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1、为了与 AN2135SC 芯片中的 I2C 总线主控制器配合 工作 ,我们在 EP1k30 芯片中编写了一个 I2C 总线从模块 ,使得 I2C 总线上的数据传输能够顺利进行。根据 I2C 总线传输规范 ,我们设定了一个状态机 i2cstates ,它共有如下 7 个状态 : idle ,address , addr ack ,read , rd ack , write , wr ack。图 6 给出了此状态机的状态图。图 6 I2C总线状态机流程图由图 6 可以看出 ,在开始条件 ( st con = vcc) 产生后 ,i2c states 由空闲 ( idle) 状态进入地址状态 ( a
2、d2dress) 。我们在 EP1k30 中指定了两个寄存器用于存储从 I2C 总线上发送来的控制信号和将要发送到 I2C 总线上的状态信号 ,它们分别是控制寄存器 usb fp ctrl7110 和状态寄存器 fp usb flag 7110 ,这两个寄存器地址的高 4 位均为“ 1110”。同样 ,我们可以把 1K30芯片中所有由 I2C 总线寻址的寄存器的高 4 位地址都设定为“ 1110”。如图 6 所示 ,I2C 总线在地址期内发送的高位地址只有为“ 1110”时 ,1K30 才会产生响应。这样做的好处是便于扩充其它 I2C 总线设备。I2C 总线在地址期内发送的最低位地址用于指定随
3、后的数据传输是主设备读还是主设备写 ,高电平表示主设备读 ,低电平表示主设备写。读写状态转换如图 6 所示。因此 ,8 位地址中可以用作寻址 EP1k30 端口的地址位为 addr3110 。4 结束语本文介绍了数据通信解决方案中数据传输通道和GPIO 功能的实现。实验证明 ,两个模块配合工作即可实现数据的正常传输 ,从而顺利地将 A/ D 转换器的输出信号经 USB 总线传送到上位机去。这个解决方案基于 USB 总线设计并且结合 FPGA 来进行控制 ,充分利用了 USB 总线数据传输速率高、 USB 设备可热插拔等功能和 FPGA 速度快、效率高、配置灵活的特点。经实践证明 ,它是一个功能
4、完备、高效稳定的解决方案。参考文献1 杨振江 . A/ D、 D/ A 转换器接口技术与实用线路 . 西安电子科技大学出版社 ,19962 Burr2Brown Corporation. ADS7800 Data Sheet. 19933 Cypress Corporation. EZ USB Series 2100 Technical Reference Manual.20014 Dominique Paret , Carl Fenger. The I2C Bus From Theory to Practice.JOHN WILEY & SONS , 19975 ALTERA Corpora
5、tion. Confshem Data Sheet. 20016 Compaq , Intel , Microsoft , NEC. Universal Seial Bus Specification (Rev1. 1) . 19987 曾繁泰 ,陈美金 . VHDL 程序设计 . 清华大学出版社 ,2000修改稿收到日期 :2004 - 03 - 28。第一作者陈秀玲 ,女 ,1977 年生 ,2004 年获上海交通大学硕士学位 ;主要从事数据采集及通信方面的研究。PLC 和变频器在污水处理中的应用Application of PLC & Frequency Converter in Was
6、te Water Treatment潘志东(杭州商学院信息与电子工程分院 ,杭州 310035)摘要 在污水处理系统中 ,PLC 和变频器组成的自动控制系统实现了 pH值的自动控制。重点分析了该系统硬件构成和软件编程的特点。现场运行的结果表明 ,该系统具有很好的可扩展性、灵活性和可靠性。关键词 可编程逻辑控制器变频器 pH PIDAbstract The automatic control system based on PLC &frequency converter is used in waste water treatment system to control pH value. T
7、he composi 222自动化仪表第 25 卷第 9 期 2004 年 9 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 25 , No. 9 ,Sep. , 2004 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.tion of hardware and features of software design are emphasized. The result of practical operation on site shows that the s
8、ystem features excellent expand 2ability , flexibility and dependability.Key words Programmable logic controller Frequency converter pH PID0 引言随着生活水平的提高及环境意识的增强 ,人们对自身生活环境的要求越来越高 ,对各种污染问题越来越关注。政府部门为了缓解并逐步解决污染问题 ,要求各个工厂和城镇建立污水处理厂。根据环保部门要求处理后水的 pH值应在 6 8 之间 ,当 pH值小于 6 呈酸性时 ,需要加入碱性药水来中和 ;当 pH值大于 8 呈碱性时
