虛擬過程控制實驗實訓平臺的開發(fā)

周 斌，陳 晶，張雅雯，薛 東

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

虛擬過程控制實驗實訓平臺的開發(fā)

周 斌1，2，陳 晶1，2，張雅雯1，薛 東1

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230051； 2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

針對過程控制實驗實訓物理平臺的缺陷，以單回路下水箱液位調節(jié)閥控制系統(tǒng)為例，介紹了基于虛擬A3000為控制對象的全虛擬實驗實訓平臺的開發(fā)過程。用到DDE通訊，實現(xiàn)了組態(tài)王與虛擬A3000對象的數(shù)據(jù)交換，在組態(tài)王工程開發(fā)中用命令語言實現(xiàn)了增量式PID算法；用到了OPC通訊，完成了組態(tài)王和MATLAB的連接，用Simulink模型文件實現(xiàn)了位置式PID算法。為高校師生開發(fā)過程控制工程提供了范例，為開展“教、學、做”的一體化課程提供了平臺。

過程控制；組態(tài)王；Simulink；增量式PID；位置式PID

過程控制實驗實訓設備是高等學校給自動化類專業(yè)學生，講解生產(chǎn)過程的工藝流程、自動化儀器儀表的工作原理、控制系統(tǒng)的結構、控制系統(tǒng)的運行過程及控制系統(tǒng)的設計開發(fā)等環(huán)節(jié)的操作平臺。[1]219-222也是高等學校教師模擬石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)環(huán)境，開展項目化教學、實踐性教學的得力助手。在實踐過程中我們發(fā)現(xiàn)過程控制的物理設備有以下幾個方面的問題：一是體積龐大，一間教室僅能放下為數(shù)很少的設備，很多學生不能上手，影響學生學習的參與性；二是使用時間長經(jīng)過多屆學生錯誤操作等原因儀器儀表老化嚴重，很多學校又無法及時更新設備，造成教學效果差等不良結果；三是相關物理設備需強電驅動，教師在教學安全性方面很是分心，影響教學。鑒于此，我們開發(fā)了基于組態(tài)王和虛擬過程對象的全虛擬實驗實訓平臺，以滿足教師的教學要求和學生的學習需求。

1 虛擬控制對象的介紹

北京華晟教儀公司開發(fā)了基于VB的虛擬A3000過程控制對象軟件，與能組態(tài)王實現(xiàn)DDE通訊。A3000結構如圖1所示。它包括水箱、鍋爐、換熱器、水泵、大功率加熱管和作滯后作用的盤管，傳感器方面有溫度計、壓力計、液位計和流量計，執(zhí)行器方面有電動調節(jié)閥、電磁閥、液位開關、調壓模塊和變頻器。[2]128-130

可以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的控制。通過選擇不同的輸水管路，能完成對象特性測試實驗，能構建單回路、串級、前饋反饋、比值、解耦和先進控制策略的控制系統(tǒng)。[3]

2 控制系統(tǒng)的構建

這里以單回路下水箱液位系統(tǒng)為例，介紹開發(fā)過程。圖2展示了單回路下水箱液位系統(tǒng)的結構和原理。

從圖2及結合圖1可知，單回路下水箱液位系統(tǒng)的工藝過程，可以在虛擬A3000對象上設定為：從電動定速泵出水，經(jīng)流量變送器FT102，過壓力變送器PT101，受電動調節(jié)閥FV101節(jié)制，進入下水箱，最后回到大儲水箱V104，形成循環(huán)?？刂七^程是：通過下水箱液位測量變送器LT103采集信號，將測量結果送入液位控制器，與給定值形成偏差信號，經(jīng)調節(jié)器計算，用以控制電動閥FV101改變下水箱進水流量，實現(xiàn)調節(jié)水位的效果。[4]698-700+767

圖1 A3000過程對象結構圖

圖2 下水箱液位控制系統(tǒng)結構圖

3 組態(tài)王工程開發(fā)

北京亞控公司的組態(tài)王是國內主流的組態(tài)軟件，能完成工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制的任務。該軟件具有良好的人機交互界面、豐富的工業(yè)圖形庫及驅動設備庫，組態(tài)工程步驟簡單，易于接受，大致可分為這樣幾個階段：設備連接組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、畫面組態(tài)、動畫連接及命令語言編寫。[5]

3.1 設備組態(tài)

新建工程后，選擇設備進入DDE，按照設備配置向導建立DDE設備：連接對象名為“A3000SIMU”，服務程序名為“A3000SIMU”，話題為“A3000”,數(shù)據(jù)交換方式為標準Windows DDE交換。如圖3所示，這樣便可使組態(tài)王軟件和A3000SIMU軟件之間進行通訊，完成實時數(shù)據(jù)采集和實時控制數(shù)據(jù)輸出。

