使用 LabVIEW 和 FieldPoint 构建洗碗机洗碗机模糊模糊控制控制开发开发测试测试平台 作者 : 陈健 1, 季鹏余 2, 熊好平职务 : 博士, 技术总监, 经理 1 广东工业大学信息学院, 广东广州,510090 510090, 2 美的洗碗机制造有限公司, 广东顺德,528311 应用领域 : 控制设计开发 产品测试挑战 : 现代洗碗机对测量技术和控制技术都提出了更高的要求, 只有带有高端智能控制技术的洗碗机才能够赢得市场 同时, 随着控制技术的发展, 对于嵌入式控制产品的开发的要求也越来越高, 不仅控制的算法变得更为复杂, 开发的周期日益缩短, 用户对于产品鲁棒性的要求也越来越高 如何利用 现代测量技术对洗碗机洗涤过程的脏污程度进行监控并利用控制设计工具更快开发出高效的模糊控制 技术进行洗涤流程的优化设计成为最大的挑战 应用方案 : 使用 National Instruments 公司的 Compact FieldPoint 控制器及其 I/O 控制模块 LabVIEW LabVIEW RT 和 LabVIEW 控制设计工具包开发这个洗碗机参数测试 记录及模糊控制技术开发平台完成 快速的测量和开发 本平台利用了 LabVIEW 易学易用的特点, 借助了控制设计工具包所提供的功能, 并充分结合 Compact FieldPoint 众多的输入输出模块, 高效地实现了洗碗机模糊控制技术的开发和测试 使用的产品 :LabVIEW; LabVIEW RT; LabVIEW Control Design Toolkit; Compact FieldPoint 平台 : AI-110( 模拟量输入 ) cfp TC-120( 热电藕输入 ) cfp DI- 330( 数字量输入 ) RLY-421 ( 继电器输出 ) CTR -502( 计数器输入 ) PWM-520( 脉宽调制输出 ) 2 介绍研制了使用 LabVIEW LabVIEW RT 及 Compact FieldPoint 的洗碗机模糊控制技术开发测试平台 利用该装置可进行洗碗机洗涤过程参数模拟 水的浊度和温度的检测与记录以及实施洗涤过程的模糊控 制等工作 使用该装置进行了欧洲标准 EN50242 下洗涤过程的浊度测试与记录实验, 了解了洗涤过程中 浊度变化的规律 ; 使用 LabVIEW PID 工具箱中的 Fuzzy Logic Controller 开展了洗碗机模糊控制的研 究, 并开发了一套具有模糊控制功能的自动洗涤程序 正文 1 引言 洗碗机是通过化学 机械和热学方式洗涤 漂洗和干燥餐具 玻璃器皿 其它扁平餐具和烹调用具 的一种机器 传统的洗碗机由机电定时器控制, 但不能根据装载餐具的多少和污染程度的轻重来自动选 择洗涤方式, 所以耗水 耗能大, 三项指标不能达到最佳组合 目前, 高性能 低能耗的高档机将逐步成为市场发展主流 与传统的定时器控制的洗碗机相比, 高 端智能控制的洗碗机有下列特点 : 应用浊度传感技术和电导率传感技术对洗净情况和洗涤剂的残留情况 进行动态检测, 电子控制器根据探测结果运用模糊逻辑判别功能和其它预先设定的先进判别规则, 最大 限度地修改洗涤参数, 如洗涤时间 次数 温度等, 达到性能指标最优组合 ; 同时洗碗机根据负载量决 定进水量, 保证洗净性能, 并利用前次洗涤产生的热量加热后一次漂洗循环的水, 从而节约电能 为了快速开发出这种带有高端智能控制功能的洗碗机, 我们研制了一个通用的基于 Compact FieldPoint 的洗碗机开发测试平台 在此平台上实现洗碗机的工况模拟 洗涤过程的浊度 电导率 温 度等信息的检测与监控以及模糊智能控制技术或其它先进控制技术的开发等功能 Compact FieldPoint 是介于可编程控制器 (PLC) 和个人计算机 (PC) 之间的新一代工业自动化解决方案, 称为 PAC (Programmable Automation Controller) 可编程自动化控制器 与基于单片机的开发系统和基于可编 程控制器 (PLC) 的开发系统相比, 既具有 PLC 的实时性 可靠性, 同时也具有信号分析与处理能力强 可以实现实时控制 数据记录与显示以及快速通信等功能 软件方面我们一方面利用 LabVIEW 强大的 传统的信号分析与处理功能, 一方面通过增加实时处理模块 LabVIEW Real Time Module, 将任务区分为 1
