专利名称：电解槽无线温度采集与智能控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于FPGA (可编程门阵列逻辑器件)与无线传感ZigBee技术相结合的电解槽无线温度采集与智能控制装置。
背景技术：
在冶金行业里，实时监测各个电解槽的温度并对电解槽温度进行反馈控制是一个非常重要的内容。整个控制过程是一个实时采集、实时控制和安全可靠的过程。对于电解槽温度的测量，国内目前只是对电解槽加热源一蒸汽作为温度采集对象。这种方式采集的温度与电解槽内的温度有一定的误差，测量数据不能真实可靠的反映监测对象的实时温度，将会影响电解金属的效率及电解金属的品质，最终会导致电解成品达不到所要求的目标，造成不必要的浪费。国内工厂普遍采用有线网络来对现场进行温度采集，人工操作的方式进行控制。 这种方式存在如下问题(1)成本高，大量的线缆不仅花费高，而且会造成工业现场布线的混乱，面对对环境有限制的工厂设备需要附加其它额外的设施(如铺设管道)，这样即延长了施工的时间，又加大了施工难度。(2)可维护性、可扩展性差。当工厂进行扩建时，有线网络的弊端就更为明显，而且采用手工操作，消耗更多的人力资源。
发明内容为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种电解槽温度智能控制装置，其目的是实现电解槽温度的无线传感网络数据采集及智能控制，能显著提高电解质量，达到节约资源、提高效率的目的。本实用新型的方案是，电解槽无线温度采集与智能控制系统，主要包括温度采集模块、无线传感ZigBee模块和智能控制FPGA模块，所述温度采集模块连接无线传感ZigBee 模块的输入端，无线传感ZigBee模块的输出连接智能控制FPGA模块。所述的电解槽无线温度采集与智能控制系统，优选的方案是，智能控制FPGA模块与hternet接口、按键、IXD显示屏、SDRAM存储器连接。所述的电解槽无线温度采集与智能控制系统，优选的方案是，无线传感ZigBee模块实现数据采集、无线传感网络传输及反馈控制，智能控制FPGA模块实现智能模糊控制算法、数据显示及网络连接。本实用新型电解槽无线温度采集与智能控制系统包括温度采集模块、ZigBee无线传感网络模块、智能控制模块、网络模块及控制驱动机构、按键及显示模块。由多块CC2530 芯片组成无线传感网络，完成温度采集、数据无线传输及温度的反馈控制。智能控制模块由 FPGA构成，实现智能控制算法。LCD显示模块输出供工作人员参考的数据，网络模块可以供 internet用户远程实时了解电解工作进程及温度控制过程。本实用新型采用电子设计前沿技术一无线传感网络ZigBee技术与现场可编程逻辑器件FPGA技术相结合的方式。ZigBee技术使用CC2530芯片来实现温度采集与传输。FPGA利用SOPC技术实现智能控制算法。FPGA的计算是并行处理，速度快，能够达到对电解槽温度的实时高精度控制，SOPC技术可以裁剪，构成最小满足需求的系统，具有低功耗的特
点ο本实用新型采用的是一维输入、二维输出模糊控制算法。理论上，模糊控制系统所选用的模糊控制维数越高，系统的控制精度也就越高，但是维数选择越高，模糊控制规则就越复杂，基于模糊合成推理的控制算法实现也就困难。本实用新型采用温度偏差作为模糊控制器的输入，电机转速与转向作为模糊控制器的输出。本实用新型根据工业现场所积累的经验实现控制方案，该方案采用的是一维输入、二维输出的模糊控制器来操控蒸汽阈门的开关速度及方向，从而达到温度的精确实时控制。无线传感网络采集到现场的温度与预设温度所产生的温度偏差作为模糊控制的输入，占空比不同的PWM波(影响电机转速)和电机转向作为输出。本实用新型的特点是本系统采用了无线传感网络ZigBee技术，增加了温度采集的灵活性、可扩展性，降低了功耗；智能控制算法采用保密性强的FPGA来实现，运用了 SOPC 技术，具有知识产权保护作用，系统运行稳定性高，算法升级只是更改程序不必更改硬件电路，FPGA内部元件接口可以裁剪，可维护性高。本实用新型的优点如下1、直接采集电解槽的温度，减少采集蒸汽温度与采集电解槽温度之间所带来的温度采集误差。2、能对现场温度实现精确采集与控制。3、采用无线传感ZigBee网络对系统进行远程数据采集与控制，系统扩展非常灵活，成本低，更加适应工业复杂多变的环境。4、基于FPGA的模糊控制算法更加快速、灵活，保密性强。
图1电解槽无线温度采集与智能控制系统的系统原理图；图2基于模糊控制算法的FPGA系统结构框图；图3基于模糊控制算法的程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型做进一步描述。实施例电解槽无线温度采集与智能控制系统，主要包括温度采集模块、无线传感ZigBee模块(CC2530)和智能控制FPGA模块，所述温度采集模块连接无线传感ZigBee 模块的输入端，无线传感ZigBee模块的输出连接智能控制FPGA模块(Altera公司的 EPC6Q240C8,支持Nios II软核)。智能控制FPGA模块与Internet接口、按键、LCD显示屏、SDRAM存储器连接。无线传感ZigBee模块实现数据采集、无线传感网络传输及反馈控制，智能控制FPGA模块实现智能模糊控制算法、数据显示及网络连接。本系统的总体采用误差反馈的方式来实现工业现场温度的实时采集与智能控制，它由现场温度采集模块、实现数据远距离发送与接收的无线传感ZigBee模块，以及智能控制FPGA模块构成。如图1 所示。
