工矿自动化论文

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工矿自动化论文范文第1篇

关键词：电厂；节能减排；自动化技术；火力发电；环境污染

文献标识码：A中图分类号：TM621文章编号：1009-2374（2016）09-0082-02

1概述

社会的发展越来越快，社会的经济水平也越来越高。在生活水平提高之后，越来越多的人们逐渐开始重视其生活质量的问题。电能是人们生活、发展过程中必不可少的资源，电量的增多可以保障日常生活、工作的稳定。然而我国的发电结构还处于以火力发电为主的层面，而火力发电则会使用大量的煤炭资源。煤炭资源属于不可再生资源的一种，长期、大量的消耗最终会导致煤炭资源的稀缺，不利于我国的长久发展。不仅如此，大量的燃烧煤炭也会造成空气的污染。为此我国逐渐把可持续发展问题作为当前的发展重点来看待，尤其是节能减排工作。节能减排不仅可以有效地节约资源，同时也可以减少因废气的排放而造成的环境污染。随着科学技术的不断发展，电厂不仅仅依靠手工操作进行生产，进而转向了利用自动化技术进行生产。这也大大提高了电厂的工作效率，从而为节能减排起到了推动作用。

2运用自动化技术实现节能减排的相关理念

2.1运用自动化产品实现节能减排

为了逐步实现节能减排的目标，一些电厂开始运用自动化产品作为辅助工具。如电厂利用微电脑系统进行控制以及使用软启动等技术，从而在一定程度上可以依靠自动化产品使节能减排成为可能。一些自动化产品的使用，使得电厂在控制方面的精准度有所提升。在对电厂的运行功率以及运行负载进行严格的控制之后，耗电量以及耗费的能源逐渐减少，因此，使用自动化产品可以有效地帮助电厂实现节能减排。

2.2运用自动化系统实现节能减排

除了运用自动化产品实现节能减排之外，也可以利用自动化系统使节能减排成为可能，比如运用调度自动化以及管理自动化等，在提高企业经济效益的同时，也能有效地控制资源以及能源的投入量问题。依靠节能系统实现对电厂投入的控制，从而使电厂节约成本，并且节约各种资源，进而促进节能减排工作的顺利实现。

3电厂节能减排中自动化技术的应用

3.1实现自动化系统的一体化进程

目前，电厂的自动化系统由三层结构构成，即过程控制、制造执行以及经营规划三层。为了有效地实现节能减排，除了运用先进的技术、设备之外，还要利用先进的自动化系统。通过系统的控制，进而实现操作以及调度等方面的优化。我国有六种耗能较多的工矿企业：有色、冶金、建材、电力、造纸以及化工。这些工矿企业不仅耗费大量的能源、资源，也会对环境造成严重的污染。为此，就需要对其重点的能耗设备进行节能控制，减少能源的消耗，同时对其重点污染源进行污染治理，因此，逐渐完善控制装置并进行系统的及时优化势在必行。通过各种系统和先进设备的共同作用，对能源的除尘、脱硫等流程进行严格控制。同时对各种易产生污染的环节进行优化处理，从而使燃烧技术更为优化，使能源消耗与污染物的排放降至最低，进而实现电厂的节能减排工作。

3.2节能自动化产品的研制和技术的开发

由于科学技术的不断进步，电厂也逐渐实现手工控制操作向自动化控制的方向发展。同时，实现了自动化控制之后，也使电能生产的方式更加优化、合理，使得电能的生产效率也实现了逐步提升。目前，电厂的自动化技术一般都是运用变送器对计算机系统以及大屏幕的监视器、现场总线等进行控制。虽然国家及电厂正在加大力度实现发电结构的转型，但是在我国的电力规划中指出，即使到2030年，我国电厂发电结构依然是以火力发电为主。而预计4年后，我国的装机容量便可多达14亿千瓦，其中火力发电所占的比重就多达10亿左右。因此，在以火力为主的发电结构模式下，节能减排工作更是困难重重，要及时需找新的方法，加快节能自动化产品和自动化技术的研发。首先可以寻找新的自动化节能方法，可以不断引进外国先进的节能技术，再与我国先进的技术相结合，实现无触点调压、稳压等；其次，采用移相控制技术以及电子安全保护技术等方法及时地对发电机的输出功率进行调整和改变，加强微电脑对电厂的控制管理，不断提高电机的工作效率，使能耗逐渐降低，从而达到节约资源的目的；最后，可以加快研制新的自动化产品和自动化技术，使可再生及不可再生资源的储能效率及生产效率等都获得较大程度的提高。

3.3结合信息管理进行节能减排

在电厂使用自动化技术进行控制的早期，一般都是单纯地对控制系统方面的单输出和单输入情况进行分析整理，之后再对其进行人工绘图。而这种操作方法一般都会存在很大的误差，且工作效率低。由于电厂对于信息管理的重视不够，导致自动化技术与管理信息化程度严重不匹配。为了改变这一局面，就要重视二者的协调发展，从而提高系统统计数据的准确性，也使自动控制的实用性更强，使操作更为简单、方便。

