基于組態(tài)軟件的過程控制虛擬實驗設(shè)計

摘要：通過分析目前高等學(xué)校中采用的傳統(tǒng)過程控制實驗?zāi)Ｊ酱嬖诘囊恍﹩栴}，提出了一種利用力控組態(tài)軟件對過程控制實驗設(shè)備虛擬化的設(shè)計方法，并通過力控軟件自帶的控制策略功能對其中兩個實驗進(jìn)行了算法搭建。結(jié)果表明該方法可以有效地對過程控制實驗進(jìn)行軟件仿真。另外，文章還提出了在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)B/S模式下學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗的思路。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；過程控制；虛擬實驗

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2720-02

Virtual Experimentation Design in Process Control Based on Configuration Software

CHEN Wei， LI Jing-ping

(Shool of ElectricalInformation Engineering， Lanzhou Jiao Tong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract: By analyzing several existing problems in the traditional mode of the process -control experimentation which colleges adopted currently，a kind of design technique of virtualization for process-control experimental devices using the PCAuto configuration soft was brought forward，and two experiments' algorithm was built by controlling strategy model which PCAuto software contains.The result shows that the technique could emulate the process-control experimentation effectively by software.Additionally，it also advanced the thought that how students operate remote experiments by the way of network with B/S mode based on the technique.

Key words: configuration software; process control; virtual experiment

1 高校過程控制實驗課目前面臨的問題

過程控制課程是高等學(xué)校自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程 ，它是銜接自動控制原理，現(xiàn)代控制理論課與生產(chǎn)實踐相結(jié)合的課程。過程控制最早起源于化工行業(yè)等流程工業(yè)，屬于流程自動化類。隨著控制理論和計算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展，過程控制也漸漸的發(fā)展并逐步形成一門獨立的學(xué)科。因此，讓學(xué)生將控制基本理論技術(shù)和生產(chǎn)過程實踐相結(jié)合，過程控制無疑是一門比較理想的課程。當(dāng)前國內(nèi)許多高等學(xué)校已經(jīng)逐步認(rèn)識到該學(xué)科的重要性，紛紛投資建立過程控制實驗室。[1]

但是，目前傳統(tǒng)的高校過程控制實驗也面臨著諸多問題。首先，過程控制實驗項目要求對實驗設(shè)備的投入較大，一臺國產(chǎn)過程控制實驗裝置往往需要十幾萬甚至更高。其次，這樣一臺花大成本購買的過控實驗設(shè)備，卻只能允許1-5名學(xué)生同時進(jìn)行實驗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足教學(xué)需要。以致實驗課的效果不理想，很多修這門課的同學(xué)甚至大學(xué)四年連過控實驗設(shè)備都沒能摸到過幾次，更別提自己獨立做上一次實驗了。

針對這樣的情況，許多高校也做了相應(yīng)的調(diào)整。有的學(xué)校選擇多購買一些實驗設(shè)備，但一來實驗設(shè)備加上其配套設(shè)施，其本身就較為昂貴；再者，新增加有限的幾臺機(jī)器，與龐大的學(xué)生基數(shù)相比，仍是杯水車薪。還有的學(xué)校嘗試采用編寫軟件的方法，進(jìn)行虛擬實驗，這是一個比較好的方式，但也存在一些問題。如搞過程控制的老師往往不能精通VB、C++、Delphi等編程語言，而計算機(jī)專業(yè)的老師又不懂過程控制，這樣的話即使制作出來，有時軟件也會存在各種問題；或者最終耗時耗力開發(fā)成功，但開發(fā)周期也會較長，且占用教師很大精力。

本文將針對目前高校過控實驗存在的以上問題，提出一種新的虛擬過控實驗開發(fā)方式。

2 選擇組態(tài)軟件的原因

與傳統(tǒng)的 DCS、PLC 控制系統(tǒng)相比，控制策略生成器（Strategy Builder）充分體現(xiàn)了控制功能豐富、系統(tǒng)組建靈活、擴(kuò)展方便的特點。在控制策略生成器中有變量、數(shù)學(xué)運算、邏輯功能、程序控制和控制算法等類別的近70個功能塊，運用這些功能塊可搭建出各種功能強大的控制策略。[2]

力控組態(tài)軟件的應(yīng)用場合主要是工業(yè)現(xiàn)場控制方面，但由于它提供的“控制策略”功能可以很方便地模擬過控中的各種實驗?zāi)Ｐ秃退惴ā６一静恍枰M(jìn)行語句編程，可以高效快捷地實現(xiàn)原本需要繁瑣編程才能夠完成的功能。因此本文采用它來構(gòu)建過程控制虛擬實驗室。

3 過程控制虛擬實驗開發(fā)

3.1 單容水箱液位特性實驗

單容水箱液位特性實驗是過程控制中一個基礎(chǔ)實驗，單容水箱的數(shù)學(xué)模型為 。對該實驗的虛擬化，首先要對水箱模型進(jìn)行模擬。力控控制策略中提供了一階傳遞函數(shù)點模塊，可以模擬任意 型的傳遞函數(shù)模型。在此只需令參數(shù)A=1，B=T，C=K，D=0，即可構(gòu)造出一個一階水箱模型。詳細(xì)控制策略見圖1：