4[0024]现场温度的采集工业现场电解槽内的温度需要进行多点的检测才能提供足够的数据来提供参考。美国DALLAS公司生产的DS18B20传感器具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，它采用Ι-wire总线方式，仅需要一条线即可实现与CC2530芯片的双向通讯，它的测温范围在-55" ~+125°(7 ,固有测温分辨率0.5'C。多个DS18B20温度传感器分
别对多个电解槽温度进行采集，构成一个电解槽温度采集网络，其结构图如图1所示。ZigBee无线传感网络模块由多个CC2530芯片构成。DS18B20温度传感芯片将每个电解槽的采集温度送给相应的CC2530芯片，多个CC2530构成了一个ZigBee无线传感网络，由多个网络节点逐级将温度数据传送给FPGA。FPGA根据接收到的数据，实现模糊智能控制算法，FPGA再将控制信号数据传回ZigBee无线传感网络，最后再由无线传感网络中的 CC2530芯片通过驱动电路对板式换热器进行控制。由于CC2530芯片组成的无线传感网络具有互通互连、自动搜索加入网络的特点，本实用新型的温度采集点可扩展性强。智能控制模块由FPGA来实现模糊控制算法。FPGA中的Nios II软核做为控制单元，FPGA同时连接按键、IXD显示屏及网络接口 DM9000A。图2是实现模糊控制算法的 FPGA系统结构框图。Nios II经过Avalon总线与显示驱动器、通用I/O、Khernet接口、 SDRAM、UART构成单片系统。系统的输入是无线传感ZigBee输出的温度偏差，经过模糊控制运算后，输出反馈控制量。模糊控制算法通过C语言来实现，可以达到输出逐渐逼近最优化。图3是智能控制算法的流程图。例如在铜电解槽冶金行业中，温度范围在6YC 刀力之间，最佳运行温度在 68力，允许温度差为±5W将温度差分成7个模糊子集Ε。PWM波占空比及电机转动方向为输出模糊子集R，基本论域为[(占空比为40%，开)、(占空比为30%，开)、(占空比为20%， 开)、(占空比为10%，保持)、(占空比为20%，闭)、(占空比为30%，闭)、(占空比为40%，闭)]。本实用新型采用if E then R的模糊推理规则，其得到相应的控制规则为if温度差大于20'C then PWM波输出占空比为40%，电机转向为关；if温度差大于1(TC和小于2(TC then PWM波输出占空比为30%，电机转向为关；if温度差大于5'C和小于IOiC then PWM波输出占空比为20%，电机转向为关；if温度差大于-2CTC then PWM波输出占空比为40%，电机转向为开；if温度差大于-10Y:和小于-20'σ then P丽波输出占空比为30%，电机转向为开；if温度差大于-5+C和小于-ICTCf then PWM波输出占空比为20%，电机转向为开；本装置利用无线传感ZigBee技术与可编程逻辑器件FPGA来对电解槽温度进行采集，系统结合模糊控制算法对电解槽温度进行智能控制。本实用新型摆脱了有线网络在工业现场存在的弊端，具有更好的可扩展性、可维护性，性价比更高；FPGA在算法开发上具有高效性，执行准确性高。其研究成果应用于铜、铝等金属电解车间，对现场数据如温度、湿度等进行采集并实时控制的领域，具有广泛的市场应用前景。
权利要求1.电解槽无线温度采集与智能控制系统，其特征是，主要包括温度采集模块、无线传感 ZigBee模块和智能控制FPGA模块，所述温度采集模块连接无线传感ZigBee模块的输入端， 无线传感ZigBee模块的输出连接智能控制FPGA模块。
2.根据权利要求1所述的电解槽无线温度采集与智能控制系统，其特征是，智能控制 FPGA模块与hternet接口、按键、IXD显示屏、SDRAM存储器连接。
专利摘要本实用新型涉及一种电解槽无线温度采集与智能控制系统，主要包括温度采集模块、无线传感ZigBee模块和智能控制FPGA模块，所述温度采集模块连接无线传感ZigBee模块的输入端，无线传感ZigBee模块的输出连接智能控制FPGA模块。其增加了温度采集的灵活性、可扩展性，降低了功耗；智能控制算法采用保密性强的FPGA来实现，运用了SOPC技术，系统运行稳定性高，算法升级只是更改程序不必更改硬件电路，FPGA内部元件接口可以裁剪，可维护性高。
文档编号G05B19/418GK202126613SQ20112013017
公开日2012年1月25日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者刘洪朋, 庞国瑞, 肖新帅, 葛广英 申请人:聊城大学