（检测技术与自动化装置专业论文）基于opc技术的远程监控系统应用研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 随着网络技术的快速发展，远程监控技术与网络技术紧密结合起来，结合远程监控对通信 的实时性要求，在分析o p c 规范和o p c 数据访问机制的基础上，本文研究了基于w e b 的网络 远程实时监控系统。 本文采用两层网络拓扑结构，设计了基于以太网和现场总线的过程控制系统实验装置。该 实验装置是根据过程控制系统发展趋势，集p l c 技术、网络技术和计算机监控技术为一体，采 用工业现场常用的过程控制仪表，以液位、压力、温度等为主要被控变量构成的先进实验装置。 系统上层采用以太两，底层采用现场总线p r o f i b u s d p ，以s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 珥o o p l c 为 控制器，运用o p c 、s i m a t i cn e t 、m c g s 6 2 、s t e p 7v 5 1 等软件技术设计了用于实验状态监 视、数据采集和通讯、数据记录及处理、智能控制算法实现的控制系统实验装置。 结合遗传算法和常规p i d 控制理论，本文完成了以下工作：通过开环阶跃响应辨识方法建 立了液位控制系统的数学模型，分别设计出一阶和二阶液位控制系统；针对二阶液位控制系统， 选取合适的遗传因子，根据不同的目标函数设计p i d 控制器，并分析不同目标函数实现遗传控 制对系统性能的影响。根据对系统性能的分析结果比较，选取合适的目标函数为标准，实现遗 传p i d 算法；用m a t l a b s i m u l i n k 建立液位控制系统，分别采用p i d 控制，遗传p i d 控制， 通过仿真来比较p i d 控制、遗传p i d 控制对液位系统的控制效果，并结合m c g s 组态软件和 m a t l a b 实现了在线遗传p i d 控制。 以过程控制系统实验装置为背景，设计一个基于o p c 技术和工业以太网架构的过程控制远 程监控系统。该系统利用数据采集技术、计算机网络技术、通信技术及面向对象的编程技术， 运用b r o w s e r s e r v e r 模式和c l i e n t s e r v e r 模式各自的优点，采用了层次化、模块化的设计手段。 利用o p c 技术实现了信息网络与控制网络的实时数据交互。设计b s 结构与c s 结构集成的方 式实现远程监控。在c s 监控子系统中，利用v c + + 创建o p c 客户端程序并实现对设备数据的 实时监控和存储。在b s 监控子系统中，采用动态网页a s p n e t 技术和网络数据库a d o n e t 技术实现与实时数据库的数据互访。 经实验表明，b s 与c s 集成系统运行稳定，用户在w e b 端能够对远程设备进行实时监测 并能对设备进行实时控制，具有可靠的实时性，用户可根据需求对历史数据查询，该监控系统 为过程控制远程监控系统提供了一种新的思路，为远程监控技术应用于工业乃至民用监控领域 提供了一种新的方法。 关键字：o p c 浏览器服务器( b s ) 客户端服务器( c s ) 遗传算法p i dw e b 过程控制 远程监控 桂林3 - - 学院硕士学位论文 a b s t r a c t 。w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to f t h en e t w o r kt e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g yc o m b i n e dm o r ec l o s e l ya n dc o m b i n e dc o m m u n i c a t i o nr e a l - t i m er e q u i r eo fl o n g - r a n g e m o n i t o r t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h el o n g - r a n g er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do no p cn o n n a n do p cm e c h a n i s mo f a c c e s st od a t a t h ep a p e ru s e dt w o n e t w o r kt o p o l o g ya n dd e s i g n e dp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mt e s ti n s t a l l a t i o nb a s e d o n 也ee t h e r n e ta n dt h ef i e l db u s n 地t e s ti n s t a l l a t i o ni sa na d v a n c e dt e s ti n s t a l l a t i o