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气体渗氮工艺过程集散控制系统设计

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气体渗氮工艺过程集散控制系统设计黄慧萍蔡淮朱华西南交通大学计算机与通信工程学院四川成都
作者简介:黄慧萍女(汉族),籍贯湖北,硕士研究生,从事计算机控制及软件工程.
蔡淮男(汉族),籍贯北京,教授职称,本科学位、主要从事计算机控制及软件工程
摘要:阐述了气体渗氮工艺过程控制系统的设计原理.该系统采用了集散式的结构,构成了一个上,下位机系统.下位机采用智能数字控制仪进行现场控制.上位机软件采用VB进行设计,实现与下位机的通信,通信模块采用了RS-485标准.
关键词:集散控制系统;串行通信
中图法分类号:TP393DESIGN of DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM of theNITROGEN PERCOLATION PROCEDUREHUANG Hui Ping CAI Huai ZHU HuaCollege of Computer Jiaotong
Abstract: The design principle of the distributed control system of nitrogen is introduced. The system consists of the and the thesystem configuration with the idea of concentrated management and distributed control is adopted.
Computer software is programmed with VB 6.0, and it implement the serial the and the The system works well and proves to begood reliable after being put into use.
Key Words: Distributed Control System; Serial Communication
1,概述渗氮技术作为最常用的化学热处理工艺、经历了70多年的发展历史.传统的气体氮化,一般采用注水式氨分解仪测量氨的分解率来控制渗氮,但是它采用手动调节,不能连续检测,无法实现氮势的自动调节控制,质量难以稳定,因此,必须建立渗氮的自动控制系统,以获得过程参数间的准确量值关系,提高渗氮工艺质量.该控制系统以多元共渗低温表面热处理技术为依托,按照集散控制系统的思想进行设计,采用工业级控制计算机作为控制系统的核心、建立相应的数学模型,实现对气体渗氮工艺过程的精确控制.
2,系统结构本系统采用集中分散控制方式,它具有集中管理,分散控制的特点、可靠性好,控制精度高,使用方便.系统分为上,下位机两部分,下位机可以向上位机传送数据,上位机可以向下位机传送命令和从下位机接收数据.系统结构框图如图1所示.该系统可按纵向分层
方式垂直分解为上下两层:
第一层为现场控制层,其任务是根据上层决策直接控制渗氮炉的温度和气氛.
第二层为最优控制层,其任务是根据上层给定的目标函数与约束条件,根据系统建立的数学模型,得出最优控制的策略,对现场控制层的控制参量进行设定或PID参数整定.
图1 系统结构框图
3,系统工作原理该控制系统在工作时主要由温度控制单元与气氛控制单元两部分组成,其工作原理相似,都可分为信号采集过程与控制过程,下面以温度控制单元为例介绍其工作过程.
⑴信号采集过程使用两支热电偶分别检测加热炉前后两段的温度,并将温度信号转换成电压信号,送至PID数字调节仪.控制仪表经过内部转换,将得到的实际温度值通过串口卡传送给上位机(工控机).工作过程如图2所示.图2 温度控制单元信号采集过程图
⑵控制过程上位机的控制电路根据下位机(PID调节器)传来的实时工艺参数值,决定发给下位机的控制信号.下位机则根据收到的温度控制值,通过调节输出接口传给固态继电器(SSR),导通输入信号控制渗氮炉加热功率,从而实现对渗氮炉炉温的调节.其工作过程如图3所示.
图3 温度控制单元控制信号作用图
4,系统软件上位机应用软件在VB环境下开发,采用模块化编程思想,每个测试,控制项都有自己的独立处理模块,以便系统调试和维护.上位机软件控制气体渗氮工艺过程的整个流程.其任务是完成实时信息汇集,运行状态刷新显示、事故报警,绘制工艺曲线,打印报表等功能.
该上位机软件界面友好,操作方便,程序模块如图4所示.图4 系统功能模块图
5,串行通信工作方式操作站与现场控制单元的通讯,通过RS485串行通讯接口结合相应的软件模块来实现.
上位机与各仪表之间按主,从方式进行通信,主叫方按被叫方的设备号进行寻址、寻址范围为0-99.利用VB6.0中的通信控件MSComm,可以实现对串行口的访问,即与接入到该串行口上的外部设备进行通讯.控件MSComm提供两种通信方式:事件驱动方式和查询通信方式.本系统采用事件驱动串行通信方式,由RS-485接口将实时信息传送到上位机、并执行系统发来的操作命令.本系统使用的三支仪表分别与三个MSComm控件相对应、占用工控机的三个串行口.