9、 ,需要加入酸性药水。通常某工厂的生产工艺稳定后 ,pH 值要么呈现酸性 ,要么呈现碱性 ,不可能来回摆动 ,所以加入药水的性质也是一定的。由于水的 pH值在 7 附近极易波动 ,如果加入的中和用药水过多或过少 ,都会使其 pH 值发生偏差。采用人工控制的方式很难完成控制要求 ,故需要依靠自动控制系统 ,并配以 PID 算法来保证控制精度。在工厂中 ,通常有大量的强电设备 ,电源和电磁环境有时非常复杂 ,采用单片机为核心的自动控制系统可能因为无法适应这样的环境而发生死机 ,可靠性很难满足要求。同时因为单片机自身在性能上的局限性 ,所以无法满足控制要求。采用工控机为核心的控制系统 ,在性能方面没
10、有问题 ,但成本相对较高。由于可编程逻辑控制器可靠性高、环境要求低 ,有多种输入 / 输出开关量点数组合 ,开关量和模拟量有良好的可扩展性 ,可独立组成成本较低的自动控制系统 ,也可以与工业计算机构成上、下位机系统 ,所以在污水处理控制系统中大量采用。1 系统描述采用三菱公司的 FX2N系列可编程逻辑控制器实现系统的自动控制 ,配置模拟量输入、输出模块 FX -4AD 和 FX - 2DA 各一块。系统组成如图 1 所示。图 1 系统组成示意图可编程逻辑控制器通电后立即对 A/ D 和 D/ A 模块进行初始化参数设定 ,对它们的工作状态进行规定 ;在运行过程中则负责控制 A/ D 模块转换
11、,接收传输来的 pH模拟量 ,并且通过科学计算得到相应的控制用数字量 ,再把这个数字量传输到 D/ A 模块。A/ D 模块负责接收在线监测 pH 计传输过来的模拟量信号 ,将其转换为数字量信号传输给 PLC。 FX -4AD 总共有 4 路 A/ D 通道 ,最大转换精度为 12 位 ,典型转换时间每通道每次为 15ms ,最快为 6ms ,可以通过初始化设定缓存字段中的数据来选择。在 A/ D 模块中有 31 个缓存字段 ,除了少数几个保留未用外 ,其它各个字段都有特殊的含义和用途 ,在编程的过程中 ,合理地使用它们 ,可以使控制品质提高 ,控制更加有效。D/ A 模块接收 PLC 发出的
12、数字信号 ,根据初始化时 PLC对它的参数设定 ,把它转换为 4 20mA 的模拟量信号以控制变频器的输出频率 ,实现对药水泵转速的控制 ,使污水中加入的药水量能根据信号大小而增减。采用三菱公司的 F540 系列变频器 , 功率为317kW。这种系列的变频器主要适用于风机、水泵类的负荷 ,有较高的可靠性和性价比 ,非常适合这种场合使用。工业污水处理系统中 ,应采用性能稳定、寿命较长的在线 pH计 ,最好带自清洗装置 ,定期清洗 pH 探头 ,保证系统能长期在高污染的水中测量。 pH 计由二次仪表和探头两部分组成 ,探头应固定在能比较真实地代表被测污水整体 pH 值的位置 ,二次仪表放置在离PL
13、C系统较近的位置 ,便于 pH 值信号的传输。 pH 计二次仪表输出的模拟量信号大小为 4 20mA 与 pH 测量范围 (0 14) 成线性对应关系。2 系统工作流程PLC在上电工作时 ,首先初始化设定 A/ D 模块和D/ A 模块的工作状态 ,然后才根据输入条件做出相应的输出反应。在 PLC的输入端口中 ,X0 用于判断系统是否进入pH调节程序段 (包括手、自动两种方式 ) 。当 X0 闭合时 ,Y0 控制中间继电器 J11 得电 ,并使变频器上电 ;同时变频器的输入端 STF 也得到 J11 输出的另一路闭合信号 ,使变频器可以输出电机正转的信号 ,变频器处于预备运行状态。X1 只有在
14、 X0 闭合时才有效 ,它是手、自动切换开32PLC和变频器在污水处理中的应用潘志东 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.关。当 X1 的开关没有闭合时 ,PLC 不进行加药自动控制 ;这时 ,可以手动调节频率设定器来人为控制药水的流入量。通常在某些设备发生故障不能使用自动方式来控制时 ,才会采用手动调节频率控制方式。当 X1 输入端闭合后 ,PLC即会自动地向待处理污水水池中加入中和药水 ,进行 pH 值控制。在自动控制中 ,PLC会通过读取 A/ D 模块中特殊存储器中的数据获取表针
15、pH值的数字量 ,利用 PLC 内部 PID(第 88号 ) 特殊指令可以计算出输出数值 ,再将该数值输出给D/ A 模块。如前所述 ,D/ A 会输出与该数值相应的电量信号来控制药水泵的转速以控制加药量 ,完成对污水 pH值的控制 ,使 pH 值能稳定在 6 8 之间 ,中心位置是 7。3 软件编制软件的编制分为初始化 、采样、分析和输出四个部分。 pH值控制的总体程序框图如图 2 所示。图 2 总体程序框图3. 1 初始化程序的初始化部分是 pH 控制软件编制中最为重要的部分之一 ,主要完成对 A/ D 和 D/ A 模块工作状态的设置 ,调入数据处理和计算时所需的各个参数。如图 3 所示
16、 ,在 FX - 4AD 中 ,用 1 # 通道接收表示 pH值的4 20mA 信号 ,其它通道不使用 ,这就需要设定第 0 #字段 ,数值为“ H3331”其中三个“ 3”表示第 2、 3、 4 号通道不使用 ,“ 1”代表第 1 # 通道接收 4 20mA 的 pH值信号。在第 1 # 字段中置入的数值表示 A/ D 要经过几次累加后取出平均值作为转换的结果 ,若在这个字段中置入 10 ,表示 A/ D 模块自动累加 10 次 A/ D 转换数值后 ,再除以 10 ,得到 A/ D 数字量。这样 ,可以起到滤波的作用 ,防止 A/ D 信号突变。对于其它字段 ,如数据采集速度、各个通道的偏差量和增益量等可以根据实际情况设定。对于 FX - 2DA ,它的第 0 # 字段 ,数值设为“ H11” ,“ 1”表示输出的电量信号为 4 20mA。另外还要设置停机后数据是否要求保存到下次开机、各个通道的偏差量和增益量等。图 3
