（控制科学与工程专业论文）实验锅炉系统的远程控制.pdf

摘要 摘要 远程教育是现代信息技术和传统知识库的结合，随着科学技术的发展，作为 远程教育重要领域之一的远程控制实验成为了控制学科远程教育的重要内容，具 有广阔的前景，将i t 技术与实验设备相结合已经成为远程实验教学的重要手段。 论文以中国科学技术大学自动化实验教学中心的实验设备为基础，结合罗克韦尔 公司的一套软硬件设备，建立了实验锅炉远程控制体系。该控制体系不仅实现了 实验锅炉的本地监测与控制，还可以让学生进行异地临境实验，使得学生可以随 时随地的通过访问i n t e m e t 网址进行实验，进而实现了少量贵重实验设备的共享， 大大的提高了实验教学的水平。 在中国科学技术大学自动化实验教学中心，有一套q x s el p c 3 过程控制实 验系统，在此系统的基础上利用罗克韦尔公司的软硬件设备，如c o n t r o l l o g i x 系 统、r s l o g i x 5 0 0 0 、r s v i e w 3 2 、r s l i n x 以及r s n e t w o f o rc o n t r o l n e t 等，建立 了一套过程控制实验系统，设计并实现了实验锅炉系统的本地建模与p i d 控制： 另外，利用o p c 技术和w e b 技术设计实现了实验锅炉系统的远程操作。 本远程操作系统采用r s l i n x 软件作为o p c 的服务器端与本地实验锅炉的软 硬件设备进行通信，由v b 编写并封装成的a c t i v e x 控件作为o p c 的客户端与 o p c 服务器端进行通信，采用a s p 技术编写w e b 服务器，嵌入a c t i v e x 控件后， 用户可以采用普通的i e 浏览器通过下载该控件来实现对该实验锅炉系统的远程 操作。该远程实验系统设计实现了管理员和普通用户两种权限，完成了用户注册、 身份验证、实验时间申请以及实验数据的记录和曲线实时显示等功能，并且通过 传统的p i d 控制对该实验锅炉的远程控制系统进行了验证。 关键词：实验锅炉系统o p c 技术a c t i v e x 控件w e b 技术远程操作 a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t a n c ee d u c t i o ni sac o m b i n a t i o no fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d t r a d i t i o n a lk n o w l e d g ed a t a b a s e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，i ti s t h ei m p o r t a n td o m a i nf o rd i s t a n c ee d u c a t i o no fc o n t r o ls u b j e c tt h a tt h er e m o t ec o n t r o l e x p e r i m e n t ，w h i c hi so n ed o m a i no ft h ed i s t a n c ee d u c a t i o nh a sw i d ef o r e g r o u n d i t b e c o m e sa ni m p o r t a n tt o o lt oc o m b i n ei tt e c h n o l o g yw i t hl a b o r a t o r ye q u i p m e n t sf o r t h ee x p e r i m e n te d u c a t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ti nt h ec e n t e ro f t e a c h i n go f a u t o m a t i o no ft h eu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ( u s t c ) ， i n t e g r a t e dw i t has u i to ff a c i l i t yo fr o c k w e l li n c ，ar e m o t ec o n t r o ls y s t e mo f e x p e r i m e n tb o i l e ri ss e tu pi nt h ed i s s e r t a t i o n 。