工業(yè)爐智能rtu的制作方法
【專利摘要】本說明書公開了一種工業(yè)爐智能RTU，該智能RTU以STM32F103ZET6為核心，集成了多路通用I/O接口，可以與各種燃氣、燃油工業(yè)爐（包括加熱爐、熱風爐、焚燒爐、反應(yīng)爐、鍋爐等）配套使用，實現(xiàn)對燃燒過程的吹掃、點火、火焰監(jiān)控、燃料壓力、流量高低限、空氣低限控制，以及煙氣參數(shù)含量、爐膛壓力精確調(diào)節(jié)，能獨立構(gòu)成燃燒自控系統(tǒng)。支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，具有RS485、CAN、RS232多種通訊接口，易與計算機聯(lián)網(wǎng)組成集散控制系統(tǒng)。內(nèi)部固化軟件采用uc/os?II嵌入式多任務(wù)處理機制，模擬人工智能，模塊化多種功能程序塊可直接調(diào)用；具有應(yīng)用性強、控制精度高、可靠性好的智能網(wǎng)絡(luò)單元控制器。
【專利說明】
工業(yè)妒智能RTU
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本說明設(shè)及一種工業(yè)爐智能RTU，特別適用于石油、化工、發(fā)電、鋼鐵及節(jié)能、環(huán)保 領(lǐng)域中各種工業(yè)爐的控制應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 安全生產(chǎn)、節(jié)約能源和環(huán)境保護是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)和長遠的 戰(zhàn)略方針。工業(yè)爐設(shè)備是石油、化工和冶金行業(yè)中的主要安全及耗能設(shè)備，特別是針對石油 化工行業(yè)而言，其重大安全事故占企業(yè)的Ξ分之一、其燃料耗能約占企業(yè)能耗的二分之一 左右。多年來，有關(guān)行業(yè)領(lǐng)導和專家，都十分強調(diào)工業(yè)爐運行的安全性和熱效率的提高，其 中加強新技術(shù)應(yīng)用和自動控制技術(shù)的提高，是提高工業(yè)爐安全生產(chǎn)、節(jié)約能源和環(huán)境保護 重要途徑。 目前，常用的工業(yè)自動控制技術(shù)裝置硬件產(chǎn)品主要有:工業(yè)控制用計算機系統(tǒng)（IPC)、 分散型控制系統(tǒng)（DCS)、可編程控制器（PLC)、遠程終端單元（RTU)等。RTU是Remote Terminal化it(遠程測控終端）的縮寫，是一種W微處理器(CPU)為基礎(chǔ)的智能裝置，它W 標準的數(shù)字輸入、輸出信號及模擬輸入輸出與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的儀表及控制設(shè)備相連，實時 采集所需要的各工藝參數(shù)，如壓力、溫度、流量、液位、閥口狀態(tài)等，利用編程，實現(xiàn)就地控 審IJ，同時把有關(guān)數(shù)據(jù)進行整理，通過各種通訊接口利用不同的傳輸協(xié)議傳給中屯、站，也可W 接收來自中屯、站的遠程控制信號，RTU是整個系統(tǒng)構(gòu)成的核屯、。RTU應(yīng)該至少具備W下兩種 功能：·數(shù)據(jù)采集及處理?數(shù)據(jù)傳輸(網(wǎng)絡(luò)通信） 工業(yè)爐控制系統(tǒng)是一個具有大慣性、純滯后和分布參數(shù)的非線性系統(tǒng)。工業(yè)爐所用燃 料品種繁多，有煤氣、天然氣、重油，也有煤塊和煤粉，有的還要吹氧;其加熱方式有連續(xù)式 和批量式等多種多樣，工業(yè)爐的熱狀態(tài)變幻難測；工業(yè)爐的爐型結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)也各不相 同。運些因素一直阻礙著工業(yè)爐控制系統(tǒng)過程控制技術(shù)的進一步發(fā)展。安全、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié) 能降耗最終達到降低成本，W獲得最大利潤一直是企業(yè)在競爭中獲得生存和發(fā)展的目標。 在工業(yè)爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，無論是IPC或是DCS或是化C或是W有的RTU，由于其運算過程 數(shù)學模型的局限，一般不適應(yīng)高精度快反應(yīng)的控制要求。