【《水箱水温计水位控制系统的硬件和软件设计案例》5600字】

水箱水温计水位控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29222水箱水温计水位控制系统的硬件和软件设计案例 118835第一章系统硬件设计 1251531.1硬件架构 196071.2感知层 2136171.2.1热电阻 2136831.2.2压力变送器 2132811.2.3超声波传感器 2215461.2.4全隔离单相交流调压模块 353831.3传输层 3204701.4控制层 4160091.2.1JACE-8000网络控制器 43293第二章系统软件程序设计 6110432.1Niagara软件框架 6282172.2N4软件与JACE-8000数据通讯 7241122.3主程序设计 8270932.1.1设置点对应传感器 8242532.1.2设置报警模块步骤： 9310192.1.3温度检测与控制系统 10154532.1.4液位检测控制逻辑，压力检测逻辑及温度控制逻辑的集成 123882.1.5历史/趋势数据采集程序设计 13295142.1.6用户页面设计 14209862.1.7平台的远程访问 15第一章系统硬件设计1.1硬件架构在之前的系统监视设计上，计算和统计出需要监视的点数，传感器和设备的类型等，并搭建完成感知层传输层和控制层的硬件结构。感知层主要是温度，液位等。传输层主要是一些工业控制协议，其中包括MODBUS和TCP/IP通信协议。控制层主要包含JACE-8000，IO-28P输入和输出模块。主要的硬件设备为水箱、抽水设备和多个管道、加热器[1]。如图系统架构图3-1。图3-1系统架构1.2感知层感知层是物联网硬件架构中最基本的部分，它是由多种现场设备构成。该设计是基于Niagara的过控系统，它的感知层主要有热电阻、压力传感器等[1]。1.2.1热电阻在中低温区间内，热电阻是最常用的温度检测器之一。对于热电阻测量温度有以下特点：金属导体电阻大小会随温度升高而增加[10]。热电阻主要有测量的精度高，性能较为稳定的特点。在这些检测器之中，铂热阻有者最高测量精度。其不仅仅用于广泛工业中的温度测量，而且还可以与标准参考设的一些制作。1.2.2压力变送器当测量膜片的表面上受到压力时，膜片会引起轻微变形。膜片上的精密电路将这种细微的变形转化为电压信号，该电压与膜片表面压力成正比，与激励电压成正比[8]。它发送信号，并使用相应芯片将该电压信号转变为行业通用的4-20mA的电流信号或者1-5V的电压信号[4]。测量膜片使用带有线性和温度补偿电路的集成标准电路，用来实现高精度和稳定性。传输电路使用了专用的两线制芯片，可以保证4到20mA的电流输出信号。1.2.3超声波传感器超声波传感器是将超声波信号转换为另一个能量信号（一般为电信号）的传感器[5]。它是一种机械波并且振动频率超过20kHz。它具有高频率，短波长，小的衍射现象的特点。特别是方向性好的特性，并且可以变成光线并沿方向传播。它具有很强的穿透能力，可以把液体和固体穿透，特别是不允许阳光通过的固体。在超声波与污染物或界面接触时，会产生清晰反射的回声。用超声波触摸移动的物体会产生多普勒效应。1.2.4全隔离单相交流调压模块全隔离单向交流调压器是由鉴相电路，同步变压器，移相触发电路和输出晶闸管构成。当控制电压力发生改变时，晶闸管触发的相角能发生改变，即能实现单相交流电的电压调节。单相交流调压模块的技术参数请看表3-2-4。表3-2-4技术参数输入电压控制0-5V，0-10V控制输入电流控制4-20mA，0-10mA参数手动电位器控制2-10kΩLED指示有额定工作电压220/380Vac（±10%）输入参数电网频率50Hz断态峰值截止电压Vp≥1200Vpk浪涌电流（电网一周）800%最小负载电流100mA输出断态漏电流＜12mA参数静态电压上升率dVs/dt＞200V/μs（增强型）换向电压上升率dVc/dt＞200V/μs（增强型）调节响应时间10ms关断最大延时10ms介质耐压≥2000Vac其他绝缘电阻＞1000MΩ（500Vdc）参数工作环境温度-40℃—+60℃散热方式散热器、强制风冷1.3传输层传输层在管理平台中的作用是上载和下达数据。