u s i n gt h ec o n t r o ls y s t e m ，s t u d e n t sc a n i n s p e c ta n dc o n t r o lt h ee x p e r i m e n tb o i l e rn o to n l yi n s i d et h el a b ，b u ta l s oo u t s i d et h e l a b ，a n dt h e yc a nd ot h ee x p e r i m e n ta n y t i m ea n da n y w h e r eb yv i s i t i n gt h ei n t e m e t l o c a t i o n r e m o t el a b o r a t o r yc a l la l s of a c i l i t a t et h es h a r i n go f1a b o r a t o r y e q u i p m e n t t o a c h i e v eas m a l la m o u n to fv a l u a b l e s ，e n h a n c et h el e v e lo ft h ee x p e r i m e n tt e a c h i n g c o n s u m e d l y t h e r ei sas u i to fq x s el p c 3e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti nt h ec e n t e ro f t e a c h i n g o fa u t o m a t i o no fu s t c ，b a s e do ni t ，a p p l y i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee q u i p m e n t o fr o c k w e l li n e ，s u c ha sc o n t r o l l o g i xs y s t e m ，r s l o g i x 5 0 0 0 ，r s v i e w 3 2 ，r s l i n x a n dr s n e t w o r xf o rc o n t r o l n e ta n ds oo n ，as y s t e mo f p r o c e s sc o n t r o le x p e r i m e n ti s s e tu pi nm ed i s s e r t a t i o n t h em o d e l i n ga n dc o n t r o li n s i d et 1 1 e1 a bo ft h es y s t e mo f e x p e r i m e n tb o i l e ri sr e a l i z e d ；a n dt h e n ，a p p l y i n gt h eo p ca n dw e b t e c h n o l o g y , t h e r e m o t eo p e r a t i o no ft h es y s t e mo f e x p e f i m e n tb o i l e ri sc a r r i e do u t b yr s l i n x ，t h eo p cs e r v e rc a l lc o m m t m i c a t ew i t ht h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t u s i n gv b ，a c t i v e xc o n t r o li sc o m p i l e da n dp a c k e da n dt h eo p cc l i e n tc a n i n t e r c o m m u n i o nw i t ho p cs e r v e ri nt h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea s p t e c h n o l o g y ， w e bs e r v e ri sc o m p l e t e d ，w h e nt h ea c t i v e xc o n t r o li ss e ti n u s e r sc a nd o w n l o a di t a n dr e m o t eo p e r a t et h es y s t e mo fe x p e r i m e n tb o i l e rb yc o n l m o ni eb r o w s e r i th a s t w op u r v i e w s ：a d m i n i s t r a t o ra n du s e r s ，a n du s e r sc a nr e g i s t e r , i d e n t i f ys t a t u s ，a p p l y t i m ef o rd o i n ge x p e r i m