D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1994.05.015 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct1994 水晶生长两级计算机控制系统 一下位机控制软件的设计与应用 李秀志)倪忠远)吕焕云2) 1)北京科技大学计算机科学系,北京1000832)北京科技大学自动化信息工程学院,北京100083 摘要介绍了高压釜水晶生长的两级计算机测、控系统的构成,着重讨论了下位机在实时多任务操 作系统DCXS1的运行环境下,任务的设置方法及应考虑的因素,给出了所使用的控制策略.系 统的控制精度在±1℃以内,很好地满足了现场工艺要求, 关键词高压釜,计算机自动控制系统,水品生长 中图分类号TP273,078 Two-Level Computer Control System of Rock Crystal Growth the design and application of lower computer Li Xiuzhi Ni Zhongyuan?Lu Huanyun? 1)Department of Computer Science.USTB,Beijing 100083.PRC 2)Automation and Infommation Engineering College ABSTRACT This paper introduces the construction of two-level computer measurement and control system of rock crystal growing in the high pressure reactor.It focuses on the meth- od of task installation and the factor which should be considered about the low- er-computer in the running environment of Real Time Multi Task OS-iDCX51.The paper also offers the control tactics used.The system's control precision is about one centigrade, and it meets well the technological inquirements on the spot. KEY WORDS high pressure reactor,computer automatic control system,rock crystal growth 目前国内人造水晶行业中普遍采用两套模拟仪表(WDK一702)来控制各种参数.此类仪 表单点控制尚能满足要求,但由于高压釜的上下区间缺乏联系,需要操作人员凭经验来不断 监视和手工干预,否则,难于保证水晶生长所要求的温差而严重影响水晶质量.为此,我们与 湖南某厂共同研制了一套两级计算机测、控和管理系统(简称DCP系统). 1DCP系统构成 1993-02-23收稿 第一作者女54岁副教授
第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州 年 月 以 。 。 改 望闷 水 晶生 长两级计算机控制 系 统 — 下位 机控制 软件 的设计 与 应用 李秀 志 , 倪 忠远 吕焕云 北 京科 技大学计算机科 学 系 , 北 京 〕 洲 北 京科技大 学 自动化信 息工 程 学 院 , 北 京 摘要 介绍 了高压釜水晶生长的两级计算机测 、 控 系 统 的构成 , 着 重讨论了 下 位机在 实时多任务操 作系 统 正 的运行 环境下 , 任务 的设置方法及 应考虑 的 因素 , 给 出 了 所 使用 的 控 制 策 略 系 统 的控 制精度在 士 ℃ 以 内 , 很好地 满足 了 现场工 艺要求 关键词 高压釜 , 计算 机 自动 控制 系 统 , 水 晶生 长 中图分类号 开 , 一 — “ 毋 刀 哪“ 块 , , 侧洲 , 扭 】 伪】】 罗 昭 一 。 