4成功运用自动化技术进行节能减排的表现

4.1变频技术的应用

电厂使用变频技术能有效地控制节能减排。在电厂的运行过程中，一般会利用煤、燃气或是油等资源进行发电，因此，就会有很多浪费现象从中产生。煤、燃气以及油等资源的消耗使我国能源的投入量大大提高。而在电厂实际发电的过程中，对于能源的消耗也很大，以致节能减排难以实现，使用变频技术可以有效降低能源消耗。变频调节器的使用也会在很大程度上降低燃料的消耗量，从而根据电厂的实际情况对能源投入进行调节和控制。与此同时，变频调节器的使用也可以优化锅炉的运行状态，控制燃料在燃烧时的风量。变频技术的应用可以帮助电厂解决能源消耗以及资源浪费等问题，逐渐实现电厂的节能减排、降低消耗，从而获得更多的经济收益。

4.2运用现场总线技术

运用现场总线技术可以帮助电厂顺利实现节能减排。随着经济的不断发展，电厂总线布置涉及的范围也越来越广。现场总线技术与传统的技术相比具有比较明显的优势：一是可以使硬件设备的应用数量有所降低。现场总线技术一般采用的是计算机控制，同时利用PC，使得硬件设施的需求量大为减少，并且其控制站的面积也可以因此大大缩减；二是从安装方面来讲，现场总线操作起来更为简捷、方便。在现场总线的其中一条线路上可以进行多个设备的接入，从而为电厂节约了更多的资金。同时，应用现场总线技术也在一定程度上可以解放人力。由于其工作量小，相对的，电厂对于人力、物力方面的投入也会相对减少。

4.3碳素焙烧控制技术

利用碳素焙烧技术进行生产时，焙烧可以影响生产的各个方面，如对环保产生影响、对能耗产生影响、对成品的品质和成品的寿命造成影响等。然而碳素焙烧技术在生产过程中具有多道工艺，因此，对于环境造成的影响也极其恶劣。但是由于长时间缺乏控制，所以其相对的能耗也比较大且污染严重。目前，针对这一情况已经研发出专门控制碳素焙烧的技术，在电厂的投入使用中，不仅为电厂节约了大量的能源，也减少了对于环境造成严重污染的污染物的排放，同时为电厂带来了巨大的经济效益，使得节能减排工作逐渐成为现实。

5电厂节能减排中自动化技术的发展方向

5.1走可持续发展之路

电厂在节能减排过程中运用自动化技术可以促进电厂实现高水平、高质量的发展。在利用自动化技术的同时，能够有效实现电厂的可持续发展。自动化技术使节能减排成为可能。在降低能源消耗、减少对环境的污染的同时，不仅为国家节约了大量资源、能源，也逐渐促使国家向环境友好型方向发展。

5.2促进自动化技术的规模化发展

自动化技术的运用是符合时展潮流的，而且在电厂的实际应用中，不仅节约成本、降低消耗、保证环境质量，同时也增加了企业的经济效益。利用自动化技术，可以实现利用小型系统就可以实现大规模节能减排的效果，因此，要促进自动化技术向规模化方向发展。扩大自动化技术的应用范围之后，可以实现更大规模的节能减排目标。在全国各个领域、各大工矿企业推广自动化技术，从而实现全方位的节能减排工作。

5.3深化自动化技术的应用

目前，自动化技术主要应用于电厂的节能减排工作上，所以要不断深化自动化技术的应用，使自动化技术在安全控制方面的应用力度不断加强，从而使节能减排工作水平的安全性能不断提高。减少自动化技术的安全隐患，从而提升其应用效益，不断满足电厂在节能减排方面的需求。

6结语

我国电厂的发展为我国提供了大量生活必须的电能，有助于社会的安全与稳定。然而在实际的生产发展过程中，电厂的正常运行需投入大量的能源、资金，同时，能源、燃料的燃烧也给环境带来了巨大的危害。由于煤等能源属于不可再生资源，如果大量使用，子孙后代将无这种资源的福祉可享。为此，我国的发展不能只建立在眼前利益之上，而应更多地考虑长远利益的发展。与此同时对于环境的污染也成为世界各国广泛关注的焦点，因此一定要重视节能减排工作的落实。为此，电厂引进先进的自动化技术，在一定程度上降低了能源的消耗和污染物的排放，也促进了电力生产事业的发展。

参考文献

[1]杨永明．自动化技术在电厂节能减排中的应用与研究[J]．中国高新技术企业，2011，（33）．

[2]方剑．节能减排理念下的电厂自动化技术浅析[J]．山东工业技术，2015，（7）．

[3]姚生魁，胡英军．自动化技术在电厂节能减排中的应用与研究[J]．中国新技术新产品，2015，（19）．

[4]任继德．自动化技术在电厂节能减排中的应用研究[J]．中国科技信息，2014，（17）．

工矿自动化论文范文第2篇

【关键词】矿井；皮带堆煤；图像处理；背景差分

1.前言

随着我国煤炭生产的不断发展，矿井运输已趋于皮带化、高速化，大运量的皮带运输机已经成为我国矿井运输的主要工具。如何安全[1]、可靠地实现对皮带堆煤事故的检测，对于保障煤矿安全生产具有重要的意义。

