CN106094756B - 一种基于can总线的山药粉工业生产线监控系统及模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统，包括CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器，具有接收、发送功能并能够完成报文滤波；主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；若干现场设备节点，其连接所述CAN控制器，所述各节点能够独立完成相应的数据处理和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能，同时提供一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，通水温信号、重量信号、浑浊度信号输入模糊控制器计算得到清洗机的清洗时间，实现超精度清洗。

Description

一种基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统及模糊控制 方法

技术领域

本发明涉及一种工业生产线监控系统，尤其涉及一种基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统和一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法。

背景技术

监控系统应用于工业生产设备，以其部署容易，扩展方便、维护成本低等优势，在工业自动化生产中被逐渐应用，在自动化生产线中，由于工艺流程往往比较狭长，横向区域往往没有大量通信节点，难以形成网络。

另一方面，山药粉生工业生产过程中，在加工的不同阶段所加入的佐料不同，粉碎要求不同，所需要控制的参数复杂，且整个生产线每个工作设备不出现空闲又不能出现“堵死”现象，以保证整个生产线连续有序地工作。

发明内容

本发明设计开发了一种基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统，能够直接启动控制器节点对生产设备和环境参数检测，控制开启或关闭生产设备，且基于CAN总线的分布式架构，可以随时添加、删除节点设备，逻辑关系简单，降低了故障率。

本发明还有一个目的是提供一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，通水温信号、重量信号、浑浊度信号输入模糊控制器计算得到清洗机的清洗时间，实现超精度清洗。

本发明的另一个目的是通过设定第二传送带、第二传送带的传送速率和研磨机的功率，以保证产线设备工作的连续性，提高生产效率。

本发明提供的技术方案为：

一种基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统，包括：

CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器，具有接收、发送功能并能够完成报文滤波；

主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；

若干现场设备节点，其连接所述CAN控制器，所述各节点能够独立完成相应的数据处理和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能；

其中，所述主控制模块能够控制所述节点中的一个或多个完成控制传感器的数据采集或监听所述CAN总线通信电路的状态。

优选的是，所述主控制模块包括CAN节点控制器和模糊控制器。

一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，包括：

温度传感器监测清洗机内的水温T，称重传感器检测放入清洗机内的山药重量Q，清洗机内浑浊度ω；

将水温信号、重量信号、浑浊度信号输入模糊控制器计算得到清洗机的清洗时间；

根据去皮机的工作效率和清洗时间，计算第二传动带的传动速率；

设定第三传动带的传动速率，计算研磨机的功率。

优选的是，所述水温信号、重量信号和浑浊度信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

优选的是，所述清洗时间的模糊集为{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示很短，NM表示短，NS表示较短，ZR表示中，PS表示较长，PM表示长，PB表示很长，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

优选的是，所述模糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数。

优选的是，所述第二传动带的传动速率计算公式为：

其中，l为传送带长度；κ为去皮机工作效率；M为传送带单位面积的山药重量。

优选的是，所述第三传动带的传动速率计算公式为

v₃＝l₃Q_allL_wa/K·γ·μe^α

其中，Q_all为去皮机填满山药的总重量；μ为风速；K为玻尔兹曼常数；γ为谷物的复水比；L_wa为标准大气压下，蒸发单位水分所需的热量；λ为风干因数，α为风干因数，其数值为0.36。

优选的是，所述研磨机的功率计算公式为：

其中，η为研磨机筒体体积，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，s为介质质量中心的位移。

本发明所述的有益效果

1、主控制器和控制器节点设于控制箱内，箱内一次元件与控制器之间均设端接专口，接线简单；控制要求变更时，无须变动硬件设备，只需调整软件编程即可，一方面会大大减少了二次元件的数量，另一方面逻辑结构简单，维修简便。

2、对于产线设备的监视信息和控制信息，不论是模拟量还是开关量，均由负责该设备的控制器(下位机)通过专用的接口接入。控制主机(上位机)与控制器(下位机)以及控制器(下位机)之间的通信，则采用CAN总线方式进行，是通过内部总线直接与本系统的控制主机(上位机)共享上述信息。此时，整个生产线系统变成集中管理、分散控制、信息综合、资源共享，一个完全的集散控制系统。

3、本发明提供一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，通水温信号、重量信号、浑浊度信号输入模糊控制器计算得到清洗机的清洗时间，实现超精度清洗。

附图说明

图1为本发明所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统的结构示意图。

图2为本发明所述的山药粉工业生产线设备简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供发明提供的基于CAN总线的山药粉工业生产线监控系统，包括：CAN总线通信电路、主控制模块和控制器节点。

其中CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器，具有接收、发送功能并能够完成报文滤波；

主控制模块，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；

若干控制器节点，其连接所述CAN控制器，各节点能够独立完成相应的数据处理和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能，作为一种优选，控制器节点采用STC15W204S芯片。

其中，主控制模块能够控制所述节点中的一个或多个完成功能调试、功能控制和传感器的数据采集，并能够监听所述CAN总线通信电路的状态；

在上位机控制系统中，各节点独立完成相应的数据采集、处理、存储以及显示等任务，数据通信时各节点是“平等主体”，采用点对点方式通信，同时每个节点均可作为上位机与CAN总线的连接点，其中，主控制模块能够控制控制器节点中的一个或多个工作，CAN总线的软件实现主要由SJA1000的初始化、数据的接收以及发送三个部分构成

下位机软件利用微处理器对山药粉生产设备等数据的采集功能，并且根据上位机的控制指令，控制清洗机和研磨机灯控制系统。通过对CAN总线协议进行软件化实现，完成上、下位机之间的数据显示和控制功能。、

