（控制理论与控制工程专业论文）基于PCBased的液位监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍了一种基于p c b a s e d 的水箱智能控制系统，用以提高化工生产中水罐液 位的控制速度。本文以液位控制系统为研究对象。常规p i d 控制器以其算法简单，鲁棒 性好等特点被广泛应用于工业过程控制中，但是存在一定缺限，它不能根据被控对象参 数的变化作出动态调整。而在液位控制系统中，常常存在大滞后、时变、非线性的环节， 针对这样的系统，传统的p i d 控制不能满足控制要求，所以将不需要精确数学模型的模 糊控制技术与传统p i d 控制技术相结合，利用各自的优点，对水箱液位进行控制，具有 一定的实用价值。 本论文对p i d 控制器、模糊控制器和自学习模糊控制器的原理、特点、构成，进 行了一定的研究，总结其利弊，设计出混合型智能控制方式，通过实验验证其有效性， 并实验结果进行分析和总结。 该控制系统主要利用b e c k h o f f 总线端子系统，完成下位机与上位机的数据传输；采 用了自学习模糊控制和p i 控制相结合的智能控制算法，利用c + + 语言完成控制算法程 序，采集下位机的实时数据在上位显示器中实现在线监控，并实时修改模糊控制规则和 与p i 控制算法切换，实现对水箱的液位控制。在控制程序的编写过程中，利用t w i n c a t 工控软件与v c + + 开发工具进行连接，进行混合编程研究，设计出接口程序、混合智能 控制算法程序和监控界面系统程序。 最后，对p i d 控制器，模糊控制器，混合型智能控制器分别对水箱液位的控制效果 进行比较。实验结果表明，混合型智能控制算法具有较好的快速性和一定的稳态性能。 证明本设计控制效果较好，证明了该算法的有效性。 关键词：t w in e a t 平台；液位控制系统；混合型控制算法 大连交通犬学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t t l l i sp a p e ri n t r o d u c e si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h et a n ko fp c b a s e dw h i c h c a r li n c r e a s et h ec o n t r o l s p e e do fc h e m i c a lp r o d u c t i o ni nw a t e rl e v e l i nt h i sp a p e r 1 i q u i d l e v e lc o n t r 0 1s y s t e mi sr e s e a r c h e do b j e c t t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rh a sb e e nw i d e l y u s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o lw i t hi t ss i m p l e ，r o b u s ta n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r t h e r ei sar e s t r i c t i o n s i tc a nn o tb ec h a r g e dt h ed y n a m i ca d j u s t m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h e p a r a m e t e r so ft h eo b j e c tc h a n g e s i nt h el i q u i dl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，i to f t e nh a sb i gl a g ，t h e t i m e - v a r y i n g ，n o n - l i n e a rl i n k f o rs u c has y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lc a l ln o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc o n t r 0 1 t h e r e f o r e w ed on o tn e e dt ob ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g yw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lt e c h n o l o g y w eh a v et ou s et h e i r r e s p e c t i v ea d v a n t a g e st of i n i s ht h el i q u i dl e v e lc o n t r 0 1 i tw i l lg e