基于Niagara開發(fā)平臺的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹寶文

摘? 要： 為了滿足工業(yè)生產(chǎn)制造的實(shí)時(shí)控制需求，基于Niagara開發(fā)平臺，選取過程控制中的典型案例對水箱液位和溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。將原PLC控制技術(shù)進(jìn)行替換，通過硬件搭建、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)通信與界面設(shè)計(jì)集成出一套過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，所提系統(tǒng)的水箱液位和溫度控制運(yùn)行可靠，同時(shí)體現(xiàn)出Niagara開發(fā)平臺可視化圖形編程的優(yōu)越性、互聯(lián)網(wǎng)訪問便捷性、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的融合性和強(qiáng)大的設(shè)備兼容性，為其他系統(tǒng)的移植和開發(fā)平臺的選擇提供了技術(shù)參考和支持。

關(guān)鍵詞： Niagara開發(fā)平臺; 過程控制; 系統(tǒng)開發(fā); 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng); 工業(yè)網(wǎng)絡(luò); 開發(fā)效率

中圖分類號： TN98?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0110?04

Design of process control experimental system

based on Niagara development platform

CAO Baowen

（Basic Experimental Training Center， Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： On the basis of the Niagara development platform and the typical cases in the process control， a water tank level and temperature control system is developed to meet the needs of real?time control of industrial production and manufacturing. The original PLC control technology is replaced， and the process control experimental system is integrated by hardware construction， software development， data communication and interface design. The experimental test shows that the water tank level and temperature control of the proposed system are reliable. Meanwhile， it shows the superiority of the visual graphical programming of Niagara development platform， the convenience of Internet access， the integration of industrial control networks and the powerful compatibility of device. Therefore， it provides technical reference and support for other system transplants and the selection of development platform.

Keywords： Niagara development platform; process control; system development; experiment system; industry network; development productivity

0? 引? 言

工業(yè)過程控制也可被稱為工業(yè)實(shí)時(shí)控制，其是將實(shí)時(shí)的溫度、流速、壓力、液位等變量作為輸入?yún)?shù)，以實(shí)時(shí)的控制方式作為輸出結(jié)果。也就是說，工業(yè)過程控制能夠通過采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對控制對象快速且自動(dòng)地調(diào)節(jié)和控制。隨著提高經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)效率和節(jié)約能源等因素越來越被人們重視，工業(yè)過程控制的重要性也日漸突出。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，發(fā)展了三代基礎(chǔ)控制技術(shù)，工程技術(shù)人員在控制工程實(shí)踐活動(dòng)中的發(fā)明創(chuàng)造是控制理論的最初和基本來源[1?2]。

工業(yè)過程控制的目的是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高效和低耗，這就需要工程人員熟悉和掌握生產(chǎn)工藝流程和特性，應(yīng)用各種控制理論對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用，最終通過自動(dòng)化裝置結(jié)合控制手段加以實(shí)現(xiàn)，滿足人們的生產(chǎn)需求。傳統(tǒng)的過程控制通常使用可編程控制器（PLC）以及輸入輸出（I/O）和各種儀表，例如：壓力、溫度、差壓、流量等模擬量和開關(guān)、運(yùn)行狀態(tài)等開關(guān)量，完成對某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制。PLC和繼電器?接觸器傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，工作可靠性更好，系統(tǒng)集成化程度更高[3]。電氣類和機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生也將可編程控制技術(shù)作為核心專業(yè)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)，部分學(xué)生已經(jīng)具備一定編程水平和實(shí)操能力，需要進(jìn)行知識儲備的擴(kuò)充和技術(shù)技能的提高，特別是對新穎的控制器和開發(fā)平臺、基于圖形化的編程環(huán)境、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行深入研究。所以，引入一種新穎的控制開發(fā)平臺和控制器，接觸全新編程理念，發(fā)揮更強(qiáng)大的通信能力，對于應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有重要意義。同時(shí)，使用已有實(shí)驗(yàn)室部分過程控制設(shè)備進(jìn)行硬件系統(tǒng)搭建和上位機(jī)開發(fā)，與原PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行對比，總結(jié)各自優(yōu)勢，具有系統(tǒng)移植性研究意義，可協(xié)助企業(yè)更好地開發(fā)軟件系統(tǒng)，為未來將該控制系統(tǒng)拓寬到更廣的應(yīng)用領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。