下位机控制系统主要实现两个功能：其一是通过数据采集模块即开度和模拟量的采集，并对检测值分析处理，及时将处理结果输出给CAN总线，交由上位机分析处理；其二是可以实现与CAN总线的通信功能，既可以满足下位机数据实时传送至上位机，也可以满足实时接收上位机下达的控制信号，实现对下位机控制。

作为一种优选，主控制模块包括CAN节点控制器和模糊控制器，其中，CAN节点控制器包括主节点工作模式和从节点工作模式；

当处于主节点工作模式时，通过CAN总线实现主控制模块与控制器节点之间的数据通信；

当处于从节点工作模式时，通过CAN总线实现各控制器节点之间的数据通信。

其中，主节点工作模式包括：主动模式和从动模式；

当处于主动模式时，主控制模块发送数据请求指令，并接收针对数据请求指令返回的数据，对返回的数据进行处理后进行指令应答；

当处于从动模式时，主控制模块被动接收数据，并对接收的数据进行处理后进行指令应答。

如图2所示，山药粉工业生产线包括：第一传送机100、清洗机200、第二传送机300、去皮机400、第三传送机500和研磨机600。

山药粉研磨过程如下：首先，山药经第一传送机100进入清洗机200进行清洗，完成后经第二传送机300进入去皮机去皮，经第三传送机500传送沥干后，进入研磨机600进行研磨，获得山药粉，为保证生产线工作效率，保证产线设备的工作的连续性，设计一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，包括：

温度传感器监测清洗机内的水温T，称重传感器检测放入清洗机内的山药重量Q，清洗机内浑浊度ω；

其中，T、Q、ω的实际变化范围分别为[-30,30]，[-0.5,0.5]，[-1,1]；T、Q、ω的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

则比例因子k₁＝6/30，k₂＝6/0.5，k₃＝6/1

定义模糊子集及隶属函数

把水温T分为3个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，结合经验得出水温T的隶属度函数表，如表1所示。

表1水温T的隶属度函数表

把山药重量Q分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出山药重量Q的隶属度函数表，如表2所示。

表2山药重量Q的隶属度函数表

Q	-6	-5	-4	-3	-2	-1	-0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2
														PS	0	0	0	0	0	0	0	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0
0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0
														NB	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0	0	0	0	0	0	0
NM	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0
														NS	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

把清洗机内浑浊度ω分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出清洗机内浑浊度ω的隶属度函数表，如表3所示。

表3清洗机内浑浊度ω的隶属度函数表

ω	-6	-5	-4	-3	-2	-1	-0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2
														PS	0	0	0	0	0	0	0	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0
0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0
														NB	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0	0	0	0	0	0	0
NM	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0
														NS	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用三输入双输出的方式。

通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数q控制规则见表4。

表4为模糊控制规则表

模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到清洗机的清洗时间，求模糊控制查询表，由于论域是离散的，模糊控制规则及可以表示为一个模糊矩阵，采用单点模糊化，求出模糊控制查询表。

主控制器和控制器节点设于控制箱内，箱内一次元件与控制器之间均设端接专口，接线简单；控制要求变更时，无须变动硬件设备，只需调整软件编程即可，一方面会大大减少了二次元件的数量，另一方面逻辑结构简单，维修简便。

根据去皮机的工作效率和清洗时间，计算第二传动带的传动速率

其中，l₂为传送带长度；κ为去皮机工作效率，其单位为Kg/h；M为传送带单位面积的山药重量。

设定第三传动带的传动速率，v₃＝l₃Q_allL_wa/K·γ·μe^α

其中，Q_all为去皮机填满山药的总重量；μ为风速；K为玻尔兹曼常数；γ为谷物的复水比；L_wa为标准大气压下，蒸发单位水分所需的热量；λ为风干因数，单位为m/K，α为风干因数，其数值为0.36。

计算研磨机的功率，

其中，η为研磨机筒体体积，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，s为介质质量中心的位移。

有益效果

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，包括：

山药经第一传送机进入清洗机进行清洗，完成后经第二传送机进入去皮机去皮，经第三传送机传送沥干后，进入研磨机进行研磨；

温度传感器监测清洗机内的水温T，称重传感器检测放入清洗机内的山药重量Q，清洗机内浑浊度ω；

将水温信号、重量信号、浑浊度信号输入模糊控制器计算得到清洗机的清洗时间；

根据去皮机的工作效率和清洗时间，计算第二传送机的传送带的传动速率；

设定第三传送机的传送带的传动速率，计算研磨机的功率。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述水温信号、重量信号和浑浊度信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

3.根据权利要求2所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述清洗时间的模糊集为{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示很短，NM表示短，NS表示较短，ZR表示中，PS表示较长，PM表示长，PB表示很长，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

4.根据权利要求2或3所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数。

5.根据权利要求4所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述第二传送机的传送带的传动速率计算公式为：

其中，l为传送带长度；κ为去皮机工作效率；M为传送带单位面积的山药重量。

6.根据权利要求5所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述第三传送机的传送带的传动速率计算公式为

v₃＝l₃Q_allL_wa/K·γ·μe^α

其中，Q_all为去皮机填满山药的总重量；μ为风速；K为玻尔兹曼常数；γ为谷物的复水比；L_wa为标准大气压下，蒸发单位水分所需的热量；λ为风干因数，α为风干因数，其数值为0.36。

7.根据权利要求6所述的基于CAN总线的山药粉工业生产线模糊控制方法，其特征在于，所述研磨机的功率计算公式为：

其中，η为研磨机筒体体积，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，s为介质质量中心的位移。