nw h i c hw a s a c c o r d i n gt ot h et r e n do ft h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t ，t o o kt h ep l ct e c h n o l o g y , t h e n e t w o r k i n ga n dt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya sab o d y , u s e dt h ep r o c e s sc o n t r o li n s t r u m e n t w h i c hw a sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r ys c e n ea n dt o o kf l u i dp o s i t i o n , p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n a sm a i nc o n t r o l l e dv a r i a b l ec o n s t i t u t i o n t h es y s t e mu p p e rl a y e ru s e dt h ee t h e r n e ta n dt h eb o t t o m l a y e ru s e df i e l db u sp r o f i b u s d et h es y s t e ma d o p t e ds i e m e n sc o r p o r a t i o n ss 7 3 0 0 4 0 0 p l ca st h e c o n t r o l l e r , u s e ds o f t w a r et e c h n i c a ls u c ha ss i m a r i cn e t , m c g s 6 2 s t e p 7v 5 1a n ds oo nt o r e a l i z ec o n d i t i o ns u r v e i l l a n c e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o n , t h ed a t ar e c o r da n d p r o c e s s i n ga n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m c o m b i n e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lt h e o r y , t h ep a p e rh a sf i n i s h e dt h e f o l l o w i n gw o r k ：s e tu pl i q u i dl o c a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mu s i n go p e n - l o o ps t e p s r e s p o n dd i s t i n g u i s hm e t h o d ，d e s i g n e do n es t e pa n dt w os t e p so fl i q u i dl o c a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a i m i n g a tt w os t e p so fl i q u i dl o c a t i o nc o n t r o ls y s t e m sc h o s et h es u i t a b l eg e n e t i cf a c t o r , d e s i g n e dp i d c o n t r o l l e ra c c o r d i n gt od i f f e r e n tg o a lf u n c t i o n sa n da n a l y z e dd i f f e r e n tg o a lf u n c t i o n sr e a l i z et h ei m p a c t o ns y s t e m a t i cf i m c t i o no fh e r e d i t a r yc o n t r o l ，c o m p a r e ds y s t e m a t i cf u n c t i o na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s r e s u l ti no r d e rt oc h o o s eas u i t a b l eg o a lf u n c t i o n , r e a l i z e dh e r e d i t a r yp i da l g o r i t h m ，s e tu pt h el o c a t i o n c o