ระบบควบคุมเป็นองค์ประกอบหลักที่สุดของอุปกรณ์ทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม ความแม่นยำในการควบคุมส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมที่ทำโดยอุปกรณ์ ในปัจจุบัน การประยุกต์ใช้ระบบควบคุมอุปกรณ์ทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น-วัตถุประสงค์ทั่วไปและประเภทเฉพาะทาง ระบบควบคุมตามวัตถุประสงค์ทั่วไประบบหนึ่ง-หมายถึงการผสมผสานระหว่างอินเทอร์เฟซเครื่องจักร (HMI) ของมนุษย์และตัวควบคุมแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) แบบดั้งเดิม หรือซอฟต์แวร์การกำหนดค่าพีซีอุตสาหกรรมและวิธีการควบคุมแบบผสมผสานของ PLC ตัวควบคุมเฉพาะหมายถึงลักษณะการควบคุมของอุปกรณ์ทดสอบสภาพแวดล้อมต่างๆ ที่พัฒนาขึ้นสำหรับตัวควบคุมพิเศษ สนามควบคุมอุปกรณ์ด้านสิ่งแวดล้อมพิเศษในประเทศที่สัมพันธ์กับต่างประเทศนั้นค่อนข้างว่างเปล่า ซึ่งมีสาเหตุมาจากความแม่นยำและความเสถียรของอุปกรณ์ทดสอบสิ่งแวดล้อมในประเทศโดยทั่วไปยังด้อยกว่าเหตุผลหลักสำหรับอุปกรณ์ด้านสิ่งแวดล้อมต่างประเทศ ดังนั้นการพัฒนาตัวควบคุมพิเศษสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์ทดสอบสิ่งแวดล้อมในประเทศจึงมีความสำคัญอย่างมาก
1 . หลักการออกแบบ
ในบทความนี้ ระบบควบคุมอุปกรณ์ด้านสิ่งแวดล้อมมุ่งเน้นไปที่อุปกรณ์ทดสอบสิ่งแวดล้อมระดับอุณหภูมิเป็นหลัก เช่น ห้องทดสอบอุณหภูมิสูง ห้องทดสอบอุณหภูมิสูงและต่ำ ห้องทดสอบแรงกระแทกความเย็นและความร้อน กล่องอุณหภูมิและความชื้นคงที่ กล่องชื้นและร้อน และอุปกรณ์ทดสอบสภาพแวดล้อมระดับอุณหภูมิมักจะประกอบด้วยกล่องหลัก ระบบทำความร้อน ระบบทำความเย็น ระบบหมุนเวียนลม ระบบควบคุมหลัก ดังแสดงในรูปที่ 1
วัตถุควบคุมหลักของอุปกรณ์ทั้งหมดประกอบด้วย: คอมเพรสเซอร์ทำความเย็น วาล์วขยายอิเล็กทรอนิกส์ และการควบคุมโซลินอยด์วาล์วปล่อยความเย็นในระบบทำความเย็น พัดลมแบบแรงเหวี่ยงของระบบหมุนเวียนลม ระบบทำความร้อนในโซลิดสเตตรีเลย์และคอนแทคเตอร์ AC
พารามิเตอร์การวัดหลักของอุปกรณ์ทั้งหมดประกอบด้วย: อุณหภูมิและความดันของก๊าซไอเสียของคอมเพรสเซอร์ในระบบทำความเย็น อุณหภูมิทางออกของคอนเดนเซอร์ อุณหภูมิทางเข้าและทางออกของเครื่องระเหย กระแสไฟและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของคอมเพรสเซอร์ อุณหภูมิพัดลมของระบบหมุนเวียนลม กระแสไฟทำงาน และแรงดันไฟฟ้า ระบบทำความร้อนในแรงดันและกระแสการทำงานของเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า อุณหภูมิและความชื้นภายในกล่องเป็นต้น
ในพารามิเตอร์การวัดข้างต้น พารามิเตอร์บางตัวและกระบวนการควบคุมของอุปกรณ์ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรง เช่น แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในการทำงานของคอมเพรสเซอร์และพัดลม ความเร็วพัดลม และความเร็วลม อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่และเทคโนโลยีสารสนเทศทางอุตสาหกรรม ในด้านการบินและอวกาศ การบิน การใช้งานทางอุตสาหกรรม