專利名稱：電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于FPGA (可編程門陣列邏輯器件)與無線傳感ZigBee技術(shù)相結(jié)合的電解槽無線溫度采集與智能控制裝置。
背景技術(shù)：
在冶金行業(yè)里，實(shí)時(shí)監(jiān)測各個電解槽的溫度并對電解槽溫度進(jìn)行反饋控制是一個非常重要的內(nèi)容。整個控制過程是一個實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)控制和安全可靠的過程。對于電解槽溫度的測量，國內(nèi)目前只是對電解槽加熱源一蒸汽作為溫度采集對象。這種方式采集的溫度與電解槽內(nèi)的溫度有一定的誤差，測量數(shù)據(jù)不能真實(shí)可靠的反映監(jiān)測對象的實(shí)時(shí)溫度，將會影響電解金屬的效率及電解金屬的品質(zhì)，最終會導(dǎo)致電解成品達(dá)不到所要求的目標(biāo)，造成不必要的浪費(fèi)。國內(nèi)工廠普遍采用有線網(wǎng)絡(luò)來對現(xiàn)場進(jìn)行溫度采集，人工操作的方式進(jìn)行控制。 這種方式存在如下問題(1)成本高，大量的線纜不僅花費(fèi)高，而且會造成工業(yè)現(xiàn)場布線的混亂，面對對環(huán)境有限制的工廠設(shè)備需要附加其它額外的設(shè)施(如鋪設(shè)管道)，這樣即延長了施工的時(shí)間，又加大了施工難度。(2)可維護(hù)性、可擴(kuò)展性差。當(dāng)工廠進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，有線網(wǎng)絡(luò)的弊端就更為明顯，而且采用手工操作，消耗更多的人力資源。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種電解槽溫度智能控制裝置，其目的是實(shí)現(xiàn)電解槽溫度的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及智能控制，能顯著提高電解質(zhì)量，達(dá)到節(jié)約資源、提高效率的目的。本實(shí)用新型的方案是，電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，主要包括溫度采集模塊、無線傳感ZigBee模塊和智能控制FPGA模塊，所述溫度采集模塊連接無線傳感ZigBee 模塊的輸入端，無線傳感ZigBee模塊的輸出連接智能控制FPGA模塊。所述的電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，優(yōu)選的方案是，智能控制FPGA模塊與hternet接口、按鍵、IXD顯示屏、SDRAM存儲器連接。所述的電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，優(yōu)選的方案是，無線傳感ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸及反饋控制，智能控制FPGA模塊實(shí)現(xiàn)智能模糊控制算法、數(shù)據(jù)顯示及網(wǎng)絡(luò)連接。本實(shí)用新型電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)包括溫度采集模塊、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、智能控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊及控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)、按鍵及顯示模塊。由多塊CC2530 芯片組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，完成溫度采集、數(shù)據(jù)無線傳輸及溫度的反饋控制。智能控制模塊由 FPGA構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)智能控制算法。LCD顯示模塊輸出供工作人員參考的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)模塊可以供 internet用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解電解工作進(jìn)程及溫度控制過程。本實(shí)用新型采用電子設(shè)計(jì)前沿技術(shù)一無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)與現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA技術(shù)相結(jié)合的方式。ZigBee技術(shù)使用CC2530芯片來實(shí)現(xiàn)溫度采集與傳輸。FPGA利用SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能控制算法。FPGA的計(jì)算是并行處理，速度快，能夠達(dá)到對電解槽溫度的實(shí)時(shí)高精度控制，SOPC技術(shù)可以裁剪，構(gòu)成最小滿足需求的系統(tǒng)，具有低功耗的特
點(diǎn)ο本實(shí)用新型采用的是一維輸入、二維輸出模糊控制算法。理論上，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高，但是維數(shù)選擇越高，模糊控制規(guī)則就越復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法實(shí)現(xiàn)也就困難。本實(shí)用新型采用溫度偏差作為模糊控制器的輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向作為模糊控制器的輸出。本實(shí)用新型根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場所積累的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)控制方案，該方案采用的是一維輸入、二維輸出的模糊控制器來操控蒸汽閾門的開關(guān)速度及方向，從而達(dá)到溫度的精確實(shí)時(shí)控制。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到現(xiàn)場的溫度與預(yù)設(shè)溫度所產(chǎn)生的溫度偏差作為模糊控制的輸入，占空比不同的PWM波(影響電機(jī)轉(zhuǎn)速)和電機(jī)轉(zhuǎn)向作為輸出。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是本系統(tǒng)采用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)，增加了溫度采集的靈活性、可擴(kuò)展性，降低了功耗；智能控制算法采用保密性強(qiáng)的FPGA來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用了 SOPC 技術(shù)，具有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)作用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，算法升級只是更改程序不必更改硬件電路，F(xiàn)PGA內(nèi)部元件接口可以裁剪，可維護(hù)性高。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)如下1、直接采集電解槽的溫度，減少采集蒸汽溫度與采集電解槽溫度之間所帶來的溫度采集誤差。2、能對現(xiàn)場溫度實(shí)現(xiàn)精確采集與控制。3、采用無線傳感ZigBee網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制，系統(tǒng)擴(kuò)展非常靈活，成本低，更加適應(yīng)工業(yè)復(fù)雜多變的環(huán)境。4、基于FPGA的模糊控制算法更加快速、靈活，保密性強(qiáng)。