万 一 一 五 吻 岛 ’ , 篮光 认 , , 目前 国 内人造水 晶行 业 中普 遍 采 用 两 套 模拟 仪表 一 来控 制 各 种参数 此类仪 表单点控制 尚能满足要 求 , 但 由于 高压 釜 的上 下 区 间缺 乏 联 系 , 需要 操 作人 员 凭 经 验 来 不 断 监视和手工 干预 , 否 则 , 难于保证水 晶生 长所要 求 的温 差 而 严 重 影 响 水 晶 质 量 为 此 , 我 们 与 湖南某厂共 同研制 了一套两级计算机测 、 控 和 管理 系 统 简 称 系 统 】 系统构成 卯 一 一 收 稿 第一作者 女 岁 副教 授 DOI :10.13374/j .issn1001—053x.1994.05.015
.474 北京科技大学学报 1994年No.5 在高压釜中,安装了3套调功线路川,其中下区用两套;底部控制器由微机实现,水晶 生长的温度曲线见图1.该曲线分成3段:升温段(0~),要求在24h内达到设定值;保温段 (。~(,要求温度波动小,上、下区温差呈喇叭口状,确保水晶生长速度和质量,保温时间约 45~70d;降温段(>t),要求自然冷却. 上位机GH-286 下位机1 下位机2 下位机n 高压签1 高压釜2 高压釜 图1温度控制曲线 图2DCP微机系统 Fig.1 Temperature control curve Fig.2 microcomputer system block diagram DCP微机控制系统由两级计算机组成,如图2所示.它控制全车间30~60个高压釜的水 晶生长过程.其中上位机选用GH-286工控机,能适应现场恶劣环境要求.上位机完成对所有 下位机的调度与管理,调度功能包括:设置并下发各台高压釜的运行参数、发布调度命令、随 机修改各下位机的工作通知书.管理功能包括:定时收集各下位机的数据、形成并管理数据 库;显示生产过程状态模拟图、升温曲线、打印各种报表、处理报警信号、显示实时钟,上位机 采用C语言编程. 下位机由多台微机组成,每台控制1个高压釜工作,这些微机采用以8044芯片为核心 的STD总线工控机,对生产过程进行实时检测与控制.下位机用汇编语言编程. 采用BITBUS通讯网络完成上、下位机间的通讯任务.该网络是主从式总线型的高速串行 网,它的电气接口采用平衡传送的RS-485标准,传输介质采用双绞线,链路协议符合SDLC (同步数据链路控制)标准.通讯功能见文献2]· 2下位机的软件设计 下位机是以8044单片机为核心配以相应的外围接口电路组成的专用微机系统四下位机 周期性采样压力、上区温度、下区温度和室温,然后进行查表、插值计算,冷补、断偶和超 温/超压检查,最后进行PD运算、输出调功功率值计算和调功输出.如此往复,控制水晶稳定 地生长.为保证准确控制水晶生长的质量,设置了手动、自动转换功能,利用软、硬件配合,实现 了无扰动切换功能 8044芯片内装有实时多任务操作系统DCXS1,该系统由任务调度、任务通讯、实时钟管 理和中断处理等4个模块组成,能同时支持8个任务并行执行,因此系统实时性较强, 任务包括任务体和TD(初始任务描述符)两部分,系统中,任务体是由汇编语言 (ASM51)编写完成某些控制功能的无限循环程序;TD描述任务的特性和任务对系统资源的 要求
· 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 在 高压釜 中 , 安装 了 套调 功 线路 , 其 中下 区 用 两 套 底 部 控 制 器 由微 机 实现 水 晶 生 长 的温 度 曲线见 图 该 曲线分成 段 升温段 一 , 要 求在 内达到 设定 值 保 温 段 。 一 , 要 求温度 波 动小 , 上 、 下 区温 差 呈 喇 叭 口 状 , 确 保 水 晶 生 长 速 度 和 质 量 , 保 温 时 间 约 一 降温段 , 要 求 自然 冷却 上位机 一 下位机 下 位机 下位机 高 高 高 压 压 压 釜 釜 釜 一区 下丫一℃区上 图 温度控制 曲线 图 微机系统 瑰 孔知碑” 。 