其是物联网的中心，同时也是确保信息传输质量的主要通信手段。该系统中使用到的传输层技术主要包括TCP/IP协议（JACE-8000与PC服务器的通信）和MODBUS协议（JACE-8000与水箱系统和IO模块通信）。MODBUS协议是工业控制中一种常用的编程语言。在当前应用中，MODBUS通信协议已经成为工业控制中的重要组成部分，并且工业控制中的每个组件都可以通过该协议连接到工业网络中进行集中的监视。在使用的过程中，可以采用RTU或ASCII进行MODBUS通信。传输方式为：JACE-8000（IP：40）通过PRI口，并通过TCP/IP协议与PC进行通信。水箱系统的各种传感器通过导线接上IO-28P的I/O，再通过TCP/IP连接到JACE-8000。1.4控制层控制层是物联网整个硬件体系结构的最高层，是整个硬件系统的指挥。它在协调总体情况以及收集和分析感觉层数据方面起着总体作用。控制层设备主要是JACE-8000和IO-28P模块。1.2.1JACE-8000网络控制器控制层中使用的是一台嵌入式网络控制器，型号为JACE-8000（图3-4-1是实际的设备图），并且可以连接相应的扩展模块（有RS485端口）。JACE-8000包括了两个单独的RS485端口，两个以太网端口，USB备份和恢复以及一个Wi-Fi连接。电源为24VAC/DC电源，最多可以使用4个扩展模块。它还配备了扩展模块，具有RS-485接口。JACE-8000将具有不同协议的多个现场设备连接到LAN/WAN，并具有能源管理，警报，趋势分析，控制和Web界面功能。图3-4-1JACE-8000IO-28P模块是模拟量、数字量输入、输出模块，如图所示，模块当中有模拟量输入接口，数字量输入接口，数字量输出接口各8个，模拟量输出接口有4个。IO模块的硬件调试步骤如下进行：（1）设备可以同时支持BACnet与MODBUS协议。共有8个内部DIP开关，第一个位用于选择协议的类型，其余的第二个到第八位是用于寻址设备的二进制规则。（2）可以通过内部跳线开关选择设备的模拟输入信号。信号类型包括电流，电压和电阻信号。该系统中使用的主要模拟输入信号是4-20mA电流信号。（3）IO-28P模拟输出信号，包括电压和电流信号，也可以通过内部跳线开关进行选择。该系统中使用的模拟输出信号主要是4-20mA的电流信号与0-10V的电压信号。本硬件架构平台使用一台IO-28P模块，一台IO模块的地址分别为0-3。一台IO模块温度、液位的物理状态，循环泵的启停状态、加热棒的加热公率等数据进行采集和控制，IO模块对应的输入输出数据如表1.1所示图3-5-1IO-28P模块表1.1模块编号描述量程点的类型接点地址IO-28P热电阻0~100℃BooleanPointHex:0IO-28P超声波传感器85~735mmNumericPointHex:4IO-28P压力变送器0~4000PaNumericPointDecimal：14IO-28P加热棒加热功率AC0~220NumericWritableHex:0IO-28P液位开关上限BooleanPointHex:0IO-28P液位开关下限BooleanPointHex:1IO-28P加热棒启动BooleanWritableHex:1IO-28P水泵启动BooleanWritableHex:3第二章系统软件程序设计前三章分别详细介绍了设计该系统的意义，系统的设计方案和系统硬件设计等结构。下面详细介绍系统的软件设计和开发。本章基于Niagara的软件框架，完成了软件和硬件设备的通信设置以及数据互联，以构建完整的监视和管理界面。该平台可以提供了远程浏览器访问，实时进行数据监视，系统实时控制以及历史数据可视化显示。2.1Niagara软件框架Niagara是霍尼韦尔的Tridium基于Java技术开发的物联网软件框架[15]。该平台使用第4代产品Niagara4（见图4-1-1）。软件如图4-1-2所示。Niagara4用于管理连接的物联网网络控制器和现场DDC。