目前大多采用堆煤传感器对胶带输送机进行保护，现有的堆煤传感器[2][3]可大致分为3类：

（1）基于行程开关的堆煤传感器；

（2）基于水银开关或煤油开关的堆煤传感器；

（3）基于电极式原理的堆煤传感器。

由于以上三类传感器都是基于碰触检测方式来实现皮带堆煤检测，当有大的煤块经过，或是有工人误碰触时容易发生误报警现象。现有的堆煤传感器有以下不足之处：

（1）由于煤矿环境复杂，行程开关的堆煤传感器易受煤尘湿气等外部环境影响常常不能及时准确报警，其耐用性、灵敏度、可靠性都不十分理想；

（2）水银开关或煤油开关的堆煤传感器无法实现全方位的高精度的测量，自身抗干扰能力较差；

（3）电极式堆煤传感器需要定期清理电极座过多的煤，尤其是喷水后应将煤尘和水擦干净，维护频率高，此外电极式传感器的准确率和误报率还与煤的干湿度有很大关系；

（4）使用接触式传感器，存在机械磨损同时煤块与传感器摩擦容易产生火花，影响安全生产；

（5）监测不具可视化，监控者只能看到一些数字化指标，检测效果差。

为了有效果地解决以上几个方面的问题，本文提出采用非接触式的视频图像处理方法来实现矿井皮带堆煤状态的检测。

2.皮带堆煤检测图像识别原理

2.1 识别原理

本文尝试将图像识别技术引入到煤矿井下皮带堆煤检测装置中。由于皮带头落煤点发生堆煤事故时，在皮带头落煤点会有大量的煤块发生堆积，此时落煤点处图像会发生显著的变化。因此可在皮带头落煤处斜上方合适位置安装矿用摄像机，利用皮带头堆煤事故发生前后的图像特征变换进行实时监控。当在预先设定区域内原本稳定无变化的图像中出现了变化，即最新采集到的一帧图像与背景图像差分后发现有不同处，如出现了煤块堆积影像，就可判定为皮带头落煤处发生堆煤事故。此时软件系统会控制硬件做出相应反应，报警或直接将皮带机断电停机。

由于煤矿井下运输巷的环境较恶劣，光线较昏暗，矿用摄像机采用低照度长寿命CCD摄像机，摄像机的安装地点要兼顾实用性。基于以上2个原则，在皮带头落煤点上方合适位置安装矿用摄像机。摄像机的安装方式如图1所示。将矿用摄像机对准皮带头落煤点处进行拍摄，一旦有皮带堆煤事故发生，在摄像机监控图像预先设定的区域内就会得到与正常情况下不同的图像。图像传到计算机以后，经过图像分析软件的识别，发出皮带堆煤警报。

图1 皮带堆煤检测摄像机安装方式

2.2 堆煤图像识别算法研究

背景差分法是最为常用的运动目标检测和分割方法之一[4][5]，背景差分的基本原理就是利用两帧图像之间的差来判断物体的出现和运动，背景差分法用序列中的每一帧与一个固定的静止参考帧（不存在任何运动物体）做图像差，这种方法的优点是位置精确速度快，满足实时处理的要求，因为它只需要获取当前的一幅图像。背景差分方法检测效果的好坏在很大程度上依赖于背景图像的质量。阈值的选择相当关键，选择过低不足以抑制图像中的噪声，过高则忽略了图像中有用的变化。对于比较大的、颜色一致的运动目标，有可能在目标内部产生空洞，无法完整地提取运动目标。

2.2.1 背景模型建立

背景模型建立[6]是背景差分方式的基础和核心环节。采用背景差分的方法对运动目标进行检测，首先要建立稳定清晰的背景，再用摄像机获取的当前图像和背景图像进行差分运算。并对差分图像进行区域分割，提取出运动区域。

背景估计有很多方法，研究人员已提出了许多背景建模算法，但总的来讲可以概括为非回归递推和回归递推两类。非回归背景建模算法是动态的利用从某一时刻开始到当前一段时间内存储的新近观测数据作为样本来进行背景建模。非回归背景建模方法有最简单的帧间差分、中值滤波方法等。回归算法在背景估计中无需维持保存背景估计帧的缓冲区，它们是通过回归的方式基于输入的每一帧图像来更新某个时刻的背景模型。这类方法包括广泛应用的线性卡尔曼滤波法、Stauffe与Grimson提出的混合高斯模型等。本系统采用效果较好且效率相对较高的均值法，即任意像素点的背景信息由序列图像中对应像素点颜色的均值来确定，如式（1）所示：