最高优先级和普通优先级, 实现最高优先级的实时控制任务以及普通优先级的数据处理 记录和显示等 任务 2 开发测试测试平台的组成及功能 综合测试与控制装置的控制系统框图及实物如图 1 和图 2(a) (b) 所示, 由洗碗机样机 电控柜 控制计算机及传感系统等硬件以及以 LabVIEW 开发软件两大部分组成 上位计算 机实 现数据显示 记录 Ethernet 2010 嵌入 式控 制器 DI-33 0 数字量输入模块 TC- RLY- 421 继电器输 出模块 502 计数器输入模块 PWM -520 脉宽 调制输出模块 AI-11 0 模 拟量输入模块 cfp CTR- 120 温度输入模块 图 1 洗碗机测试及开发控制系统框图 图 2 (a) 以 cfp 控制器为核 心的计算机控制装置 图 2 (b) 安装有浊度传感器 的洗碗机样机 图 3 浊度传感器特性及标定实验曲线测试开发测试平台使用的洗碗机样机是从机械定时器程控式的洗碗机改装的 在改装好的洗碗机样机上安装浊度传感器 脉冲流量传感器等 通过对浊度传感器的信号输出及浊度进行标定实验可以得到 2
分别使用空气和自来水作浊度传感器的介质时, 管式和非管式浊度传感器的输出值 ( 电压 ) 与发射端输入电流的关系曲线 ( 如图 3) 开发装置的电气控制以 NI 的 Compact FieldPoint 控制器及其 I/O 输入输出模块为核心, 以及浊度传 感器信号处理电路及各种信号驱动和放大电路等组成 2010 控制器内置实时操作系统, 内存为 32MB, 存储器为 64MB, 使用一块 8 槽的总线底板将控制器与各 I/O 模块连接, 各模块的功能如下 : AI-110 为模拟量输入模块, 连接洗碗机中安装的浊度传感器 cfp TC-120 为热电藕输入模块, 连接安装在洗碗机中的热电藕 cfp DI- 330 为数字量输入模块, 将洗碗机中的开关信号如门开关 水位开关等送入计算机 RLY-421 为继电器输出模块, 用于控制洗碗机各执行器件的动作 CTR -502 为计数器输入模块, 对洗碗机中脉冲流量计进行计量, 以确定每次洗涤循环的进水量 PWM-520 为脉宽调制输出模块, 用于调节洗碗机中浊度传感器的发光二级管的电流大小 2010 控制器通过内置的以太网接口与上位计算机通讯及交换数据 开发软件选用 NI 的 LabVIEW 开发者套件,LabVIEW 是优秀的图形化开发语言, 除了基本的数据采集与分析 测试及控制等功能外, 通过 LabVIEW 的各种附加模块大大扩展了 LabVIEW 的应用范围 通过附加模块 LabVIEW RT 可实现实时控制功能, 通过 PID 工具包可实现模糊控制等先进控制算法, 且由于采用图形编程功能, 其前面板能提供方便 易用 美观的人机接口 使用中, 将在 LabVIEW 中 开发的程序下载到 Compact FieldPoint 控制器然后运行它 这个程序由两个子程序组成, 一个是具有最 高优先级的测试及控制子程序, 满足实时性的要求 ; 另一个是具有一般优先级的数据通讯子程序, 用于 在最高优先级子程序和上位计算机之间进行数据传递 研制的开发测试平台具有以下功能 : 1 对现有的洗碗机进行时序检测 ; 2 可以检测整个洗涤过程中浊度 电导率 温度等的变化规律 ; 3 利用 LabVIEW 软件附加的 PID 模块 Fuzzy Logic 模块 以及 Advanced Control 模块可以进 行有关模糊控制技术以及其他先进控制技术的应用研究 3 洗碗机模糊控制算法 模糊控制技术由于不需要精确的数学模型以及能根据日常的经验进行推理判断的能力而在家用电 器如空调 洗衣机 电饭煲等获得了广泛的应用, 显著提升了家用电器的性能 本文尝试了利用研制的 开发平台把模糊控制技术应用到洗碗机的开发中, 利用 LabVIEW 的 PID 工具包中所带的 Fuzzy Logic Control Toolbox 建立模糊控制规则 从而使洗碗机具有节约能源 减少洗涤时间及减少耗水量的目的 3.1 模糊控制变量变量的制定 在洗碗机洗涤过程中, 通过安装在洗碗机水杯处或者循环泵出口管路处的浊度传感器以感测洗碗机内水的脏物程度, 从而以此决定洗涤时间的长短 进水量的多少 加热温度的高低等 洗碗机内水的赃污程度与洗涤时间 进水量及加热温度等这些参数的关系是复杂的非线性关系, 而模糊集合不需要精确 的数学模型就可以较好地描述这些复杂的非线性关系 本项目从节约能源的目标出发, 