e n t ，r e c o r dd a t aa n d d i s p l a yc u r v ea n ds oo n ，f u r t h e rm o r e ，t h e r e m o t ec o n t r o ls y s t e mo f e x p e r i m e n tb o i l e ri sv a l i d a t e db yt r a d i t i o n a lp i dm e t h o d k e y w o r d s ：s y s t e mo fe x p e r i m e n tb o i l e r ，o p ct e c h n o l o g y ，a c t i v e xc o n t r o l ，w e b t e c h n o l o g y ，r e m o t eo p e r a t i o n i i 图目录 图目录 图2 1 实验锅炉控制系统结构图7 图2 2 锅炉控制系统的硬件连接图7 图2 1 3 实验锅炉液位控制框图8 图2 4c o n t r o l l o g i x 系统实物图9 图2 5c o n t r o l l o g i x 系统的内部结构图1 0 图2 6 实验锅炉现场设备实物图l l 图2 7 实验锅炉系统的软件通信连接图1 3 图2 8r s l i n x 通信网络配置图1 4 图2 9 实验锅炉的r s n e t w o d 【f o rc o n t r o l n e t 软件配置图1 4 图2 1 0 常闭输入指令( x i c ) 1 5 图2 1 1 常开输入指令( o ) 1 5 图2 1 2 计算指令( c p t ) 1 5 图2 1 3 乘法指令( m u l ) 1 6 图2 1 4 除法指令( d i v ) ，1 6 图2 1 5 传送指令( m o v ) 。1 6 图2 1 6 跳转到子程序指令( j s r ) 1 7 图2 1 7 比例积分微分指令( p i d ) 1 7 图2 1 8p i d 模块在线参数设定图1 8 图2 1 9r s l o g i x 5 0 0 0 的编译环境2 0 图2 。2 0 控制器变量与硬件设备的对应关系2 l 图2 2l 实验锅炉控制主程序2 2 图2 2 2r s v i e w 3 2 软件运行环境2 3 图2 2 3r s v i e w 3 2 软件功能结构图2 3 图2 2 4r s v i e w 3 2 登陆界面一2 4 图2 2 5 锅炉控制系统主界面2 5 图2 2 6 系统实时曲线趋势图2 5 图2 2 7 系统报警图2 6 图3 1 实验锅炉液位示意图2 7 图3 2 由阶跃响应曲线确定k ，t ，f 的图解法2 9 图3 3 实验锅炉液位阶跃响应曲线图3 0 图3 4 实验锅炉液位模型曲线与实际数据的比较3 0 v 图目录 图3 5r s l i n x 中查看设备的连接图3 2 图3 6r s l o g i x 5 0 0 0 模块配置及r s n e t w o r x 在线组态3 3 图3 7r s l i n x 节点设置3 3 图3 8r s l i n x 标签变量设置。3 4 图3 9 用户登陆界面3 4 图3 1o 实验锅炉p i d 控制主界面3 5 图3 1 1 实验锅炉液位p i d 控制曲线图3 6 图3 1 2 实验锅炉系统液位报警记录3 6 图3 1 3k p = 2 ，k i = 0 0 0 0 6 ，k d - - 5 时的仿真曲线图3 7 图3 1 4p i d 控制程序流程图3 7 图3 1 5 锅炉液位的p i d 控制程序3 9 图3 。1 6k p = 2 ，k i = 0 0 0 0 6 ，k d = 5 时实际液位曲线图3 9 图3 1 7 锅炉液位p i d 控制曲线图4 0 图3 1 8m 1 s v 控制量变化图。4 0 图4 1 锅炉远程控制系统结构图4 2 图4 2o p c 接口示意图4 3 图4 3o p c 自动化对象模型的层次结构图4 4 图4 4a s p 编译环境4 7 图4 5 管理员控制主界面图4 8 图4 6 管理员管理新用户界面图4 8 图4 7 管理员添加新用户界面图4 9 图4 8 管理员删除用户界面图4 9 图4 9 管理员管理注册用户界面图5 0 图4 1 0 管理员查看在线用户界面图5 0 图4 1 l 管理员授权用户自主实验界面图5 1 图4 1 2 管理员管理用户时间申请界面图5 1 图4 13 用户远程手动控制实验设备界面图5 2 图4 1 4 用户远程p i d 控制实验设备界面图5 2 图5 ，1 用户远程控制实验锅炉流程图5 6 图5 2 用户远程登陆界面。5 6 图5 3 新用户注册界面5 7 图5 4 用户申请实验时间界面。5 7 图5 5 用户等待界面5 8 图5 6 用户远程操作主界面5 8 v i 图目录 图5 7 实验锅炉远程手动液位控制6 0 图5 8 实验锅炉远程p i d 液位控制。