（1）

Ik（i，j）表示第k帧图像，B（i，j）表示背景图像。由于煤矿井下光照较为恒定，因此一般选取前一百帧静态画面的图像，取平均后作为背景模型图像。

2.2.2 运动团块的提取

根据运动物体和场景中的静止背景在亮度、色度上的不同，将图像序列的每一帧图像与背景图像作差，然后二值化，就可以得到每一帧的运动点团：图像中的一个像素，如果它与背景图像对应像素的距离大于一个阈值，则认为它是前景，输出1，否则为背景，输出0。最后得到的二值图像就是运动团块图像。

图2 运动团块提取流程图

图3 背景相差二值化结果图

两帧图像的差是指两帧中对应像素矢量的距离。常用的矢量距离是欧氏距离和马氏距离，本文采用欧氏距离运动团块提取的方法。

欧氏距离提取运动点团的具体算法如下：

（1）设背景图像是B（x，y）

（2）遍历当前帧的每一个像素（x，y）

如果：

（2）

则：输出G（x，y）=1，否则：G（x，y）=0

（3）G（x，y）就是当前帧的运动点团图像。

2.2.3 阈值选取技术

对于不同光线背景下的差分图像，用固定的阈值T去进行二值化处理显然不能对每一帧图像都达到很好的效果。希望得到的阈值不仅可以将目标从背景中分离出来，而且要能根据不同的图像来智能地选取。在此我们采用Otus阈值化技术[7]，以简化阈值的选取OTS方法的基本思想是：选取的最佳阈值T应该使得不同类间的分离性最好。

对于灰度级为0～255，M×N的一幅图像，记f（i，j）为图像点（i，j）处的灰度值。

Otus法具步骤：

（1）计算图像的直方图统计结果，得到灰度值为k的频率PHS（k）为：

（3）

（2）计算图像的灰度均值为：

（4）

（3）计算机灰度类均值和类直方图之和：

（5）

（6）

（4）计算类分离指标为：

（7）

最后，求出使达到最大的值S，则最佳阈值。

图3所示为通过Otus法求得最佳阈值后背景相差后的结果。

2.3 基于虚拟检测区域的皮带堆煤检测

在采集到的视频图像帧中，在皮带落煤点处人为地设置一个虚拟矩形检测区域。根据堆积的煤块占矩形区域面积是否超过设定的阈值，判断是否存在堆煤。矩形检测区域的大小根据皮带煤流大小及落煤点区域大小来设定。

图4 检测区域的设置

3.皮带堆煤检测图像识别程序设计

皮带堆煤检测图像识别程序开发环境采用WINDOWS 7操作系统，开发工具为VS2010。

系统包含以下几个部分：

（1）视频图像获取。由矿用摄像机采取皮带落煤点图像，并通过井下工业环网传送到地面PC机。

（2）设定虚拟检测矩形区域。根据摄像机和皮带落煤点距离以及与皮带落煤点所成的角度，合理设置虚拟矩形区域的大小及在视频图像上的位置。

（3）皮带落煤点煤流检测。对获取到的视频图像进行建立背景模型、背景减除、二值化阈值和后处理，提取出落煤点堆积煤流信息。

（4）堆煤检测。根据堆积煤块图像占矩形区域的比例是否超过设定阈值，来判断是否发生堆煤。

系统流程图如图5所示：

图5 系统流程图

4.皮带堆煤检测图像识别实验及结果

本系统软件在Windows 7操作系统VS2010编译环境下调试，硬件配置为双核CPU2.8GHz主频，4G内存。程序界面见图6。

图6 程序界面

试验中所得结果图像如图7所示：

图7 实验结果

在试验中，该系统选用了声光报警器作为报警输出设备，对皮带堆煤检测报警率不小于96%，从产生堆煤事故到报警发出的时间为0.6～1.5s，平均反应时间约为1.1s。

5.结论

煤矿皮带落煤点堆煤问题在国内外普遍存在，到目前为止没有一种可行的方法能够有效的解决这个问题。本文主要利用图像处理技术，针对煤矿皮带头落煤点发生堆煤时，图像特征发生变化进行识别，分析皮带头落煤点图像特点，通过视频背景相差的方法来识别堆煤。得出如下结论：作为非接触式皮带堆煤检测方法，基于图像识别的堆煤检测系统可以有效解决接触式堆煤传感器存在的问题。随着计算机运算能力的提高和煤矿井下工业电视系统的普及，该检测方法有广阔的应用前景。

参考文献

[1]煤炭工业部安全司编.矿井安全监控原理与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996.

[2]蒋志龙，张大女.基于ADXL335的堆煤传感器的设计[J].工矿自动化，2012（08）：87-89.

[3]孙君，崔凯.基于水银开关的矿用本安型堆煤传感器的设计[J].工矿自动化，2011（05）：74-75.

[4]江拥辉.浅谈智能视频分析系统[J].科技信息，2010（4）.

[5]秦莉娟.基于内容的自动视频监控研究[D].浙江大学计算机科学与技术专业博士论文，2006.

[6]刘鑫，刘辉，强振平，耿续涛.混合高斯模型和帧间差分相融合的自适应背景模型[J].中国图象图形学报，2008.