此 “ 犯臼 瑰 沁 切 脚血 劝 蚀 山剐犷田 微机控制 系 统 由两级计算机组 成 , 如 图 所示 它 控 制 全 车 间 一 个 高 压 釜 的 水 晶生 长过程 其 中上 位机选 用 一 工 控 机 , 能适 应 现 场恶 劣 环境要 求 上 位 机完成 对所有 下位 机 的调 度 与管理 调 度 功 能包括 设置并 下 发 各 台 高 压 釜 的 运 行 参 数 、 发 布 调 度 命令 、 随 机修改各下 位 机 的 工 作 通 知 书 管 理 功 能 包 括 定 时 收 集 各 下 位 机 的 数 据 、 形 成 并 管 理 数 据 库 显示 生产过程 状态模 拟 图 、 升温 曲线 、 打 印各 种 报 表 、 处理 报 警 信 号 、 显 示 实 时 钟 上 位 机 采 用 语言编 程 下位机 由多 台微 机组 成 , 每 台控 制 个 高压釜 工 作 这 些 微 机 采 用 以 科 芯 片 为 核 心 的 总 线工 控 机 , 对生 产 过 程 进行 实 时检测 与 控制 下 位 机 用 汇编 语言 编 程 采 用 】 通 讯 网 络 完 成 上 、 下 位 机 间的通讯任 务 该 网络是 主从式 总线型 的高速 串行 网 , 它 的 电气接 口 采 用 平衡传 送 的 一 标 准 , 传输介质采用 双 绞 线 , 链 路 协 议 符 合 同步 数据链路 控 制 标 准 通 讯功 能见 文献 下位机的软件设计 下 位 机 是 以 单 片 机 为 核 心 配 以 相 应 的外 围接 口 电路 组 成 的 专用微机 系 统 下 位 机 周 期 性 采 样 压 力 、 上 区 温 度 、 下 区 温 度 和 室 温 , 然 后 进 行 查 表 、 插 值 计 算 、 冷 补 、 断 偶 和 超 温 超 压检查 , 最后 进行 运算 、 输 出调 功 功率值计算 和 调 功 输 出 如此往 复 , 控制 水 晶稳定 地 生 长 为保 证准 确 控 制 水 晶生长 的质量 , 设置 了手 动 、 自动 转换 功 能 , 利 用 软 、 硬 件 配合 , 实现 了无扰 动切 换 功 能 科 芯 片 内装有 实 时多任务操作 系 统 正咬 , 该 系 统 由任务 调 度 、 任 务 通 讯 、 实 时钟 管 理 和 中断处理等 个模块 组成 , 能 同 时支持 个任务并 行 执行 , 因此 系 统 实 时性 较 强 任 务 包 括 任 务 体 和 初 始 任 务 描 述 符 两 部 分 系 统 中 , 任 务 体 是 由 汇 编 语 言 编 写完成某些 控 制功 能 的无 限循 环程序 描 述 任务 的特性 和 任务 对 系 统 资源 的 要求
Vol.16 No.5 李秀志等:水晶生长两级计算机控制系统 .475 确定在DCX51控制下的任务体应十分慎重.首先把系统中要完成的功能顺序罗列出 来并进行功能分割,把其中可以“并行”进行的事情放在不同的任务体中,而那些必须顺序 执行的功能放在同一个任务体中,任务确定之后,给每个任务填写TD,形成任务链.这 样,一旦系统运行这些链中的任务便纳人系统控制中了. 下位机要完成的功能有:(I)系统初始化、采样、冷补、查表、PD计算;(2)键盘处理、显示 功能、调功输出等.(①)中的各项功能必须顺序进行,可作为第一个任务;(②)中的各项功能也如 此,可作为第二个任务,(1),(2)两项中的功能可以并行实现,故系统中共设置了两个任务, 由于DCX51操作系统中存在某些不足,造成在确定任务体时的困难,如系统提供用户 使用的内部RAM缓冲区资源受限,若建立任务较多,往往满足不了缓冲器资源要求,引起建 立任务失败,使整个系统瘫痪,因此必须谨慎地建立每一个任务. 另外系统要求任务切换的时机是,只有处在运行状态的优先级较高的任务,在执行WAIT 系统调用(等待某个事件/时间间隔)时,处于就绪状态的任务才可能进人运行态.因此在确定 任务优先级别时,要根据任务的急迫程度,还要考虑处于高优先级的任务必须能给低优先级 的任务提供较充分的运行机会,否则会影响后者的响应速度.因此,建立的任务数不宜太多. 图3为第一个任务体中采样部分程序的流程图.该流程图接在系统初始化程序之后,由于 (来自初始化部分 置采样间隔,选择CH# ·COLD 超压 N 断偶报鳖 查表,插值计算 N 压力报警 yy+COLD→y 压力标度计算 +相应RAM区 Y y-w≤T N y与各比例段比较,计算 PD计算调功输出值z PD计算调功输值z 调功输出值→下区输出区 +下区输出区 +下区输出区 图3采样程序段流程图 Fig.3 Flow chart of sample paragraph
