PDF《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 Development of a Measurement and Control Experimental System for Double-Holding Water Tanks Using Both Intelligent Instruments and Programmable Controller WANG Hua-zhong,SUN Zi-qiang,Wang Hui-feng,Wang Wei-guo (Collegeof Information Science and Engineering,EastChina University of Science and Technology.Shanghai 200237,China) Abstract:A two water tanks process was designed.The system is characterized by time varying,dead time and uncertainty,which meets the experimental requirements from process black-box modeling to cascade control and predictive contr01.Several different control systems using intelligent instruments,programma― ble controller or both of them were developed.The measurement and controI software for the experimental system was developed using configuration software.An application software was developed to extract real― time data from the measurement and control application software with OPC technology.Applications have shown that the whole system is flexible for its multiple functions,reasonable in configuration,cost effec― tive in running.It meets the experimental requirements for process control related courses. Keywords:intelligent instrument;

programmable controller;

experiments;

process control

0 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_RS232/485 l转换器I R攀等]可――可7―――――可F一一 n瘫∞厂丽鼓F l(t控制品)|I(剐控制品) ―]嗡济r―T 捡测 仪表 圳拣 FX2N FX2N l PLC 2DA I-. l岱.4s,思甄 l 笠笠I智能仪表 钾能仪表 t t 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. FX2N FX2N FX2N PLC 4AD 2DA 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Gxdevelop8.0 ②人机界面开发软件一组态王6.53 ③三菱电机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Visual Basic 6.0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........