基于智能仪表和 PLC 的双容水箱测控实验系统开发

第３１卷增刊电气电子教学学报基于智能仪表和ＰＬＣ的双容水箱测控实验系统开发王华忠，孙自强，王慧锋，王卫国（华东理工大学信息科学与工程学院，上海２００２３７）擅要：设计了双容水箱实验对象，该对象具有时变、纯滞后和不确定性等复杂特性，可以满足从对象特性测试到串级控镧、预测控制等多层次过程控制实验教学要求。为该对象设计和开发了测控系统．可以实现基于智能仪表的控制、基于ＰＬＣ的控制和同时利用智能仪表与ＰＬＣ的控制方案。实验系统测控软件采用组态软件开发，利用ＯＰＣ技术开发了独立应用程序从实验系统软件提取实时实验数据。应用表明。该系统具有功能灵活完善、配置合理、实验成本低廉等优点．很好地满足了过程控制实验教学要求．关键词：智能仪表，可编程控制器，实验，过程控制ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＤｏｕｂｌｅ－ＨｏｌｄｉｎｇＷａｔｅｒＴａｎｋｓＵｓｉｎｇＢｏｔｈＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＷＡＮＧＨｕａ－ｚｈｏｎｇ，ＳＵＮＺｉ－ｑｉａｎｇ，ＷａｎｇＨｕｉ－ｆｅｎｇ，ＷａｎｇＷｅｉ－ｇｕｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｗｏｗａｔｅｒｔａｎｋｓｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｔｉｍｅｖａｒｙｉｎｇ，ｄｅａｄｔｉｍｅａｎｄｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｒｏｍｐｒｏｃｅｓｓｂｌａｃｋ－ｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇｔｏｃａｓｃａｄｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒ０１．Ｓｅｖｅｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｕｓｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｐｒｏｇｒａｍｍａ—ｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｒｂｏｔｈｏｆｔｈｅｍｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＴｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏＩｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｓｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｒｅａｌ—ｔｉｍｅｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｗｉｔｈＯＰＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈａｖｅｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉｓｆｌｅｘｉｂｌｅｆｏｒｉｔｓｍｕｌｔｉｐｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｉｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｃｏｓｔｅｆｆｅｃ—ｔｉｖｅｉｎｒｕｎｎｉｎｇ．Ｉｔｍｅｅｔｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｒｅｌａｔｅｄｃｏｕｒｓｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ；ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ０引言过程控制工程是自动化专业一门主要的专业课程，也是自动化相关的专业，如测控技术及仪器、化工工艺类专业重要的专业课程，开展该课程的实验教学是十分重要的［１屯］。通过该课程的实验教学，一方面可以加深学生对理论知识和基本概念的理解与掌握，培养工程实施能力，激发创造力；另一方面，也可以让他们掌握常用的过程测控软、硬件设备的使用，为他们今后的毕业设计甚至工作打下坚实的基础。为了在有限的实验学时内让学生学习最主要的内容，我们精心设计了双容水箱实验对象及相应的实验内容，在该装置上，可以灵活开展基于智能仪表的控制实验、基于ＰＬＣ的控制实验、基于智能仪表与ＰＬＣ的控制等实验。通过这些实验的开展，学生可以充分掌握常用的控制系统设计技术、控制规律的选取与参数整定、利用组态软件设计。实验系统人机界面应用软件等内容。此外，该实验装置还可以基金项目。基金项目；上海市重点学科建设项目资助（Ｂ５０４）作者简介。王华忠（１９６９－），男－剐教授，工学博士，主要研究方向为过程模型化与控制、计算机控制，Ｅ－ｍａｉｌ。ｈｚｗａｎｇ＠ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ万方数据２电气电子教学学报２００９年９月作为ＤＣＳ实验课程的实验对象。实际应用表明，该套系统具有功能灵活、实验内容丰富、操作方便等特点，有效满足了相关专业实验教学需要，提高了学生的学习效果。１实验对象与实验内容设计１．１双容水箱实验对象设计根据过程控制相关专业的培养计划与教学目标，结合实验教学从基础到综合的层次性要求，参考国内外过程控制实验对象研究成果【３川，开发了双容水箱实验对象，如图１所示。电磁阀图１实验装置流程示意图实验系统配备的仪表包括２台差压式液位计，１台压力变送器，２台涡街流量计，２台气动薄膜调节阀，４台电磁阀。另外，还配备了电气安全保护装置。所有检测仪表都具有４～２０ｍＡ标准信号输出，精度等级为０．５。该套实验装置的介质是自来水，且水在封闭系统中循环使用，不会有溢出现象，实验对象没有配备加热等大功率元件，因此整套实验装置运行成本低廉，安全可靠。实验过程中，根据不同的实验要求，实验配套的测控系统会自动切换阀门的状态，组成不同的实验回路，完成不同目的和功能的实验。该套装置的水箱在设计时，采用了多容结构，且配有缓冲漕。通过容量的改变，可以改变对象的时间常数；通过设置缓冲漕不同的初始水位，可以改变对象的纯滞后时间。通过这样的设计，可以使得看似简单双容水箱对象具有时变、纯滞后及不确定性等复杂特性，从而使该对象也可以用于学生的创新设计和科研。实验系统所有的接线都是采取接线端子插、拔式接线，这样测量信号可以与不同的控制设备连接，而控制设备的输出信号可以与不同的执行机构连接，方便灵活组建各种不同的实验系统，开展不同内容的实验。１．２实验内容与知识设计在内容设计时，希望在该装置开展的内容覆盖课程的主要知识点，内容可以从简单到复杂，具有较好的层次性。因此，结合实验装置的配置，设计了如下实验内容：①一阶对象和二阶对象特性测试②简单控制系统实验，如一阶对象或二阶对象的设定值控制与跟踪控制③复杂控制系统实验，如流量比例控制、液位串级控制等④预测控制等先进控制⑤过程计算机控制系统实验为了完成这些实验，学生需要具有较好的理论知识。通过这些实验，学生可以掌握的内容有：①智能仪表的使用及参数整定②ＰＬＣ编程特别是ＰＩＤ指令的使用与参数整定③ＰＬＣ与智能仪表通信程序的编写④计算机人机界面软件开发⑤人机界面与测控设备通信技术，包括驱动程序方式、ＤＤＥ、ＯＰＣ等。如果学生能够较好掌握这些知识，他们的理论与实践水平就可以达到较高层次，可以开展更为复杂的控制系统设计与开发工作。２双容水箱过程控制实验系统开发２．１几种实验方案设计（１）基于智能仪表的过程控制实验在工业过程控制中，智能仪表被广泛采用，特别是在中、小型的控制系统中，智能仪表更是主要的控制仪表。现在的智能仪表的性能已经有了很大的提升，多数智能仪表都具有比较先进的控制算法，而ＲＳ－４８５接口的采用更易于将智能仪表通过通信网络组成集散控制系统。