[7]张圣强，王建军，丁蕾.选煤厂智能视频监控中的运动人体目标检测方法[J].工矿自动化，2011.

工矿自动化论文范文第3篇

关键词：通信；Modbus协议；S7-226；直流电源

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2395-04

Modbus Protocol Applied in the Communication of S7-226 and HSPY DC Power

LIU Shi-chao

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract: IN DC power control system of Dense Medium Separation ,based on the Modbus protocol,realized the communication between S7-200PLC and HSPY DC power. IN Modbus communication protocol,Siemens S7-226 PLC is master,HSPY DC power is slave, use communication to control the start of the DC power supply, stop, and the change in current. Instruced Modbus library in the Step 7 MicroWin Software of Siemens, and used the serial port debugging software to facilitate the writing and debugging of the program. Modbus simplify external wiring ,solve the interference and distortion in the transmission process of conventional switching of analog signals , the communication control method can easily read the information of the operation of the DC power ,monitoring the DCpower operation status .

Key words: communication; Modbus agreement; S7-226 ; DC power

某选煤厂为了在线调节控制三产品旋流器二段分选密度，外加螺线圈来用磁场影响磁铁矿粉的分布。螺线圈是采用直流电源来供电，系统要求通过调节电流来控制螺线圈磁场，因此要控制直流电源的运行状态。控制信号需要从集控室开始需要传输五百米才能到达直流电源，从而控制直流电源动作。在一般工业应用中，对于电源的控制大部分采用的是0-24mA或0-5V模拟量控制，很少总线控制方式。但经过比较和实际使用发现，现场总线与模拟量控制相比有很多优势，最显著的是具有很高的可靠性高，避免失真，并且交换的信息非常多样化，因此越来越多的设备开始支持串口通信协议，可以预见总线控制方式通信在工程上的应用将越来越广泛。

MODBUS通信协议是MODICON公司提出的一种报文传输协议，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议[1]。它广泛应用于工业控制领域，并已经成为一种通用的行业标准。MODBUS通信协议可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。不同厂商提供的控制设备可通过MODBUS协议连成通信网络，从而实现集中控制。已经有很多通过MODBUS通信协议进行PLC和变频器的成功案例[2]。该文中采用MODBUS协议进行S7-226和HSPY程控直流稳压电源的通讯，可以更好地控制电源，监控电源运行状态，来解决信号远距离传输失真的问题。

1PLC与HSPY程控直流稳压电源通信控制系统

在此系统方案中PLC采用西门子公司的SIMATIC S7－226CN，直流电源采用HSPY程控直流稳压电源。S7－226系列PLC的CPU内部集成了2个通信端口，该通信口为标准的RS485串口，可以在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通信口方式。系统可以将一个通信端口设为PPI方式用于连接工控机也可将其设置为MPI方式以连接触摸屏，做为人机信息交换[2]。而另一个通信端口设为自由通信口方式，自由通信口方式是S7－200的一个特色功能，是一种通信协议完全开放的功能工作方式。在自由通信口方式下的通信口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设，从而使得S7－200系列的PLC可以与任何具备通信能力并且协议公开的设备通信[3] [4]。系统中的HSPY程控直流稳压电源均内置了Modbus现场总线，相关系统构成如图1所示，PLC的Port0通讯端口和HSPY程控直流稳压电源构成Modbus总线。通过S7－226CN控制多台HSPY程控直流稳压电源，完成系统控制要求，实现对直流稳压电源的输出电流、电压设定，运行状态监控及数据交换等。

图1直流电源控制系统

本系统中PLC作为主站，直流稳压电源作为从站，主站向直流稳压电源发送运行指令，同时接受直流稳压电源反馈的运行状态及故障报警状态的信号等。

2MODBUS通信协议在电源通信控制系统中的使用

西门子在Micro／Win V4.0 SP5中正式推出Modbus RTU主站命令库，西门子标准库指令通过调用该指令库可以使S7－200CPU上的通信口设置在自由口模式下成为Modbus RTU的主站。在S7－200控制系统应用中，要实现Modbus RTU通讯，需要STEP7－Micro／Win32 V4.0 SP5以上版本，并且安装Modbus指令库，如图2，STEP7－Micro／Win32指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得PLC与Modbus从站的通讯简单易行[5]。

图2 Modbus命令库

2.1 MODBUS RTU主站命令库使用步骤

使用Modbus RTU主站命令库，可以读写MODBUS RTU从站的数字量、模拟量I/O、以及保持寄存器[2]。按照一下步骤使用MODBUS RTU主站命令库：

1)安装西门子标准MODBUS RTU指令库。

2)调用MODBUS RTU主站初始化和控制子程序，使用SM0.0调用MBUS_CTRL完成主站的初始化，并启动其功能控制。

3)在CPU的V数据区中为MODBUS分配存储区。

4)调用MODBUS RTU主站读写子程序MBUS_MSG，发送MODBUS请求。

表1 MODBUS部分功能码表

2.2 HSPY电源的Modbus通讯规约

HSPY系列电源支持MODBUS通信协议，主机（PLC、RTU、PC机、DCS等）利用通讯命令，可以任意读写其数据寄存器。HSPY系列电源支持的MODBUS功能码为03，10。