1? 現(xiàn)狀分析

高效的新能源動(dòng)力和信息技術(shù)的發(fā)展是改變工業(yè)生產(chǎn)模式，提升競爭力的關(guān)鍵因素[4]。

在第三次工業(yè)革命之后，PLC的應(yīng)用使工業(yè)過程控制的自動(dòng)化程度大大提升。經(jīng)分析，基于PLC和上位組態(tài)軟件架構(gòu)的優(yōu)勢主要有兩個(gè)方面：存在大量的項(xiàng)目應(yīng)用案例，提供了豐富的控制和調(diào)試策略;組態(tài)軟件種類很多，用戶可選空間很大。然而，使用PLC進(jìn)行內(nèi)部邏輯的編寫需要花費(fèi)大量的時(shí)間，特別是復(fù)雜邏輯需要人力和時(shí)間的充分保障。開發(fā)周期長、調(diào)整邏輯困難、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域發(fā)展不良，這些都導(dǎo)致了使用PLC開發(fā)的局限性。同時(shí)，這樣的架構(gòu)還存在兩個(gè)潛在的難題：

1） PLC無法直接讀取所有品牌設(shè)備的參數(shù)，大量設(shè)備參數(shù)的讀寫必須依賴第三方網(wǎng)關(guān)，或者使用網(wǎng)關(guān)在上位機(jī)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。這樣就增加了一個(gè)不穩(wěn)定環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患。

2） 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，用戶需要隨時(shí)隨地進(jìn)行Web訪問和實(shí)時(shí)監(jiān)控成了一個(gè)難題，目前很多PLC系統(tǒng)并不是原生態(tài)的支持Web瀏覽，必須依賴第三方軟件[5?6]。

然而，隨著信息技術(shù)的日新月異，Tridium公司開發(fā)的Niagara系統(tǒng)的出現(xiàn)令上述問題迎刃而解。Niagara是基于互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)出來的，它是一種用于設(shè)備和企業(yè)級應(yīng)用互聯(lián)的應(yīng)用框架。應(yīng)用框架不同于普通軟件，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用完備的底層服務(wù)，編程人員只需要在這個(gè)統(tǒng)一、具有豐富功能的開放式平臺上進(jìn)行具體的產(chǎn)品和系統(tǒng)開發(fā)，將軟件的設(shè)計(jì)重用性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性發(fā)揮得淋漓盡致。這樣做的直接好處就是簡化了開發(fā)過程，大大縮短了各種應(yīng)用軟件的開發(fā)周期，明顯降低了產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)成本并提高了開發(fā)的統(tǒng)一性和質(zhì)量。此外，Niagara開發(fā)平臺的另一大優(yōu)勢就是通用性和兼容性極好，它將數(shù)據(jù)和屬性轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的組件，它所創(chuàng)造的通用環(huán)境幾乎可以和任何能夠想象到的嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)連接，而不用去考慮這些設(shè)備或者系統(tǒng)使用的通信協(xié)議。Niagara開發(fā)平臺的集成性能很高，可以保留住以前的產(chǎn)品并為現(xiàn)有客戶提供新的產(chǎn)品和技術(shù)。同時(shí)，Niagara開發(fā)平臺的圖形化編程環(huán)境使得開發(fā)過程簡單易操作，界面美觀并且友好，控制邏輯開發(fā)速度快，易修改。由于能將數(shù)據(jù)點(diǎn)接入云端，可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[7?8]。目前很多學(xué)者已經(jīng)在智能樓宇、暖通、物聯(lián)網(wǎng)、能效管理等領(lǐng)域嘗試使用Niagara開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)，效果顯著[9?12]。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 硬件設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究過程控制實(shí)訓(xùn)裝置，結(jié)合目前先進(jìn)的軟件框架Niagara平臺，選取過程控制中的典型案例，例如，水箱的溫度、液位控制，通過硬件搭建、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)與測試，最終設(shè)計(jì)開發(fā)出一套過程控制實(shí)訓(xùn)裝置。