对洗涤过程中主 洗阶段的加热温度进行模糊控制 在洗碗机载荷较少 洗涤水不是很脏的情况下, 主洗加热温度可以低一些 ; 而载荷较大 洗涤水脏的情况下主洗的加热温度要高一些 他们之间的非线性关系用模糊推理来描述 选择浊度传感器检测的信号为输入量, 根据实验分为最脏 非常脏 一般脏 不太脏和干净等五个阶段 ; 以主洗过程的加热温度为输出量, 分为最低温度 较低温度 正常温度 较高温度以及最高温 度等五个阶段, 并建立相应模糊控制算法 3.2 建立相应的模糊控制规则 根据对实际的洗涤过程的观察 洗涤过程参数测试值的分析, 制定如下的模糊推理规则 : 如果洗涤水最脏则需要加热到最高温度 3
如果洗涤水非常脏则需要加热到较高温度 如果洗涤水一般脏则需要加热到正常温度 如果洗涤水不太脏则需要加热到较低温度 如果洗涤水干净则需要加热到最低温度 在建立了模糊控制的规则后, 就可以利用 LabVIEW 的附加工具模块 PID Toolbox 的 Fuzzy Logic Control Toolbox 仿真输入输出关系, 进行离线或者在线的模糊控制应用 4 测试结果与分析 在研制好的测试开发平台上, 进行了有关洗涤过程中浊度的检测及记录实验以及根据前面建立的模 糊控制规则进行的模糊控制洗涤实验 实验是按照欧洲标准 EN50242 的要求进行的 所用的污染物为标 准污染物 实验中洗碗机的洗涤过程按照预定的时序进行, 即预洗 - 主洗 - 预漂洗 - 漂洗 - 干燥过程 在测试 时, 洗涤过程为洗涤 3 分钟然后停止 1.5 分钟, 这样停止阶段检测的浊度值为静态检测值 要使用浊度传感器的检测值实现对主洗过程加热温度的模糊控制, 就必须了解洗碗机洗涤过程中洗 涤水的浊度变化规律, 因此编制了检测浊度的 LabVIEW 程序 图 4 为在开发平台上测量并记录得到的 浊度变化曲线 横坐标为洗涤时间, 纵坐标为浊度检测值 浊度检测值的大小为一 0-5V 的电压值, 数值越大表示洗涤水越干净, 越小越脏 而曲线的上部数值较大, 是静态测量值 ( 洗涤停止状态 ); 曲线下部数值较小, 是动态测量值 ( 洗涤进行状态 ) 浊度检测的位置分别为位于洗碗机水杯处和洗碗机洗涤泵出口处 从图 4(a) 及图 4(b) 可以看出, 静态测得的浊度值比动态测得的值要大很多, 说明静 态时由于颗粒的沉淀水变得比较干净 图 4(a) 洗涤过程浊度变化曲线 图 4(b) 洗涤过程浊度变化曲线 ( 洗涤泵出口处 ) ( 水杯入水口处 ) 图 5 和图 6 为采用模糊控制规则的洗涤程序测试得到的检测结果 实验时餐具为满足欧洲标准 EN50242 的标准餐具, 共 12 套 每次实验时受污染的餐具分别为 1 套 2 套 3 套 12 套, 其余的餐具不污染 图 4 是载荷量与洗净率的关系曲线, 图 5 是载荷量与能耗的关系曲线 从图中可以看出, 采用 模糊控制方法的洗涤程序, 载荷越大, 脏污程度增加, 洗净率虽有所下降, 但与采用一般定时控制的洗涤程序相比其洗净率是相同的, 而能耗如图 5 所示, 在载荷较小时, 其能耗较载荷大时有所下降, 这就达到了当初的设想 : 即在洗净率相同的情况下, 能耗比定时控制程序要低的目标 4
图 5 模糊控制洗净率与载荷关系曲线 图 6 模糊控制能耗与载荷关系曲线 5 结论 研制的基于 Compact FieldPoint 的洗碗机模糊控制技术开发测试平台实现了对洗碗机洗涤过程的浊度的采集 记录与分析, 并在此基础上进行模糊控制技术及其它先进控制算法的研究, 此外还实现了对 现有的洗碗机进行洗涤过程模拟的功能 通过在此平台上快速开发和测试模糊控制自动洗涤程序, 进而 移植到实际的洗碗机中, 缩短了开发周期, 为高性能的洗碗机的早日推出市场奠定了一个好的基础 参考文献 [1]Tim Erickson, Mark Wilson, Mike Rhodes, Don Foreman. An Intelligent wash process sensor. Reprinted from Scientific Honeyweller, Sensors Issue, 1996. [2]Tim Erickson. Turbidity sensing as a building block for smart appliances. IEEE Industry Applications Magazine, June, 1997, pp31-36. 5