El sistema de control es el componente principal del equipo de prueba ambiental; su precisión de control afecta directamente la exactitud y credibilidad de la prueba ambiental realizada por el equipo. En la actualidad, la aplicación del sistema de control de equipos de pruebas ambientales se divide principalmente en tipo general y especializado. Uno de los sistemas de control de propósito general se refiere a la combinación tradicional de métodos de control de interfaz hombre-máquina (HMI) y controlador programable (PLC), o software de configuración de PC industrial y combinación de métodos de control PLC; El controlador dedicado se refiere a las características de control de diferentes equipos de pruebas ambientales desarrollados para el controlador especial. El campo del controlador de equipos ambientales especiales nacionales en relación con los países extranjeros está relativamente en blanco, lo que también se debe a que la precisión y estabilidad del equipo de prueba ambiental nacional es generalmente inferior a las razones principales de los equipos ambientales extranjeros, por lo que el desarrollo de controladores especiales para el desarrollo de equipos de prueba ambiental nacionales es de considerable importancia.
1 . Principio de diseño
En este documento, el sistema de control de equipos ambientales está orientado principalmente a los equipos de prueba ambientales de clase de temperatura, como la cámara de prueba de alta temperatura, la cámara de prueba de temperatura alta y baja, la cámara de prueba de choque térmico y frío, la caja de temperatura y humedad constantes, la caja húmeda y caliente. Y el equipo de prueba ambiental de clase de temperatura generalmente consta de la caja principal, el sistema de calefacción, el sistema de refrigeración, el sistema de circulación del viento y el sistema de control principal, como se muestra en la Figura 1.
Los principales objetos de control de todo el equipo incluyen: compresor de refrigeración, válvula de expansión electrónica y control de la válvula solenoide de descarga de frío en el sistema de refrigeración; ventilador centrífugo del sistema de circulación del viento; sistema de calefacción en el relé de estado sólido y contactor de CA.
Los principales parámetros de medición de todo el dispositivo incluyen: la temperatura y presión de los gases de escape del compresor en el sistema de refrigeración, la temperatura de salida del condensador, la temperatura de entrada y salida del evaporador, la corriente y el voltaje de funcionamiento del compresor; temperatura del ventilador del sistema de circulación del viento, corriente y voltaje de funcionamiento; sistema de calefacción en el voltaje y corriente de funcionamiento del calentador eléctrico; temperatura y humedad dentro de la caja, etc.
En los parámetros de medición anteriores, algunos de los parámetros y el proceso de control del equipo no tienen una relación directa, como el voltaje y la corriente de funcionamiento del compresor y del ventilador, la velocidad del ventilador y la velocidad del viento. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas y la tecnología de la información industrial, en la industria aeroespacial, la aviación, las aplicaciones industriales y otras áreas de equipos y sistemas, los requisitos de confiabilidad, seguridad y economía son cada vez más altos, lo que provocó que la predicción de fallas y la gestión de la salud (Pronóstico y Gestión de la Salud, PHM) se ha convertido gradualmente en una de las principales direcciones de desarrollo de los equipos industriales. Sin embargo, el sistema PHM debe construirse sobre la base de un monitoreo integral de las condiciones operativas del equipo y el uso de un sistema de control PLC de propósito general; demasiada adquisición de parámetros significa el aumento de módulos PLC, lo que no solo mejora el costo de fabricación del equipo, sino que también hace que el volumen del sistema de control del equipo se infle. Para ello, este artículo propone un sistema de control integrado, mediante el uso de sistemas integrados para desarrollar un alto grado de libertad, bajo costo, específico, en tiempo real, alto grado de integración del programa, la realización de monitoreo de todos los parámetros operativos del equipo; y es más fácil lograr algoritmos complejos, para mejorar la precisión del control y la estabilidad del equipo, como algoritmos de control PID difuso del equipo, el promedio del filtrado de interferencia antiimpulso, el filtrado promedio limitante Algoritmos de filtrado digital como el filtrado promedio de interferencia antiimpulso, método de filtrado promedio limitante.
2. Diseño del hardware del sistema de control.
El sistema de control consta de un controlador y un módulo de medición y control; qué módulo de medición y control, incluido el módulo de E/S y el módulo de medición, son de diseño modular, la configuración del equipo requerido para el aumento o disminución modular; y el controlador solo para diferentes configuraciones del dispositivo para realizar las configuraciones o ajustes de software apropiados. Se trata no sólo de la adquisición a bajo coste de los parámetros operativos del equipo; pero también para mejorar la integración del sistema de control, reducir el tamaño del módulo de control. En el marco de hardware del sistema de control que se muestra en la Figura 2, el controlador para obtener el módulo de medición será recopilado por los parámetros de la máquina, de acuerdo con la configuración de control en el módulo de E/S para E/S y salida de control PID.