如圖1所示，實(shí)訓(xùn)裝置硬件部分包括加熱水箱、儲水箱、水泵、放水閥、加熱棒、溫度傳感器、壓力變送器、超聲波傳感器、液位開關(guān)、調(diào)壓模塊等，可以滿足水箱的液位控制和溫度控制。其中，水泵用于將水從儲水箱抽到加熱水箱，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)使用;調(diào)壓模塊內(nèi)部包括移相觸發(fā)電路、可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等，可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通角以改變負(fù)載上的電壓，從而調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓從0 V到電網(wǎng)全電壓的無級可調(diào)。加熱棒和調(diào)壓模塊配合使用，實(shí)現(xiàn)水的精確加熱;溫度傳感器、壓力變送器輸出4～20 mA電流信號，用于顯示加熱水箱溫度和底部壓力;超聲波傳感器包括傳感器部分和放大器部分，輸出DC 1～5 V信號顯示水位;液位開關(guān)用于采集水位的上下限并控制水泵的啟停。

為了更好地利用Niagara4，Tridium公司研發(fā)了全新的硬件平臺 JACE8000及配套的I/O設(shè)備。如圖2所示，本系統(tǒng)使用PC，JACE8000控制器，IO?28P和傳感器、繼電器等設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，其中，JACE8000控制引擎最大的特點(diǎn)就是高兼容性和開放性，它基于HTML5 Web界面，其圖表和數(shù)據(jù)可視化，具有通用的設(shè)計(jì)語言，這一切使得JACE8000擁有更強(qiáng)的安全性和優(yōu)越的設(shè)備管理能力。IO?28P具有28個(gè)輸入輸出點(diǎn)，同時(shí)具備BACnet MSTP/IP和Modbus RTU/TCP通信協(xié)議，是一款能滿足一般應(yīng)用的控制模塊或特殊需求的應(yīng)用控制器。

JACE8000控制器、IO?28P需要DC 24 V電源供電，液位上限開關(guān)和液位下限開關(guān)作為DI點(diǎn)進(jìn)行干觸點(diǎn)接入;加熱棒繼電器和水泵繼電器作為DO點(diǎn)，需要串入DC 24 V電源，實(shí)現(xiàn)繼電器的吸合;溫度傳感器、壓力變送器、超聲波傳感器作為AI點(diǎn)，也需要DC 24 V電源供電，其中超聲波傳感器為四線制，溫度傳感器和壓力變送器為兩線制。調(diào)壓模塊作為AO點(diǎn)，輸出4～20 mA控制加熱棒，控制范圍為AC 0～220 V。需要注意的是，IO?28P的通用輸入（UI）、模擬量輸出（AO）需要進(jìn)行跳線設(shè)置，為了區(qū)分通用輸入是電壓、電流還是電阻信號，以及模擬量輸出是電壓信號還是電流信號。此外，為了明確模擬量的具體類型，需要進(jìn)行通道配置，Niagara支持網(wǎng)頁設(shè)置，瀏覽器訪問IO?28P的IP地址，輸入登錄名和密碼，將溫度傳感器、壓力變送器和調(diào)壓模塊的信號范圍設(shè)置為4～20 mA，超聲波傳感器的信號范圍為0～5 V。

2.2? 軟件設(shè)計(jì)