设计了两种形式的智能仪表实验方案，如图２所示。图２（ａ）是直接以智能仪表为主控制设备的实验系统，图２（ｂ）是结合智能仪表与ＰＬＣ的实验万方数据第３１卷增刊电气电子教学学报３系统。图２（ａ）显示的是串级控制结构形式，在做单回路控制时，智能仪表可以分别作为不同回路的控制器。这些智能仪表可以通过ＲＳ－４８５总线连接，通过ＲＳ２３２／４８５转换器与计算机通信。这里要注意的是，作为副控制器的智能仪表需要具有外给定功能，在购买该设备时需要说明。此外，由于多数智能仪表内置的控制算法与课堂教学中的经典ＰＩＤ算法不同，这会导致学生在进行控制参数整定时无所适从。为了避免这种情况出现，我们选用了具有标准ＰＩＤ算法的厦门宇电ＡＩ一７０１仪表。图２（ｂ）中，采用ＲＳ－４８５总线连接的智能仪表不直接与计算机通信，而是与ＰＬＣ的Ｒｓ４８５接口通信，而ＰＬＣ的串口再与计算机通信。这种方案又可以细化为以下两种形式。计算帆人机界响【】…。ｌＩ．掣懒＿ＲＳ２３２／４８５ｌ转换器ＩＲ攀等］可——可７—————可Ｆ一一ｎ瘫∞厂丽鼓Ｆｌ（ｔ控制品）｜Ｉ（剐控制品）—］嗡济ｒ—Ｔ捡测仪表圳拣ＦＸ２ＮＦＸ２ＮｌＰＬＣ２ＤＡＩ－。ｌ岱．４ｓ，思甄ｌ笠笠Ｉ智能仪表钾能仪表ｔｔ扣。旧Ｉ憾ｌ隰（ａ）纂于智能仪表的实验系统（”基于智能仪表与ＰＬＣ的实验系统图２基于智能仪表与ＰＬＣ的２种过程控制方案①ＰＬＣ作为主控制器，智能仪表的作用是ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ通道。ＰＬＣ通过通信的方式从智能仪表获得过程的测量值，ＰＬＣ的控制输出再由通信方式由智能仪表来输出，当然，也可以通过ＰＬＣ的Ｄ／Ａ模块输出。图２（ｂ）系统结构的一个好处是在硬件上可以省略Ａ／Ｄ模块，但更主要的是可以确保计算机上显示的过程变量值与智能仪表面板上显示的数值完全一致。②智能仪表作为主控制器，ＰＬＣ来完成实验系统的逻辑控制功能。上述两种结构形式都是属于集散控制结构，即控制功能都是在下位机（ＰＬＣ或智能仪表）上实现的，计算机的人机界面只是取监控、管理与参数设置等作用。（２）基于ＰＬＣ的过程控制实验该实验方案如图３所示。该系统中，所有的输入经过Ａ／Ｄ模块进入ＰＬＣ，而ＰＬＣ的模拟量输出经过Ｄ／Ａ模块送到气动薄膜调节阀，数字量输出经过ＰＬＣ的继电器输出口去控制电磁阀。模拟量控制功能的实现通过调用相应的ＰＩＤ功能指令实现。要说明的是，与图２所示的方案比较，即使被测参数一样，或检测仪表的输出是一样的，经过Ａ／Ｄ通道最终进入上位机的过程测量值与经过智能仪表进入上位机的过程测量值通常是不一样的，他们之间会有一定的偏差。ＦＸ２ＮＦＸ２ＮＦＸ２ＮＰＬＣ４ＡＤ２ＤＡ恻网ｌ箍图３基于ＰＬＣ的过程控制方案２．２实验系统软件开发该实验系统利用的软件开发工具有：①三菱电机ＰＬＣ编程、调试软件Ｇｘｄｅｖｅｌｏｐ８．０②人机界面开发软件一组态王６．５３③三菱电机ＰＬＣ、智能仪表的ＯＰＣ服务器及驱动程序在人机界面开发软件的选择中，选择了北京亚控公司的组态王软件。由于组态软件采用了多线程、ＣＯＭ＋组件等新技术，能实现多任务，系统运行稳定可靠。另外，组态王的运行系统既可以作为ＯＰＣ服务器，也可以作为ＯＰＣ客户，具有较好的开放性。人机界面应用程序包括完整的实验界面、参数设置、实验流程显示与控制等。２．３实验数据提取与存储作为一个实验系统，必须能进行实验数据的记录。组态软件目前采取查询数据库的方式提取数据，这种方式要人为指定提取数据的起始时间及变量标签等，很不方便和直接，而且有时很难确定准确的实验开始和结束时间。本系统采用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０开发了独立的应用程序获取实验数据。该程序通过ＯＰＣ技术与人机界面软件实时交换数据，自动判断实验是否进行，并记录完整的实验数据，这些实验数据包括过程参数值、控制参数等。作为ＯＰＣ基金会推出的新型数据交换技术，与传统的ＤＩ）Ｅ（动态数据交换）相比，采用ＯＰＣ接口实现客户机与服务器之间的数据交换更加稳定和有效。