Controlador y módulo de E/S, módulo de medición basado en la interfaz 485 de comunicación con protocolo Modbus. Como el bus Modbus se usa ampliamente en muchos campos, como instrumentación, aparatos inteligentes de alto y bajo voltaje, transmisores, controladores programables, HMI, inversores, dispositivos inteligentes de campo, etc., hace que el controlador y los módulos de E/S, los módulos de medición tengan una gran capacidad de expansión y la posibilidad de convertirse en productos de forma independiente.
2.1 Diseño del hardware del controlador
El controlador integrado se basa en la plataforma de desarrollo de hardware del microprocesador de cuatro núcleos ARM Cortex-A9 y es el principal responsable del sistema de control en el funcionamiento de la interfaz hombre-máquina, operaciones lógicas, E/S y control PID. El procesador Exynos4412 utilizado en la plataforma de hardware tiene capacidades de procesamiento de datos de alto rendimiento y una interfaz de hardware más completa, lo que proporciona una buena base de hardware para construir sistemas integrados Linux. El diagrama de bloques funcional de la plataforma de desarrollo de hardware del controlador se muestra en la Figura 3, con WIFI integrado, módulo 3G, tarjeta de red adaptable de 10M/100M, LCD táctil de 10,1 pulgadas, HOST USB de 4 canales, etc.
La plataforma de hardware admite el inicio desde eMMC o tarjeta SD. eMMC se utiliza para grabar la imagen del sistema, por lo que el controlador se inicia desde eMMC de forma predeterminada después del encendido; mientras que la función de inicio de la tarjeta SD se puede utilizar con USB OTG para realizar una actualización rápida del firmware y el software del sistema. wifi, wcdma 3g, lan y otras interfaces de red se utilizan para conectar el controlador a Internet en diferentes casos, que se pueden usar para control remoto, advertencia o alarma de falla remota, control remoto, alarma o advertencia de falla remota, control remoto, alarma o advertencia de falla remota, alarma o advertencia de falla remota, alarma o advertencia de falla remota y control remoto. WIFI, WCDMA 3G, LAN y otras interfaces de red se utilizan para conectar el controlador a Internet en diferentes circunstancias, proporcionando soporte de hardware para la realización de control remoto de equipos, advertencia o alarma remota de fallas, resolución remota de problemas por parte de expertos y otras aplicaciones nuevas.
Para garantizar que el controlador pueda realizar una comunicación confiable en tiempo real y de alta velocidad con la placa de medición y control, el diseño de dos circuitos de comunicación RS485 del controlador se basa en el ADM2483. ADM2483 es un dispositivo transceptor RS485 de aislamiento de comunicación integrado, la velocidad de comunicación más alta de hasta 500 kbps, para garantizar que la velocidad de comunicación y la capacidad de resistir interferencias bajo la premisa de evitar el uso de un diseño de aislamiento de optoacoplador deben ocupar un área de diseño de PCB más grande. Área de diseño. Y ADM2483 utilizado para limitar el diseño de la tasa de oscilación, el control de caída de la tasa de oscilación de presión a un nivel apropiado, puede reducir la coincidencia inadecuada de terminales y conectores generados por el BER. El circuito de interfaz del módulo de comunicación adopta el diseño de limitación de corriente y voltaje, como se muestra en la Figura 5, el regulador de voltaje D1, D2 y los fusibles de autorrecuperación PTC1 y PTC2 para el circuito de interfaz para formar una protección efectiva para mejorar la confiabilidad eléctrica del módulo de comunicación 485.
2.2 Diseño de hardware del módulo de medición y control.
El diagrama de bloques de hardware del módulo de medición y control se muestra en la Figura 6, con LPC1758 como núcleo, responsable de la adquisición de datos de operación del dispositivo, decodificación de direcciones de E/S y control de E/S; la temperatura, corriente, voltaje, humedad, presión y otros parámetros relevantes del dispositivo a través del circuito de adquisición, y luego por el filtrado digital LPC1758, almacenado en el FLASH; el controlador puede comunicarse con el LPC1758 a través de RS485, leer los parámetros requeridos para las operaciones lógicas y luego los comandos de control de E/S para la ejecución del LPC1758 después de la operación; Los circuitos de E/S incluyen salidas de transistor, salidas de relé y luego el comando de control de E/S para la ejecución del LPC1758. El controlador puede comunicarse con LPC1758 a través de RS485, leer los parámetros requeridos para la operación lógica y luego enviar los comandos de control de E/S a LPC1758 para su ejecución después de la operación. El circuito de E/S incluye salida de transistor, salida de relé y salida para aplicaciones especiales, como E/S de control de válvula de expansión electrónica, E/S de control de convertidor de frecuencia, etc.