圖3 DDE設備組態(tài)

3.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

根據(jù)之前2中對控制系統(tǒng)的分析：用到的數(shù)據(jù)有下水箱的液位LT103、電動閥FV101。編寫相應的數(shù)據(jù)變量表1如下：

表1 變量定義表

進入數(shù)據(jù)詞典，雙擊“新建”，出現(xiàn)“定義變量”窗口，對照表1的變量定義，建立對應的數(shù)據(jù)變量。輸入的IO數(shù)據(jù)在進入組態(tài)軟件之前，可以進行工程量轉換，如果過程值是液位，則可以設置最大值50，單位厘米。線性轉換如式(1)：

(1)

Y:輸出工程量；Ymax：輸出工程量最大值；Ymin：輸出工程量最小值；X：輸入原始信號；Xmax:輸入原始信號最大值；Xmin:輸入原始信號最小值。

如果原始輸入超過最大原始值，則等于最大原始值；如果少于最小原始值，則等于最小原始值。

3.3 畫面組態(tài)

按照2中工藝過程，借助組態(tài)王的工具箱和圖形庫繪制畫面如圖4，讓運行維護人員直觀地了解工作現(xiàn)場的運行情況，方便及時操作。

圖4 組態(tài)畫面圖

3.4 命令語言編寫

上述操作過程完成的是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，控制算法方面還未搭建，常用的PID控制規(guī)律有兩種，即位置式和增量式。考慮到我們的執(zhí)行設備用的是電動調節(jié)閥，建議采用增量式PID。其計算過程如式(2)

(2)

T：為采樣周期；k：為采樣序號，k=0,1,2,…；e(k)：系統(tǒng)在第k次采樣時刻的偏差值；e(k-1)：系統(tǒng)在第k-1次采樣時刻的偏差值；u(k)：系統(tǒng)在第k次時控制器的輸出；u(k-1)：系統(tǒng)在第k-1次時控制器的輸出；Kp:比例系數(shù)；Ti:積分時間；Td:微分時間；

根據(jù)公式(2)編寫增量式PID的算法程序如下：

//PID函數(shù) 默認采樣周期T=1秒

float tempPID_MV;

if( PID_I<1)//最小1秒

PID_I=1;

PID_ET2=PID_ET1;

PID_ET1=PID_ET0;

PID_ ET0=PID_SP-PID_PV;

tempPID_MV=PID_MV+PID_P*(PID_

ET0-PID_ET1);

早期的電氣自動化系統(tǒng)稱為遠程監(jiān)控系統(tǒng)，是單純模擬電路的系統(tǒng)，其本身與軟件和電纜線無關。因其單獨運行無法示警的特性，存在較大隱患不適用于大型系統(tǒng)只能作用于小型系統(tǒng)。因此，電氣自動化技術發(fā)展出了總線監(jiān)控系統(tǒng)，且該系統(tǒng)是總和自動化系統(tǒng)更適用于變電站。因其可通過改變電路設計優(yōu)化系統(tǒng)，從而改變了傳統(tǒng)方式中依賴人力監(jiān)控的模式，能夠在無人條件下進行監(jiān)管，極大程度上節(jié)約了人力。電氣自動化技術具有安全、全面的監(jiān)控機制，通過計算機網(wǎng)絡隨時隨地進行監(jiān)控，同時保證了數(shù)據(jù)的真實準確避免了人工操作的誤差。計算機全天化的工作機制極大地提高了工作效率。

tempPID_MV=tempPID_MV+PID_P/PID

_I*PID_ET0;

tempPID_MV=tempPID_MV+PID_P*PID_D*(PID_ET0+PID_ET2-2*PID_ET1);

IF( tempPID_MV<0)

tempPID_MV=0;

IF( tempPID_MV>100)

tempPID_MV=100;

IF(PID_AM==0)//自動

{

PID_MV=tempPID_MV;//返回去

PID_MAN=tempPID_MV;

}

ELSE//手動

{

PID_MV=PID_MAN;//返回去

}

Trace("PID,PID_MV= %2d",PID_MV);

在組態(tài)王應用程序命令語言中加載上述程序即可按增量式PID計算電動調節(jié)閥的開度。

4 系統(tǒng)調試

打開虛擬A3000對象軟件，設置好仿真接口，使全部信號為4-20mA,選擇仿真工藝過程如圖5。再進入組態(tài)王的工程瀏覽器，點擊VIEW切換到運行系統(tǒng)，利用控制器參數(shù)整定的方法，不斷試驗找到合適的參數(shù)，滿足水箱水位的性能要求。如圖6，水位設定為15厘米(工程百分比為30%)比例系數(shù)為1積分時間為20秒時，液位穩(wěn)定，調節(jié)閥穩(wěn)定。

