基于LabVIEW和PCI-1711的過程控制實驗系統(tǒng)設(shè)計

葛亞明,于 鑫,呂淑平,李 軍

(哈爾濱工程大學 自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于LabVIEW和PCI-1711的過程控制實驗系統(tǒng)設(shè)計

葛亞明,于 鑫,呂淑平,李 軍

(哈爾濱工程大學 自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

過程控制實驗系統(tǒng)既要對輸入信號進行采集,又要對輸出信號進行處理,更要求有可視化的監(jiān)控視圖。采用PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡對控制對象的輸入信號進行采集,使用LabVIEW軟件對采集量進行顯示和處理,根據(jù)設(shè)定的控制指標,采用PID等控制算法,經(jīng)PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動放大電路輸出,對電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機構(gòu)進行控制,完成液位、流量、壓力等常用工業(yè)過程控制量的數(shù)據(jù)采集和控制。PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件的引入,可以實現(xiàn)對過程控制系統(tǒng)的參數(shù)測試、顯示、存儲、分析及控制,提高了原有實驗平臺的功能擴展性。

過程控制;LabVIEW;PCI-1711;數(shù)據(jù)采集

工業(yè)過程控制系統(tǒng)常以智能儀表和PLC為主控制器,完成液位、流量、壓力等過程量的數(shù)據(jù)采集及控制,并使用組態(tài)軟件做監(jiān)控視圖。為了提高設(shè)備的利用率,較好地提高原有實驗平臺的功能擴展性,拓展學生的學習思維,以過程控制實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備為依托,采用LabVIEW和PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡完成液位等信號的給定值控制[1-4]。

PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡是一種插卡式的數(shù)據(jù)采集設(shè)備,插入臺式計算機PCI槽或筆記本電腦PCMCIA槽中即可使用,是一種典型的虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu),它通常要求在計算機外面根據(jù)需要配備某種信號調(diào)理設(shè)備。本文利用LabVIEW軟件可視化的編程方式對PCI-1711采集到的信號進行處理[5],并對輸出信號適當放大,給出控制信號,構(gòu)成一個完整的閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的系統(tǒng)是帶反饋的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實時調(diào)整,控制其自身的測量裝置,使其以最佳的測量狀態(tài)測量當前信號,以便應對信號的較大變化;系統(tǒng)能夠?qū)y量數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時反饋給被測信號,通過某種控制裝置改變被測對象的信息。

搭建的硬件平臺分為如下幾個部分:由傳感器和調(diào)理電路構(gòu)成的輸入通道,由信號調(diào)理電路和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成的輸出通道,數(shù)據(jù)采集卡接口電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡,最多可以同時采集16路的模擬信號,每路模擬信號的輸入類型和范圍可由用戶靈活設(shè)定[6],2路12位模擬量輸出,在進行信號測控系統(tǒng)的設(shè)計時,這2路通道用于輸出控制信號,12位的精度足以滿足要求。

PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡模擬通道的最大輸出電壓范圍是-5 V～+5 V,不足以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥,需要設(shè)計放大電路。采用集成運算放大器OP07設(shè)計同相比例放大器,根據(jù)模擬電路的知識得到輸出電壓OUTPUT=(1+Rf/R1) INPUT，Rf是一個0～5 kΩ變化的電位器,當Rf=0時,放大倍數(shù)為1;當Rf=5 kΩ時,放大倍數(shù)為6。

測試時用PCL-10168(兩端針型接口的68芯SCSI-II電纜為1 m)將PCI-1711與ADAM-3968(DIN導軌安裝的68芯SCSI-II接線端子板)連接,這樣PCL-10168的68個針腳和ADAM-3968的68個接線端子一一對應,通過將輸入信號連接到接線端子來測試PCI-1711管腳[7]。圖2為測試數(shù)據(jù)采集卡的硬件連接圖。

圖2 測試數(shù)據(jù)采集卡的硬件連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)前面板設(shè)計(見圖3)包含7個部分:液位顯示窗口,實時液位模擬窗口,參數(shù)設(shè)定,液位狀態(tài)顯示窗口,閥位信息反饋,誤差與調(diào)節(jié)時間窗口(可以顯示實時的控制誤差,并根據(jù)用戶輸入的期望誤差確定并顯示最終的調(diào)節(jié)時間),程序運行控制。

圖3 液位測試與控制系統(tǒng)前面板設(shè)計

圖4為液位測試與控制系統(tǒng)的程序流程圖,包括如下部分:循環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓采集與轉(zhuǎn)換，液位比較，PID控制，實時誤差與調(diào)節(jié)時間計算，數(shù)據(jù)保存[8-10]。