人們在生產(chǎn)實踐中早已注意到，許 多復雜的生產(chǎn)過程難W實現(xiàn)的控制目標，熟練的操作工或技術(shù)人員卻可W操作自如并獲得 滿意的控制效果。而運些熟練的操作工和技術(shù)人員的經(jīng)驗知識若能和控制理論相結(jié)合，把 它作為控制理論解決復雜生產(chǎn)過程的一個補充手段，那將使控制理論解決復雜生產(chǎn)過程有 一個突破性進展。事實呼喚急需研制一種W人工智能、控制理論和計算機科學為基礎(chǔ)的高 速智能型遠程終端單元。 本說明書所設(shè)及的工業(yè)爐智能RTU，它不再是一種簡單的遠程終單元，而是一種典型的 網(wǎng)絡(luò)人工智能設(shè)備，它是基于模糊集合論并模擬人的模糊推理和決策過程的模糊控制的基 礎(chǔ)上，開發(fā)出來的一種在計算和邏輯控制上不再依賴于上位機系統(tǒng)終端控制器，不但具有 數(shù)據(jù)采集和遠傳功能，同時具有PID控制功能和邏輯控制功能、流量累計功能。即可聯(lián)網(wǎng)作 為爐前遠程終端單元，又可作為智能控制器使用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] ※工業(yè)爐智能RTU硬件選用嵌入式微處理器STM32F103VCT6作為系統(tǒng)的處理器，STM32 系列微處理器采用了 ARM公司為要求高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用專口的Coder- M3內(nèi)核，工作頻率為72化，內(nèi)置高速存膽器(高達512K的閃存和64K的SRAM)。高性能的嵌入 處理器具有強大的運算處理能力，可W實現(xiàn)更多更復雜的控制算法，提升系統(tǒng)的運行速度， 保證系統(tǒng)控制的實時性和準確性。 ※集成有通用的4路(0~10V)模擬量輸入和2路(4~20mA)模擬量輸出，20路數(shù)字量輸入 和20路數(shù)字量輸出。 ※一路RS232通訊接口、一路RS485通訊接口和一路CAN通訊接口。 《I/O接口處每一路輸入、輸出均使用光電隔離，A/D輸入電路則采用了 RC濾波，通訊電 路的電源和信號也采用了隔離措施，其中對信號隔離采用了磁電隔離方式，保證其信號傳 輸?shù)目焖傩浴?※應(yīng)用軟件設(shè)計采用uc/os-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，uc/os-n是一種基于固定優(yōu)先級 和搶占式調(diào)度的硬實時內(nèi)核，它總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級最局的任務(wù)先運行。 ※功能塊庫和組態(tài)序列相結(jié)合實現(xiàn)算法組態(tài)，可滿足工業(yè)爐現(xiàn)場種類繁多的控制要 求。集成多種PID算法:包括普通PID算法、模糊PID算法及增量式PID算法等，應(yīng)用中只要根 據(jù)不同的控制對象在上位機完成PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的3個參數(shù)配置。 【【附圖說明】】 附圖1:工業(yè)爐智能RTU結(jié)構(gòu)框圖； 附圖2:工業(yè)爐智能RTU核屯、電路圖； 附圖3:工業(yè)爐智能RTU通訊電路圖； 附圖4:工業(yè)爐智能RTU電源電路圖； 附圖5:工業(yè)爐智能RTU模擬量輸入輸出電路圖； 附圖6:工業(yè)爐智能RTU數(shù)字量輸入電路圖； 附圖7:工業(yè)爐智能RTU數(shù)字量輸出電路圖； 附圖8:設(shè)備組態(tài)運算任務(wù)流程圖； 附圖9:單元配置信息帖格式圖； 附圖10:輸入?yún)?shù)來源格式圖； 附圖11:PID參數(shù)編碼格式圖。 【實施方式】 uc/os-II任務(wù)劃分見表1所示。 表1 uc/os-II的任務(wù)劃分