圖1電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖；圖2基于模糊控制算法的FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3基于模糊控制算法的程序流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。實(shí)施例電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，主要包括溫度采集模塊、無線傳感ZigBee模塊(CC2530)和智能控制FPGA模塊，所述溫度采集模塊連接無線傳感ZigBee 模塊的輸入端，無線傳感ZigBee模塊的輸出連接智能控制FPGA模塊(Altera公司的 EPC6Q240C8,支持Nios II軟核)。智能控制FPGA模塊與Internet接口、按鍵、LCD顯示屏、SDRAM存儲器連接。無線傳感ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸及反饋控制，智能控制FPGA模塊實(shí)現(xiàn)智能模糊控制算法、數(shù)據(jù)顯示及網(wǎng)絡(luò)連接。本系統(tǒng)的總體采用誤差反饋的方式來實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場溫度的實(shí)時(shí)采集與智能控制，它由現(xiàn)場溫度采集模塊、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離發(fā)送與接收的無線傳感ZigBee模塊，以及智能控制FPGA模塊構(gòu)成。如圖1 所示。
4[0024]現(xiàn)場溫度的采集工業(yè)現(xiàn)場電解槽內(nèi)的溫度需要進(jìn)行多點(diǎn)的檢測才能提供足夠的數(shù)據(jù)來提供參考。美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20傳感器具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，它采用Ι-wire總線方式，僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與CC2530芯片的雙向通訊，它的測溫范圍在-55" ~+125°(7 ,固有測溫分辨率0.5'C。多個DS18B20溫度傳感器分
別對多個電解槽溫度進(jìn)行采集，構(gòu)成一個電解槽溫度采集網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊由多個CC2530芯片構(gòu)成。DS18B20溫度傳感芯片將每個電解槽的采集溫度送給相應(yīng)的CC2530芯片，多個CC2530構(gòu)成了一個ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)逐級將溫度數(shù)據(jù)傳送給FPGA。FPGA根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模糊智能控制算法，F(xiàn)PGA再將控制信號數(shù)據(jù)傳回ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，最后再由無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的 CC2530芯片通過驅(qū)動電路對板式換熱器進(jìn)行控制。由于CC2530芯片組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有互通互連、自動搜索加入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本實(shí)用新型的溫度采集點(diǎn)可擴(kuò)展性強(qiáng)。智能控制模塊由FPGA來實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。FPGA中的Nios II軟核做為控制單元，F(xiàn)PGA同時(shí)連接按鍵、IXD顯示屏及網(wǎng)絡(luò)接口 DM9000A。圖2是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的 FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。Nios II經(jīng)過Avalon總線與顯示驅(qū)動器、通用I/O、Khernet接口、 SDRAM、UART構(gòu)成單片系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入是無線傳感ZigBee輸出的溫度偏差，經(jīng)過模糊控制運(yùn)算后，輸出反饋控制量。模糊控制算法通過C語言來實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到輸出逐漸逼近最優(yōu)化。圖3是智能控制算法的流程圖。例如在銅電解槽冶金行業(yè)中，溫度范圍在6YC 刀力之間，最佳運(yùn)行溫度在 68力，允許溫度差為±5W將溫度差分成7個模糊子集Ε。PWM波占空比及電機(jī)轉(zhuǎn)動方向?yàn)檩敵瞿：蛹疪，基本論域?yàn)閇(占空比為40%，開)、(占空比為30%，開)、(占空比為20%， 開)、(占空比為10%，保持)、(占空比為20%，閉)、(占空比為30%，閉)、(占空比為40%，閉)]。本實(shí)用新型采用if E then R的模糊推理規(guī)則，其得到相應(yīng)的控制規(guī)則為if溫度差大于20'C then PWM波輸出占空比為40%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殛P(guān)；if溫度差大于1(TC和小于2(TC then PWM波輸出占空比為30%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殛P(guān)；if溫度差大于5'C和小于IOiC then PWM波輸出占空比為20%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殛P(guān)；if溫度差大于-2CTC then PWM波輸出占空比為40%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殚_；if溫度差大于-10Y:和小于-20'σ then P麗波輸出占空比為30%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殚_；if溫度差大于-5+C和小于-ICTCf then PWM波輸出占空比為20%，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)殚_；本裝置利用無線傳感ZigBee技術(shù)與可編程邏輯器件FPGA來對電解槽溫度進(jìn)行采集，系統(tǒng)結(jié)合模糊控制算法對電解槽溫度進(jìn)行智能控制。本實(shí)用新型擺脫了有線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場存在的弊端，具有更好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性，性價(jià)比更高；FPGA在算法開發(fā)上具有高效性，執(zhí)行準(zhǔn)確性高。其研究成果應(yīng)用于銅、鋁等金屬電解車間，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)如溫度、濕度等進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)控制的領(lǐng)域，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，其特征是，主要包括溫度采集模塊、無線傳感 ZigBee模塊和智能控制FPGA模塊，所述溫度采集模塊連接無線傳感ZigBee模塊的輸入端， 無線傳感ZigBee模塊的輸出連接智能控制FPGA模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，其特征是，智能控制 FPGA模塊與hternet接口、按鍵、IXD顯示屏、SDRAM存儲器連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電解槽無線溫度采集與智能控制系統(tǒng)，主要包括溫度采集模塊、無線傳感ZigBee模塊和智能控制FPGA模塊，所述溫度采集模塊連接無線傳感ZigBee模塊的輸入端，無線傳感ZigBee模塊的輸出連接智能控制FPGA模塊。其增加了溫度采集的靈活性、可擴(kuò)展性，降低了功耗；智能控制算法采用保密性強(qiáng)的FPGA來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用了SOPC技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，算法升級只是更改程序不必更改硬件電路，F(xiàn)PGA內(nèi)部元件接口可以裁剪，可維護(hù)性高。
文檔編號G05B19/418GK202126613SQ20112013017
公開日2012年1月25日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者劉洪朋, 龐國瑞, 肖新帥, 葛廣英 申請人:聊城大學(xué)