圖4 液位測試與控制系統(tǒng)的程序流程圖

液位測試系統(tǒng)的前面板與程序框圖的功能對應如圖5所示。

圖5 程序框圖與前面板功能對應圖

上述流程圖在LabVIEW中實現(xiàn)后,具體的程序框圖如圖6所示。

圖6 液位測試系統(tǒng)的程序框圖

3 實驗結(jié)果與分析

按照步驟連接好硬件電路,開啟計算機并打開LabVIEW程序,給系統(tǒng)上電并實際運行程序。切換到LabVIEW程序的前面板上,給系統(tǒng)一個階躍輸入,觀察液位的響應曲線是否滿足動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求。如果不滿足,停止運行程序,更改比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd的值,重新運行程序。重復以上步驟直到液位響應曲線達到要求。

經(jīng)過調(diào)試可知,當比例系數(shù)Kp=0.6,積分時間常數(shù)Ki= 2,微分時間常數(shù)Kd=0時,控制效果較好。切換到前面板運行程序,在參數(shù)設(shè)定部分,按照以上的值設(shè)定PID參數(shù),設(shè)定液位值為15 cm,液位上限值為20 cm,選擇數(shù)據(jù)采集的設(shè)備0(即PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡),選擇模擬輸入通道0(對應硬件部分連線),采樣率設(shè)定為100，設(shè)定期望誤差為2%,點擊設(shè)定完畢,然后點擊“數(shù)據(jù)保存”按鈕?？刂瞥绦蚓烷_始運行,可以看到電動調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動到一定開度時可以觀察到水開始注入水箱,液位發(fā)生變化。

在進行控制的過程中,實時誤差窗口中的值也在一直發(fā)生變化,當“實時誤差”窗口中的值小于期望誤差時,“調(diào)節(jié)時間”窗口顯示一個非0值；當液位曲線出現(xiàn)振蕩,導致實時誤差大于期望誤差時,此值清0；當實時誤差再次小于期望誤差時,再次給出一個非0值；當誤差達到期望誤差以內(nèi),且始終不超過期望誤差時,給出最終的調(diào)節(jié)時間。圖7為調(diào)試結(jié)果界面。

圖7 液位測試與控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果界面

為了分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示和控制性能,當液位穩(wěn)定于某個高度(測試時選擇為4 cm)時,依次設(shè)定了幾個液位值,相當于突然給系統(tǒng)加上階躍信號,然后運行程序,表1記錄了液位的設(shè)定值、最終的顯示值、實際的液位值、顯示誤差、期望誤差和對應的調(diào)節(jié)時間等信息。

表1 液位測試系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)

由表1可以看出，顯示誤差控制在1%～3%之間,液位能達到設(shè)定值,但調(diào)節(jié)速度稍慢。

4 結(jié)論

采用LabVIEW和PCI-1711卡設(shè)計的過程控制實驗系統(tǒng),與原有基于智能儀表和PLC控制器的系統(tǒng)相比,能夠達到相近的控制效果,將PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡應用于過程控制系統(tǒng)中,使得該控制實驗平臺具有了強大的信息處理能力,可視化效果也很好,拓展了原有實驗平臺的功能。

References)

[1] 陳林,潘旭，陳喬，等.虛擬儀器技術(shù)在電子技術(shù)課程設(shè)計中的應用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(8):83-86,125.

[2] 哀微,盧明陽.基于LabVIEW和Simulink的過程控制工程虛擬實驗平臺開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2012,31(6):65-69.

[3] 蘇仔見,倪攀,許少倫. LabVIEW在運動控制系統(tǒng)實驗平臺的應用和實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2011,30(10):38-39,110.

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[5] 余錫斌,陳可.基于虛擬儀器技術(shù)的信號模擬和測試系統(tǒng)設(shè)計[J].艦船電子工程,2011,31(11):140-142.

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[9] 俎云霄,曾昶暢.基于LabVIEW的“信號與系統(tǒng)”仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19(11):141-144.

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Design of process control experimental system based on LabVIEW and PCI-1711

Ge Yaming,Yu Xin,Lü Shuping,Li Jun

(Department of Automation Control,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The process control system can not only require the ability to collect the input signal data,but also process the output signal data. And it also needs to have the visual monitoring interface. The system collects input signal data of the process control system using PCI-1711 data acquisition card and uses LabVIEW software for data processing and display. According to object properties and system performance index,the control system uses PID algorithm to calculate the control target value,and utilizes the analog channels of PCI-1711 and driver amplifier to control the electric control valve,inverter and other actuators. By introducing PCI-1711 and LabVIEW,the acquisition of system parameters,display,storage,analysis and control can be realized,and it is better to achieve the functional scalability of the original experimental platform.

process control;LabVIEW;PCI-1711;data acquisition

2014- 05- 16

中央高?；痦椖?HEUCF041407);哈爾濱工程大學實驗教學改革項目(SYJG20130405)

葛亞明(1976—)，女，黑龍江勃利，博士，講師，主要研究方向為控制理論與控制工程.

E-mail：geyaming@hrbeu.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2015)1- 0108- 04