tac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e i th a sas t u d yt ot h ep r i n c i p l ea n df e a t u r e so fp i dc o n t r o l l e r s ，f u z z yc o n t r o l l e r s ， s e l f - l e a r n i n gf u z z yc o n t r o l l e r s u mu pi t sp r o sa n dc o n st h a tg e tt h eh y b r i dd e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d s t h ec o n t r o ls y s t e mc a nf i n i s ht h ep cd a t at r a n s m i s s i o nb yu s i n gt h eb e c k h o f fb u s t e r m i n a ls y s t e m i tu s e sas e l f - l e a r n i n gf u z z yc o n t r o la n dp ic o n t r o lo fac o m b i n a t i o no f i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o d t h r n i tu s eo fc + + l a n g u a g et oc o m p l e t ep r o c e d u r e sf o rc o n t r o l a l g o r i t h m ，c o l l e c t sr e a l t i m ed a t ai nt h em o n i t o rt oa c h i e v eo n 1 i n em o n i t o r i n g i tw i l l r e a l - t i m et oa m e n dt h er u l e so ff u z z yc o n t r o la n ds w i t c hp ic o n t r o la l g o r i t h mt oa c h i e v et h e c o n t r o lo fw a t e rt a n kl e v e l w ew i l lh a v eac o n n e c t i o nb e t w e e nt h es o f t w a r ep r o v i d e db yt h e i n d u s t r i a lt w i n c a tc o m p o n e n ti n t e r f a c ea n dv c + + d e v e l o p m e n tt o o l st od e s i g nah y b r i d i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m sa n ds y s t e mc o n t r o l i n t e r f a c e f i n a l l y ，w em a k eac o m p a r i s o na m o n gp i dc o n t r o l l e r 。f u z z yc o n t r o l l e ra n dh y b r i d i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a th y b r i di n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mh a sg o o d s p e e da n dac e r t a i ns t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e i td e m o n s t r m e dt h a tt h ec o n t r o lo ft h ed e s i g ni s b e u e r i tp r o v e si t se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：t w i n c a tp l a t f o r m ；w a t e rl e v e lc o n t r o ls y s t e m ；m i xc o n t r o la l g o r i t h m i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属大连銮通大堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者鲐话碑 日期：二们驴年二月i 日 学位论文作者毕业后去向i 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导：髟痧 日期： z 岳年三月7 日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 鲐伪霹 日期：2 矿了矿年z 月乡日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工、溶液过 滤、化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。