專利名稱：基于dcs平臺(tái)的嵌入式dsp智能優(yōu)化控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DCS平臺(tái)的智能控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的大多數(shù)嵌入式控制系統(tǒng)有諸多缺點(diǎn)，不易于實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的智能優(yōu)化控制。綜合說(shuō)來(lái)，有如下原因一是由于通常這些嵌入式微控制器難以采集到足夠多的測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，只能從局部取得數(shù)據(jù)，對(duì)某一子控制系統(tǒng)實(shí)施控制，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化智能算法。二是由于需要從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接采集數(shù)據(jù)，所以需要設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)采集板卡。由于具體工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的獨(dú)特性，造成了在這種情況下設(shè)計(jì)控制平臺(tái)面臨著難于實(shí)現(xiàn)和不易移植的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法及裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的難以采集到足夠多的測(cè)量數(shù)據(jù)、難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化智能算法等不足。 本發(fā)明的方法采取以下技術(shù)方案把DCS控制柜作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和DSP嵌入式控制平臺(tái)的橋梁，DSP應(yīng)用板通過(guò)DCS控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，利用DCS控制柜中現(xiàn)有的I/O端子上的數(shù)字信號(hào)，將其輸入端子上的信號(hào)映射到輸出端子上，輸出端子再連接上調(diào)理電路，將輸出信號(hào)調(diào)理到DSP開(kāi)發(fā)板能接受的信號(hào)范圍內(nèi)。DSP應(yīng)用板再通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集端口，把需要采集的控制變量的值存儲(chǔ)到DSP應(yīng)用板的存儲(chǔ)器中。由預(yù)先植入的智能控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成的結(jié)果再經(jīng)過(guò)調(diào)理電路輸出，送回到DCS控制柜中的I/O端子上。DCS系統(tǒng)把這些處理結(jié)果作為控制信號(hào)輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備。同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)顯示，存儲(chǔ)，歷史查詢等功能。該DSP控制平臺(tái)可以取代操作員的操作或?yàn)椴僮鲉T提供決策支持。 本發(fā)明的裝置采取以下技術(shù)方案它包括DCS控制柜，其特征在于DCS控制柜連接DSP嵌入式控制平臺(tái)、操作員站，并通過(guò)總線與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)儀表、PLC單元和遠(yuǎn)程1/O信號(hào)單元連接。 在DCS控制柜與DSP嵌入式控制平臺(tái)的連接線路中，DSP應(yīng)用板通過(guò)調(diào)理電路與DCS控制柜中的I/O模塊連接。利用DCS控制柜中的I/O端子，將DCS的輸入信號(hào)映射為DSP嵌入式控制平臺(tái)的輸入信號(hào)；將DSP嵌入式控制平臺(tái)的輸出信號(hào)映射為DCS的輸出信號(hào)。 在DSP應(yīng)用板中，采用TI的DSP芯片TMS320F283350150MHz，具有x28x+FPU內(nèi)核。x28x+FPU內(nèi)核支持IEEE 32-位浮點(diǎn)計(jì)算，方便各種復(fù)雜控制算法。 在DSP應(yīng)用板的輔助電路模塊中設(shè)置無(wú)線通信模塊，與DCS上的無(wú)線通信接口對(duì)應(yīng)。通過(guò)無(wú)線通信，本硬件控制平臺(tái)將有更高的自由度，可以方便的移植到類似的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
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在DSP嵌入式控制系統(tǒng)的軟件框架中，采用DMA控制數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。這樣便于訪問(wèn)外擴(kuò)存儲(chǔ)器，降低CPU的負(fù)荷，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法。 本發(fā)明基于DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理的軟件硬件資源，開(kāi)發(fā)一種嵌入式數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)。該平臺(tái)作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)DCS的硬件外掛，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理，并能夠移植多種智能算法，包括專家系統(tǒng)，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能優(yōu)化控制。 此外，考慮到中小型企業(yè)對(duì)專業(yè)廠家生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)承受能力，本發(fā)明中的控制平臺(tái)可以方便地外掛在以IPC為核心的中小型DCS系統(tǒng)上，解決其難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的智能優(yōu)化控制；而且此硬件平臺(tái)有較高的自由度，易于移植多種智能控制算法，能夠提高企業(yè)自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為本發(fā)明的邏輯連接圖。 圖2為本發(fā)明的DCS控制柜與DSP嵌入式控制平臺(tái)的連接線路示意圖。 圖3為本發(fā)明中的DSP嵌入式控制平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)連接圖。 圖4為本發(fā)明中的USB通信模塊的硬件連接圖。 圖5為本發(fā)明中的DSP數(shù)據(jù)采集與處理流程圖。 圖6為本發(fā)明中的多變量預(yù)測(cè)控制算法流程圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的把DCS控制柜作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和DSP嵌入式控制平臺(tái)的橋梁，DSP應(yīng)用板通過(guò)DCS控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，利用DCS控制柜中現(xiàn)