n t r o ls y s t e mo fl i q u i du s i n gm a t l a b s i m u l i n ka n du s e dp i da n dh e r e d i t a r yp i dt oc o n t r o lt h e s y s t e m t h ec o n t r o lr e s u l tc a nb es e e nb ys i m u l a t i o nu s i n gt w od i f f e r e n tm e t h o d st oc o n t r o lt h el i q u i d l o c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gw i mt h ec o n t r o lp l a t f o r mm c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dm a t l a b s t r o n go p e r a t i o na b i l i t yr e a l i z e dt h ec o n t r o lo f o n l i n eh e r e d i t a r yp i d 。a d o p t i n gt h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mt e s ti n s t a l l a t i o na sab a c k g r o u n d ，t h ep a p e rd e s i g n e do n e p r o c e s sc o n t r o ll o n g d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nt h eo p ct e c h n o l o g ya n dt h ei n d u s t r y e t h e m e tc o n s t r u c t i o n i ts y n t h e t i c a l l yu s e dd a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o m p u t e rn e t w o r k ，t h e c o m m u n i c a t i o na n dt h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , u t i l i z e dt h eb r o w s e r s e r v e rp a t t e r n a n dt h ec l i e n t s e r v e rp a t t e mr e s p e c t i v em e r i tf u l l y , a n dh a du s e dt h eh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rd e s i g n m e t h o d 1 1 1 es y s t e mh a dr e a l i z e dt h er e a l - t i m ed a t am u t u a lb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o nn e t w o r ka n dt h e e o n t r o ln e t w o r ku s i n gt h eo p ct e c h n o l o g ya n dd e s i g n e dt h eb ss t r u c t u r ea n dt h ec ss t r u c t u r e i n t e g r a t i o nt or e a l i z et h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n g i nt h ec sm o n i t o r i n gs u b s y s t e m i tu s e dv c + + t o b u i l dt h eo p cc l i e n tp r o c e d u r et or e a l i z et h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dm e m o r yo f t h ee q u i p m e n td a t a i nt h eb sm o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，i tu s e dd y n a m i ch o m e p a g et e c h n o l o g y - a s e n e ta n dt h en e t w o r k d a t ab a n kt e c h n o l o g y - a d o n e tt or e a l i z et h ed a