双容水箱液位 的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性 及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果，所以本文采用p i d 控制和模糊控制相结合的智能控制方式。 在本文中，以二阶的液位系统为研究对象，以系统的液位为被控制量，主要研究传 统控制、智能控制以及两者相结合的控制方法，论述了p i d 控制器、模糊控制器、自学 习模糊控制器以及p i d 控制与自学习模糊控制相结合的智能控制器的设计和实现，重点 开发出了能对上述控制算法进行可视化的软件控制平台。通过此软件平台，用户可以对 水箱实际液位进行可视化的监控，并通过改变模糊控制规则和控制参数，进行实验研究。 结合传统的p i d 控制和模糊控制的优点，设计出了一种新颖的智能控制器，其具有良好 的控制效果。 1 1 1 智能控制现状与前景 智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相 关的理论与技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论 和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。 ( 1 ) 模糊逻辑控制 模糊逻辑控制论于1 9 6 5 年由l a 扎德( z a d e h ) 首先提出，模糊控制主要是模仿人 的控制经验而不是依赖于控制对象的模型，实现了人的某些智能。如果说。传统控制是 从被控对象的数学模型上去考虑进行控制的，那么，模糊控制是从人类智能活动的角度 和基础上去考虑实施控制的，其设计的核心是模糊控制规则和隶属度函数的确定。模糊 控制不仅在工业控制中获得了广泛的应用，而且也已扩展到其他领域，如地铁的自动化、 交通信号灯及电梯的控制等。 ( 2 ) 学习控制 一个学习控制系统是具有这样一种能力的系统，它能通过与控制对象和环境的闭环 交互作用，根据过去获得的经验信息，逐步改进系统自身的未来性能( l w a l t e r 和 j a f a r r e l l 1 9 9 2 ) 。学习控制一般具有如下特点：一定的自主性、是一种动态过程、有记 忆功能、有性能反馈。它主要用于解决由于对象的非线性和系统建模不良所造成的不确 大连交通大学t 学硕十学伊论文 定性问题，既努力降低这种缺乏必要的先验知识给系统控制带来的困难。学习控制要求 把过去的经验与过去的控制条件相联系，能针对一定的控制局势来调用适当的控制经 验。 模糊逻辑理论在控制领域的应用称为模糊控$ i j ( f u z z yc o n t r o l ，f c ) 。模糊控制是智能 控制的一个活跃的研究领域，凡是无法建立模型或难以建立模型的场合都可以采用模糊 控制技术。模糊控制器以模糊集合理论为基础，模拟人的知识表达、知识推理方法，其 基本组成部分包括：模糊化、模糊控制规则、模糊推理和精确化。模糊控制是一种类人 智能控制，可以实现非线性控制，可以得到比常规控制更优良的控制品质，能实现对复 杂系统的控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要 组成部分。同传统控制相比，模糊控制的突出特点在于： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场有经验 的操作人员或有关专家的经验、知识，或者操作者在操作过程中的操作数据及被控对象 的运行数据等。 ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适用于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系 统等复杂系统。 ( 3 ) 为“语言型”控制，由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规 则，易于形成专家知识库。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理，推理过程模拟人的思维过程，由于基于人类的 经验，因而能够处理复杂系统。 模糊控制要有较好的控制效果，必须有完善的控制规则，对于某些复杂的控制系统 有时难以总结完善的经验，并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰影响时都 会影响模糊控制效果。 纵观智能控制产生、发展的历史背景与现状，其研究中心始终是解决传统控制理论、 方法所难以解决的不确定性和复杂性问题。虽然智能控制出现的时间不长，但取得了可 喜的成果和成绩。总的来说，智能控制在以下几个方面要加强工作： ( 1 ) 扩宽实际应用范围，提高实时控制能力。 ( 2 ) 解决知识获取和优化的瓶颈问题，特别是动态系统的知识获取和分类。 ( 3 ) 智能的提高，不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于部分之和”，只靠非 线性效应是不够的。 ( 4 ) 加强各种智能控制方法结合以及同传统控制方法结合研究，注意开展对照研究， 同时要加强对智能控制学习问题的研究工作。 2 第一章绪论 智能控制已广泛地应用于工业、农业、军事等多个领域，已经解决了大量的传统控制 无法解决的实际控制应用问题，呈现出强大的生命力和发展前景，随着基础理论研究和实 际应用的不断扩展，智能控制将会在控制领域中产生的一个大的飞跃。 1 1 2p c b a s i c 控制技术及应用 p c b a s e d 是一种基于p c 技术的控制系统。最早的p c b a s e d 控制系统是以工控机 为核心，通过扩展带p c i 接口的专用板卡组成。p c b a s e d 借助于i t 技术的发展，在运 算、存储、组网和软件开放性方面具有优势。 长期以来，p l c 活跃于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设 备提供了非常可靠的控制应用。随着工业计算机即i p c ( 与普通的计算机相比，它具有 防尘、防振、抗电磁、耐高低温等优点) 软、硬件技术的迅速发展，工控领域国际编程 标准i e c6 11 3 1 3 的制定和推广，以及因特网时代的到来，p c 控制开始应用于自动化 控制设备，由于p c 具有高性能、低价格、系统开放等优势，因此p c 控制技术具有很 强的生命力，发展极为迅猛。p c 控制不仅具有p c 的优势，也具有传统p l c 的优势。 基于p c 的控制技术有以下优势： ( 1 ) 具有开放标准的系统平台和p c i 接口，可以不断升级操作系统，通过多个供应 商的元件来优化系统性能、处理速度、控制模块。能够很方便的和各种通用的通讯网络 和现场总线相连，在i o 硬件的选择上非常灵活。 ( 2 ) p c 具有高速的c p u 和大容量的内存、硬盘，使得p c 控制方案在大规模的、 具有大量控制和需要复杂数学运算的应用中具有绝对的优势。 ( 3 ) 借助于i t 技术的发展，在运算、存储、组网和软件开放性方面具有优势，运 行在p c 上的控制软件能够很方便的与其他程序交换数据，这样用户可以根据控制的要 求构造自己的应用环境。 ( 4 ) p c 控制适应了现场总线技术的发展要求，不仅有技术上的优势，也降低了系统 硬件成本和开发资金。 1 2 选题的目的和意义 过程控制涉及炼油、化工、发电、冶金、造纸、医药和轻工等工业部门，对国民经 济的发展起着十分重要的作用。过程控制涉及的对象一般具有过程复杂、系统大和安全 性要求高等特点，对自动化要求比较高，自动化程度发展也比较快【2 】。 过程控制的发展经历了从常规仪表( 包括气( 液) 动和电动仪表) 到集散型计算机控制 系统( d c s ) 的发展过程，进入2 0 世纪9 0 年代，企业的自动化向着以计算机网络为基础 的计算机集成系统的方向发展。从系统的功能角度看，连续过程工业自动化由过去的以 大连交通人学t 学硕十学位论文 保证平稳生产为目标的简单控制装置发展到考虑过程非线性、时变性和祸合性等因素的 先进控制系统【3 巧】。随着科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈，企业把注意力集中到 如何形成一个能适应生产环境不确定性和市场供求多变性的、具有高柔性、全局最优、 高经济效益和高管理水平的，集生产与经营管理于一体的综合自动化系统，也就是连续 生产过程的计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，亦称计 算机综合处理系统c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o c e s s i n gs y s t e m ) 。连续过程i 业的c i m s 完 全摆脱了传统的“孤岛”式的自动化模式，它以计算机的硬、软件系统的集成为基础，实 现企业生产信息和管理信息的集成，控制功能、计划调度和管理决策功能的集成，使企 业成为一个整体，有机、协调地运行，从而创造最好的经济效益和社会效益。 在现代化的大型企业中，尽管过程控制采用了先进的d c s 系统，但绝大部分的控 制回路仍采用比例积分和微分。据有关资料介绍，在连续工业过程的控制中，8 5 9 5 的控制回路采用p i d 控制，约有5 1 5 的控制回路是常规p i d 控制所不能奏效或效果 不好的，而必须采用高等过程控制策略。高等过程控制a p c ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ， 亦称先进过程控制目前尚无严格而统一的定义。习惯上，将基于数学模型而又必须用计 算机来实现的控制算法，统称为高等过程控制策略。如补偿控制( 包括s m i t h 补偿控制、 前馈控制等) 、模糊控制、预测控制、自适应控制、多变量控制、非线性控制、分布参 数控制等。广义地讲，质量预估、过程优化和动态系统故障诊断也可列入高等过程控制 的范畴【6 期。 这些先进控制方法的实现，无不依赖于计算机的参与。