基于ai智能儀表的智能儀表設(shè)計

目前，中學(xué)和科研院所主要采用開放鉗子的儀表設(shè)備進行監(jiān)測和控制，如圖1所示。實驗過程中需要測量的信號(如溫度、壓力、流量、濃度等)通過相應(yīng)的傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號,然后通過A/D采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再經(jīng)RS-485遠程傳輸至工控機,在工控機串口處進行RS-485/232信號轉(zhuǎn)換,進入工控機,由工控軟件對數(shù)據(jù)進行顯示和記錄。如果需要控制輸出,則還需配置相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換卡,驅(qū)動相應(yīng)的閥門、電機、繼電器等外部設(shè)備。這種監(jiān)測控制方法在實驗研究過程中存在較多的缺點,主要有以下幾點:(1)AD模塊通道較多,而實際信號輸入變量往往較少,造成通道閑置;(2)工控機安裝的工控軟件價格較貴,如果自行開發(fā)軟件,編碼復(fù)雜;(3)對設(shè)備的控制較簡單,如,通過點按軟件界面上的按鈕來控制閥門開關(guān);(4)實現(xiàn)反饋控制的難度較大,控制算法須由用戶自行開發(fā)?；谝陨蠋c,結(jié)合實驗研究經(jīng)驗,筆者建議盡量采用具有調(diào)節(jié)控制功能的人工智能(ArtificailIntelligence,AI)儀表,AI儀表通過串口與計算機連接,具有自己的串行通信協(xié)議,軟件開發(fā)者可以根據(jù)需要對儀表的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行讀取與設(shè)定,充分利用AI儀表自身的控制算法,如PID(比例、積分和微分)調(diào)節(jié)、自適應(yīng)功能和模糊控制技術(shù)對實驗裝置進行控制,而不需自行開發(fā)算法。特別適合于流量調(diào)節(jié)、閥門開度調(diào)節(jié)、開關(guān)控制和溫度控制等,既可以與工控軟件配合使用,也可以在上位機進行簡單編程控制。圖1對AD模塊與人工智能儀表在監(jiān)測控制中的功能進行了對比。本文以廈門宇電自動化科技有限公司的AI808型儀表為例實現(xiàn)上位機對爐溫的監(jiān)測與控制。1爐溫控制溫度圖2為采用AI儀表對爐溫進行監(jiān)測與控制的工作原理示意圖。加熱爐的溫度經(jīng)E型熱電偶傳入AI808的測溫模塊,在儀表上顯示測量溫度(PV值)和爐溫控制溫度(SV值),通過軟件編程可以將PV值和SV值上傳至上位機,同時,AI儀表可以根據(jù)設(shè)定溫度和實際測量溫度的差值輸出相應(yīng)信號控制固態(tài)繼電器SSR,從而改變電阻絲的加熱電流,實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié),其控制過程由AI儀表自身的控制算法實現(xiàn)。上位機通過RS-232/485串口設(shè)定儀表SV值、升降溫速率和起停時間。2參數(shù)設(shè)定的設(shè)定AI儀表內(nèi)部設(shè)置了不同的功能參數(shù),如表1所示,這些參數(shù)可以通過儀表面板鍵盤進行更改,也可由上位機讀寫。每個參數(shù)都有一個編號,用16進制表示,如“Sn輸入規(guī)格”參數(shù)代號為“0BH”,本例中設(shè)為“4”,表示采用的是E型熱電偶?！癈trL控制方式”設(shè)為“1”,表示采用AI人工智能調(diào)節(jié)。M5、P、t、Ctl等參數(shù)為AI人工智能調(diào)節(jié)算法的控制參數(shù),詳見《AI系列人工智能調(diào)節(jié)器使用說明書》。