และด้านอื่น ๆ ของอุปกรณ์และระบบเพื่อความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และความต้องการทางเศรษฐกิจนั้นสูงขึ้นมากขึ้น ส่งผลให้การคาดการณ์ความล้มเหลวและการจัดการด้านสุขภาพ (การพยากรณ์โรคและการจัดการสุขภาพ, PHM) ได้ค่อยๆ กลายเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนากระแสหลักของอุปกรณ์อุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ต้องสร้างระบบ PHM บนพื้นฐานของการตรวจสอบสภาพการทำงานของอุปกรณ์อย่างครอบคลุม และการใช้ระบบควบคุม PLC- วัตถุประสงค์ทั่วไป การได้มาซึ่งพารามิเตอร์มากเกินไปหมายถึงการเพิ่มโมดูล PLC ซึ่งไม่เพียงแต่ปรับปรุงต้นทุนการผลิตของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังทำให้ปริมาตรของระบบควบคุมอุปกรณ์ป่องอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ บทความนี้จึงเสนอระบบควบคุมแบบฝัง-ผ่านการใช้ระบบฝังตัวเพื่อพัฒนาความเป็นอิสระในระดับสูง ต้นทุนต่ำ การกำหนดเป้าหมาย แบบเรียลไทม์- การบูรณาการโปรแกรมในระดับสูง การดำเนินการตรวจสอบพารามิเตอร์การทำงานทั้งหมดของอุปกรณ์ และง่ายต่อการบรรลุอัลกอริธึมที่ซับซ้อน เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการควบคุมและความเสถียรของอุปกรณ์ เช่น อัลกอริธึมควบคุม PID แบบฟัซซี่ของอุปกรณ์ ค่าเฉลี่ยของการกรองสัญญาณรบกวนแบบป้องกัน- การกรองค่าเฉลี่ยแบบจำกัด อัลกอริธึมการกรองแบบดิจิทัล เช่น การกรองค่าเฉลี่ยแบบป้องกัน- การรบกวนแบบอิมพัลส์ การจำกัดวิธีการกรองโดยเฉลี่ย
2. การออกแบบฮาร์ดแวร์ระบบควบคุม
ระบบควบคุมประกอบด้วยตัวควบคุมและโมดูลการวัดและควบคุม ซึ่งโมดูลการวัดและควบคุมรวมถึงโมดูล I/O และโมดูลการวัด เป็นแบบโมดูลาร์ การกำหนดค่าของอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มหรือลดโมดูลาร์ และตัวควบคุมสำหรับการกำหนดค่าที่แตกต่างกันของอุปกรณ์เท่านั้นเพื่อทำการตั้งค่าหรือปรับแต่งซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม ซึ่งไม่เพียงแต่-การได้มาซึ่งพารามิเตอร์การทำงานของอุปกรณ์ด้วยต้นทุนที่ต่ำเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงการบูรณาการระบบควบคุมลดขนาดของชุดควบคุม กรอบฮาร์ดแวร์ระบบควบคุมที่แสดงในรูปที่ 2 ตัวควบคุมเพื่อรับโมดูลการวัดจะถูกรวบรวมโดยพารามิเตอร์ของเครื่อง ตามการตั้งค่าการควบคุมบนโมดูล I / O สำหรับเอาต์พุตควบคุม I / O และ PID
คอนโทรลเลอร์และโมดูล I/O โมดูลการวัดที่ใช้การสื่อสารโปรโตคอล Modbus อินเทอร์เฟซ 485 เนื่องจาก Modbus bus มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น เครื่องมือวัด เครื่องใช้ไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำอัจฉริยะ เครื่องส่งสัญญาณ ตัวควบคุมแบบตั้งโปรแกรมได้ HMI อินเวอร์เตอร์ อุปกรณ์อัจฉริยะภาคสนาม ฯลฯ จึงทำให้ตัวควบคุมและโมดูล I/O โมดูลการวัดมีความสามารถในการขยายที่ยอดเยี่ยมและมีความเป็นไปได้ที่จะกลายเป็นผลิตภัณฑ์โดยแยกจากกัน
2.1 การออกแบบฮาร์ดแวร์คอนโทรลเลอร์