6 1 图5 9k p 为5 时远程锅炉液位变化图6 2 图5 1 0 瞄为0 0 1 时锅炉液位的变化图6 2 图5 1 1 尉为o 1 时锅炉液位的变化图。6 3 v i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：立垩塑f 如) 年多月乡日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 以中国科学技术大学自动化实验教学中心已有的q x s el p c 3 过程控制实 验系统为基础，引进罗克韦尔公司的一系列软硬件设备，建立了过程实验的远程 控制系统，重点是基于o p c 技术和w e b 技术的实验锅炉的i n t e m e t 监控系统的 设计与实现。 过程控制实验系统( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，简称p c s ) 是模拟现代工业生 产过程或对连续性工业生产过程中的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参 数，对其进行测量和控制、观察过程参数变化特性，研究过程控制规律的一类系 统。其任务是通过控制系统的设计和实现来完成的，大致包括：确定控制目标、 选择测量参数( 被调量) 、选择操作量、控制方案的确定、选择控制算法、选择 执行器、设计报警和连锁保护系统。 实验教学是学生在校学习的重要环节之一，实验设备则是必不可少的，它不 仅能为学生提供实践的条件，而且能够培养学生处理现场问题的思维，更重要的 是锻炼了学生手脑并用的能力。在当前高校的过程控制教学中，计算机教学尤其 是计算机控制教学在理工科专业中越来越重要，社会对毕业生的要求也越来越 高，如何能使学生全面系统的掌握现代计算机控制技术及其在工业领域的应用， 成为各个高校首要解决的问题。 锅炉计算机控制技术是- - l - j 以控制理论和离散数学为理论基础、综合了多学 科知识、且实践性很强的专业课，重点是通过各种算法，对被控对象锅炉进行控 制，力求达到理想的控制效果。以前，锅炉控制实验多以手动、目测以及验证性 实验为主，学生很少自行设计，没有达到锻炼学生的目的，更不能很好的适应现 代高校计算机控制相关专业的教学需要及实验教学的发展趋势。另外锅炉的实验 控制是在实验室内进行的，学生必须在规定的时间来到指定的实验室进行实验， 具有很大的局限性。由于实验场地、实验设备以及实验时间和实验人数等条件的 限制，很多学生需要分组进行实验，控制效果不理想，并且不能很好的培养学生 独立思考，独立解决问题的能力。为了提高实验教学效率，以及实验设备的利用 率，平衡各高等院校中实验设备的能力，设计出一套适应现代教育特点和实验教 学发展趋势的实验平台( 金文兵等，2 0 0 8 ) 是必要的。 随着i n t e r n e t 网络和信息技术的发展，网络化实验室成为了发展的主流方向 之一，结合我校自动化实验教学中心的过程控制实验设备，开发出了一套实验锅 1 第l 章绪论 炉的远程控制系统，该远程控制系统能够通过i n t e r n e t 实时的控制、监测本地实 验锅炉的运行状态和数据信息。 1 2 过程控制实验系统的研究现状 当前，国内外不少公司已经意识到过程控制实验系统的重要性，纷纷投入到 其研究中，其中比较成熟的产品包括： 1 德国f e s t o 公司的p c s 系统。 f e s t od i a c t i c 发展至今己有3 0 多年的历史，他们的目标就是在工业自动化域 内建立一个新型的完整的教学培训体系。他们的培训系统包括培训课题、培训内 容及实验装置等，类型很多，具有广泛的适用性。它的实验装置都有相配套的应 用实例，同时配以大量的教学和学习软件、。录像制品及其他学习资料，可以使学 生在最大程度上掌握所学的知识技能。它的过程控制培训系统设备以及模块化的 结构详细地模拟了实际工业生产和加工的过程，系统采用了透明的设计，使每个 控制环节的内部情况变得很清晰。该系统有以下一些功能：可以进行温度、流量、 压力和液位的简单控制实验；扩展对闭环控制的连续测量范围；模拟整套闭环控 制环节：安装、运行、优化和维护；采用p r o f i b u s 总线，实现总线控制系统： 运用调节监控软件对系统进行控制。 2 浙江天煌教仪研制的t h j 2 型高级过程控制系统实验装置。 t h j 2 型系统的组成：过程控制实验对象系统、检测机构、执行机构、智能 调节仪表、上位监控机。t h j 2 型系统的功能：仪器仪表检测实验；教学模型测 试实验；调节阀流量特性实验；温度位式控制实验、温度、压力、流量、液位单 回路控制实验；温度液位、温度流量串级实验。 3 浙大工控的p c t - 1 型过程控制实验装置。 该系统包括流量、温度、液位等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控 制、串级、前馈、比值等多种控制形式。