El circuito de muestreo de filtro utiliza el ADC MAX11210 de 24 bits de un solo canal de Maxim, que integra amplificadores de búfer de entrada analógica y de referencia y proporciona cuatro puertos GPIO que se pueden usar para controlar un conmutador analógico externo de 16 canales, lo que hace que el MAX11210 recopile eficientemente señales analógicas de 16 canales y reduce la carga sobre los recursos de E/S del LPC1758. El diagrama de bloques del circuito de muestreo se muestra en la Figura 7. El diagrama de bloques del circuito de muestreo se muestra en la Figura 7.
Finalmente, para garantizar la precisión y confiabilidad del circuito de E/S, se agrega el diseño de detección del estado de E/S al circuito de hardware. Para el punto de salida, el circuito de detección de estado de E/S genera la señal de secuencia de salida correspondiente a partir del estado de salida, y cuando el comando del controlador para cambiar el estado de salida se envía al LPC1758 y se ejecuta, el estado del punto de salida cambia y el LPC1758 compara la señal de secuencia de salida modificada con el comando de salida emitido por el controlador para garantizar la precisión de la salida; mientras que, para el punto de entrada, produce Cuando se cambia el estado de entrada, LPC1758 compara el estado de entrada real con la señal de secuencia de entrada para determinar si el circuito de entrada tiene un error.
3. Diseño del software del sistema de control
Para cumplir con la interfaz de hardware múltiple del controlador, el desarrollo de aplicaciones de programas de software múltiple, la operación de múltiples archivos, la personalización del sistema y otros requisitos, el sistema operativo integrado Linux, el programa de aplicación principal tiene un programa de interfaz hombre-máquina, un programa de procesamiento de datos y un programa de PLC suave, como se muestra en la Figura 7. Entre ellos, el programa HMI es generado por el software gráfico que se ejecuta en el entorno de Windows mediante la combinación de elementos gráficos, controles y comandos macro, que pueden importarse al controlador a través de USB para realizar la actualización de la HMI. El programa de procesamiento de datos es principalmente responsable del registro de control industrial del equipo, la operación PID, el monitoreo del estado del equipo y otras funciones. El programa PLC software está desarrollado por el software Infoteam OpenPCS de Alemania, que admite seis lenguajes IEC, a saber, ST, IL, SFC, FBD, LD y CFC, y es responsable de la operación lógica de E/S.
Dado que el módulo de medición y control no necesita demasiadas aplicaciones e interfaces gráficas, se eligió uC/OS-II, que es mucho más pequeño en relación con la organización del sistema operativo integrado Linux. el sistema es rico en funciones y cubre funciones como programación de tareas, gestión de tareas, gestión del tiempo, gestión de la memoria y comunicación y sincronización entre tareas [6]. Las principales aplicaciones son el programa de adquisición de datos, el programa de detección de E/S y el programa de control de E/S. Todo el flujo de control de E/S se muestra en la Figura 9. Si hay una alarma de error en el circuito de E/S, el usuario puede optar por apagar y reiniciar el dispositivo o solicitar soporte técnico.
4 Conclusión
El sistema integrado de control del equipo de prueba ambiental diseñado en este documento, su controlador y módulo de medición y control tienen las ventajas de bajo costo, alta integración, alta precisión, capacidad de expansión, etc., lo que puede mejorar hasta cierto punto las características del equipo de prueba ambiental, como el tamaño de lote pequeño y muchas variedades de efectos adversos en el diseño y la producción. Y al utilizar plenamente las ventajas de la producción de equipos de pruebas ambientales de nuestra empresa, podemos mejorar continuamente la confiabilidad del diseño del sistema de control a través de pruebas ambientales. El sistema de control ahora se utiliza en nuestra serie estandarizada de equipos ambientales, la precisión y estabilidad del control han alcanzado el nivel avanzado nacional y la configuración de hardware es rica y con una buena capacidad de expansión.