李 秀 志等 水晶生 长两级计算机控制系 统 确 定 在 工 控 制 下 的 任 务 体 应 十 分 慎 重 首 先 把 系 统 中要 完成 的 功 能顺 序罗 列 出 来 并 进行 功能分割 , 把其 中可 以 “ 并 行 ” 进行 的事情 放在 不 同的任务 体 中 , 而 那 些 必 须 顺 序 执行 的功 能放在 同一个任务体 中 任 务 确 定 之 后 , 给每 个 任务 填 写 , 形 成 任务 链 这 样 , 一旦 系 统运行这些 链 中的任务便纳人 系 统控 制 中了 下位机要完成的功能有 系统初始化 、 采样 、 冷补 、 查表 、 计算 键盘处理 、 显示 功 能 、 调 功 输 出等 中的各项 功 能 必须顺序 进行 , 可作 为第 一个任务 中 的各 项 功 能 也 如 此 , 可作 为第二个任务 , 、 两项 中的功 能可 以 并 行 实现 , 故系 统 中共设置 了 两个任 务 由于 刀 操作 系 统 中存在某些 不 足 , 造成 在 确 定 任 务 体 时 的 困 难 如 系 统 提 供 用 户 使用 的 内部 缓冲 区 资源受 限 , 若建立 任务较多 , 往往 满足 不 了 缓 冲 器 资源 要 求 , 引 起 建 立任务失 败 , 使整 个 系 统瘫 痪 , 因此必须谨 慎地建立每 一 个任务 另外 系 统要 求任务切 换 的 时机是 , 只 有处在 运行 状态 的优先级较高 的 任 务 , 在 执 行 系 统调 用 等待某个事 件 时 间 间隔 时 , 处于 就 绪状态 的任务才可 能进人运 行 态 因此 在 确 定 任务优先级别 时 , 要 根 据任务 的急 迫 程 度 , 还要 考 虑 处 于 高 优 先 级 的 任 务 必 须 能 给低 优 先 级 的任务提供较充分 的运 行 机 会 , 否 则 会影 响后 者 的 响应速度 因此 , 建 立 的任务数不宜太多 图 为第 一 个任务体 中采样 部分 程 序 的流 程 图 该流程 图接 在 系 统初 始 化程序 之后 , 由于 来 自初始化部分 置 采样 间隔 , 选 择 采样室温 采样压力 查表插值计算 压力 报警 采样下 区 温度 查表 , 插值计算 断偶 报警 , 夕 同 上 区 温度 夕祠 区 与各 比例段 比较 , 计 算 调功输 出值 下 区 输 出 区 计算调 功输 出值 下区 输 出 区 〕 计算调 功输值 下 区 输 出 区 图 采样程序段流程 图 电 协 户 钾口 旧户
476 北京科技大学学报 1994年No.5 4个通道(室温、压力、上区温度、下区温度)的采样由超时中断驱动,必须首先设置采样周期, 再分别选中各个通道,启动AD转换,等待把采样的数字值送进计算机. 以温度采样为例,由于热电偶的输出具有非线性,须加以校正,本系统采用实测和插值 方法实现.每隔10℃用分度表的V值作为采样输入的模拟量值,接着启动AD转换,在 显示器上读取相应的代码值并制成表,再将此表固化到EPROM中.以后就可以根据此表用 插值方法,由AD转换器输出的数字量计算出对应的任一温度值.其计算公式为: y=(x-x)/x)(-)+y 式中,x:经AD转换后输出的数字量;x:表中低于x的最大数字量; x2:表中高于x的最小数字量;》:表中与x,对应的温度值; y2:表中与x2对应的温度值; y:与x对应的实测温度值. 为加速插值运算速度,在EPROM程序区中设置了3张表:TAB1、TAB2和TAB3,作为 其相应的人口地址.其中TAB1记录了以10℃为单位的温度值;TAB2中保存了与TAB1 中每个温度值相应的AD转换后的代码值;TAB3中的内容是与TAB2中的相应位置上每两 个10℃间对应代码值之差值.