2.1實現(xiàn)了充分利用ai儀表的通信AI儀表使用異步串行通信接口RS-232C或RS-485,采用RS-232C時,一個接口只能連接一臺儀表;采用RS-485時,則可將1~101臺的儀表同時連接在一個通信接口上,每臺儀表的地址代號由儀表內(nèi)部參數(shù)Addr設(shè)定。通信波特率可調(diào)為1200~19200bit/s(波特率為19200時需配置高速光耦的通信模塊)。數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù),無校驗位,1個停止位。上位機與AI儀表通信時,將RS-232/485轉(zhuǎn)換器接至上位機com串口,RS-485接線與AI儀表(3)、(4)端子相連(如圖2所示)。上位機通過固定的通信協(xié)議與AI儀表進行數(shù)據(jù)傳輸,指令只有兩條,一條為讀指令,一條為寫指令,指令代碼及數(shù)據(jù)均采用16進制。當(dāng)在一個通信接口上連接多臺AI儀表時,需要給每臺AI儀表編一個互不相同的代號,其有效地址編碼為0~100。2.1.1地址代碼和參數(shù)值設(shè)定通信協(xié)議的讀寫指令格式如下:(1)讀指令:地址代號+52H(82)+要讀參數(shù)的代號+0+0+CRC校驗碼讀指令的CRC校驗碼為:要讀參數(shù)的代號×256+82+ADDR(2)寫指令:地址代號+43H(67)+要寫參數(shù)的代號+寫入數(shù)低字節(jié)+寫入數(shù)高字節(jié)+CRC校驗碼寫指令的CRC校驗碼則為:要寫的參數(shù)代號×256+67+要寫的參數(shù)值+ADDR。ADDR為儀表地址編號值,范圍是0~100(注意不要加上80H)。CRC為各二進制16位整數(shù)加法后得到的余數(shù)(溢出部分不處理),余數(shù)為2個字節(jié),其低字節(jié)在前,高字節(jié)在后。表2列出了讀/寫指令的格式和實例。2.1.2rc校驗碼結(jié)構(gòu)無論是讀還是寫,儀表都返回以下數(shù)據(jù):測量值PV+給定值SV+輸出值MV及報警狀態(tài)+所讀/寫參數(shù)值+CRC校驗碼其中PV、SV及所讀參數(shù)值均為整數(shù)格式,各占2個字節(jié),低字節(jié)在前,高字節(jié)在后;MV占一個字節(jié),數(shù)值范圍0~220;報警狀態(tài)占一個字節(jié);CRC校驗碼占2個字節(jié),低字節(jié)在前,高字節(jié)在后;共10個字節(jié)。CRC校驗碼為PV+SV+(報警狀態(tài)×256+MV)+參數(shù)值+ADDR,按整數(shù)加法相加后得到的余數(shù)。2.2設(shè)備連接到ai設(shè)備的軟件在AI儀表上設(shè)置15H參數(shù)“addr儀表地址”為5,16H參數(shù)“bAud波特率”為4800。2.3ai設(shè)備操作指令的讀取2.3.1發(fā)送命令2.3.2接受命令3ai儀表的響應(yīng)通過上述編程,其操作界面如圖3(左圖)所示,在讀寫指令中輸入相應(yīng)的讀寫參數(shù),點擊“求校驗碼”按鈕,生成讀/寫指令,再點擊“發(fā)送”按鈕,即可將指令傳至AI儀表,儀表響應(yīng)后返回讀寫數(shù)據(jù)。對圖2所述裝置進行溫度控制,控制溫度設(shè)為110℃,經(jīng)過升溫和控制過程,其溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波浪式波動,如圖3(右圖)所示。顯然,其控溫過程利用了AI儀表自身攜帶的控制算法,上位機只需輸入相應(yīng)控制信息即可。4實驗系統(tǒng)控制通過在實驗過程中采用AI智能儀表,提高了搭建實驗系統(tǒng)的靈活性,充分利用了AI儀表內(nèi)部的控制算法,從簡單的對實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測發(fā)展為反