圖5 工藝圖

圖6 運行曲線

5 Simulink工具箱工程開發(fā)

Simulink是控制系統(tǒng)設計的常用仿真工具，能直觀、快捷地構建過程控制系統(tǒng)的方塊圖模型，進行可視化分析，是高校師生、科研人員、工程人員必備的運算軟件，是MATLAB的一部分。[6]我們可應用組態(tài)王6.53和MATLAB2010的OPC通訊，利用Simulink豐富的工具箱，開發(fā)基于各種算法的控制工程，下面以位置式PID算法為例搭建單回路下水箱液位控制系統(tǒng)。

位置式PID的計算表達式如式(3)，轉化為傳遞函數(shù)為式(4)

(3)

(4)

u(k)：系統(tǒng)在第k次時控制器的輸出；k：為采樣序號，k=0,1,2,…；e(k)：系統(tǒng)在第k次采樣時刻的偏差值；e(k-1)：系統(tǒng)在第k-1次采樣時刻的偏差值；Kp:比例系數(shù)；Ki：積分系數(shù)；Kd:微分系數(shù)；D(Z)：離散傳遞函數(shù)。[7]168-169

打開MATLAB的Simulink軟件，建立model文件，如圖7所示。

圖7 位置式PID方塊圖模型

運行組態(tài)王工程后，在OPC Config模塊中設置連接OPC服務器組態(tài)王(KingView.View.1)；在OPC Read模塊中添加輸入信號下水箱水位(LT_103)；在OPC Write模塊中添加輸出信號電動調節(jié)閥(FV_101)；在Step模塊中設置給定值信號(需與組態(tài)王中定義變量的工程值相對應)，且設置采樣周期為1秒；設置Simulink的仿真時間為inf后運行系統(tǒng)，便可更改比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd，結合控制器參數(shù)整定方法，找到合適的參數(shù)，滿足液位的性能指標。

6 結論

以虛擬A3000為控制對象，結合組態(tài)王可實現(xiàn)計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)，服務“自動控制系統(tǒng)”“過程控制系統(tǒng)”“計算機控制系統(tǒng)”等課程，使得抽象的控制原理控制工程形象化具體化。[8]52-53再通過OPC通訊利用Simulink強大的運算功能和豐富的工具箱，可實現(xiàn)各種先進控制算法的帶對象仿真，為老師的教科研和學生實踐操作提供平臺。

[1]艾紅.自動化專業(yè)過程控制方向教學與實踐探討[J].實驗技術與管理,2014(06).

[2]陳西玉,鄭群.PCT系列過程控制系統(tǒng)教學實驗裝置[J]. 電氣電子教學學報,2004(06).

[3]沈逸. 基于ControlLogix平臺的串級控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D].上海交通大學,2007.

[4]張立眾,馬永翔. 鍋爐液位PID控制系統(tǒng)的設計[J].化工自動化及儀表,2011(06).

[5]張璇. 組態(tài)軟件在中密度纖維板調施膠生產(chǎn)中的應用研究[D].東北林業(yè)大學,2003.

[6]王正林,郭陽寬.MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)仿真(修訂版)[M].電子工業(yè)出版社,2012.

[7]趙紅飛,陸靜平,蔣達. 電動汽車用永磁無刷直流電機PID控制器設計及仿真[J]. 中國科技信息,2010(20).

[8]潘海.基于組態(tài)王的水箱液位控制系統(tǒng)設計[J]. 科技資訊,2009(26).

Class No.:TP273 Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Development of Virtual Process control Experiment Training Platform

Zhou Bin1,2，Chen Jing1,2，Zhang Yawen1, Xue Dong1

(1.Anhui Electrical Engineering Professional Technique College, Hefei, Anhui 230051,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009，China)

Aiming at the defects of physical platform of process control experiment training, taking the control system of water level control valve in single loop as an example, this paper introduces the development process of virtual experiment training platform based on virtual A3000. With DDE communication, the OPC communication and the Kingview and virtual A3000 object data exchange, we achieved the incremental PID algorithm and the connection Kingview an MATLAB. It provides an example for the development of process control engineering and a platform for teaching, learning and doing.

process control ; Kingview; Simulink; incremental PID ; positional PID

周斌，在讀碩士，講師，安徽電氣工程職業(yè)技術學院。研究方向：自動檢測、控制原理。

安徽省高等學校質量工程項目：針對火電廠技能型人才培養(yǎng)的DCS教學系統(tǒng)研究(編號：2016jyxm0076)；安徽電氣工程職業(yè)技術學院科研項目：解耦控制的研究(編號：2015ybxm04)。

1672-6758(2017)04-0070-5

TP273

A