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热处理加热炉智能模糊控制系统可靠性问题的研究 |
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作者：黄丽霞 袁艳 张泰山 |
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【摘要】：本文简介热处理加热炉智能模糊控制系统的组成与工作原理，深入研究了以80C196 单片机为核心的下位机的可靠性问题，并针对系统调试中存在的问题，提出了相应的解决方案。系统的实际运行结果表明，本系统控制方案合理，长期工作稳定可靠，控制算法先进，跟踪性能好。
关键词：热处理加热炉，微控制器 可靠性 看门狗
1． 引言
热处理是一种改善金属材料及其制品（如机器零件，工具等）性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制品加热到适宜的温度，保温，随后用不同方法冷却，改变其内部组织（有时仅表面组织改变或表面成分改变），以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来，随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能和无公害的方向迅速发展。
热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。它不是一般的电阻炉，它要求按照严格的温度曲线来加热，要求具有掉电保护功能。
为了改善和提高热处理性能检验的水平，本文采用两级计算机控制系统（上位机为工控机，下位机为自行开发的单片机智能控制器），以实现以下主要技术指标：系统控温采用智能算法，控制精度４‰；热偶信号(mv)直接进入下位机进行处理；下位机能保存一天的数据，每分钟保存一个数据；上位机在windows98 环境下开发应用程序，可分时监控多台下位机；上位机可实现温度设定曲线和温度实时曲线以不同颜色同时显示，曲线全部显示/部分显示可选；上位机管理各种数据，如温度、操作者、材料等，数据保存时间为1 年以上，能对历史数据方便地查询、打印等；采用过零触发和通断率控制，以防止电流冲击和高次谐波对电网的影响，并提高功率因数；I/O 信号采用电位隔离，提高工作可靠性。
2．系统整体设计
本系统主要完成数据采集、数据显示、炉温控制、上下位机通信、数据库的管理、事故检测及故障处理与报警等功能。系统上位机为586 工控机，在windows98 环境下开发DELPHI 应用程序；下位机为自行研制的单片机智能控制器，采用规则自寻优模糊控制算法进行过程控制；上下位机采用485 半双工通讯；热处理炉主回路采用双向可控硅控制；双向可控硅的触发采用过零触发器触发，下位机输出通断率控制信号，产生双向可控硅的过零触发脉冲。系统整体结构如图1 所示。
图1 系统整体结构
3．系统调试中存在的主要问题与解决方案
本系统的控制对象是9 台热处理炉，集中在一间房间，控制室在房子的一角，系统上、下位机都集中在此，每台热处理炉的热电偶线、主回路线都通过电缆沟引入到控制室内。本系统在现场安装调试过程中，出现了一些在实验室调试中没有遇到的问题，如程序的“乱飞”和死循环、掉电保护、上下位机通信出错等，我们都采取了相应的措施，现分述如下。
3.1 程序的“乱飞”
本系统程序有时由于外界的干扰而发生程序“乱飞”，我们采用了指令冗余和软件陷阱技术，经实际运行验证，效果很好。
具体作法是：在下位机的程序编写中，（1）在双字节指令和3 字节指令之后插入两个单字节NOP 指令，以保证其后的指令不被拆散，因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令NOP的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正轨；（2）在对程序流向起决定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JNZ 等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA 等)之前插入两条NOP 指令及重复写上这些指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。[1]
考虑到当乱飞程序进入非程序区(如EPROM 未使用的空间)或表格区时，采用冗余指令使程序入轨条件便不满足，我们采用如下形式设定了软件陷阱，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。
NOP
NOP
LJMP 0000H
而相应的入口形式为： 0000H：LJMP MAIN；运行程序
3.2 程序的死循环
为使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术(WatchDog)。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间即为系统的控制周期。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的控制周期时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H 入口，在0000H 处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。
考虑到系统的控制对象的外界干扰很多，我们采用软、硬件结合的“看门狗”技术。硬件“看门狗”技术能有效监视程序陷入死循环故障，但对中断关闭故障无能为力；软件“看门狗”技术对高级中断服务程序陷入死循环无能为力，但能监视全部中断关闭的故障。两者结合起来，可以取长补短，获得良好的效果。
硬件看门狗芯片采用X25043，它把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和E2PROM 组合在单个封装之内。其主要特点为：可编程操作；1MHZ 的时钟频率；低功耗CMOS工艺，工作电流很小（3mA），备用工作方式下电流更低（10μA）；电源电压范围宽（2.7~5.5V）；内设上电/掉电保护；高可靠，数据保存期为100 年；具有512× 8 位串行E2PROM；X25043 为RESET 复位控制，低电平有效。管脚图如图2 所示。X25043 与微处理器的接口电路图如图3 示，数据和控制命令是通过CPU 的I/O 口串行传输的。要注意的是监控预置时间（看门狗超时周期）要选择适当，不能过短。
