段时间（由AI仪表下限报警给出信号，LOGO！230RL计时），LOGO！230RL自动将M3泵接通变频器，此M3泵在仪表控制下进行闭环控制。如果M2泵在工频，M3泵变频同时工作一段时间后，如实际压力超出设定压力，M3泵持续降低转速至控制下限仍无法达到设定值。则LOGO！230RL控制自动断开M2泵工频工作，由M3泵持续变频工作。顺序起停M2泵和M3泵在工频和变频运行状态，从而闭环控制输水压力，保持供水恒压。 变频手动运行：系统还可以手动调节变频器输出。将SA2开关置于“开环”侧，变频器只控制M２，转速由人工调节电位器进行调节，M3泵不投入运行。如变频系统出现故障后，LOGO！230RL自动投运备用泵M1。
四、AI仪表的调试
AI仪表的控制效果直接影响整个系统的正常运行。在没有经验控制参数的时候，为了达到最佳的控制效果，仪表要进行PID自整定，但一般的调节仪表在自整定时的调节状态是位式控制，输出量要么最大要么最小，在本系统中调节输出大幅变化是不允许的。AI-808调节器具有手动自整定模式可以很好的解决这个问题，具体操作是：把仪表切换到手动输出状态，通过仪表的△ ▽键调整输出量，使测量值尽量和设定值保持一致，然后在这个状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在当前手动输出值的±10%范围内，从而避免出现输出值的大幅变化。在多数情况下，自整定一次就可以使获得满意的控制效果。如果控制有偏差时，可以通过微调M5、P、T参数来修正。主要参数设置：HIAL：上限报警。LOAL：下限报警。Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl设置为4。M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，经验参数为4。P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），经验参数为5。T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强经验参数为1。Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。Sn：输入反馈信号类型。OPT：输出方式，设置为4。CF：系统功能选择，可以选择系统的调节方向。
五、结语
该系统安全可靠，高质量地保障了软化水的平稳供给，同时大大减少了用电量，达到了预期的目的。正常时只需两台泵交替变频运行，从而改变了以前三台供水泵同时运行的现象，直接的经济效益可观。