HSPY系列电源通讯方式为：

波特率：9600；起始位：1；数据位：8；校验位：无；停止位：1。

2.3 HSPY系列电源的参数通讯地址的转换

通常MODBUS地址由5位数字组成，包括起始的数据类型代号，以及后面的偏移地址。MODBUS Master协议库把标准的MODBUS地址映射为所谓MODBUS功能号，读写从站的数据。MODBUS Master协议库支持如下地址：

00001 - 09999：数字量输出（线圈）

10001 - 19999：数字量输入（触点）

30001 - 39999：输入数据寄存器（通常为模拟量输入）

40001 - 49999：数据保持寄存器

HSPY系列电源的参数通讯地址是16进制数，首先转为10进制，由于S7-200 PLC中最小地址为400001，而HSPY系列电源中最小地址为0，所以在写HSPY系列电源地址时必须要加1。例如，电源的电压设定值参数通讯地址是1000H，转为10进制是4096，加1后是4097，寄存器地址栏要写44097.

3串口调试软件进行MODBUS通信调试

由于程序编写比较繁琐，一旦出现错误可能会损害HSPY电源，为了避免损害的发生，可以利用串口调试软件进行MODBUS通信调试，其优点是不必连接HSPY电源，而是在工控机或PC机上用串口调试软件查看S7－226CN输出和读取的数据，来判断程序是否正确。

一般的工控机或PC机没有RS485串口，可以将通过RS232转RS485转换模块和PLC连接。RS485线选择3号线和8号线,（其余均断开）3号线接T+，8号线接T-，将另一端9针插头接到PLC的PORT0通信端口上。也可以通过USB转RS485转换器连接。将编写的通讯程序下载到PLC中。运行程序，打开串口调试软件进行监控，从接收到的数据来看，和设置的HSPY电源动作的数据一致，说明MODBUS主站程序编写正确[2] [6]。不一致，则要修改MODBUS通信程序，使其一致。

图3 PLC串口调试软件监控界面

4 PLC控制HSPY程控直流稳压电源的部分程序

使用SM0.0调用MBUS＿CTRL完成主站的初始化，并启动其功能控制，如图4。

图4 Modbus RTU主站初始化

图5(a)上电初始化，将控制电源的数据存入S7－226CN的V存储器。在分配存储区时要注意，数据区不能和其他数据区重叠，否则不能正常通讯。图5(b)向电源发送Modbus请求，把1写入电源寄存器1004，电源开启；图5(c)把1写入电源寄存器1006，锁定电源面板按键；图5(d)把10写入电源寄存器1004，电源输出电流10A；图5(e)读取从电源寄存器数据:图5(f)把0写入电源寄存器1004，电源关闭。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图5部分控制程序

5结论

该文以S7－200控制系统为例，叙述了利用Modbus RTU协议指令库PLC与HSPY程控直流稳压电源通讯的实现。采用自由口通讯方式的Modbus RTU协议很好的解决了PLC与直流电源等智能设备的通讯问题，不仅能有效解决信号传输过程中失真的问题，而且在通信模式下PLC可以方便控制直流稳压电源的运行和读取直流稳压电源的运行信息，对直流稳压电源进行有效监控。

参考文献：

[1]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC [M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2]廖常初. PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]龚俊,黄锐,戴涛.ACS 550与S7-226PLC自由口通讯[J/OL].[2010-04-17].中国科技论文在线(paper.省略).

[4]张士聪,王波,王然风.成庄矿选煤厂重介密度监控系统的改造实践[J].工矿自动化,2011(5):12-14.

工矿自动化论文范文第4篇

关键词：粉煤灰法；回转窑；Smith预估；模糊控制；仿真研究；

中图分类号：TF341.6;TP273文献标识码：A文章编号：1000-7059(2006)05-00

0前言

回转窑的生产过程是一个复杂的物理化学反应过程，具有大惯性，纯滞后，非线性等特点，工艺过程复杂多变，难以得到精确的数学模型。目前，部分氧化铝企业仍然借鉴现场操作人员的工作经验，通过人工调节的方式以求适应回转窑生产工艺要求，这种传统的控制策略不易获得满意的控制效果，生产效率低、能耗高、产品质量不稳定。本文提出一种基于智能Smith预估器的回转窑烧结温度控制器，通过对整个控制系统的仿真研究，结果表明新的控制系统具有很好的快速性和很小的超调量，能够满足回转窑工艺生产的需要．

1智能Smith预估控制策略

1.1 Smith预估器改进算法

Smith预估器最早是由O.J.M.Smith在1958年提出来的，它是一个时滞预估补偿算法[1]。为克服Smith预估器对模型误差敏感的缺点，由C.C.Hang等提出了改进的Smith预估器[2]。当改进的预估器输入存在误差时，传递函数分母的最后多了一个 因子，调整滤波时间常数 可改变闭环系统特征方程的根，从而达到提高控制系统性能的目的。