利用Niagara開發(fā)平臺進(jìn)行邏輯編程和軟件開發(fā)，可以對控制過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具備報(bào)警、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線等常見的監(jiān)控功能。滿足過程控制邏輯要求，例如，系統(tǒng)運(yùn)行后，在蓄水加熱模式下，水泵抽水到達(dá)水位上限，水泵停止，然后加熱棒通過電壓模塊實(shí)現(xiàn)加熱，加熱至設(shè)定溫度停止加熱，實(shí)現(xiàn)水箱蓄水加熱功能;在用水模式下，手動(dòng)開閘放水，水流進(jìn)儲水箱，當(dāng)液位下降至下限，水泵開始抽水，如此重復(fù)循環(huán)。此過程模擬了熱水器的使用過程，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2.1? 軟件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能，對總體控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。系統(tǒng)運(yùn)行后，根據(jù)模式的選擇設(shè)置好放水閥，系統(tǒng)會根據(jù)液位上下限和放水閥狀態(tài)判斷水泵和加熱棒運(yùn)行指令，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱水器工作過程。

在Niagara4開發(fā)平臺中，可以建立不同類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)，與現(xiàn)場設(shè)備和用戶界面的控制點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)，將數(shù)據(jù)全部集成到邏輯視圖中，在邏輯視圖中實(shí)現(xiàn)邏輯策略。同時(shí)，開發(fā)平臺提供了龐大的Palette庫，開發(fā)工程師將需要的控件和函數(shù)直接拖拽到邏輯視圖中，這種圖形化的開發(fā)流程可以大大降低開發(fā)難度和周期，工程師可將更多的精力放在邏輯優(yōu)化上，而不是繁瑣的邏輯語句，這里需要注意以下幾點(diǎn)：

1） 除了和設(shè)備之間的通信點(diǎn)之外，還需要建立一些和界面之間的交互點(diǎn)以及邏輯的中間點(diǎn)，例如：系統(tǒng)運(yùn)行（SystemStart）、放水閥啟動(dòng)（WaterDrainValve）、溫度設(shè)定值（TemperatureSetPoint）、水泵運(yùn)行1（WaterPumpStart1）和水泵運(yùn)行2（WaterPumpStart2）、開關(guān)（Switch）設(shè)定等。系統(tǒng)需要使用常見的邏輯函數(shù)（And，Or，Not）和選擇函數(shù)（BooleanSwitch）進(jìn)行搭建，這些都可以從Palette里面找到。

2） 系統(tǒng)可以根據(jù)溫度設(shè)定值和當(dāng)前溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使用LoopPoint函數(shù)設(shè)置好比例、積分、微分環(huán)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)死區(qū)和爬坡時(shí)間等參數(shù)即可。

3） 溫度傳感器和壓力變送器輸出4～20 mA電流信號，只要配置好對應(yīng)的最大值、最小值和單位就可以顯示出真實(shí)數(shù)值。但是超聲波傳感器的輸出信號是1～5 V，對應(yīng)量程的最小值和最大值，但是該采集通道只能設(shè)置為0～5 V，直接顯示數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，所以需要在邏輯視圖運(yùn)用線性函數(shù)進(jìn)行換算，對應(yīng)到實(shí)際的水位顯示。

4） 設(shè)置報(bào)警時(shí)需要使用AlarmService，在Wiresheet視圖上添加AlarmClass和ConsoleRecipient控件，設(shè)置好參數(shù)并連接起來，然后找到需要添加報(bào)警的點(diǎn)，使用Alarm調(diào)色板中OutofRangAlarmExt控件將點(diǎn)進(jìn)行屬性擴(kuò)展，設(shè)置好報(bào)警部分的上下限等參數(shù)即可，查看報(bào)警時(shí)需要打開AlarmService，并選擇不同的視圖或者在站點(diǎn)的Alarm中查看。

5） 設(shè)置歷史和實(shí)時(shí)曲線時(shí)需要使用History容器，確定需要添加歷史的點(diǎn)，使用history調(diào)色板中NumericCov，BooleanCov等控件將點(diǎn)進(jìn)行屬性的擴(kuò)展，設(shè)置好參數(shù)，在HistoryService中對歷史進(jìn)行啟用，然后就可以在站點(diǎn)的History中通過不同視圖查看各個(gè)歷史點(diǎn)的曲線了。