换言之，先进的控制算法( 软 件) 和执行、检测部件( 硬件) 是对复杂过程对象进行有效控制的前提与保障。而本设 计的基本出发点便在于构建一个基本的计算机控制软硬件平台，并在其基础上对一些控 制算法进行分析和比较。 模糊控制是近二十多年来发展起来的一门新兴技术学科，它己经在许多生产过程， 如化工、建材、冶炼、家电等，得到广泛和成功的应用，但随着所要研究设计的控制系 统日益复杂化，控制任务多样化，而控制要求也愈来愈高，因此一些基本的模糊控制系 统，已不能满足控制要求，往往对被控系统的控制需要多种控制方法的结合才能实现。 如自组织模糊控制系统、智能模糊控制系统等。这些模糊控制系统不仅能实现控制，而 且还能模仿人的思维，可以对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效的控制1 1 0 - 1 3 。 本论文所研究的液位过程控制系统，通过对该系统的分析与研究，能够掌握现实工 业系统中过程控制的实际特性。该系统所设计的控制器对工业过程的控制具有一定的指 导性的意义。 4 第一章绪论 1 3 论文的研究内容 ( 1 ) 设计液位的上位机监控界面，实现对水箱的实时监控。 ( 2 ) 掌握p i d 控制、模糊控制的特点、编程方法。掌握液位控制系统特点，并进一 步研究p i d 控制与模糊控制相结合，实现水箱液位的智能控制。 ( 3 ) 了解并掌握t w i n c a t 工控软件的编程和调用方式，并利用p c 研究水箱液位控 制系统的监控系统。 ( 4 ) 软硬件调试。利用实验室资源：a c s k 实验系统，t w i n c a t 软件等进行软件调 试，并将实验结果与理论推导作比较，进行概括和总结。 人连变通大学i 。学硕士学化论文 第二章微机过程控制系统的组成 2 1 微机过程控制系统简介 微机过程控制系统采用的是a c s k 型过程实验系统，这是基于工业过程对象的物理 模拟对象，它集成自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多 功能实验装置。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识， 单回路控制，串级控制，比值控制等多种控制形式。 2 11 系统组成 该系统由“对象系统、控制系统、监控系统及通讯系统”等组成。对象系统由铁质 亚光喷塑框架、不锈钢管路、透明双容水槽、加温锅炉、储水槽、进口水泵、流量变送 器、压力变送器、液位娈送器、温度变送器、进口电动执行机构与调节阀等组成，整个 系统采用透明敞开式设计方案。如图2 1 所示。 ”箩。丽， = i ，一一一霹j k l 麓增? 季著型爹4 p ”蘸 。 。：奏熟7 套戳i + = _ 。：冬黩罄_ ，嘉燕虽：。 本设计是通过对控制器的设定调节柬实现对双容水箱的水位控制。具体步骤为：启 动水泵2 ，并保持阀门1 打开，水由水箱一流入水箱二，通过压力传感器2 实时监测， 数据通过b e c k h o f f 总线端于1 - 传到上位机，实现对水箱2 的液位控制。 控制系统采用“b e c k h o f f 总线端子系统+ p c + 通讯”的控制方案，涵盖了“通讯、 p c b a s e d 自动化、智能控制、智能检测、上位监控、信息处理”等多种先进技术，提供 第二章微机过程控制系统的绢成 了自动化综合实践与创新设计的技术环境。采用v c + + 编程上位监控组态软件，实现系 统的工艺图形组态、功能组态、数据库组态、实时监控、动画连接、趋势显示、远程控 制等功能。 2 1 2 控制对象 由不锈钢储水箱、上、下两个串接有机玻璃长方体水箱、2 5 千瓦电加热锅炉( 由 不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成) 、不锈钢管道组成。 2 1 3 压力变送器的设计 变送器是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议 方式输出的设备。 a c s k 型过程试验系统采用的是上海天沐自动化仪表有限公司生产的n s i 型指针 显示系列压力变送器。 本压力变送器是电容式压力变送器。被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作 用在6 元件( 即敏感元件) 的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量 膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时， 致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和 解调环节，转换成与压力成正比的信号。 技术参数： 工作温度范围：- 4 0 8 5 量程：2 5 k p a 过载能力：2 倍 工作电压：2 4 v d c 输出信号：4 , - - 2 0 m a 电气连接：接线端子 2 1 4 电磁阀的设计 在控制水箱流量时选用的是霍尼韦尔公司研制的m l 7 4 2 0 a 型电磁阀。具有精度高、 技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强大、可靠性高、操作方便等优点。 