有的i/o端子上的數(shù)字信號(hào)，將其輸入端子上的信號(hào)映射到輸出端子上，輸出端子再連接
上調(diào)理電路，將輸出信號(hào)調(diào)理到DSP開(kāi)發(fā)板能接受的信號(hào)范圍內(nèi)。DSP應(yīng)用板再通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集端口，把需要采集的控制變量的值存儲(chǔ)到DSP應(yīng)用板的存儲(chǔ)空間中。由預(yù)先植入的智能控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成的結(jié)果再經(jīng)過(guò)調(diào)理電路輸出，送回到DCS控制柜中的I/0端子上。DCS系統(tǒng)把這些處理結(jié)果作為控制信號(hào)輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備。同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)顯示，存儲(chǔ)，歷史查詢等功能。該DSP控制平臺(tái)可以取代操作員的操作或?yàn)椴僮鲉T提供決策支持。 本發(fā)明的裝置總體結(jié)構(gòu)連接如附圖1所示，在工廠原有的中小型DCS的基礎(chǔ)上外掛DSP嵌入式控制平臺(tái)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種儀表和PLC單元和遠(yuǎn)程1/0信號(hào)通過(guò)總線接入到DCS控制柜中。DCS控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置輸出點(diǎn)等于輸入點(diǎn)的值，輸入點(diǎn)等于輸出點(diǎn)的值的方法，把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入信號(hào)傳給DSP外掛，把DSP外掛的輸出信號(hào)回傳給DCS系統(tǒng)。因此，可以把DCS控制柜作為一個(gè)橋梁，實(shí)現(xiàn)DSP嵌入式控制平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無(wú)縫連接。
如圖2所示，本發(fā)明主要涉及到的硬件有DSP應(yīng)用板，調(diào)理電路和DCS的I/O模塊。DCS的I/O模塊的端子上的信號(hào)是量化的離散信號(hào)，也就是通常所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，4 20ma的電流信號(hào)，O 5v的電壓信號(hào)。 為了轉(zhuǎn)化為DSP應(yīng)用板能接受的0 3v的電壓信號(hào)，所以要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的轉(zhuǎn)化并加上過(guò)壓保護(hù)裝置。
圖3給出了 DSP應(yīng)用板的功能結(jié)構(gòu)連接。本發(fā)明采用TI的DSP芯片 TMS320F283350150MHz，它具有x28x+FPU內(nèi)核，支持IEEE 32-位浮點(diǎn)計(jì)算，方便各種復(fù)雜控 制算法。其片上有1個(gè)12-位A/D轉(zhuǎn)換器，其前端為2個(gè)8選1多路切換器和2路同時(shí)采 樣/保持器，構(gòu)成16個(gè)模擬輸入通道，模擬通道的切換由硬件自動(dòng)控制，并將各模擬通道的 轉(zhuǎn)換結(jié)果順序存入16個(gè)結(jié)果寄存器中。 通過(guò)邏輯部分的DMA(即直接存儲(chǔ)器存取，是一種快速傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制)。實(shí)現(xiàn) 在不占用CPU資源的情況下完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與存儲(chǔ)。TMS320F28335有六通道DMA。 可由ADC、 MCBSPs、外部中斷、CPU定時(shí)器和軟件觸發(fā)并可配置為16bit或32bit工作方式 (MCBSPs限制為16bit)，吞吐量為4時(shí)鐘/字。 F28335片上有34KX 16-位的SRAM，通過(guò)F28335的外部存儲(chǔ)器接口 XINTF可以外 擴(kuò)2Mxl6位的SARAM，可以連接片上DMA控制器。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，把需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)通 過(guò)數(shù)組滾動(dòng)的方式存儲(chǔ)在片上SRAM中，同時(shí)通過(guò)DMA控制器將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵鈹U(kuò) SARAM中去。這樣可以保證CPU讀取數(shù)據(jù)的速度又滿足了大存儲(chǔ)容量的需要。
輔助電路部分利用了 DSP的GPIO引腳，外擴(kuò)鍵盤和顯示模塊。實(shí)現(xiàn)DSP控制參數(shù) 的在線調(diào)整和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示與查詢功能。在輔助電路部分加入無(wú)線通信模塊，配合DCS 上的無(wú)線通信接口 。使得本硬件控制平臺(tái)可以取得更高的自由度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式控制或遠(yuǎn)程 控制。 USB通信部分實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，可以將需要的數(shù)據(jù)上傳或下載到DSP嵌入式 控制器中。其硬件連接如圖4。本發(fā)明采用Cypress公司的CY7C68001芯片實(shí)現(xiàn)USB 2. 0 接口。 CY7C68001上集成了USB2.0收發(fā)器(物理層)、USB 2. 0串行接口引擎SIE(鏈路層， 實(shí)現(xiàn)底層通信協(xié)議)。CY7C68001則作為F28335的外設(shè)，USB的應(yīng)用層協(xié)議由F28335編程 實(shí)現(xiàn)。CY7C68001采用并行異步存儲(chǔ)器接口與F28335相連接，主機(jī)可以喚醒F28335，亦可 以配置USB。 上位機(jī)通過(guò)JTAG 口與DSP連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)試過(guò)程中的程序燒錄，和RTDX實(shí)時(shí)仿真。