2.2.2? 數(shù)據(jù)通信

Niagara開發(fā)平臺可以利用不同的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉煌耐ㄐ艆f(xié)議進(jìn)行融合，本系統(tǒng)使用的IO?28P支持Modbus協(xié)議和Bacnet協(xié)議，需要傳輸?shù)腎/O數(shù)據(jù)如表1所示。

本文嘗試了使用BACnet IP和ModbusRTU兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用BACnet IP集成時(shí)，需要使用網(wǎng)線將JACE的第一個(gè)以太網(wǎng)端口和電腦連接，JACE的第二個(gè)以太網(wǎng)端口和IO?28P連接，將電腦的IP地址和JACE端口1設(shè)置到同一網(wǎng)段，JACE端口2的IP地址和IO?28P設(shè)置到同一網(wǎng)段，可以使用Ping指令檢測一下。在軟件開發(fā)平臺端需要將BACnetNetwork添加到站點(diǎn)的Drivers中，并設(shè)置ObjectId，NetworkNumber，NetworkAdapter和IP Address，通過“Discover”按鈕查詢網(wǎng)絡(luò)上所有的Bacnet設(shè)備并添加到本地?cái)?shù)據(jù)庫，接下來就是在新添的Bacnet設(shè)備中搜索可用的點(diǎn)，將表1中的點(diǎn)添加到本地?cái)?shù)據(jù)庫，作為代理點(diǎn)和邏輯視圖中的點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。使用ModbusRTU方式集成時(shí)，需要將JACE和IO?28P通過RS 485連接起來，在軟件開發(fā)平臺端將ModbusAsyncNetwork添加到站點(diǎn)的Drivers中，通過新建Modbus設(shè)備并根據(jù)查詢網(wǎng)頁中的設(shè)備信息配置PortConfig中的COM口、比特率、檢驗(yàn)位、停止位，COM口根據(jù)IO?28P中ID設(shè)置跳線決定，Modbus設(shè)備添加后，需要新建點(diǎn)和設(shè)備寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵在于查詢不同類型的寄存器地址表，需要注意的是，新建代理點(diǎn)時(shí)要設(shè)置好數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)類型，區(qū)分是只讀還是可讀可寫的。

2.2.3? 界面設(shè)計(jì)

為了對水箱的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了水箱液位溫度控制系統(tǒng)界面，如圖4所示。在該界面中可以清晰地看到水箱運(yùn)行參數(shù)，包括加熱水箱溫度、加熱水箱箱底壓力、加熱水箱液位，液位上下限和水泵的運(yùn)行狀態(tài)也會表現(xiàn)在界面上。此外，系統(tǒng)的運(yùn)行、復(fù)位以及模式和水溫的設(shè)定都是從界面得到的。本系統(tǒng)具有常規(guī)的歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和報(bào)警畫面，同時(shí)支持Web訪問，可以輕松通過常用瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)測水箱溫度液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)基于Tridium公司的Niagara開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，這個(gè)統(tǒng)一、具有豐富功能的開放式平臺可以簡化開發(fā)過程，降低開發(fā)成本，該平臺基于可視化圖形編程，程序開發(fā)簡單、功能強(qiáng)大、界面美觀，對現(xiàn)場設(shè)備兼容性強(qiáng)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)融合性高，大大提高了系統(tǒng)中各部分運(yùn)行的可靠性和智能性。開發(fā)過程經(jīng)過設(shè)備硬線連接、邏輯設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)通信集成出一套過程控制實(shí)訓(xùn)裝置，硬件部分采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)布局靈活的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成與應(yīng)用。軟件部分將原PLC控制技術(shù)進(jìn)行替換，使用圖形化編程環(huán)境，告別了梯形圖環(huán)境，依靠強(qiáng)大的開發(fā)庫可以輕松實(shí)現(xiàn)邏輯編程和界面設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。

實(shí)驗(yàn)測試表明，水箱溫度和液位控制過程運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確，可以在不同工況下實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。該水箱溫度和液位控制系統(tǒng)可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行配置相關(guān)模塊，開發(fā)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的多樣化。

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