技术参数： 电源：2 4 v a e ( 正负1 5 ) 5 0 h z 6 0 h z 功耗：7 v a 最大( 2 4 v a e l 输入信号：0 1 0 v d c 或2 1 0 v d c 7 大连交通人学t 学硕十学何论文 信号源输出阻抗：1 千欧姆 负载：最大l m a 轴杆推力：6 0 0 牛顿 执行器行程：2 0 r a m 环境温度：1 0 至5 0 最大阀介质温度：1 5 0 c ，若介质温度超过1 5 0 ，需用高温组件4 3 1 9 6 0 0 0 0 0 i 0 0 2 ， 温度范围扩展到2 2 0 2 1 5 水泵的设计 本设计采用u p a 泵，封闭转子式，即泵和电动机形成一个整体，没有轴封，仅有 二个密封挚圈。结构特点：陶瓷轴和径向轴承；碳质推力轴承；不锈钢转子罩和轴承挡 板；叶轮用耐腐蚀材料制成；泵壳用铸铁制造并经环氧树脂处理。 技术参数： 液体温度 系统压力 功率范围 连接方式 + 2 + 6 0 p n6 ( 6 b a r ) 1 2 0 w 6 分转4 分接头 接口两端距离：1 6 0 m m 泵体：铸铁+ 环氧树脂电泳 最高扬程：9 m 最大流量：2 t h 额定扬程：7 5 m 额定流量：0 5 t h 2 2b e c k h o f f 控制平台 德国倍福电气有限公司( e l e k t r ob e c k h o f fg m b h ) 下属的倍福工业电子部多年来开发 生产了一系列工业自动化产品，包括高品位的工业p c 和操作员面板，紧凑型现场总线 p l c ，现场总线输入输出系统( i p 2 0 和i p 6 7 ) ，各种总线接口卡，支持现场总线的伺服电 机和驱动器，基于p c 的工控软件( t w i n c a t ) ，基于光缆的现场总线( b e c k h o f f l i g h t b u s ) 盘莹 寸o b e c k h o f f 为自动化的各个领域提供完整的系统解决方案。b e c k h o f f 生产工业计算机、 现场总线组件、驱动技术和t w i n c a t 自动化软件构成一套完整的、相互兼容的控制系 统，提供了一种开放式自动化解决方案。控制结构、安装排序如图2 2 、2 3 所示。 8 第二章微机过稃控制系统的组成 图2 2b e c k h o f f 控制平台 f i g 2 2b e c k h o f f c o n t r o lp l a t f o r m 模拟量输入模拟量输出数字量输入模数字量输出模 名称耦合器 结尾端子 模块模块块块 k l 3 0 5 2k l 4 0 2 2k l l 4 0 8k l 2 4 2 4k l 9 0 1 0 型号 b k 8 0 0 0 2 通道2 通道8 通道4 通道奉2不接线 信号+ 2 4 v 供电4 - 2 0 m a4 2 0 m a3 m s+ 2 4 v 2 a + 2 4 v0 v15l 5 l 2l2 接 oooooooooo i n p u h i n p u t 2 o u t p u t lo u t p m 2l n p u t li n p u t 2 d o ld 0 2 + 信号+ 信号+ 34 o o 26 26 oooo oo oo i n p u t 3m p m 4 + 2 4 v+ 2 4 v + 2 4 v+ 2 4 v 56 oo oo oo 37 37 i n p u t 5i n p u l 6 oo oo 7 834 j - 一 0 v0 v g n dg n doo oo 线 oo l n p t l t 5 7 i n 咖喀 d 0 2 3d 0 4 站号为1 ，第 功 一个小开关 能 拨到1 ，第2 个拨到0 图2 3b e c k h o f f 总线端子安装排序图 f i g 2 3b e c k h o f fi n s t a l ls k e t c hm a p 9 _ 人迕交通夫学1 学硕士学位论文 221b e c k h o f f 总线端子系统 b e c k h o f f 总线端于是一种独立于现场总线的丌放式i o 系统，由电子端于排组成。 电子端于排的核心是带现场总线接口的总线耦合器。此总线端子系统由总线耦合器、总 线端子数字量i o 、总线端予模拟量i o 组成。可实现对下位机模拟量、数字量信号的 采集和拧制。 该总线端子系统由下列模块端子组成： ( 1 ) 总线耦合器b k s 0 0 0 ：2 4 v d c 供电；模块端子如图2 4 所示。 辙。_ 喜誊 一鼾* rl i 品l - 鼹_ 4 h i l = j 型 “翟 l ) 自i 皇城辅舍器电强 输 电强融点 酗2 5 总线耦台器b k 8 0 0 0 电源接线示意幽 f i g2 5 t h ec o n n e c t i o no f p o w e rs u p p l y w i t hb u s c o u p l e r s b k 8 0 0 0 篓三耋堡丝! 堡苎型至丝塑堡鏖 b k s 0 0 0 是整个b e c k h o f f 智能化控制模块的核心，程序的编译下载和运行就是通过 这部分完成的，它是连接上位p c 和现场的桥梁，是各种控制信号和反馈信号的中转站， 因此不管采用什么样的控制功能模块，总线耦台器都是必不可少的。