陈双叶;罗晨;郑东跃
【摘 要】An electric heat-tracing intelligent controller which use of intelligent processor and application of embedded technology was designed and developed. The controller can monitor the pipeline temperature,loop current and the status of breaker,and can control every electric heating-circuit according to process requirements. Compared with other controller,the intelligent controller can control up to 320 circuits with multiple controllers through RS - 485 industrial bus or local area network, and it overcome the deficiency both in expansibility and control flexibility aspects. A well functioned fault diagnosis and alert solution was applied to the intelligent controller. The results of experiments show that the electric heat-tracing intelligent controller has a good system scalability and compatibility. And it shows better performance in effectiveness of communication and heating-circuit control.%以智能处理器为核心,应用嵌入式技术设计并开发的电伴热智能控制器可以监测管道温度、回路电流和断路器状态,并根据工艺要求控制每条电伴热加热回路.同时,各控制器之间
可以通过485总线或局域网连接成工业控制网络,使得每个智能控制器可控制多达320条加热回路,克服了以往电伴热控制器在扩展性及回路控制灵活性方面的不足.此外,该控制器通过对采集数据的分析,可以自诊断出运行故障及报警产生的原因.经试验测试表明:该电伴热智能控制器运行稳定,具有较好的系统扩展性和兼容性,并在回路控制的有效性上表现出较好的性能.
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【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】电伴热;ARM嵌入式系统;uC/OS-Ⅱ操作系统;工业总线
【作 者】陈双叶;罗晨;郑东跃
【作者单位】北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124
【正文语种】中 文
【中图分类】TP216
0 引言
电热带伴热是国家重点推广的节能项目，被广泛应用于石油、石化的工艺管线输送过程中［1］。针对目前电伴热控制器普遍存在的扩展性差，功能端口单一等不足［2］，应用嵌入式技术设计并开发的电伴热智能控制器，可以通过工业总线或局域网与控制模块和上位机连接成工业网络，一个智能控制器下最多可以带有32个同种类型的控制模块，可控制多达320条电伴热加热回路。同时该智能控制器具有多种信息采集端口及丰富的通讯接口，可以根据工艺要求变换控制策略，计算功耗，对运行过程中产生的故障进行自诊断并实时传送报警信息。 1 电伴热智能控制器硬件设计
水垢过滤器ARM嵌入式系统特别适合应用于要求实时性和多任务的体系结构［3］，因此，针对电伴热背景对控制实时性和运行可靠性的要求［4］，以ARM7系列的 LPC2378智能处理器为
核心，分两个层次设计并开发电伴热智能控制器。
第一层是处理器的最小系统电路，由电源电路、复位电路、存储器电路、晶振电路和调试测试接口电路5部分组成。最小系统电路的设计保障了处理器正常运行的基本功能，并实现了数据信息的存储功能。 第二层是处理器的外设功能电路，该部分电路的设计共包括5个功能模块，分别是10路温度信号采集、10路电流信号采样、10路断路器状态检测、10路继电器信号控制和通讯功能模块。电伴热智能控制器硬件结构如图1所示。
图1 电伴热智能控制器硬件结构图
温度信号采集电路用于测量受热对象表面温度。该模块根据敷设在管道表面的温度传感器，经过桥氏电路、运放比例电路、A/D转换和光电隔离后将结果送至CPU处理器。
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电流信号采集电路用于测量每条电伴热带加热过程中的回路电流。该电路将经过互感器变换后的弱电流信号送入电流检测专用芯片处理，并通过串行SPI总线送至CPU处理器进行信号处理。
断路器状态检测电路用于检测电伴热回路的通断状态。该模块将低压220 V/50 Hz信号通过交流光电隔离元件和滤波电路后以数字量形式送至CPU处理器，用来监测回路电能状态。
控制输出功能电路是将CPU送出的数字量输出信号分别经过信号缓冲，光电隔离和信号驱动后控制继电器，从而实现对电伴热回路的通断控制。
通讯功能模块包括无线蓝牙通讯模块、以太网模块和RS－485通讯模块。3种方式的接口电路均经过光耦和ESD抗干扰芯片后连接至CPU处理器。
2 通讯架构的设计与实现
电伴热智能控制器可以通过RS－485总线或局域网与最多32个同类型的控制器相连接，从而构成系统工业控制网络。因此在设计过程中，将控制器模块内部嵌入ModBus标准通讯协议，作为总线间各模块内的传输协议。同时在控制器内开辟通讯管理区域，对总线上挂接的所有控制模块进行统一管理与控制。
2.1 ModBus通讯协议的定制
ModBus协议是一种广泛应用于工业控制器上的标准通讯协议，它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准［5］。通过此协议，控制器和总线上的其他控制模块可以简单方便地连接成工业控制网络。根据通讯方式的不同，分别采用ModBusRTU和ModBusTCP两种传输方式，两种传输方式均是基于主/从结构进行模块间的通讯传输。其中ModBusRTU模式的传输帧格式如表1所示。
表1 RTU模式的传输帧格式起始字符地址字节功能编码 数据CRC校验结束字符柔性线路
ModBusTCP是在RTU传输帧格式的基础上增加7个字节的MBAP报文头。当挂接在总线上的从站控制器收到总线上发来的数据包时，首先检测数据包中的地址信息，如果该地址和模块自身的地址相同则处理数据包，并返回数据或指令信息至总线;否则放弃此帧数据。
eoa2.2 通讯管理区的设计与实现
为便于对总线上的从站控制器进行控制和管理，以及提高通讯的实时性和稳定性，在每个智能控制器内设计通讯管理区，该管理区域为总线上挂接的每个控制器分配相应地址空间，用于存储总线上各从站控制器的功能变量。此时总线上具有主站功能的智能控制器被
设计为广义控制器，即该控制器不仅包括自身的资源还包括虚拟出的各从站控制模块的资源变量，对管理区域内虚拟控制模块的变量读写，即是对总线上真实控制模块的信息采集和输出控制。控制器和总线上控制模块间的数据通讯关系框图如图2所示。
图2 总线上智能控制器间通讯结构图
通讯管理区是一块地址从0000到4095范围的存储空间，其中的每个地址单元占2字节。该通讯管理区按功能划分为4个部分:控制器参数的存储、虚拟控制模块变量的存储、配置文件的存储和过程变量的存储。每个虚拟控制模块占用100个地址单元，其存储的数据包括采集的温度、电流、断路器状态、继电器输出状态、控制器运行状态及报警故障信息。配置文件是指控制器接收到来自上位机的组态配置信息，过程变量是指系统监控时控制器需要实时上传的变量信息，通讯管理区结构如表2所示。
表2 通讯管理区结构地址范围 存储内容0000～0199智能控制器基本运行参数0200～0299 控制器通讯变量和状态信息0300～0399 虚拟从站控制器1的采集数据及状态信息虚拟从站控制器x的采集数据及状态信息3400～3499 虚拟从站控制器32的采集数据及状态信息3600～3700 存储来自PC机的系统组态配置文件3800～3840 上传至PC平台组态监控软件的数
据变量3900～3910 控制器运行公共数据其他 保留区域
3 电伴热智能控制器软件设计
在智能控制器的硬件平台上搭建uC/OS－II嵌入式操作系统作为软件运行环境［6］，并根据多任务体系架构设计软件，实现对温度、电流、断路器状态的信息采集，电伴热回路的动作控制以及故障信息的自诊断功能。同时该控制器可以接收并分析组态配置文件，实时传送报警信息至上位机监控软件。电伴热智能控制器软件设计架构如图3所示。
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