t ae x c h a n g ew i t l lt h er e a l - t i m ed a t a b a s e i t 桂林工学院硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tb sa n dc si n t e g r a t e ds y s t e mc a nr u ns t e a d i l y , t h eu s e rc a n c a r r yo nt h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dr e a l t i m ec o n t r o la n di n q u i r yt h eh i s t o r yd a t aa c c o r d i n gt o t h e n e e dt ot h el o n g d i s t a n c ee q u i p m e n ti nt h ew e b e n d t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mh a sp r o v i d e d o n ek i n do fn e wm e n t a l i t yf o rt h ep r o c e s sc o n t r o lr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma n dp r o v i d e d an e wm e t h o df o rt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r ya n de v e nt h ec i v i l m o n i t o r i n gd o m a i n k e y w o r d s ：o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) ，b r o w e r s e r v e r ( b s ) ，c l i e n t s e r v e r ( c s ) ，h e r e d i t a r y a l g o r i t h m ，p r o p o r t i o ni n t e g r a ld e r i v a t i v e ( p i d ) ，w e b ，p r o c e s sc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o r i n g i n 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得桂林工学院或其它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了谢意。 关于论文使用授权的说明 签名：渤期：粕 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅i 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 f i n d c o n n e c t i o n p o i n t ( i i d _ l o p c d a t a c a l l b a c k ，& p c p ) ；如果对象支持出 接口i o p c d a t a c a l l b a c k ，那么就得到了连接点的接口指针p c p 。 客户端实例化接收器对象，得到接收器对象的接口指针p l o p c d a t a c a l l b a c k ，调用 p c p - a d v i s e ( p i o p c d a t a c a l l b a c k & d w c o o k i e ) i 建立与接收器的连接，客户保存d w c o o k i e ，服务 器程序的组对象保存客户端接收器的接口指针p l o p c d a t a c a l l b a e k 。 2 ) 使用连接 客户调用服务器程序中的i o p c a s y n c l 0 2 ：r e a d 接口函数，该接口函数在服务器程序的主线 程( 套间线程) 中检查完参数中指定的项对象的服务器句柄是否有效之后，这个接口函数就该 返回了，不过再返回之前，它应该要开启一个新的线程来读取参数中合法的服务器句柄的项对 应的设备数据，有两种实现方法： o i o p c a s y n c l 0 2 ：r e a d 接口函数把组对象保管的p l o p c d a t a c a l l b a c k 列集到新开的线程中， 在新开的线程中再散集，这样在新线程中读取完指定的项的服务器句柄对应的数据以后，新线 程调用p l o p c d a t a c a l l b a c k - o n r e a d c o m p l e t e o i 承i 数，从而把操作的情况、读取的数据传递给了 客户端。 ( ) i o p c a s y n c l 0 2 ：r e a d 接口函数给主线程发送一个自定义的消息，让主线程来完成读取数 据的操作，这样就不用再进行列集、散集操作，不过这种情况下，服务器没有真的实现多线程。 3 ) 断开连接 当不再使用此连接，客户端就可以把此连接断开。对于o p c 组对象与客户端建立的连接， 应用中很少出现这种情况，只有当客户端删除一个组对象时，才断开连接。客户端调用 p c p - u n a d v i s e ( d w c o o k i e ) ，这样就断开连接了。 l4 桂林工学院硕士学位论文 2 3 3 数据订阅方法 厂一厂一厂 厂帅。 o p c 应用程序 毒b 7 乏b 7 f 曲 1数i变化事件1i 。数据变化事件。f时间。 图2 1 0 订阅方式数据采集 订阅方式下的o p c 服务器与o p c 客户端的交互过程见图2 1 0 ，它不需要o p c 客户端向o p c 服务器发出请求，就可以自动收到从o p c 服务器送来的数据变化通知以及变化后的值。服务器 按一定的更新周期( u p d a t e r a t e ) 访问激活组中的激活项对应的数据源，如果发现数值有变化时， 就会以数据变化事件( o n d a t a c h a n g e ) 通知o p c 客户端。如果o p c 服务器支持不敏感带 ( d e a d b a n d ) ，而且o p c 项对象的数据类型是模拟量的情况，只有当前值与前次值的差绝对值 超过一定限度时，才更新缓冲区数据并通知o p c 客户端，这样的话就可以无视模拟值的微小变 化，从而减轻o p c 服务器和o p c 客户端的负荷。 订阅在o p c 数据存取1 0 版本与o p c 数据存取2 0 版本与3 0 版本的实现机制是不一样的， 前者用通报连接机制来实现的，即通过服务器端的i d a t a o b j e c t 接i s 和客户端的i a d v i s e s i n k 接 口来实现：后者用连接点对象机制来实现的，即通过客户端的l o p c d a t a c a l l b a c k 接口来实现。 o p c 服务器要求兼容，那么依照o p c 数据存取3 0 版本开发的服务器在实现订阅方式时，必须 要同时用两种方法来实现这个方法。在实现订阅时，服务器对象的行为受组的激活状态、项的 激活状态和是否能够回调的影响。 2 4o p c 在远程监控中的优势 在远程监控中，主要解决系统集成问题，系统集成主要解决的是通信的兼容问题，多种现 场总线共存的控制系统中集成了多种p l c ，d c s 等异构网络，因而要实现整个系统的集成是最 关键的问题。在基于以太网的控制系统中，每一个控制节点都挂接一些外部控制设备，获取这 些控制设备的配置和运行数据是数据库系统的重要任务。由于控制设备的多样性，提供的信息 格式、数量差别较大，如何屏蔽这些差异，使上层应用软件能采用一致的方式存取下层的设备 信息，目前主要有两种方式解决，一种是在通讯程序中进行数据格式转换处理形成软网关，另 种是采用o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 接口规范，本论中的设计方案采用o p c 技术【“】【”j 。 】5 桂林工学院硕士学位论文 采用o p c 技术的意义就象即插即用技术对于计算机工业的意义一样重要。当各应用软件都 采用o p c 的接口规范时，各应用软件便可通过o p c 接口实现方便的互连，增强了软件问数据 交换与应用的开放性。这时o p c 仿佛成了一块即插即用的软件主板，将自动化系统不同层次的 应用汇集在一起，相互沟通信息，显示了o p c 技术的独特优势。 o p c 技术规范也象其他标准一样能为最终用户带来利益。这包括用户培训费用、系统开发 费用的降低。因为符合o p c 规范的产品可无缝地集成在一个系统中，彻底解决了不同厂家设备 之间的互操作性问题，从而为用户提供了更多的选择，为了达到系统功能最好、价格最低，用 户可以选择不同厂家的产品集成在一起构成系统，而不必担心相互之间的不兼容。同样也不用 担心将来系统维护、升级时的设备兼容性问题。 对于硬件厂家来说，它只需开发一套通用的驱动程序，并且由于其自身对硬件更为熟悉， 所以其开发的驱动程序比以往由软件开发商开发的驱动程序具有更高的性能。而软件开发者可 以免除开发驱动程序的工作，从而使他们能够把更大的精力投入到其核心产品的开发上( 如 m m i 、s c a d a 、m e s 等软件包的开发) ，充分发挥他们的特长，这样就使整个系统的软件开发 达到最佳的效果，大大提高了企业的运营效率。 2 5 小结 本章对o p c 规范进行了详细的说明包括o p c 的核心技术c o m 以及o p c 数据存储， o p c 数据交换等规范和o p c 数据访问机制。o p c 技术的出现增强了软件之间数据交换与应用的 开放性，并具有很可靠的实时性和数据传输能力，o p c 技术在远程监控中能够更好的实现多种 控制系统的无缝集成，更加方便的实现信息网络与控制网络的集成。 桂林工学院硕士学位论文 第3 章控制系统实验装置组成 随着计算机、网络通讯技术的飞速发展，信息交换技术在自动控制、工厂管理及产品质量 管理等各个领域得到了广泛应用。