在获得传感器检测的的数据后，由集成的相应逻辑处理后，在界面中进行统计分析，算法分析，监视和警报等应用。它还负责感知层设备的群控[13]。图4-1-1Niagara2.7软件图4-1-2Niagara4软件界面图Niagara的相关技术如下：（1）应用程序组件（programs）：①站：这是Niagara运行时的程序，它是在Java虚拟机上运行的Niagara组件应用程序。②工作台：一种可视化的Niagara编程工具，使用者可以访问平台和工作站。③守护程序（Demon）：守护程序用于平台配置项目与启动工作站，例如设置IP地址。④Web浏览器：使用者可以通过浏览器来访问Niagara平台。（2）网络通讯协议（Protocols）：①Fox：基于TCP/IP的专用协议，用于站到站通信和工作台到站通信。；②HTTP：这里是指标准的HTTP协议。

浏览器则是通过https协议访问站点的网站。③Niagarad：用于工作台与守护程序之间通信的专用协议。2.2N4软件与JACE-8000数据通讯JACE-8000借助PRO端口通过使用TCP/IP协议的网线连接到PC服务器上。为了成功进行通信，必须在192.168.0.XX部分中设置PC服务器的本地连接地址。在N4软件平台上，使用OpenPlatform命令将Jace-8000的IP地址设置为40。，将FoxPort设置为4911，然后输入相应的用户名和密码以打开Jace-8000控制器平台。双击进入平台然后运行ApplicationDirector目录。加载后，可以在JACE-8000网络控制器上打开工作站。此平台上的通信连接主要使用目录中的Config功能。这包括服务，驱动程序和APP之类的功能。其中，驱动软件作用是实现各设施通讯最主要的部分。文件部分可以在管理平台上存储界面，历史记录和警报数据。打开工作站后，使用“调色板”工具选择ModbusTcp文件夹，以将ModbusTcpNetwork组件依次添加到Drivers目录和组件ModbusTcp设备中。ModbusTcp设备的状态将照常显示（参见图4-3）。这样就可以在N4软件和JACE-8000之间进行通信。图4-32.3主程序设计2.1.1设置点对应传感器先建立8个点来对应相应的传感器。4个Boolean点为加热开关、水泵继电器、液位上限位、液位下限位。4个模拟点为加热棒继电器、超声波传感器、压力变送器、热电阻。按表1.1进行地址设置。如图4-3-1所示、图4-3-2所示。图4-3-1图4-3-22.1.2设置报警模块步骤：打开station目录中的services的alarmservice一项，打开alarmservice中的属性视图。2.打开调色板里的alarm调色板。从调色板为alarmservice的wiresheet添加一个新的alarmClass项目，并将其命名为报警。1.打开报警的PropertySheet设置如图4-3-3。图4-3-32.从alarm调色板的Recipients文件夹，为alarmservice的wiresheet添加一个consoleRecient。将这个consolerecipient命名为All_Alarms。从DefaultAlarm的Alarm连接到All_Alarms的RouteAlarm。从HighPriorityAlsrms的alarm连接到All_Alarms的RouteAlarm。连接图如图4-3-4。图4-3-42.1.3温度检测与控制系统在编写温控逻辑时，重要的是PID模块的使用。设T为测得的温度值，然后tset设定的温度值。程序设计的基本控制方式如下：系统开启并且达到稳定状态后，计算机首先接收由下部热电阻收集的数据，然后将其与程序设置的温度值进行比较[6]。当测得温度T>设定温度tset时，系统输出开度为0，由它控制的全隔离单体交流调压模块的输出电压为0，系统供热系统不运行。当测得温度T<在设定温度T时，系统输出开度按照逻辑设定开启，系统开始加热。系统则是采用T-tset作为偏差信号，并通过Niagara软件中的Looppoint模块调整PID算法（Looppoint的属性配置页面如图6所示）。PID算法的应用主要在于PID模块计算逻辑开度进行对温度的调整[14]。最终水箱中的温度将会稳定在设定值的附近。