采用目前比较先进的牛顿一7 0 0 0 系列远 程数据采集模块和组态软件。 4 天大测控t d c k 1 型测控技术综合实验台 该实验台采用多种传感器，获取压力、液位、温度、流量等四种基本物理量， 并通过智能仪表、数据采集卡将测量信号送到计算机、再利用工控组态软件完成 虚拟显示、数据处理和实时控制等功能。 随着网络的发展以及社会对人才的需要，远程教育成为了发展的主流方向之 一，远程实验给学生提供了必要的实际动手能力锻炼的平台，尤其是工科院校的 学生，综合性的自主实验更是提高实际技能的一个重要方式，而远程实验能够摒 2 第1 章绪论 弃以往“仅仅是验证性的，都是老师安排好的”这种传统的实验方案。为了实现 远程实验教学这一新的教育模式，国内外不少大学及科研院所投入了大量的人力 物力进行远程实验技术的研究，并取得了很多有意义的成果。 在国外，早在1 9 9 9 年美国维吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a ) 的w i l l i a m w o l f 教授就提出了合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) 的概念，并称其为“无墙的研究中 心 。提出该类型实验室的目的为开发一个分布式计算机系统，让分布于世界各 地的科学家们可以相互共享各自的资源( 如设备、信息、数据和人才等) 。其实 这就是现在人们常说的网络实验室。 美国i l l i n o i s 大学芝加哥分校的v r i c h e l 实验室研制的v i c h e r 系统( j t b e l le t a l ，1 9 9 6 ) 将虚拟现实技术应用在化学工程教育领域，设计了多个虚拟实验。其中 有v i c h e ri 仿真了一个现代化的化工厂，主要进行在工业环境下如何运用不同方 法解决催化剂钝化问题的实验。虚拟现实技术使得用户可以从微观的分子层面上 观察化学反应的进行过程。而v i c h e ri i 仿真了另一个化工厂，主要进行化学动力 学中的非恒温反应和反应器设计的教学。v i c h e r 实验室还利用虚拟现实技术进行 三维空间演示( 如晶体结构演示、流体运动演示等) 。 澳大利亚r m i t 大学的j o h nb a l l 和k a t ep a t r i c k 设计的虚拟实验用于进行热 传递过程的教学( j b a l le ta l ，1 9 9 9 ) ，可以帮助学生快速地掌握这个抽象的概念。 这个虚拟实验室采用传统的预测观察解析的教学方法，一方面可以让学 生以实验的方式描述和测试他们自己对热传递的期望，另一方面也可以让老师更 清楚地了解到学生面临的困难。这个虚拟实验使用了多种人机交互手段，为学生 提供了一个易于使用的实验学习环境。 美国t e n n e s s e ec h a t t a n o o g a 大学( u t c ) 设计的网上工程实验室( j h e n r y ) 提供了一系列远程控制实验，如压力控制、水位控制、温度控制、速度控制等实 验。这个远程实验室系统是由一台w e b 服务器和5 台客户机组成。每台客户机 上都运行用l a b v i e w 编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当用户通过 i n t e m e t 访问w 曲服务器时，首先需要选择控制参数，然后w e b 服务器把这些参 数写入文件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控 制相连的实验设备完成实验，并把实验数据传回给w e b 服务器。最后，w e b 服 务器根据这些数据生成实验结果图返回给用户。 新加坡国立大学( n u s ) 的远程实验室( c c 。k oe ta l ，2 0 0 1 a , c 。c k oe ta l ， 2 0 0 1 b ，新加坡国立大学实验室网站) 允许用户通过i n t e m e t 进行远程实验，使用 b s 方式实验，可以实现昂贵的实验设备共享。远程实验室的服务器端使用 l a b v i e w 虚拟仪器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备之间通过 r s 2 3 2 接口或i e e e4 8 8 2g p i b 总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验 3 第1 章绪论 现象，远程实验室采用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息。用户也可以控 制摄像头的焦距和视角来获取满意的观察位置。客户端使用w e b 浏览器作为统 一的用户界面，其中嵌入的j a v aa p p l e t s 可以显示各个虚拟仪器的控制面板和数 据，并通过i n t e m e t 与服务器进行通信以传递用户的控制数据和实验结果。