图3 X25043 与微处理器的接口电路
软件看门狗方案为：在HSO时中断设置一计数单元，其计数值在主程序中设置，每执行一次HSO 中断，计数单元减“1”，若减“1”计数结果为“0”，则转到主程序入口，执行初始化程序，同时计数单元不立即恢复计数值，而由主程序再次送计数值。
3.3 故障的自动恢复处理（包括掉电保护）
我们采用了指令冗余、软件陷阱和“看门狗”技术，使系统尽快摆脱失控状态而转到初始入口0000H。由于系统的控制对象的特殊性（热处理加热炉），程序转入0000H 后，控制过程并不是要求从头开始，而是要求转入相应的控制模块，以保证完整的加热曲线。程序乱飞期间，很有可能破坏内RAM 和外RAM 中存储的一些重要信息，因此还必须经检查之后方可使用。程序转入0000H 有两种方式，一种是上电复位，一种是故障复位(如“看门狗”电路复位)，这两种入口方式也要加以区分。此外，复位可由单片机RESET 端为高电平方式，称为硬件复位；若在RESET 为低电平情况下，由软件控制转到0000H，称为软件复位。
针对这种情况，我们在编写程序时进行了处理，完善了自动恢复处理功能。图4 是实现此功能的程序设计流程图。
图4 故障自动恢复处理程序框图
在本控制系统中，要求生产工艺有严格的逻辑顺序性，当程序失控后，不允许从整个控制程序的入口处从头执行控制程序，而应从失控的那个程序模块恢复执行。而我们的主程序是由若干个小的功能模块组成，每个功能模块入口都设置了一个标志。系统故障复位后，就可根据这些标志选择进入相应的功能模块。例如，系统有两个功能模块1#、2#，每个功能模块入口处先执行写入标志操作。为了防止程序失控后破坏相应RAM 单元，是用的数据冗余保护与纠错方法。系统故障复位后，在出错处理程序中首先检查和恢复RAM 中的数据，再根据标志来确定进入对应的模块入口。由于故障而进入0000H 后，系统要执行上电标志判定、RAM 数据检查与恢复、清中断标志等一系列操作，然后根据功能模块的运行标志，确定入口地址。
系统在实验室调试时，没有设计掉电保护功能。在现场调试时，当某台炉子正处于工作阶段，由于某种原因(人为的或故障引起的)而导致系统掉电，使本炉未做完就停止了工作。而重新上电后，必须重新启动系统，重新设定参数，而不是按原来的曲线进行热处理。这样就不能保证本炉完整的热处理加热曲线。为解决此问题，本系统增加了掉电保护功能。即将系统因故障停止工作时刻点的参数保存下来，系统恢复后又从此掉电时刻工作点开始工作。我们利用看门狗芯片X25043 自带的512× 8 位串行E2PROM 来实现掉电时刻参数的保存。具体作法是，系统上电时检查是否有掉电标志，若有，则连续从X25043中读取掉电时刻各参数3 次，并作比较，若不完全相同，则重复读取操作，这样可保证系统从掉电处继续运行；若无，则运行初始化程序，系统开始新的加热曲线，同时置掉电标志，并设置一定时中断，定时时间到则执行中断服务程序，向X25043 的E2PROM 成批地将需保存的数据写入连续的地址单元（写两个数据间需作一定延时，否则会导致写入数据出错），若程序正常执行完毕后结束运行，则清掉电标志，表示系统正常结束而不是因掉电等原因非正常退出，否则保持掉电标志，以备上电后判断之用。
3.4 上下位机间通信干扰的问题
本系统采用计算机两级控制系统，上、下位机间必须有数据传送，如上位机向下位机发送设定参数，下位机向上位机发送实时炉温采样值等。通信采用RS-485 通信方式，上、下位机是主从式通讯，主机是工控机，从机是各炉的智能控制器。主机单独呼叫选通从机，但从机不能单独呼叫主机。上位机可以随时将命令、数据发送给下位机，而下位机要给上位机发送数据则必须等上位机给下位机发送数据调用命令才能进行。主机与从机的通讯正确率由以下方式保证：主机发送通讯地址选通从机，从机收到后发回该地址供主机核查，若不对，则说明线路有故障。若正确，则说明可以正常通讯。主机与从机传送的数据格式都是先传送一个字节的数据长度，以供对方检查。发送方与接收方每发或收一个数据都进行数据的累加和运算[3]。发送方在发完数据后，发送一个字节的累加和，接收方将其与本身计算结果进行比较，如相同则正确，否则重复握手。在硬件方面，我们采用的是RS-485 通信协议，利用平衡驱动差分接收电路，削弱干扰的影响，同时获得更长的传输距离及允许更大的信号衰减，并将通信线用带屏蔽的电缆线代替，抗干扰的效果很明显。
4．系统运行结果
保证系统运行的可靠性，本系统在现场运行后，各项指标都达到了设计要求，图5 是其中某加热炉的温度曲线。从图中可以看出，曲线的跟踪性能好，稳态精度高，超调小。系统从投入运行以来已有两年多时间，运行稳定可靠，保证了正常的生产，受到了用户的好评。
图5 某加热炉温度曲线
5．结论
本文所设计的热处理加热炉智能模糊控制系统采用两级计算机控制。控制对象是热处理加热炉，它是一种具有纯滞后的大惯性系统，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求，用智能模糊控制可以达到较好的控制效果。在系统现场调试过程中，我们针对所遇到的在实验室调试时没有出现的程序“跑飞”、“死循环”及掉电保护等问题，采取了相应的解决方案。系统的实际运行结果表明，本系统具有以下优点：1、系统的控制方案合理，跟踪性能好，稳态精度高，超调量小；2、系统结构简单，易于实现，工作可靠性高；3、系统控制功能强，控制效果好；4、控制算法先进，具有自学习功能，系统控制参数可自动趋于最优；5、人机界面友好，操作人员操作方便。
参考文献
[1]王幸之等，单片机应用系统抗干扰技术，北京：北京航空航天大学出版社，2001.3，348~`353.
[2]侯同强等，X25043/45 的原理与应用，微计算机信息，2000 年第16 卷第5 期，p69~71.
[3]李朝青 PC 机及单片机数据通信技术 北京：北京航空航天大学出版社，2000.3， p94~95
作者简介：黄丽霞，女，1978 年生，中南大学信息学院控制理论与控制工程硕士研究生，主要研究方向为人工生命神经网络。
袁艳，中南大学信息学院在读博士。张泰山，中南大学信息学院教授。
地址：中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙，410083 张泰山 转 黄丽霞
电话：0731-8830971
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(3/30/2005) |
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