ตัวควบคุมแบบฝังนั้นใช้แพลตฟอร์มการพัฒนาฮาร์ดแวร์ไมโครโปรเซสเซอร์คอร์ ARM Cortex-A9 quad- ซึ่งส่วนใหญ่รับผิดชอบระบบควบคุมในการทำงานของอินเทอร์เฟซเครื่องจักร-ของมนุษย์ การดำเนินการเชิงตรรกะ การควบคุม I / O และ PID โปรเซสเซอร์ Exynos4412 ที่ใช้ในแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์มีความสามารถในการประมวลผลข้อมูลประสิทธิภาพสูง-และมีอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นรากฐานด้านฮาร์ดแวร์ที่ดีสำหรับการสร้างระบบฝังตัวของ Linux แผนภาพบล็อกการทำงานของแพลตฟอร์มการพัฒนาฮาร์ดแวร์ตัวควบคุมแสดงในรูปที่ 3 โดยมี WIFI บนบอร์ด - โมดูล 3G การ์ดเครือข่ายแบบปรับได้ 10M/100M จอ LCD ระบบสัมผัสขนาด 10.1 นิ้ว โฮสต์ USB 4 ช่อง และอื่นๆ
แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์รองรับการเริ่มต้นจาก eMMC หรือการ์ด SD eMMC ใช้เพื่อเบิร์นอิมเมจระบบ ดังนั้นคอนโทรลเลอร์จะเริ่มทำงานจาก eMMC ตามค่าเริ่มต้นหลังจากเปิดเครื่อง ในขณะที่ฟังก์ชั่นเริ่มต้นการ์ด SD สามารถใช้กับ USB OTG เพื่อให้สามารถอัพเกรดเฟิร์มแวร์และซอฟต์แวร์ระบบได้อย่างรวดเร็ว wifi, wcdma 3g, lan และอินเทอร์เฟซเครือข่ายอื่นๆ ใช้เพื่อเชื่อมต่อตัวควบคุมกับอินเทอร์เน็ตในกรณีต่างๆ ซึ่งสามารถใช้สำหรับการควบคุมระยะไกล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนข้อผิดพลาดจากระยะไกล รีโมทคอนโทรล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนข้อผิดพลาดจากระยะไกล รีโมทคอนโทรล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนข้อผิดพลาดจากระยะไกล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนเกี่ยวกับข้อผิดพลาดจากระยะไกล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนเกี่ยวกับข้อผิดพลาดจากระยะไกล และรีโมทคอนโทรล WIFI, WCDMA 3G, LAN และอินเทอร์เฟซเครือข่ายอื่นๆ ใช้เพื่อเชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์กับอินเทอร์เน็ตภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกัน โดยให้การสนับสนุนฮาร์ดแวร์สำหรับการควบคุมอุปกรณ์จากระยะไกล คำเตือนหรือสัญญาณเตือนข้อผิดพลาดจากระยะไกล การแก้ไขปัญหาระยะไกลโดยผู้เชี่ยวชาญ และแอปพลิเคชันใหม่อื่นๆ
เพื่อให้แน่ใจว่าตัวควบคุมสามารถรับการสื่อสาร-ความเร็วสูงแบบเรียลไทม์-ที่เชื่อถือได้กับแผงวัดและควบคุม การออกแบบวงจรการสื่อสาร RS485 ของตัวควบคุมสองตัวนั้นใช้ ADM2483 ADM2483 เป็นอุปกรณ์รับส่งสัญญาณ RS485 แบบแยกการสื่อสารแบบบูรณาการ ซึ่งมีอัตราการสื่อสารสูงสุดถึง 500kbps เพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการสื่อสารและความสามารถในการต้านทานการรบกวนภายใต้สมมติฐานของการหลีกเลี่ยงการใช้การออกแบบการแยกออปโต- ต้องใช้พื้นที่โครงร่าง PCB ที่ใหญ่ขึ้น พื้นที่เค้าโครง และ ADM2483 ใช้เพื่อจำกัดการออกแบบอัตราการสวิง การควบคุมการลดลงของอัตราการสวิงแรงดันในระดับที่เหมาะสม สามารถลดการจับคู่เทอร์มินัลและตัวเชื่อมต่อที่ไม่เหมาะสมที่สร้างโดย