总线耦台器b k 8 0 0 0 采用r s 4 8 5 ( v 2 4 ) 规范的物理层协议进行数据传输。带串行接口的总线耦合器适用于那 些不需要现场总线系统的应用中。可在很多自动化设备中使用r s 4 8 5 ，通过串口与总线 耦合器通讯。通过开放式的文本协议进行数据交换。 f 2 ) k l 3 0 5 2 ：4 路4 - 2 0 m a 模拟量输入端子，4 - 2 0 m a d c ；模块端子如图2 6 所示。 ， * f 一一 f tl e m 1 一一一“l e d i i f 1 i 一 矗 # e l t 2 4 广 一一 j d v l 一- 一 | l i t m 一 篮趾 ； _ _ 图2 6 模拟量输入端子k l 3 0 5 2 示意幽 f i g2 6t h el o o p - p o w e r e di n p u t t e r m i n a l k l 3 0 5 2 模拟量输入端子用于给现场测量传感器供电并将模拟量测量信号在电隔 离的状态下被传送到上一级自动化设备。端子通过电源触点为传感器供电。电源触点既 可以标准方式供电也可通过带隔离的电源供电端子( k l 9 x x x ) 供电。输入电子电路 与电源触点的供电电压分离。州导轨”作为输入的基准电位。运行l e d 显示该端子与 总线耦合器之问的数据交换状态。故障l e d 指示过载和断线。 ( 3 1 k l 4 0 2 2 ：4 路4 - 2 0 m a 模拟量输出端子。4 2 0 m a d c ；模块端子如图27 所示。 。 叁堡耋堡查! ：! ：兰堡：! 兰堡兰三 口 h t 口lr d 7 m 1 i i 一n 7 h 一 j 一 v ，一 - 自_ 一1 i j j 咀 j 。i 一r , u l 盛跹 j 硅 图27 模拟量输出端k i a 0 2 2 示意图 f i g27 t h ea n a l o g o u t p m t e r m i n a l k l 4 0 2 2 模拟量输出端子输出模拟量信号信号范围为0 4 到2 0 m a 。可为处理层提 供分辨率为1 2 位的电气隔离信号。端子的输出通道有一个直流2 4 v 电源的公共接地电 位端e 输出端由2 4 v 电源供电。k l 4 0 2 2 台两个通道。运行l e d 显示端子与总线耦台器 之问的数据交换状奄。 ( 4 ) k l l 4 0 8 ：8 路丌关量输入端子：模块端予如图2 8 所示。 蕤墓三臣鬟嚣 堕i 、j l l , k 2 a i , k3 t i 一 l r 。6 q 。 【：葡 # 5 # 一! 一- 6 f 一 - “7 i l i 一- 日” 逝 蛾 幽2 8 数字封输入端子k l l 4 0 8 示意图 f i g2 8 t h e d i g i t a li n p u t i e r m i n a l 篁三塞垡当垫! 丝! ! 至垒塑璺垡 数字量输入端子k l l 4 0 8 从现场设备获得二进制控制信号，并匕l 电隔离的信号形式 将数据传输到更高层的自动化单元。每个总线端子含8 个通道，每个通道都有个l e d 指示其信号状态。它们特别适合安装在控制柜内以节省空间。通过使用单端连接技术， 可在最小的空间里，用最少的导线连接多通道的传感器。闭环内的所有电源触点均连通， 所有输入通过o v 电源触点接地。 ( 5 ) k l 2 4 2 4 ：8 路开关量输出端子：模块端子如图2 9 所示。 k l 2 4 2 4 数字量输出端子连接与执行嚣电气隔离的二进制2 4 v 控制信号。每个总线 端子含4 个通道，每个通道都有一个l e d 指示其信号状态。另外，4 通道总线端子可以 直接连接四个2 线制执行器，提供四个接地点。 ”3 一盛“ r 目t ，臻 | 茎2 9 数字量输出端k l 2 4 2 a 示意图 f i g2 9 t h ed i g i t a lo t a p l | f t e r m i n a l ( 6 ) k l 9 0 1 0 ：结尾端子，构成模块闭路。模块端子如图21 0 所示。 k l 9 0 1 0 总线末端端子用于总线耦合器和总线端子之间的数据交换。每一个站都可 在右侧使用k l 9 0 1 0 作为总线末端端子。 这些功能模块可以通过r s 4 8 5 与上位机进行通信及数据交换：接收控制量，并将控 制量送给控制对象的执行机构；采集现场过程值送入上位机运算，实现实时控制等功能。 一岂k m ： 2 | 一 曩等 f | 一 一 鹋许 蛐 一 一 器_譬“釜= 广l l l 大连交通大学i i 学硕+ 学位论文 l 7 一n “ 百 t i h e = 一l j 7 4 v ；， 蔼 。“_ 出2 ： ，h z i 一i “、。 地f 鞲 图2 1 0 k l 9 0 1 0 示意幽 f i g2 】0 b u s f u n c t i o n t e r m i n a l s 222 上位机与总线端子的通讯连接 总线耦合器b k 9 0 0 0 采用r s 4 8 5 规范的物理层协议进行数据传输。 2 23t w i n c a tp l cc o n t r o l 软件 t w i n c a t 是基于w i n d o w s 的实时控制软件，而w i n d o w s 是非实时性的操作系统， 不能用于实时控制。