这样,在进行插值运算时,x2一x1和2一,可直接从表中得 到,免去了浮点运算的麻烦, 3控制策略 本系统的控制对象为惯性环节加纯时滞环节,对于这个系统,可采用自适应控制或自 校正的PD调节器,本系统采用分段开关模式升温及积分分离式PD控制.分段开关模式升 温的办法是,点火后全功率升温;3对晶闸管(调功器的主要组成部分)全导通.当温度升至70%W(W 为设定保温值)时,输出功率降为75%;升温至80%W时,输出功率为60%;升至90%W时, 进人PD控制. 积分分离式PD算法可以增强抗积分饱和功能,防止产生超调和振荡.PD算法是: P=Ke(n)+Kale(n)-e(n-1)]+K>e(n) 其中,P-输出功率;K。一比例系数;K-微分系数;K-积分系数;e(n)-第n次温度偏差 (W-yn);W-设定保温值;y。一第n次采样温度值. 积分分离式P①算法是,在即将进入保温段时,若采样温度值与保温给定值的偏差大 于某个T(如设T。=5℃),则采用PD算法(比例微分),使之快速消除振荡;在偏差小于T 时,投入PD算法,消除静差. P①算法中的3个系数的选择,均与具体控制的惯性环节有关,本系统是通过实测高压 釜的飞升曲线得到的.其值为:上区:K=19:K=14K=0.051;下区:K,=28;K=15; K;=0.048.实验效果较为满意,控制精度达±1℃内,达到了设计要求. 4结论 (1)硬件设计合理,运行可靠,达到了设计精度要求
· 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 个通 道 室温 、 压 力 、 上 区温度 、 下 区 温度 的采样 由超 时 中断驱动 , 必须 首先设置 采样周期 , 再分别选 中各个通道 , 启 动 转换 , 等待把采样 的数字值送进计算机 以 温度采样 为例 , 由于 热 电偶 的输 出具有 非 线性 , 须 加 以 校 正 本 系 统 采 用 实 测 和 插 值 方 法 实 现 每 隔 ℃ 用 分 度 表 的 值 作 为采 样 输 人 的模 拟 量 值 , 接 着启动 转 换 , 在 显示 器上读取相 应 的代码值并 制成 表 再 将 此 表 固化 到 中 以 后 就 可 以 根 据 此 表 用 插值方法 , 由 转换器输 出的数字量计算 出对应 的任 一温度 值 其计算公式 为 ,一 。 一。 。 一 夕 一 夕,· 式 中 , 经 妇 转换后 输 出的数字量 表 中低 于 的最大数字量 表 中高于 的最 小 数字量 、 表 中与 , 对应 的温 度值 表 中与 对应 的温 度值 与 对应 的实测 温度值 为 加 速插值 运算 速度 , 在 程序 区 中设置 了 张 表 、 和 , 作 为 其相 应 的人 口 地址 其 中 记 录 了 以 ℃ 为 单 位 的 温 度 值 中保存 了 与 中每 个温度值相 应 的 转 换后 的代 码 值 中的 内容 是 与 中 的 相 应 位 置 上 每 两 个 ℃ 间对应代码值 之 差值 这样 , 在 进行 插 值运 算 时 , 一 , 和 一 〕 可直接 从表 中得 到 , 免去 了浮 点 运算 的麻烦 控制策略 本 系 统 的控 制 对象 为 惯 性 环 节 加 纯 时 滞 环 节 对于 这 个系 统 , 可 采 用 自适应控 制或 自 校 正 的 调 节 器 本 系 统采 用分 段 开 关模 式 升温及 积分 分 离 式 控 制 分 段 开 关 模 式 升 温的办法是 , 点火后全功率升温 对晶闸管 调功器的主要组成部分 全导通 当温度升至 为设定 保温值 时 , 输 出功 率 降 为 升温 至 时 , 输 出功 率 为 升至 时 , 进人 控制 积分分 离式 算法 可 以 增 强抗 积分 饱 和 功 能 , 防止产 生 超调 和 振 荡 算法 是 一 凡 一 一 ,叉 其 中 , 尸一 输 出功率 。 一 比例 系数 凡 一 微分 系 数 凡 一 积 分 系 数 一 第 。 次温度 偏 差 一 。 一 设定保温值 。 一 第 凡 次采样 温 度值 积分分离式 算法 是 , 在 即将进人保 温 段 时 , 若 采 样 温 度 值 与 保 温 给 定 值 的 偏 差 大 于 某 个 如设 二 ℃ , 则 采 用 算 法 比例 微 分 , 使 之 快 速 消 除 振 荡 在 偏 差 小 于 时 , 投人 算法 , 消 除静差 算法 中的 个 系数 的选 择 , 均 与具体控 制 的惯性 环 节 有 关 本 系 统 是 通 过 实 测 高 压 釜 的 飞 升 曲 线 得 到 的 · 其 值 为 上 区 凡 凡 二 长 二 下 区 凡 凡 二 巧 实验效果 较 为满意 , 控 制精度 达 士 ℃ 内 , 达到 了设计要 求 结论 硬 件设计合理 , 运 行 可 靠 , 达到 了设计 精度要 求