本發(fā)明利用合眾達(dá)DSP開(kāi)發(fā)板SEED-F28335，連接上相應(yīng)的外圍設(shè)備。植入了一套 多變量預(yù)測(cè)控制算法，成功應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中，保證了水泥生產(chǎn)燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定 與優(yōu)化運(yùn)行。 DSP數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖5所示意。將AD模塊的16通道模擬量輸入配置成 連續(xù)自動(dòng)排序模式，設(shè)置最大采樣通道數(shù)，對(duì)下文中提到的變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。AD轉(zhuǎn)換過(guò)程 中使用偏移校正寄存器動(dòng)態(tài)校正ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。再通過(guò)雙地址映射的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 采用DMA方式將結(jié)果傳輸?shù)絊RAM中。調(diào)用智能控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過(guò)DA轉(zhuǎn) 換輸出控制信號(hào)。 算法流程如圖6所示意，對(duì)于中小型水泥生產(chǎn)燒成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該預(yù)測(cè)控制方法為 多變量協(xié)同控制方法，所選取的變量分別是分解爐喂煤量、窯頭喂煤量以及三次風(fēng)閥門開(kāi) 度構(gòu)成的操作變量；生料喂料量作為干擾變量；頂級(jí)旋風(fēng)筒出口氧含量、頂級(jí)旋風(fēng)筒出口 一氧化碳含量、分解爐出口溫度以及窯尾煙室溫度構(gòu)成的受控變量。 本發(fā)明所使用的TI的芯片和合眾達(dá)的DSP開(kāi)發(fā)板并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，凡是采 用類似的智能控制芯片所實(shí)現(xiàn)的外掛控制系統(tǒng)都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法，其特征在于把DCS控制柜作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和DSP嵌入式控制平臺(tái)的橋梁，DSP應(yīng)用板通過(guò)DCS控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，利用DCS控制柜中現(xiàn)有的I/O端子上的數(shù)字信號(hào)，將其輸入端子上的信號(hào)映射到輸出端子上，輸出端子再連接上調(diào)理電路，將輸出信號(hào)調(diào)理到DSP開(kāi)發(fā)板能接受的信號(hào)范圍內(nèi)。DSP應(yīng)用板再通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集端口，把需要采集的控制變量的值存儲(chǔ)到DSP應(yīng)用板的存儲(chǔ)器中。由預(yù)先植入的智能控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成的結(jié)果再經(jīng)過(guò)調(diào)理電路輸出，送回到DCS控制柜中的I/O端子上。DCS系統(tǒng)把這些處理結(jié)果作為控制信號(hào)輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備。同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)顯示，存儲(chǔ)，歷史查詢等功能。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法的裝置，它 包括DCS控制柜，其特征在于DCS控制柜連接DSP嵌入式控制平臺(tái)、操作員站，并通過(guò)總線 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)儀表、PLC單元和遠(yuǎn)程I/O信號(hào)單元連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法的裝置，其特 征在于在DCS控制柜與DSP嵌入式控制平臺(tái)的連接線路中，DSP應(yīng)用板通過(guò)調(diào)理電路與 DCS控制柜中的I/O模塊連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法的裝置，其特 征在于在DSP應(yīng)用板中，采用TI的DSP芯片TMS320F283350150MHz，具有x28x+FPU內(nèi)核。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法的裝置，其特 征在于在DSP應(yīng)用板的輔助電路模塊中設(shè)置無(wú)線通信模塊，與DCS上的無(wú)線通信接口對(duì) 應(yīng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法的裝置，其特 征在于在DSP嵌入式控制系統(tǒng)的軟件框架中，采用DMA控制數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于DCS平臺(tái)的嵌入式DSP優(yōu)化智能控制方法及裝置。它把DCS控制柜作為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和DSP嵌入式控制平臺(tái)的橋梁，DSP應(yīng)用板通過(guò)DCS控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，利用DCS控制柜中現(xiàn)有的I/O端子上的數(shù)字信號(hào)，將其輸入端子上的信號(hào)映射到輸出端子上，輸出端子再連接上調(diào)理電路，將輸出信號(hào)調(diào)理到DSP開(kāi)發(fā)板能接受的信號(hào)范圍內(nèi)。DSP應(yīng)用板再通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集端口，把需要采集的控制變量的值存儲(chǔ)到DSP應(yīng)用板的存儲(chǔ)器中。由預(yù)先植入的智能控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成的結(jié)果再經(jīng)過(guò)調(diào)理電路輸出，送回到DCS控制柜中的I/O端子上。DCS系統(tǒng)把這些處理結(jié)果作為控制信號(hào)輸出，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備。同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以在組態(tài)軟件中實(shí)現(xiàn)顯示，存儲(chǔ)，歷史查詢等功能。該DSP控制平臺(tái)可以取代操作員的操作或?yàn)椴僮鲉T提供決策支持。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101739016SQ20091031142
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者孟濬, 張進(jìn)峰, 李沛然, 王磊, 鄭軍, 顏文俊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)