到目 前为止，这个实验室已经实现了电路、通信和控制领域的五个实验。其中水位控 制实验的设备是一个双输入、双输出的连通器，这个连通器具有两个出水口和两 个入水口，是一个典型的双输入、双输出控制系统。远程用户在客户端上可以通 过选择控制算法和调整参数来控制连通器装置中的水位。系统提供了常规p i d 、 状态反馈、模糊控制等控制方法，允许用户输入参数并观察实验结果，取得了一 定的实验效果。意大利的p o l i t e c n i c od im i l a n 大学也使用类似方案实现了远程实 验室( a f e r r e r oe ta l ，1 9 9 9 ) 。 另外，意大利锡耶纳大学m c a s i i n 和d p r a t t c i h i z 等开发的自动控制远程实 验系统ac t ( a u t o m a t i cc o n t r o lt e l e l a b ) ( m c a s i n ie ta l ，2 0 01 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，意 大利锡耶纳大学远程自动控制实验室网站) ，选择了m a t l a b s i m u l i n k 作为系统运 行环境。a c t 既可以让用户选择它预先定义好的控制器( 如p i d ) ，也可以让用 户自定义控制器，不过它需要用户安装并熟悉m a t l a b ，会用s i m u l i n k 设计控制 器模型口。用户可以一边做实验一边修改实验参数( 控制器参数、参考输入等) ， 实时的实验结果数据和曲线可以从波形图中观察到。该系统可在软件上不断升 级，实验内容也可不断添加。目前，该系统已经有5 个实验可以通过i n t e r n e t 访 问，包括电机控制，水槽控制，磁悬浮系统，2 自由度直升机和遥控机器人控 制实验。其中，电机控制包括电机角度控制和速度控制：水槽控制包括液位控制 和流量控制；水槽系统属于非线性系统；磁悬浮系统是个非线性且不稳定系统； 2 自由度直升机系统是一个非线性、不稳定且为多输入多输出系统。系统一个 比一个更难控制，让用户在实验中不但可以认识不同对象的特性，而且在知识面 上可以得到步步提升的效果。该系统不但可以让远程用户实时操作和观看实验结 果，而且可以保存实验数据，支持离线数据分析。文献以p i d 控制器远程控制伺 服电机为例介绍了该远程实验系统组成和实现方法，并讨论了系统w 曲服务器 和软硬件接口的实现方法。 美国德克萨斯州立大学的n i t i ns w a m y 等建立了一个远程实验室( n s w a m y , 2 0 0 2 ) 。该实验室系统的控制对象是一个倒立摆，主要提供给校内学生进行远程 实验。倒立摆由一台专门的服务器使用m a t l a b s i m u l i n k 作为其控制器。该实验 系统采用的技术是m s n - n e t m e e t i n g 学生通过n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可 以对相应的控制器进行修改，以获得需要的控制器结构，控制信号经由串口控制 倒立摆的运动。实验结果由视频( 音频) 装置传递回客户端。 4 第1 章绪论 在国内，到目前已经有许多大学都研制出了自己的远程教育软件系统，这些 系统的建成对于提高教学质量和效率起到了极大的推动作用。 北京大学计算机系开发的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n vl a b 就是 一种支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。它是一个基于浏 览器和w e b 服务器的虚拟实验室系统( 崔光佐等，2 0 0 2 ) ，用户平台采用j a v a 编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e r n e t 传送到 服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并 将可信的实验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计， 从而对自己的能力进行判断。利用该系统，已经实现了c a c h e 设计与流水线设 计两个实验。 中国科技大学物理系研制了一套基于i n t e r n e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程 控制系统( 吕露，2 0 0 0 ) 。该系统分为四个部分：客户端、服务器、s p m 仪器端、 视频监视系统。其客户端分为两种类型，一类是主控操作人员程序端，用户对设 备进行远程操作，采用t c p i p 协议的c s 结构对s p m 进行操作运行；另一类 是观众客户端，这部分程序是基于h t t p 协议和c g i 的浏览器，提供给普通用 户观看实验过程。