将以太网与现场总线结合，能真正实现工业生产过程的监测、 控制、管理与决策于一体的测控管一体化。企业的测控管一体化决定了高校实验教学的发展方 向，教学单一的实验装置远远不能满足实验教学的要求，也正因为如此，开发了基于以太网及 现场总线的过程控制系统实验装置1 1 4 】【1 5 1 。 3 1 控制系统实验装置组成 3 1 1 过程控制系统实验装置组成 实验装置由三容水箱装置、嵌套两个热水容器、固态继电器电加热装置、流体输送装置及 相关的检测变送器、执行器、计算机( 上位机) 、p l c 模块( 下位机) 和工艺模拟流程图插座孔 接线板等组成，整个装置有五个检测变量( 两个温度、三个液位、1 个压力) ，可从中选择一或 两个作为被控变量。有四个操作变量( 电子调节阀的流量、固态继电器的输出电压、两个变频 器的频率) ，可选择其中1 个或2 个作为主操作变量，其它的可选作扰动变量。通过上位机确定 被控变量、操作变量、扰动变量和控制方案，在工艺模拟流程图上进行不同的连接，就能方便、 迅速地组成不同的控制回路。该装置可组成液位控制、温度控制、流量控制、串级控制等多种 控制系统，过程控制系统实验装置工艺模拟流程如图3 1 所示。 图3 1 过程控制系统实验装置工艺模拟流程图 17 桂林工学院硕士学位论文 过程控制系统硬件构成如下： 液位变送器：p m c y 8 0 0 一c 0 1 1 m ；电源：2 4 vd c ；输出：4 2 0 m a ；精度：o 5 ：量程： 肌1 0 0 0 m m ： 压力变送器：p m c 8 0 0 啦! 0 k p a2 4 vd c ； 温度变送器：w z p j - 2 8 0p t l o o o 1 0 0 cl 1 5 5 + 5 0 m m ； 变频器：6 s e 6 4 0 2 v d l 7 5 a a l ；电压：3 8 0 - - 4 8 0 v ( + 1 0 ，一1 0 ) ； s i m e n sp l c - 4 0 0 ( c p u 4 1 6 - 2 ) ； c p l 6 1 3 - i - 业以太网卡； 以太网； 通讯处理器c p 4 4 3 - 1 ； 模拟量输入模块a i8 * 1 4 b i t ： 模拟量输出模块a o8 * 1 3 b i h 开关量输入模块d i1 6 + d c2 4 v ： 开关量输入模块d o1 6 d c2 4 v 2 a ； 电源模块p s 4 0 7i o a ； 本文使用的p c s 3 0 0 0 过程控制实验装置系统的系统电气原理图如图3 2 所示： 内臣翟t 相i t 助 鬻量 - h - “l 图3 2 过程控制系统电气原理图 液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，液位的准确测量和有效控制是一些设备优质 高产、低耗和安全生产的重要指标。本水箱液位控制系统实验装置，具有现场工业过程控制的 特点。 3 1 2 液位控制系统实验装置组成 液位控制系统实验装置由三个相同大小的透明有机玻璃水箱组成，可根据需要构成不同阶 次，即l 3 阶的被控对象，且每个容器中都插入挡板，用来减小水流的冲击及改变系统时间常 l8 桂林工学院硕士学位论文 数 13 1 ，液位控制系统实验装置的工艺模拟流程图如图3 3 所示。 从控制角度来说，液位控制系统装置有三个被控变量，它们分别是1 # 水箱、2 # 水箱、3 水 箱的液位h l 、h 2 和h 3 ，可以从中选择一至三个作为系统被控变量。液位控制系统实验装置有 两个操作变量，它们分别是两个v c l 和v c 2 ，一般选择支路l 的v e l 作为操作变量主输入通道， 支路2 的v e 2 则为扰动输入通道。在确定被控变量、操作变量、主要扰动和控制方案后，只要 在模拟控制流程图上的插座孔进行不同的连接，就能方便、迅速地组成不同的控制回路，从而 完成不同的控制实验。 图3 3 液位控制系统工艺流程图 由图3 3 可见，稳压水由两路经过电子调节阀v e l 和v e 2 以及手动阀v 1 - v 8 ，分别流入三 个水箱。以电子调节阀v c l ( 或v c 2 ) 作为控制回路的执行机构，另一个用于产生扰动信号。若 以进入水箱的水流量作为输入量，水箱液位作为其输出量，则每个水箱都可以看成是一个一阶 惯性环节的被控对象。当v c l 作为控制回路执行机构，通过手动阀v 1 ，v 3 和v 5 可以使水箱组 合成不同阶次的被控对象。选择第3 个水箱的液位比作为被调变量，关闭手动阀v l 和v 3 ，只 打开v 5 ，则构成一阶被控对象；关闭手动阀v 3 和v 5 ，只打开v 3 ，使两个水箱串联，则两个 惯性环节串联构成二阶被控制对象：关闭手动阀v 3 和v 5 ，只打开手动阀v 1 ，使三个水箱串联， 则三个惯性环节串联构成三阶被控对象。 当然，也可以第一个水箱的液位h 1 和第二个水箱的液位h 2 作为被调变量，若以h 2 为被 调参数，关闭手动阀v 3 ，打开v 1 、v 7 使第一个水箱和第二个水箱串联，构成二阶被控对象。 关闭手动阀v l 、v 7 打开v 3 ，只控制第一个水箱，则为一阶被对象。实验者可根据需要灵活选 择不同的被控对象进行实验，其实验原理框图如图3 4 所示。 