App化skInO任務(wù)負責對現(xiàn)場模擬量、數(shù)字量或按鍵輸入進行采集，經(jīng)過調(diào)理后，保存 到相應(yīng)的數(shù)組中； App化skOutO任務(wù)將本次組態(tài)運算結(jié)果輸出到用戶指定的輸出通道上； App化skController()任務(wù)是整個RTU的核屯、，它實現(xiàn)軟件組態(tài)功能，在其任務(wù)中，先從 對應(yīng)的FLASH地址中讀取組態(tài)序列信息，解析出設(shè)備的輸入輸出參數(shù)，然后調(diào)用算法進行處 理，存儲當前運算結(jié)果，接著依次運行用戶在上位機已完成的組態(tài)序列，在所有的組態(tài)序列 運行結(jié)束時，將輸出送到用戶配置的端口上，其程序流程如附圖8所示。 App化skComm()通信任務(wù)是:從上位機下載目標代碼，給上位機提供變量值、控制信息 及運行狀態(tài)等信息，接收上位機組態(tài)完比的配置文件，并將組態(tài)序信息寫入到微處理器的 化A甜地址中。 在八口口了曰34(：〇]1付〇1161'()任務(wù)運行過程中，從。1^\甜中讀取到某一單元的配置文件時， 需要解析出運個單元配置帖的信息格式如附圖9所示。 對于單元輸入?yún)?shù)(有模擬量輸入、數(shù)字量輸入、按鍵輸入W用用戶輸入幾種情況），其 來源格式如附圖10所示。 附圖10中BitO~Bi口是內(nèi)部變量編號，Bit4~Bite為000為用戶輸入;001則為模擬輸 入;010為數(shù)字量輸入;011則為按鍵輸入;其他則為保留。BU7為0時，表示其輸入來源于組 態(tài)序列中前面那個單元的輸出；當為1時為特殊功能單元。 FLA甜中用于存放Kp、Ki和Kd的3個參數(shù)值。PID參數(shù)編碼格式如附圖11所示。 通訊程序狀態(tài)的劃分見表2所示。 表2通訊程序狀態(tài)的劃分
W上雖然描述了本設(shè)計的具體實方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，運些僅是部分 舉例說明，局限于篇幅的限定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于STM32F103ZET6為核心的工業(yè)爐智能RTU，其特征在于:集成了多路通用I/O 接口，可以與各種燃氣、燃油、燃煤等工業(yè)爐配套使用，實現(xiàn)對燃燒過程的控制與調(diào)節(jié)（1)， 具有高速硬件連鎖響應(yīng)特性，響應(yīng)時間達到數(shù)十us量級(2)，豐富的通訊接口支持多種現(xiàn)場 總線協(xié)議(3)，應(yīng)用軟件設(shè)計采用采用uc/os-II嵌入式操作系統(tǒng)，多任務(wù)處理機制(4)，模擬 人工智能的模塊化多種功能程序塊可直接調(diào)用(5)，適用性很強。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的要求，其特征在于集成了標準多路I/O接口，可以與各種燃氣、 燃油、燃煤等工業(yè)爐配套使用，實現(xiàn)對燃燒過程的控制與調(diào)節(jié)，能獨立構(gòu)成燃燒自控系統(tǒng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速連鎖特性，其特征在于具有高速連鎖硬件特性，響應(yīng)時間 達到數(shù)十us量級，能夠滿足對連鎖時間要求有著嚴格限制的工業(yè)爐高端連鎖需求。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述其特征在于豐富的通訊接口支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，良好的通 訊功能既方便系統(tǒng)擴展和集成，易聯(lián)網(wǎng)組成集散控制系統(tǒng)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述其特征在于應(yīng)用軟件設(shè)計采用采用uc/os-II嵌入式操作系統(tǒng)， 多任務(wù)處理機制，控制實時性強，多任務(wù)間同步性好，易滿足工業(yè)現(xiàn)場控制種類多、控制實 時性要求高和控制精度高的要求。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述其特征基于模擬人工智能的模塊化多種功能程序塊可直接調(diào) 用，對于復雜的燃燒過程中的邏輯控制和PID調(diào)節(jié)，不需編程，降低了使用門坎和使用風險。
【文檔編號】G05B11/42GK105824234SQ201511001644
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月29日
【發(fā)明人】郭洪澈, 游述懷, 曲志勇, 周海明, 甘安平
【申請人】湖南理工學院