1.2 滤波时间常数 对系统的影响

预估器中引入了一个一阶惯性环节，当系统参数在运行中发生变化时，原先设定的滤波时间常数 不一定能使系统的动态性能达到最佳，只有根据变化情况相应调整 ，才能使系统得到更好的控制效果。在仿真研究的基础上，本文进一步采用模糊控制方法在线调整改进Smith预估器的滤波时间常数 ，最终构成一个专门针对纯滞后、时变系统的智能控制方案，如图1所示。改进的模糊Smith智能控制方法结合了模糊PID控制与自适应Smith预估器，该方案对诸如电加热温控这样的参数时变的大时滞过程，能够改善系统的控制性能，使系统具有更强的鲁棒性。

图 1 改进的模糊Smith智能控制结构图 图2 参数变化时控制系统的响应曲线

2.3 的模糊自适应设计

根据上一节的分析，可以先根据 和 的值，确定是否需要引入一阶惯性环节，如果不需要，则令 ；如果需要引入惯性环节来提高系统控制性能，则根据 和 的值对滤波时间常数 进行实时调整，本文的控制中采用如下调整公式

在调整过程中，应注意不能使 为负值，而且为增强系统的鲁棒性，可以给设定一个最小值，根据经验，一般取最小值为 。

的值可以采用模糊控制器对 和 进行模糊推理得到， 和 即为模糊控制器的输入，模糊化后为 与 ， 是模糊控制器的输出。它们的模糊论域定义为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，，0，1，2，3，4，5，6}，模糊子集定义为{负大，负小，零，正小，正大}＝{NB，NS，ZO，PS，PB}。对于一个实际的系统，可以确定 、 和 的基本论域，从而确定模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子，其控制规则如下：

当 负大， 负大，应增大 ，即 =PB，控制规则为：

If=NB and=NB then=PB

当 正小， 为零，此时不宜引入惯性环节，即 =NS，控制规则为：

If=PS and=ZO then=NS

如此类推，可得到25条控制规则，如表1所示如此类推，可得到25条控制规则，如表1示：

表 1滤波时间常数整定规则

模糊推理采用Mamdani推理方法，反模糊化采用重心法。

3 粉煤灰法回转窑烧成温度控制器仿真研究

本文基于最小二乘法，利用MATLAB仿真软件，通过现场收集到从下料到窑况平稳间的一些具有代表性、普遍性和一定密度的燃料用量与烧成带温数据样本，建立出烧成带的温度数学模型。

当被控对象模型参数的放大系数、时间常数同时增大40%时，图2是模糊Smith智能控制算法的响应曲线，从图2可以看出，基于模糊Smith智能控制器控制系统的响应曲线在超调量、上升时间、及调节时间均满足工艺要求。

4 结论

本文提出的模糊Smith智能控制系统，充分发挥了模糊自整定PID算法动态性能好、抗干扰能力强、稳态精度较高的优点，同时采用了模糊推理的方法调整改进型Smith预估器的滤波时间常数 ，改善了Smith预估器对模型参数的过于依赖性，将使Smith预估器在实际工业过程控制中得以更广泛的应用。

参考文献：

1 单 王鹏 杜钢. Smith-Fuzzy控制器在回转窑温控系统中的应用[J]. 材料与冶金学报.2003

2 邹志军．基于模糊控制的Smith预估器的改进研究和设计[D]．合肥工业大学硕士学位论文，2005．

3 马中华. 基于稳态工作点的回转窑智能操作应用研究[D]，济南大学，2008.

工矿自动化论文范文第5篇

【关键词】室内环境检测；ATXmega128A1；甲醛；苯；温度；湿度

1.引言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，居室装修及家具更新越来越普遍，室内装修和大量使用各种合成板材制作的家具，使室内空气中以甲醛、苯等挥发性有机物为代表的化学性物质的污染成为人们关注的焦点[1]。室内装修、装饰后造成的环境污染已经影响到人们的身心健康，甚至严重地危害人类的健康和生存[2]。因此，本论文设计和实现了一种简单实用，性能可靠的室内环境检测仪，对提醒人们及时改善居住环境条件、保护人们身体健康具有重要的意义。

2.ATXMEGA128A1简介

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的强化性能的8位AVR微控制器。它采用第二代picoPower技术，是唯一真正使用1.6V工作电压的闪存微控制器。该器件功耗超低，并拥有丰富的片上资源：2个16路12位的A/D转换器、2个2路12位的D/A转换器、4路模拟比较器、4通道DMA控制器、8通道事件系统、4个SPI接口、4个IIC接口、8个16位定时/计数器、1个RTC和1个AES加密引擎，全部都无需占用CPU资源，能够最大限度减少功耗和提高系统性能。ATxmega128A1微控制器的闪存容量为128KB，采用100引脚的贴片封装，工作电压为1.6～3.6V，32MHz频率下处理性能可达到32MI/s[3]。