服务器和s p m 仪器端通过自行设计的d s p 控制器组成一套完 整的s p m 反馈系统。 大连理工大学机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统( 贾振元， 2 0 0 1 ) ，通过生成底层数控代码，可以实现远程加工及结果显示。上海交通大学 电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统( 王宏杰等，2 0 0 2 ) 。该系统基于 c s 模型的远程控制，实现对机器人的运动及产品加工控制。文献( 王宏杰，2 0 0 2 ) 中介绍了在远程客户端和机器人之间的机器人控制器( 服务器) 的详细设计。客 户端和服务器上以完全对接的自定义r p c ( 远程过程调用) 为通信协议基础。 客户端发出的请求先调用r p c 存根函数，存根函数将请求转换，为调用请求和 变元进行网络传输，服务器接收到数据后再调用r p c 存根函数转换控制命令。 两个过程分别称为信号编集和信号逆编集。由于带宽的限制，该系统主要局限于 局域网内运行。 浙江大学研制了以千兆局域网为基础的基于c s 模式的远程控制系统( 庞文 尧，2 0 0 3 ) 。该系统以一台高性能、处理速度快的微机作为远程控制的服务器， 服务器扩展槽中内置集成采样控制板用于模拟量输入输出。同时，安装有一台配 有数个摄像头和麦克风的视频服务器用于观看远程设备运行情况。以及用一台 h p 原装服务器作为s q ls e r v e r 数据库服务器。 以上介绍的网络实验系统都在一定程度上满足了用户的需求。但在高校中， 对于过程控制系统中实验锅炉的远程控制研究较少，特别是在结合了罗克韦尔公 5 第1 章绪论 司的软硬件之后，虽然基本上都能实现工业局域网内的控制，但还没能实现实验 锅炉的i n t e r n e t 控制。本文设计的实验锅炉远程控制系统不仅能够远程实现本地 可以完成的工作，比如：液位的建模和p i d 控制等，而且能够在线实时的、安全 的监控所关心的数据和对象，解决了现代教育中实验资源短缺问题，提高了实验 资源的利用率。 1 3 本文的主要工作和研究内容 本文在结合罗克韦尔公司产品的特点后，研究了大量国内外相关文献，提出 了针对过程控制中实验锅炉的远程控制方案，并对该方案的结构和功能等进行了 详细阐述。最后，以远程p i d 控制实例给出了该方案的具体实现过程，验证了该 方案的有效性。 本文共五章，每章的具体内容安排如下： 第一章：绪论，简要说明了实验锅炉系统远程控制的研究意义及目的，介绍 了过程控制实验系统的发展情况，并对国内外网络化实验室的研究进行了总结， 最后简单介绍了本文的主要工作和研究内容。 第二章：实验锅炉控制系统的本地设计，给出了实验锅炉系统的总体框架， 然后介绍了该系统的硬件和软件设计，以及该系统模块化结构和功能，并且给出 了具体的设计过程。 第三章：实验锅炉系统的建模与控制，以阶跃响应法对实验锅炉液位进行建 模，并对其进行p i d 控制，给出了具体的建模和控制结果，并且通过仿真和具体 实验对控制算法进行了分析。 第四章：基于i n t e m e t 的实验锅炉控制系统的设计，介绍了远程控制框架， 并且详细的给出了远程控制的结构以及功能和实现的途径，设计了普通用户和管 理员两个账户，通过管理员账户对实验系统全面、安全的管理。 第五章：远程实验锅炉系统的调试，通过w e b 对实验锅炉系统进行远程操 作，包括手动和p i d 自动控制，给出了控制结果，并对控制结果进行了分析比较。 最后，对本文所做的工作进行总结与展望。 6 第2 章实验锅炉控制系统的本地组态 第2 章实验锅炉控制系统的本地组态 实验锅炉系统是过程控制的主要研究对象之一，本文的实验锅炉控制系统由 工控机、控制系统和锅炉设备平台组成，系统结构如图2 1 所示。 控制算法及参数控制信号作用 工控机 l 控制系统 1 锅炉设备平台 丑括此：拍詹白皿崔肚：* 偿白 图2 1 实验锅炉控制系统结构图 该控制系统由一台工控机通过控制系统采集、处理现场的数据信息，并且将 控制命令下载到控制系统中，进而控制实验锅炉设备的运行。下面分别对这两个 部分的组成和功能进行阐述。 2 1 实验锅炉控制系统的组成 以中国科学技术大学自动化实验教学中心已有的锅炉平台为基础，采用罗克 韦尔公司提供的一套控制系统实现了实验锅炉在工业局域网内的监控。 2 1 1 实验锅炉控制系统的总体结构和功能 实验锅炉控制系统主要由p c 机( 工控机) 、控制系统( c o n t r o l l o g i x 系统、 输入输出扩展f l e x i o 系统) 和现场锅炉设备构成，其整体结构图，如图2 2 所示。 p c -上位机 l t r 。l l 。g i x 系统 上 - f 位机 电源控制器 e t h e r n e 以p | c 。n t ：。