Vol.16 No.5 李秀志等:水晶生长两级计算机控制系统 .477 (2)在实时多任务操作系统DCX51的运行环境下,几个任务有机的配合,响应速度较快. (3)控制算法合理,在实验中控制小惯性环节时,控制精度为±0.5℃,现场运行中达到 ±1℃,满足了现场要求, 参考文献 1李秀志,倪忠远等,DCP微机温度控制系统-下位机硬件设计应用.计算机科学技术与应用,1993(5): 36-40 2李秀志,倪忠远.通讯板PCX344的使用及通讯软件的编制.电子技术应用,1993(12):24~26 3潘新民,微型计算机控制技术.北京:人民邮电出版社.1985.239~252,286~289 岭的的的的岭冷论的的的的的怜的的的响的响的响的的的响响的的的响帅柳响的的的的检的的的 (上接472页) 3.4系统线性度 输人为频率∫。=1kHz的正弦信号,无噪声输入,由数字电压表测出输出结果.把此结果 用线性回归分析方法分析输入与输出特性的线性度,如图5所示.图中虚线为理论值,实线为 回归值.由图5可知,虽然两直线有一定偏差,但趋向相同,能满足本设计的要求. 4结论 在8098单片机控制下,系统实现了自动数字移相和数字处理.实验结果表明本系统能测 出淹没在噪声中的有用信号,并达到了较高的技术指标.由此表明本文所研究的同步外差相 敏检波器用于微弱信号检测技术中是可行的. 参考文献 1王绍纯.自动检测技术,北京:冶金工业出版社,1985 2陈佳圭,微弱信号检测.北京:中央广播电视大学出版社,1987 3李惠定,陈佳圭.同步外差相敏检波器.中国科学技术大学学报,19829):89~95 4徐叔平等.智能化专用相关器.上海科技大学学报,1990(1)少:35~43 5 Meade M L.Lock-in Amplifier.London:Peter Pereqrinus Ltd,1983
李 秀志等 水 晶生长 两级计算机控制系 统 在 实 时多 任务操作 系 统 的运行 环境下 , 几个任务有 机 的配合 , 响应速度较快 控制算法合理 , 在 实验 中控 制 小 惯 性 环 节 时 , 控 制 精 度 为 士 ℃ , 现 场 运 行 中 达 到 士 ℃ , 满足 了现 场要 求 参 考 文 献 李 秀 志 , 倪 忠远等 微机温度控制系统 一下位机硬件设计应用 计算机科学技术与应用 , 一 李 秀志 , 倪 忠远 通 讯板 乡科 的使用及通 讯软件 的编制 电子技术应用 , 卯 一 播新 民 微型 计算 机控制技术 北京 人 民邮电 出版社 一 , 一 上 接 页 系统线性度 输人为频 率 的正 弦信号 , 无 噪声 输 人 , 由数 字 电压 表 测 出输 出结 果 把 此 结 果 用 线性 回 归分 析方 法分 析输 人 与输 出特性 的线性 度 , 如 图 所示 图 中虚 线 为 理 论 值 , 实 线 为 回 归值 由图 可 知 , 虽然 两 直 线有 一 定 偏 差 , 但 趋 向相 同 , 能满 足 本设计 的要 求 结论 在 单片机控制 下 , 系 统实现 了 自动数字移相 和 数字处理 实验结果 表 明本 系 统 能 测 出淹 没在 噪声 中的有 用 信 号 , 并 达到 了较 高 的 技 术 指 标 由此 表 明本 文 所 研 究 的 同步 外 差 相 敏检波器 用于 微 弱信号检 测 技术 中是 可行 的 参 考 文 献 王 绍纯 自动检测 技术 北京 冶金工 业 出版社 , 陈佳圭 微弱信号检测 北京 中央广播 电视大学 出版社 , 李惠定 , 陈佳圭 同步外差相 敏检波器 中国科 学技术大学学 报 , 一 徐叔平等 智能化专用相 关器 上 海科技大 学学报 , 叭〕 一 一 卿