BER วงจรอินเทอร์เฟซของโมดูลการสื่อสารใช้การออกแบบข้อจำกัดกระแสและแรงดันไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 5 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า D1, D2 และฟิวส์กู้คืนตัวเอง-ใช้ PTC1 และ PTC2 กับวงจรอินเทอร์เฟซเพื่อสร้างการป้องกันที่มีประสิทธิภาพเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือทางไฟฟ้าของโมดูลการสื่อสาร 485
2.2 การออกแบบฮาร์ดแวร์ของโมดูลการวัดและควบคุม
แผนภาพบล็อกฮาร์ดแวร์ของโมดูลการวัดและควบคุมแสดงในรูปที่ 6 โดยมี LPC1758 เป็นแกนหลัก รับผิดชอบในการรับข้อมูลการทำงานของอุปกรณ์ การถอดรหัสที่อยู่ I/O และการควบคุม I/O อุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง กระแส แรงดัน ความชื้น ความดัน และพารามิเตอร์อื่น ๆ ของอุปกรณ์ผ่านวงจรการเข้าซื้อกิจการ จากนั้นโดยการกรองดิจิตอล LPC1758 เก็บไว้ในแฟลช คอนโทรลเลอร์สามารถสื่อสารกับ LPC1758 ผ่าน RS485 อ่านพารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการดำเนินการลอจิก จากนั้นคำสั่งควบคุม I/O ไปยังการดำเนินการ LPC1758 หลังการดำเนินการ วงจร I/O ประกอบด้วยเอาต์พุตทรานซิสเตอร์ เอาต์พุตรีเลย์ และคำสั่งควบคุม I/O ไปยังการดำเนินการ LPC1758 คอนโทรลเลอร์สามารถสื่อสารกับ LPC1758 ผ่าน RS485 อ่านพารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการดำเนินการลอจิก จากนั้นส่งคำสั่งควบคุม I/O ไปที่ LPC1758 เพื่อดำเนินการหลังการดำเนินการ วงจร I/O ประกอบด้วยเอาต์พุตทรานซิสเตอร์ เอาต์พุตรีเลย์ และเอาต์พุตสำหรับการใช้งานพิเศษ เช่น I/O ควบคุมวาล์วขยายอิเล็กทรอนิกส์, I/O ควบคุมตัวแปลงความถี่ และอื่นๆ
วงจรสุ่มตัวอย่างตัวกรองใช้ ADC MAX11210 แชนเนล 24 บิต-แชนเนลเดียวของ Maxim ซึ่งรวมเอาแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์อินพุตอะนาล็อกและอ้างอิงเข้าด้วยกัน และมีพอร์ต GPIO สี่พอร์ตที่สามารถใช้เพื่อควบคุมสวิตช์อะนาล็อก 16 แชนเนลภายนอก ซึ่งทำให้ MAX11210 รวบรวมสัญญาณอะนาล็อก 16 แชนเนลได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดภาระในทรัพยากร I/O ของ LPC1758 แผนภาพบล็อกวงจรการสุ่มตัวอย่างแสดงในรูปที่ 7 แผนภาพบล็อกวงจรการสุ่มตัวอย่างแสดงในรูปที่ 7
สุดท้าย เพื่อให้มั่นใจในความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของวงจร I/O การออกแบบการตรวจจับสถานะ I/O จะถูกเพิ่มลงในวงจรฮาร์ดแวร์ สำหรับจุดเอาต์พุต วงจรตรวจจับสถานะ I/O จะสร้างสัญญาณลำดับเอาต์พุตที่สอดคล้องกันจากสถานะเอาต์พุต และเมื่อคำสั่งของคอนโทรลเลอร์เพื่อเปลี่ยนสถานะเอาต์พุตถูกส่งไปยัง LPC1758 และดำเนินการ สถานะของจุดเอาต์พุตจะเปลี่ยนไป และ LPC1758 จะเปรียบเทียบสัญญาณลำดับเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงกับคำสั่งเอาต์พุตที่ออกโดยคอนโทรลเลอร์เพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตมีความแม่นยำ ในขณะที่จุดอินพุตจะสร้างสถานะเมื่อสถานะอินพุตเปลี่ยนไป LPC1758 จะเปรียบเทียบสถานะอินพุตจริงกับสัญญาณลำดับอินพุตเพื่อตรวจสอบว่าวงจรอินพุตมีข้อผิดพลาดหรือไม่
3. การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบควบคุม
เพื่อให้เป็นไปตามตัวควบคุมหลาย-อินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ การพัฒนาแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์หลาย- การดำเนินการหลาย-ไฟล์ การปรับแต่งระบบและข้อกำหนดอื่นๆ ระบบปฏิบัติการ Linux ที่ฝังตัว แอปพลิเคชันหลักมีโปรแกรมอินเทอร์เฟซเครื่องจักรของมนุษย์- โปรแกรมประมวลผลข้อมูล โปรแกรม soft PLC ดังแสดงในรูปที่ 7 ในบรรดาโปรแกรมเหล่านั้น โปรแกรม HMI ถูกสร้างขึ้นโดย ซอฟต์แวร์กราฟิกที่ทำงานภายใต้สภาพแวดล้อม Windows ผ่านการผสมผสานองค์ประกอบกราฟิก การควบคุม และคำสั่งมาโคร ซึ่งสามารถนำเข้าไปยังคอนโทรลเลอร์ผ่าน USB เพื่อรับทราบการอัพเดต HMI โปรแกรมประมวลผลข้อมูลมีหน้าที่หลักในการบันทึกการควบคุมอุตสาหกรรมอุปกรณ์ การทำงานของ PID การตรวจสอบสถานะอุปกรณ์ และฟังก์ชันอื่นๆ โปรแกรม soft PLC ได้รับการพัฒนาโดยซอฟต์แวร์ Infoteam OpenPCS จากประเทศเยอรมนี ซึ่งรองรับภาษา IEC หกภาษา ได้แก่ ST, IL, SFC, FBD, LD และ CFC และรับผิดชอบการดำเนินงานลอจิก I/O
เนื่องจากโมดูลการวัดและการควบคุมไม่ต้องการแอปพลิเคชันและอินเทอร์เฟซแบบกราฟิกมากเกินไป จึงเลือก uC/OS-II ซึ่งมีขนาดเล็กกว่ามากเมื่อเทียบกับองค์กรระบบปฏิบัติการ Linux แบบฝัง จึงถูกเลือก ระบบนี้มีคุณลักษณะ-ครบครัน ครอบคลุมฟังก์ชันต่างๆ เช่น การกำหนดเวลางาน การจัดการงาน การจัดการเวลา การจัดการหน่วยความจำ และ-การสื่อสารและการซิงโครไนซ์งานระหว่างกัน [6] แอปพลิเคชันหลัก ได้แก่ โปรแกรมเก็บข้อมูล โปรแกรมตรวจจับ I/O และโปรแกรมควบคุม I/O ขั้นตอนการควบคุม I/O ทั้งหมดแสดงในรูปที่ 9 หากมีการแจ้งเตือนข้อผิดพลาดของวงจร I/O ผู้ใช้สามารถเลือกปิดเครื่องและรีสตาร์ทอุปกรณ์ หรือขอรับการสนับสนุนทางเทคนิคได้
4 บทสรุป
ระบบควบคุมอุปกรณ์ทดสอบสภาพแวดล้อมแบบฝังที่ออกแบบในบทความนี้ ตัวควบคุมและโมดูลการวัดและควบคุมมีข้อดีคือต้นทุนต่ำ การบูรณาการสูง ความแม่นยำสูง ความสามารถในการขยายและอื่น ๆ ซึ่งสามารถปรับปรุงลักษณะของอุปกรณ์ทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมได้ในระดับหนึ่ง เช่น ขนาดชุดเล็กและผลกระทบด้านลบที่หลากหลายต่อการออกแบบและการผลิต และด้วยการใช้ประโยชน์จากการผลิตอุปกรณ์ทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมของบริษัทเราอย่างเต็มที่ เราจึงสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการออกแบบระบบควบคุมได้อย่างต่อเนื่องผ่านการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม ขณะนี้ระบบควบคุมถูกนำมาใช้กับชุดอุปกรณ์ด้านสิ่งแวดล้อมที่ได้มาตรฐานของเรา ความแม่นยำและเสถียรภาพในการควบคุมได้ก้าวถึงระดับขั้นสูงในประเทศแล้ว และการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ก็สมบูรณ์พร้อมความสามารถในการขยายที่ดี