液位控制系统实验装置的每个容器的液位均由液位变送器进行变送，然后送入p l c 的模拟 量- 输入模块触进行处理。液位变送器的型号选用p m c y 8 0 0 c o l l m ，量程为o - - - 1 0 0 0 m m ，成比 1g 桂林3 - 学院硕士学位论文 例对应输出为4 2 0 m a 的电流信号。即当水箱液位h = 0 m m 时，液位变送器输出电流为i = 4 m a ， 当水箱液位h - 1 0 0 0 m m 时，液位变送器输出电流为i = 2 0 m a ，水箱液位h 与液位变送器输出电 流i 之问关系写成公式为： j ：4 h + 1 0 0 0 2 5 0 ：! 图3 4 液住控制系统实验原理 公式( 3 1 ) 液位控制系统实验装置每个透明有机玻璃水箱的流出口，都经过线性化处理，流出口线性 化原理图如图3 5 所示。采用了隙缝式流量计原理对隙缝进行计算设计，隙缝上窄下宽，下部呈 矩形。先选择矩形高度a ，再经计算决定矩形宽度b 以及缝隙宽度x ，公式如下： b ：3 3 o 6 q , , ：一： 蛾。口 工：丝a r c s i n ，旦( c - - - - 口) 窟vc q k 流过缝隙的液体的最大流量( t h ) 啦。最大液位日。所产生的压差( m m h 2 0 ) x 一缝隙宽度( i 眦) b 缝隙底宽( n u n ) a 缝隙底部矩形高度( n u n ) c 缝隙高度( n u n ) 公式( 3 2 ) 公式( 3 3 ) 辜 桂林工学院硕士学位论文 根据液位控制系统装置要求，设计隙缝高度c 最大为2 5 0 r a m ( 略高于最大液位日一 = 2 4 5 m m ) ，缝隙底部矩形高度a 为6 r a m ，最大液位甘一所产生的压差扯。为2 4 5 m m h ：0 ，流 过隙缝的液体的最大流量q | 。为1 4 5t h 。然后根据公式( 3 2 ) 可计算出缝隙底宽b 为2 0 r a m ， 从而根据式( 3 3 ) 可以求出不同缝隙高度。对应的缝隙x 经线性化处理后，每个有机玻璃水箱 的液位高度h 与其输出流量q 成正比。 液位控制系统实验装置的每个水箱都插入了挡板，插入挡板的方式可以改变系统特性( 如 时间常数) 。另外，挡板可以避免因为进水流量过大，而使槽内液面的波动过大，造成检测液位 值不准确。 3 2 控制系统硬件组成 本系统被控对象包括液位控制系统实验装置、压力控制系统实验装置、温度控制系统实验 装置和实验室微型电热锅炉控制系统实验装置，共有4 个开关量输入、4 个开关量输出、1 4 个 模拟量输入和8 个模拟量输出。总体来说，该系统控制量多，控制逻辑较复杂，涉及的控制理 论和控制工程方面的知识较多，是非常适合于高校自动化专业实验教学的设备。 整个系统的硬件构成分为工程师站、控制站及操作站三部分。针对过程控制实验室离现场 总线实验室有近百米长，被控对象及现场传感器和变送器分布较远与分散，被控环节多等特点， 控制站部分设计成具有p r o f i b u s d p 现场总线功能的主从系统，对于距离控制室( 现场总线 实验室) 较远的信号，将信号处理单元( 分布式i ，0 站e t 2 0 0 m ) 安装在现场机柜( 过程控制实 验室控制柜) ，这样大大节约了电缆等材料，节省了电缆铺设等施工周期。 3 2 1p r o f i b u s d p p r o f i b u s 是属于单元级和现场级的s i m a t i c 网络，适用于传输中小量数据，其开放性可 以允许许多家厂商开发各自的符合p r o f i b u s 协议的产品，这些产品均可连接在同一个 p r o f i b u s 网络上。p r o f i b u s 是一种电气网络，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无 线传播。连接在p r o f i b u s 网络上的站点按照它们的地址顺序组成一个逻辑拓扑环。令牌只在 主站( m a s t e r s ) 之间顺序传递，这是由特定的令牌顺序定义的。获得令牌的主站可以在拥有令 牌期问对属于它的从站进行发送和读取数据操作。 图3 6p r o f i b u s 网络拓扑结构图 2l 桂林工学院硕士学位论文 如果一个p r o f i b u s 网络上的逻辑令牌环上只有一个主站和若干从站，则成为一个单主站 的主、从系统。较为熟悉的d p 网络就是基于这种存取机制，其中主站周期的按顺序同从站交换 数据。p r o f i b u s 网络拓扑结构如图3 6 所示【1 6 】。 3 2 2 以太网 工业以太网i n d u s t r i a le t l l 唧c t 是属于管理级和单元级的s i m a t i c 网络，适用于大量数据传 输和长距离通讯。i n d u s t r i a le t h e m e t 的网络访问机制是c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检 测) ，工业以太网使用i s o 和t c p 佃协议。$ 7 m 7 c 7 站和p c 站可以通过s 7 服务进行通讯； s i m a t i co p ( 操作面板) o s ( 操作员站) 和p c 站可以通过p g o p 服务进行通讯。 