各串口OnComm事件的主要任务如下:
(1)接收炉内实时控制参量的值,如炉温,氮势等、写入数据库,并在工艺监视窗口上实时显示;
(2)将获取的炉温与工艺要求中设定的保温温度进行比较、判断当前升温期或降温期是否结束,并根据工艺要求,写入新的炉温以及氮势控制值;
(3)查询各报警条件;
(4)在工艺启动阶段,向仪表写入初始化控制参数,如PID 调节参数;在工艺结束阶段,终止仪表的控制作用,并解除仪表与上位机的通讯关系.
6,通信协议为了保证通信的可靠性,必须设计完善的通信协议.在本系统中、调节器的通讯文件按
如下格式生成@ 地址正文: 两位BCC码CR(回车符).@ 作为文件引导符,表示文件开始.地址调节器设定的地址号,在0-99中取值,并且各调节器设定的地址号不能相互重叠.正文由单独的读命令或写命令组成. 标识正文的结束.BCC校验码由从地址部分的第一个字符开始到结束符:结束的全部字符进行异或运算而生成.CR 表示全文件结束.
7,技术细节VB串行通信控件MSComm的使用很方便,通过设置属性,就可以实现诸如选择端口,设置端口参数等操作.下面结合气体渗氮工艺过程集散控制系统的上位机监控软件,着重说明MSComm控件在进行串行通信时参数设置需要注意的地方.
(1)打开串行口在利用串行口呼叫其他设备之前、需要先将串行口打开、此时需用到通信控件的以下三个属性.
1)CommPort:设置和返回通信端口号.在本系统的工业控制计算机中、分配给三个MSComm控件的端口号分别是3,4,5.
2)Settings:设置和返回波特率,奇偶校验类型,数据位和等.根据下位控制仪表厂商提供的技术资料,本系统对这些参数的设置为:
波特率:9600bps
奇偶校验类型:N ( 表示无奇偶校验)
数据位:8
停止位:1
3)PortOpen:设置和返回串口的开闭状态.其值为True 或False .
例如,系统中用于采集上段温度的仪表,其对应的通信控件MSComm1对以上参数的
设置为:MSComm1. 设置接收和发送缓冲器当一个通信端口被打开时,程序将为它创建一个接收缓冲区和一个发送缓冲区.为方便用户访问这些缓冲区、通信控件设计了相应的缓冲区处理属性,包括等.
1)InBufferSize和OutBufferSize:这两项属性分别指定了分配给接收缓存区和发送缓存区的内存大小.缺省设置为本系统软件程序使用其缺省值,因为控制仪表通信命令所返回的数据容量,不会超过缺省值.
2)RTHreshold和STHreshold:这两项属性用于设置欲触发OnComm事件的接收缓存区和发送缓存区应容纳的字节数.本系统中用它来监视通信状态的改变,获取从下位仪表返回的命令或数据.为正确截获仪表对一条通信命令的响应、必须准确设置RTHreshold属性,它应该被设置为该通信命令所返回的ASCII字符串的长度值.
3)InputLen:该属性指定从MSComm的Input属性中一次读出的字节数.本程序设置其值为0,表示读取接收缓冲区中的全部内容.
8,结论・采用了集中分散控制方式,在上位管理机上就能监控气体渗氮工艺过程,大大降低了操作人员的劳动强度,减少了工作差错,提高了整个系统的可靠性.
・采用优质PID智能数字控制仪作为本系统的下位机、不仅保证了系统的可靠运行、还大大提高了系统的控制品质,从而提高了渗氮工艺质量.・自行编制系统控制软件.由于采用结构化设计,模块化编程的总体思想,使软件功能增强、可维护性和可扩展性改善,更便于可靠性技术的应用,保证了系统正常、可靠的运行.
参考文献[1] 吴锡祺、何镇湖. 多级分布式控制与集散系统[M. 北京:中国计量出版社,2000.
[2] 王常力.集散型控制系统的设计与应用[M. 北京:清华大学出版社,1993.
[3] 邓文浪. 在VB环境下分布式测控系统多机通信的实现[J.计算机工程[4] 詹国华,曾庆华. Visual Basic在测控系统中的应用[J.计算机工程与应用联系方式电话

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