（下转第６页）万方数据６电气电子教学学报２００９年９月生物传感器、两相流参数检测实验；研究生《检测理论》软测量实验；研究生《高级过程控制》复杂过程控制系统实验；本科生毕业设计、研究生课题研究过程中自行设计的某些实验；博士生《鲁棒控制理论》线性系统鲁棒控制器实验。学生自行设计的测控方案真正施加在实际的生产过程上，实实在在体现在产品的数量和质量上，是“实”的而不是“虚”的，是“真”的而不是“仿真”的，是本实验装置的最大特点。除作为教学实验装置外，还可作为有关科研人员在下列方向上的研究平台：生化过程自动化；生物传感器、化学传感器的应用研究；智能控制理论的物理仿真；间歇过程计算机集成控制系统；多变量统计过程控制；软测量技术研究。本系统所产自酿鲜啤酒经山东省卫生防疫站检测，质量上乘，销售所得可用于下次实验的原料，以形成良性循环。３应用情况该装置于２００１年５月经山东省教育厅评审验收通过后投入使用，已有自动化专业四届本科生在其上进行了温度压力流量液位四大过程参数的检测实验和ＰＩＤ参数的现场整定实验；两届硕士研究生进行了系统辨识和软测量实验；四届本科生在其上进行过于毕业设计有关的实验；三届硕士生在其上作过课题实验研究；有关教师通过在其上作关键实验，形成了保健啤酒工艺配方设备与控制的科研成果。实验室所产啤酒经山东省卫生防疫站检测合格，销售后回收了实验成本，保证了实验室的良性循环。４结论针对生产实习、毕业实习环节学生缺乏充分动手机会的客观现实，提出自动化专业综合工程实验装置的解决思路并自行设计、安装、调试，予以实现。以啤酒生产过程为自动化专业的实验控制对象，测控效果最终反映到产品的产量和质量上，是“真”的而不是“仿真”的。所产啤酒经销售可回收成本，保证实验室的良性循环。该装置实现了强电与弱电、软件与硬件、常规控制与现代控制的有机结合；实现了电气控制装置、仪表控制装置、计算机控制装置的“三电一体化”；实现了运动控制与过程控制的一体化。总之，适应了自动化专业宽口径的培养要求。该装置可供多种学术层次的人员使用，即可适用于本科生，也可适用于硕士研究生、博士研究生，还可作为有关科研人员的研究平台。在该装置上可进行多门课程的教学实验，但它并不是取代各门课程原有实验装置，而是提供了各门课程实验向工程实际拓展的渠道和平台。参考文献［１３中国大百科全书总编辑委员会，中国大百科全书Ｏ教育［Ｍ］，北京ｚ中国大百科全书出版社。１９８５［２］中国大百科全书总编辑委员会。中国大百科全书Ｏ自动控涮与系统工程Ｉ－Ｍ］，北京ｚ中国大百科全书出版社，１９９１［３］ＲｉｃｈａｒｄＣ．Ｄｏｒｆ，ＲｏｂｅｍＨ．Ｂｉｓｈｏｐ，ＭｏｄｅｒｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］。北京ｔ科学出版社，２００２（上接第３页王华忠等文）３结束语本文设计开发的实验对象和相应的过程控制实验系统可以满足从简单对象特性测试到预测控制等先进控制实验教学要求，整个系统结构灵活，可以根据教学要求分别采用智能仪表、ＰＬＣ以及智能仪表和ＰＬＣ综合控制方式，这些内容覆盖了过程控制工程主要的理论与技术。从应用结果看，通过相关的实验学习和操作，学生不仅巩固了对理论的理解，对于各种形式的计算机控制系统设计与实现也有了很深刻的了解与体会。本文提出的测控方案还可以推广到工业过程的测控系统开发。参考文献［１］郭一楠，程健，朱晏．过程控制系统远程虚拟仿真平台研制ＩＳ］．电气电子教学学报，２００８，３０（１）ｔ７１。７４［２］ＤｅｅｐａｋＳｒｉｎｉｖａｓａｇｕｐｔａ，ＩＭｂｕＪｏｓｅｐｈ．ＡｎＩｎｔｅｒｎｅｔ—ｍｅｄｉａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｏｒａｔｏｒｙ［＂Ｊ＇］．ＩＥＥＥＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓＭａｇａ－ｚｉｎｅ，２００３，２１１１－１８［３］魏衡华，吴汉生．双容水箱计算机控制实验系统的研制［Ｊ］．实验室研究与探索．２００５。２４（１）：３１－３３［４］王逸隆，江蜀华，ＭａｔｔＪａｍｅｓ．