室内环境检测仪采用ATxmega128A1作为核心微控制器，使得整个系统器件大大减少，在降低成本的同时又提高了系统安全性和可靠性。

3.系统总体设计

本文所设计的室内环境检测仪，要求一方面可用于检测室内空气中的甲醛、苯等有害气体，另一方面可用于测量室内环境的温度和湿度，并具有时钟的功能。因此，室内环境检测仪的系统总体设计框图如图1所示。从图1中可以看出，在室内环境检测系统中，采用了甲醛传感器模块和苯传感器模块实时监测室内主要有害气体的含量，并将检测到的气体浓度转换为0～3.3V的电压值，然后送给ATxmega128A1微控制器片上的12位AD进行采集，并进行数据处理，得到相应的气体浓度值，接着根据国家对室内气体相关标准，来决定检测的气体浓度是否超标，如果超标，发出报警，并显示在液晶屏上，让居住者防范于未然。温、湿度传感器模块用来检测室内环境的温度和湿度，给居住者作为参考。

4.系统硬件电路设计

系统硬件电路由ATxmega128A1最小系统、苯传感器模块电路、甲醛传感器模块电路、温湿度传感器模块电路、键盘与显示电路、声光报警电路、SD卡模块电路和系统电源模块电路组成。下面仅对部分电路模块进行介绍。

4.1 苯传感器模块电路

测量空气中苯的传感器为MQ135传感器，该传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。电路如图2所示，电阻R2用来调节输出的灵敏度。

4.2 甲醛传感器模块电路

甲醛传感器的模块由HCHO传感器（CH2O/S—10）[4]、场效应管SST177和运放OP296、OP90组成。电路如图3所示，其功能为将室内环境中HCHO气体的浓度变化转变为电压信号的变化，并将该信号进行放大输出，从而将对HCHO气体浓度的测量转变为对电压的测量，实现非电量到电量的转变[5]。

4.3 温、湿度传感器模块电路

温、湿度传感器的模块电路采用DHT11温、湿度传感器和DS18B20温度传感器来实现，确保温、湿度的显示有对比性和精确性。DHT11的供电电压为3V～5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源和地的引脚（VCC，GND）之间增加一个100nF的电容，用来退耦。电路如图4所示。

4.4 键盘与显示模块、声光报警电路

键盘与显示模块是用户与环境检测仪进行信息交流的模块，键盘电路由3个小按键组成，显示电路采用Nokia5110液晶显示模块，声光报警电路由高亮的发光二极管、三极管和蜂鸣器组成。

5.气体传感器的标定

为使室内环境检测仪达到预期的性能指标，本文对HCHO传感器和苯传感器进行了静态标定。原理是将已知浓度的被测气体输入待标定的传感器，用万用表测量传感器变送模块的输出电压。对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，得到表征两者对应关系的标定曲线，找出它们关系方程并写入程序中。

6.系统软件设计

室内环境检测仪软件设计主要包括按键扫描程序设计、Nokia5110显示程序的设计、A/D程序的设计、SD卡的读/写程序的设计以及温、湿度传感器的单总线程序的设计。下面仅给出系统软件设计总流程图，如图5所示[6—7]。

7.实验测试

表1、表2和表3分别给出了温度、湿度和甲醛的测试数据，其中T为温度，H为湿度，甲醛气体浓度的单位为PPM。从表1、表2和表3的数据可知，该环境检测仪的测量精度较高。

8.结论

环境监测中的甲醛和苯测定主要方法是吸收与化学滴定，难以进入民用领域。对于室内的环境监测，该室内环境检测仪操作简单，方便实用。实验结果表明，该仪器测量结果较精确，基本满足环境参数检测的要求。另外该检测仪的微控制器还有空余通道，可加装其它传感器，如燃气传感器等，以扩大其使用功能。

参考文献

[1]陈宇炼，沙春霞，张静等.室内空气中主要挥发性有机物污染状况调查[J].中国卫生监督杂志，2002，9（2）：84.

[2]谭和平，马天，方正等.室内挥发性有害有机物限量标准研究[J].中国测试技术，2006，32（5）：8—10.

[3]8—bit Atmel XMEGA AU Microcontroller XMEGA AU MANUAL.pdf.http：//.

[4]葛化敏，叶小岭.基于MSP430F449的甲醛检测仪设计[J].工业仪表与自动化装置，2009，03：97—99.

[5]徐湘元，王萍，田慧欣编著.传感器及其信号调理技术[M]，北京：机械工业出版社，2012.

[6]王颢，王芳群，吴琴，王宜用.基于XMEGA的便携式电解质分析仪的设计[J].电子设计工程，2010，18（6）：167—169.

[7]蔡冬霞.基于单片机的环境检测仪设计[J].工矿自动化，2012，03：84—85.

本文为桂林电子科技大学信息科技学院院内科研项目：《智能家居系统设计》的研究成果（项目号：桂电信科B201105）。

作者简介：

易艺（1983—），男，学士，实验师，现供职于桂林电子科技大学信息科技学院，主要研究方向：智能仪器系统。