- n e t ，i o 扩展口 ， 电源适配器输入模块输出模块 t 士 2 锅炉硬件设备 图2 2 锅炉控制系统的硬件连接图 7 第2 章实验锅炉控制系统的本地组态 首先，该控制系统中电源部分可将2 2 0 v 交流信号转换成1 2 v ，3 5 v ，5 v 和2 4 v 的直流电源提供给框架背板，本文采用的是2 4 v 直流电源；其次，各模 块可以随机的插入到机架上，这些模块相互之间是通过背板进行通信的，无需用 户自己对其进行连接。1 7 5 6 e n b t 网络模块完成了p c 机与控制器的连接，实现 上位机与下位机的通信；实验锅炉本地控制系统的输入输出信号连接到扩展的 f l e xi o 输入输出模块上，通过17 9 4 a n d 适配器连接到c o n t r o l n e t 网络，进而 与控制器及上位机通信，实现了p c 机对实验锅炉系统的访问与控制。 锅炉的液位控制系统由锅炉，l 6 1 控制器，电动调节阀m 1 s v m 2 s v ，溢流 电磁阀v d l v d 2 ，液位变送器l t 3 。水泵等组成。系统的被控参数是锅炉的液 位，调节参数是调节阀的开度，也就是流入锅炉的水流量。另外还可以选择溢流 电磁阀v d l v d 2 的通断为系统的扰动量，模拟实际生产过程中的用水量的变化 和冲击负荷的扰动，其系统框图如图2 3 所示。 图2 3 实验锅炉液位控制框图 2 1 2 实验锅炉控制系统各部分结构和功能 实验锅炉监控系统的本地控制部分包括以上四个模块，其中主要的两个模块 为c o n t r o l l o g i x1 7 5 6 系列模块和f l e xi 0 1 7 9 4 系列模块，其实物如图2 4 。该实 物图总共有6 排，最上面的一排为开关，包括总的电源开关，控制器等其他设备 的开关等；接着下面一排为1 7 5 6 模块系列；第三排为f l e xu 0 1 7 9 4 系列模块； 第四排为指示灯：最后两排为强电部分。 8 第2 章实验锅炉控制系统的本地组态 图2 4 c o n t r o l l o g i x 系统实物图 下面针对实验锅炉系统的三大模块分别的给予介绍： l 工控机： 工控机既可以作上位机也可以作下位机，本文用它作为上位机。由于在实验 室进行锅炉控制，所以对上位机的要求不那么苛刻，具有连续长时间工作能力、 有双网卡( 一个连接e t h c r n e t ，一个连接i n t e m e t ) 的普通p c 机即可。 2 控制系统： 本文中实验锅炉控制系统采用的是罗克韦尔公司产品，主要包括 c o n t r o l l o g i x 系统和f l e x a o 系统。 ( 1 ) c o n t r o l l o g i x 系统是继传统的可编程控制器之后推出的第三代工业控 制产品( 邓李，2 0 0 8 樊超，2 0 0 4 ) ，使用通用的软件操作方式，具有拓展性、 延伸性、兼容性和通用性等特点。c o n t r o l l o g i x 结构体系是一个技术先进的控制 平台，它集成了多个控制功能：顺序控制、运动控制、传动控制及过程控制等。 与传统可编程控制器不同，该c o n t r o l l o g i x 系统是模块化的，根据需要可以允许 在同一机架内使用多个控制器、网络及y o 模块。 c o t t t r o l l o g i x 控制器由一个l o o x c p u 和一个背板c p u 构成，如图25 所示。 第2 章实验锅炉控制系统的本地组态 逻辑和数据内存 i o 内存 程序潭代码 i 帕数据 i 标签效据 f l o g i x l 内存 。i o 强制表 背板c p u i 毽l i n x 标签组列衰 保温缓存器 生产者，消费者标签 图2 5c o n t r o l l o g i x 系统的内部结构图 l o g i xc p u 负责处理应用程序代码和信息报文；背板c p u 负责与i o 通讯， 以及从背板发送接收数据。背板c p u 独立于l o g i xc p u 运行，因此它发送和接 收i o 信息能够与程序异步进行。 c o n t r o l l o g i x l 7 5 6 系列模块包括1 0 槽机架1 7 5 6 a l o 、电源模块1 7 5 6 p a 7 5 、控 制器模块1 7 5 6 l 6 1 、工业以太网模块1 7 5 6 e n b t 和控制网模块1 7 5 6 c n b 。 机架部分：机架有4 、7 、1 0 、1 3 和1 7 个槽之分，所有的机架都采用后 备的安装方式，它们为控制器( l o g i x 6 1 ) 、电源模块、通讯模块( c n b r ) 、输入 输出模块等提供了可容纳的框架。结合实验室所需的模块设备，本文采用的是 1 0 槽机架。 l o g i x 6 1 控制器：是控制系统的核心模块，负责控制系统的控制工作，它 收集输入输出模块、通信模块等的数据，运行编好的控制器功能程序，实现控制 的全过程；控制器还为