双水箱水位控制系统的混杂设计ＥＪ］．电气电子教学学报，２００８，３０（３）；３６—３８万方数据基于智能仪表和PLC的双容水箱测控实验系统开发作者：王华忠，孙自强，王慧锋，王卫国，WANGHua-zhong，SUNZi-qiang，WangHui-feng，WangWei-guo作者单位：华东理工大学信息科学与工程学院,上海,200237刊名：电气电子教学学报英文刊名：JOURNALOFELECTRICAL&ELECTRONICEDUCATION年，卷(期：2009，31(z2被引用次数：0次参考文献(4条1.郭一楠.程健.朱晏过程控制系统远程虚拟仿真平台研制2008(12.DeepakSrinivasagupta.BabuJosephAnInternet-mediatedprocesscontrollaboratory20033.魏衡华.吴汉生双容水箱计算机控制实验系统的研制2005(14.王逸隆.江蜀华.MattJames双水箱水位控制系统的混杂设计2008(3相似文献(10条1.期刊论文王宏杰.白丽凝.王成君.陈执铭.WANGHong-jie.BAILi-ning.WANGCheng-jun.CHENZhi-ming真空高压气淬炉控制系统的设计-科技情报开发与经济2010,20(29真空高压气淬技术在热处理行业有着广泛的应用,控制系统的设计对真空高压气淬炉的安全、可靠、稳定运行有着重要的影响.介绍了基于工业控制计算机、工业组态软件、智能仪表和PLC的真空高压气淬炉电气控制系统的硬件构成及软件控制思路,阐述了组态软件在工业控制领域的具体应用,提出了电气设计的思路及方法.2.期刊论文顾静.王寿增.程桂玲.朱世安.张淼.齐照东.GUJing.WANGShou-zeng.CHENGGui-ling.ZHUShi-an.ZHANGMiao.QIZhao-dong由组态软件、智能仪表及PLC组成的电炉群控制系统-工业加热2007,36(4给出了以电炉为主要设备的某生产工艺的自控设计方案,采用组态软件、智能仪表及PLC等实现电炉温度控制和附属设备的机械自动控制.3.学位论文邵会忠基于现场总线技术的电力监控系统研究与开发2004随着计算机技术、控制技术和网络技术的不断进步,电力系统自动化的研究和实践得到了飞速发展.变电站中担负测量、操作、控制、保护功能的二次侧系统己发展为高集成度的综合自动化系统,尤其近年来,变电站实现综合自动化,实现少人值班、无人值守,而现场总线控制技术是分布式控制系统向着全数字化系统发展的结果.本文以化工厂电力监控系统为背景,全面分析了现场总线技术的产生和发展,及现场总线的重要特性,重点探讨了现场总线技术和现场总线仪表在变电站综合自动化中的应用特点,提出用现场总线技术建立电力监控系统的技术方案.作为一种网络系统,本文详细探讨了系统设计的网络选型,系统的结构选型,提出系统的总体设计方案,即由上级监控级、通信级和现场控制级组成的三级现场总线系统,该系统结构简单、可靠性高,且具有良好的开放性.本系统中,后台监控软件采用组态软件制作而成,所开发的监控系统具有数据采集、数据处理、历史记录、图表画面显示、远方控制等多种功能,对此,本文做了详尽的介绍.通信是整个控制系统的关键,在编制符合现场总线通信协议的程序时,参考了通信协议模型中的各层规定,为保证通信的可靠性,通信协议采用ISO七层协议中的三层:应用层、数据链路层和物理层,在应用层之上增加用户层,使之符合规范标准,应用在PLM3000系列智能仪表及S7系列PLC的通信程序中.经过设计与现场调试,本系统已成功运行并达到了预期的控制效果.4.期刊论文左文轩.吴健雄.ZUOWen-xuan.WUJian-xiong可编程控制器在浴室节能改造中的应用-江苏电器2006(3用可编程控制器PLC控制空气源热泵、蒸汽辅助加热装置等,配合太阳能集热装置,实现对洗浴用水加热过程的控制,达到了环保、节能的运行效果.该系统具有安全可靠、运行经济、维修方便、智能化高等优点.5.学位论文吕斌现场总线控制技术用于电力监控系统的研究19986.期刊论文张兴奎.ZHANGXing-kui温湿度的集散式控制系统-大连民族学院学报20