为此，b e c k h o f f 公司开发了t w i n c a t 实时核它独立于w i n d o w s 系统，并能够和w i n d o w s 并存。由于这个实时核，t w i n c a t 有精确的时基以及对c p u 的优先支配权。t w i n c a t 实时核无需其它硬件的支持，除了标准的w i n d o w s 系统外， 也无需安装第二个操作系统。t w i n c a t 实时任务的循环时间可缩短至5 0 u s ，对于p i l l c p u ，系统反应时间 1 5 u s 。重要的是，即使w i n d o w s 蓝屏死机，t w i n c a t 实时系统仍 可运行，只是用户无法操作。 在p c 上位机中安装德国倍福公司推出的t w i n c a t 工控软件，该工控软件是运行 于w i n d o w sn t w i n d o w sx p 平台下的实时控制软件，可采用v c h 、v b 、j a v a 等多种语 言进行复杂的程序设计，该软件的晟小运行周期可达5 0 微秒。安装t w i n c a t 软件之后， 就可以将配备w i n d o w s n t w i n d o w s x p 操作系统的p c 机提升为具备实时处理能力的控 制器。通过该软件以及p r o f i b u s d p 接口卡就玎咀完成通信参数设定：控制算法实施： 实时数据交换及送出控制量等功能。 t w i n c a t 是基于p c 的p l c 和运动控制，其具体功能如下： ( 1 ) 基于w i n d o w s 的控制和自动化技术 第二章微机过程控制系统的组成 b e c k h o f ft w i n c a t 系统软件可通过多p l c 系统、n c 轴控制系统、编程环境和操 作站，将任何兼容p c “改造”成为一台实时控制器。t w i n c a t 可取代常规p l c 和n c c n c 控制器以及操作设备，并具有以下特点： 一开放式兼容p c 硬件 一i e c6 11 3 1 3 嵌入式软p l c 、软n c 以及软c n c ，基于w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 、n t x p 嵌入版、c e 版 编程和实时运行系统可在同一台p c 上运行，也可在不同的p c 上运行 支持所有通用现场总线接口 支持p c 接口 通过开放式微软标准( o p c ，o c x ，d l l 等) 与用户接口和其它程序进行数据通 讯 ( 2 ) t 丽n c a t 结构 t w i n c a t 系统由实时环境和在开发环境中执行控制程序的实时系统组成，用于编 程、诊断和系统配置。所有w i n d o w s 程序，例如可视化程序或办公软件，都可通过 m i c r o s o f t 的接口访问t 讹c a t 数据或执行命令。 ( 3 ) 实用软件解决方案 t w i n c a t 提供了一种精确的时基，程序可以最高的确定性被执行，而与其它处理 器任务无关。p c 上的实时载荷率可用t w i n c a t 来设置，以此实现预定的操作性能。 t w i n c a t 系统可以显示运行程序的系统负荷。负荷的临界值可以设置，以便能够确保 用于运行程序和w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 的规定运行能力。如果超过该临界值，则产生一 个系统报文。 ( 4 ) 惭n c a t 支持系统诊断 在使用开放式p c 硬件和软件时，一般都需要一些校验：不合适的组件会扰乱p c 系统。b e c k h o f f 在其产品中己集成实时抖动指示器，以便管理员能够快速评价硬件和软 件。运行过程中的系统报文能够指示不正确的状态。 ( 5 ) 启动停止 根据设置，t 诵n c a t 既可手动启停，也可自动启停。由于t w i n c a t 是作为一种服 务集成在w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 中，操作员无需启动系统：只需接通电源即可。 ( 6 ) 重启和数据备份 在程序启动或重启时，t 丽n c a t 会加载程序和数据。为备份数据以及正确关闭 w i n d o w s n t 2 0 0 0 x p ，最好使用u p s 电源。 ( 7 ) t w i n c a t 和“蓝屏” 大连交通大学t 学硕十学何论文 t w i n c a t 系统即使在出现蓝屏死机( b s o d ) 、操作系统崩溃时，也能保持实时能力。 因此，诸如p l c 和n c 等实时任务仍可继续运行，并可使控制过程进入到一个安全状态。 最终还是由编程人员决定是否使用该功能，但请记住蓝屏死机会造成数据或程序损坏。 ( 8 ) 通过报文路由实现全球连接一系统集成了“远程”连接特性 根据操作资源的要求，t w i n c a t 软件设备可分配如下：t 、析n c a tp l c 程序可运行 在p c 上或b e c k h o f f 总线端子控制器中( 微型p l c ) 。报文路由器负责通过t c p i p 接 口管理和分配系统中的所有报文。p c 系统可通过t c p i p 相互连接；总线端子控制器通 过串行接