p l c 站须通过i n d u s t r i a le t h e m c t 通讯模块c p ( c p 3 4 3 1 、c p 4 4 3 1 ) 连接至以太网，p c 机 通过网卡c p1 6 1 3 ( 或普通网卡) 连接至以太网。c p1 6 1 3 是一种带有微处理器的p c i 插卡，使 用a u i i t p 接口或i u4 5 接口可将p g p c 连接到工业以太网。c p l 6 1 3 采用i s o 和t c p i p 通信 协议，可以独立处理物理层、数据链路层、网络层和传输层四层通信协议，而对于s 7 、s r 、 t f ( 它们的功能是指数据的连接、传输和管理方面的服务，为p r o f i b u s 现场总线专用) 等基于 传输层之上的高级通信功能，则需结合s 7 1 6 1 3 p g1 6 1 3 w i n d o w sn t4 0 2 0 0 0 等软件来实现【1 7 1 。 3 2 3p l c 系统硬件 p l c 完成与过程控制系统实验装置相关的所有逻辑控制、p i d 控制、自校正控制、遗传控 制和神经网络控制等实时控制任务。p l c 系统控制器选用s i e m e n s 公司的s i m a t i cs 7 4 0 0 3 0 0 系列p l c 产品。因为整个实验装置要求控制系统稳定可靠、技术先进、扩展性能好，经过多方 考察和论证，整个系统采用性能优越的s i e m e n ss 7c p u4 1 2 2 d p 处理器模块f 1 8 】 1 9 1 1 2 0 】【2 1 】。 系统中央处理器单元c p u - 4 1 2 具有强大的处理和运算能力，整个系统( 包括主站和从站) 只采用了1 个c p u 模块。c p u 通过本身集成的d p 口和分布式i o 站e t 2 0 0 m 实现现场过程信 号的采集、处理和控制等。每个分布式i o 站可以处理2 5 6 个开关量或6 4 个模拟量i o ，c p u 4 1 2 2 d p 可以处理多达6 5 5 3 6 个数字量或4 0 9 6 个模拟量i 0 ；分布式i 0 站与c p u 的通讯速率 最高可达1 2 m b i f f s ，最远可达1 2 千米。p l c 系统硬件配置如表3 1 所示。 表3 1p l c 系统硬件配置 名称型号 订货号 数量备注 电源模块 p s 4 0 76 e s 7 4 0 7 - 0 k a o l - 0 a a 0 i 1 0 a c u pc u p4 1 6 2 d p6 e s 7 - 4 1 6 - 2 x k 0 2 - 0 a b 0lm p i ，d p 通讯模块 c p 4 4 3 - l6 g k 7 4 4 3 - l g x ll - 0 x e 0lt c p i p i s o 数字量输出 d 0 1 6 x d c6 e s 74 2 2 - l b h l l - 0 a a 0l2 4 v 2 a 数字量输入 d 1 1 6 x d c 6 e s 74 2 l 7 b h 0 0 - 0 a b 012 4 v 模拟量输出 a 0 8 x f 3 b r6 e s 74 3 2 1 h f o o - o a b o 模拟量输入 a 1 8 x 1 4 b i t6 e s 74 3 1 1 k f l 0 - 0 a b 01 分布式i o i mj 5 3 - l6 e s 71 5 3 i a a 0 3 - 0 x b 0lf r o f i b u s 22 桂林工学院硕士学位论文 工程师站与操作员站包括台式计算机、通讯卡( c p l 6 1 3 ) 、打印机等。在任台计算机上可 以利用s t e p7 软件通过以太网对p l c 进行系统硬件组态、硬件诊断、软件编程；利用m c g s 进行操作站界面组念，完成实验过程中从键盘输入数据的处理和保存、控制算法的设定计算和 优化、实验过程数据记录、实验装置运行状态监视和实验数据显示等功能。利用s i m a t i cn e t 软件为上位机p c 和下位机p l c 提供通讯部件和通讯网络协议。 3 2 4p l c 硬件组态 确定了p l c 系统硬件组成后，需要在s t e p7 中完成硬件配置工作。s i m a t i cs 7 3 0 0 4 0 0 采用模块化设计，在一块机架上可安装电源、c p u 、各种信号模块、通信处理器等模块，其中 c p u 上有一标准化m p i 接口，它既是编程接口，又是数据通信接口，使用s 7 协议，通过此接 口p l c 之间、或与上位机之间都可以进行通信，从而组成多点接口m p i 网络。硬件组态的任务 就是在s t e p7 中生成一个与实际的硬件配置完全相同的系统，例如要生成网络、网络中各个站 的机架和模块，以及设置各硬件组成部分的参数。硬件组态确定了p l c 输n 输出变量的地址， 为设计用户程序打下了基础。 硬件组态具体步骤： ( 1 ) 运行“s i m a t i c s t e p 7 s i m a t i em a n a g e r ”应用程序，在f i l e 菜单中打开“n e wp r o j