该系统主要使用PI循环，PI回路输出计算如下：输出=KPx（ES+KIxErrorSum）（如果动作=直接），或输出=-（KPx（ES+KIxErrorSum））（如果动作=反向）；其中：KP比例常数；ES=[PV-SP]；ErrorSum=一段时间内的误差总和；PV传感器采到的值；KI分常数；SP目标温度。其中KP的值和KI的值经过多次调试得到,设置如图4-3-5，图4-3-6所示。图4-3-5PID模块设置图4-3-6温度控制逻辑图由于实际温度会在进行系统控制的实际情况下发生低于设定的最低温度或者高于设定的最高温度，因此在控制系统温度时需要发出警报通知，因此，需要向逻辑程序图中的温度控制模块添加警报通知扩展，即在Temperature模块里添加报警通知扩展。新添加的警报通知扩展名是超出范围的警报扩展。具体的属性配置界面如图4-3-7所示。在上限选项框中输入高温警报值75即超过75℃发出报警，在下限选项框中输入低温警报值15即低于75℃发生报警，警报指令％alarmData.sourceName％>％alarmData.highLimit％！输入。将警报指令写在上下文本％alarmData.sourceName％<％alarmData.lowLimit％！实现报警通知。图4-3-72.1.4液位检测控制逻辑，压力检测逻辑及温度控制逻辑的集成Niagara4开发平台允许配置不同类型的数据点以连接到用户界面中的现场设备和niagara中的控制点。可以将所有数据集成到同一个逻辑视图中，并在逻辑视图中实施相应的逻辑策略。同时，开发平台提供了一个庞大的调色板库。开发工程师可以使用它将所需的命令和功能直接拖到逻辑视图中。这种图形开发过程可以显着减少开发难度和开发周期。工程师可以专注于优化逻辑，而不必在冗长的逻辑指令上浪费时间。在这里，您应注意以下几点：1.除了与设备的通信点之外，还必须通过用户界面定义交互点和逻辑中间点。系统运行（SystemStart），排水阀启动（WaterDrainValve），温度设置（TemperatureSetPoint），水泵运行1（WaterPumpStart1）和水泵运行2（WaterPumpStart2），开关（Switch）等。软件中可以使用常见的逻辑函数（And，Or，Not）和创建选择函数（BooleanSwitch）进行搭建，这些东西都可以从软件中的调色板库里面找到。2.压力变送器的输出是4到20mA的电流信号，只要设置了相应的最大值，最小值和单位，就可以显示实际值。但是，超声波传感器的输出信号为1至5V，对应于该范围内的最小值和最大值。但是，由于采集通道只能设置为0-5V，因此直接显示数据并不准确。故要在逻辑视图中进行转换，就要需要使用线性函数。最后对于到实际水位显示。1.根据系统总体控制流程图4-3-8，最后完成逻辑的编写，如图4-3-9。图4-3-8系统总体控制流程图图4-3-9逻辑图2.1.5历史/趋势数据采集程序设计为便于数据收集和数据检索，提供了温度和液位的历史纪录。1.在站点中找到History容器。展开该容器，然后进一步展开其内部容器。2.打开调色板侧栏里的history调色板，展开调色板里的扩展。1.打开watertank文件夹并打开Temperature的属性表，向其中添加一个NumeriCov的拓展。展开视图里面的拓展，以便查看其属性。2.在numericalCov拓展进行以下设置：（1）将Enable设为Ture。（2）展开HistoryConfig容器，将Capacity设为600条记录。（3）ChangeTolerance设为5防止数据波动，报存修改。5.打开Ultrasonic的属性表。从调色板中拖拉numericalCov拓展，并将其放在该点属性表的名称上，从而完成添加拓展。6.Enable新的拓展。7.双击站点上Services容器里面的HistoryServices项目。注意站点上的所有历史推展名称是否都存在。详细修改如图4-3-10，4-3-11所示。图4-3-10图4-3-112.1.6用户页面设计为了实