圖1中，sv1.pv表示液位設(shè)定值，pv1.pv表示水箱液位當(dāng)前值，TRANS0即為一階傳遞函數(shù)模塊，它的A、B、C、D等參數(shù)值既可以點擊模塊本身進(jìn)行設(shè)置，也可以通過引出到圖形界面，在運行狀態(tài)下現(xiàn)場修改。MUL模塊為乘法器，start1.pv為實驗一運行開關(guān)。當(dāng)start1.pv值為1時，設(shè)定值sv1.pv通過乘法器的輸出端進(jìn)入TRANS0模塊，處理后的數(shù)值輸出到pv1.pv，完成一次調(diào)節(jié)過程；反之start1.pv為0時，乘積為0，TRANS0模塊向pv1.pv的輸出亦為0，反映在前臺畫面即為水箱內(nèi)液位值為0。

另外，在界面上可以對TRANS0的A、B、C、D參數(shù)直接點擊鼠標(biāo)進(jìn)行修改，這即相當(dāng)于更換各種各樣的水箱，從而可以很容易的觀測不同的水箱的單容液位特性，非常方便。而這在硬件化的傳統(tǒng)實驗設(shè)備上則是幾乎不可想象的。

力控中自帶大量圖庫，用戶可以很方便地從中選取水箱、管道、電動機(jī)、水泵等素材，然后組成前臺界面。同時，將后臺控制策略作用下的數(shù)據(jù)點參數(shù)也引用至前臺界面，即可實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的觀測和修改。液位實時曲線也可以通過變化的數(shù)據(jù)由軟件自動繪制出來（見圖2）。

3.2 單容水箱液位PID閉環(huán)控制實驗

力控組態(tài)軟件控制策略生成器提供的PID控制模塊根據(jù)設(shè)定值 SV 和過程測量值的偏差完成PID算法，PID控制回路有三種方式，MAN，AUT和CAS，在MAN 狀態(tài)下，PID控制回路相當(dāng)于手動調(diào)節(jié)器。在AUT狀態(tài)下，PID控制回路完成PID算法，設(shè)定值SV由操作站給定，在串級CAS狀態(tài)，設(shè)定值由上主回路的輸出給定。在單容水箱液位PID閉環(huán)實驗中，控制回路應(yīng)采用AUT狀態(tài)。

在本實驗中，主要用到的模塊是一階傳遞函數(shù)模塊和PID控制模塊，前者用來模擬一個一階水箱，后者實現(xiàn)控制算法，對水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。詳細(xì)控制策略見圖3。

圖中前半部分與實驗一基本類似，主要差別在于本實驗中在MUL模塊與TRANS1模塊中間加入了PID控制模塊，使程序具備了PID控制功能。PID模塊的參數(shù)很多，最主要的有比例參數(shù)KP、積分參數(shù)KI、微分參數(shù)KD、設(shè)定值SV、正/反動作、回路狀態(tài)、內(nèi)/外給定等。本實驗中，正/反動作應(yīng)設(shè)置為反動作，回路狀態(tài)應(yīng)設(shè)置為自動。

圖3中的pv3.pv代表水箱液位的當(dāng)前值，經(jīng)過乘法器處理后，送入PID0模塊，PID0根據(jù)設(shè)定值與當(dāng)前值之差，以及PID各控制參數(shù)，經(jīng)計算后自O(shè)P端輸出控制信號至模擬水箱的TRANS1模塊，最后將數(shù)值輸出至末端的pv3.pv，完成一個閉環(huán)控制流程。

經(jīng)測試，在該控制策略模擬下，對液位值的調(diào)節(jié)及實時曲線效果均比較理想（圖4）。

圖4中參數(shù)值帶有下劃線的表明其可以現(xiàn)場修改，在參數(shù)上點擊鼠標(biāo)即可輸入新的數(shù)值；不帶下劃線的為采集數(shù)據(jù)，無法在界面上人工改動。

3.3 其他實驗說明及web發(fā)布

通過控制策略提供的模塊及在以上兩個實驗的基礎(chǔ)上，對其他過程控制實驗也是可行的。如雙容水箱液位特性實驗的模擬，在實驗一控制策略（圖1）的基礎(chǔ)上再加入一個一階傳遞函數(shù)模塊即可。再比如串級控制試驗，則可在實驗三控制策略的基礎(chǔ)上加入一個PID模塊作為副控制器，再輔以相關(guān)參數(shù)修改（如回路狀態(tài)應(yīng)由自動修改為串級）和連線變動。當(dāng)需要模擬鍋爐溫度等非液位控制對象時，需要改變一階傳遞函數(shù)模塊的A、B、C、D值，使其適應(yīng)被模擬對象。另外，除了常用的PID算法，力控控制策略還提供純滯后補償、斜坡控制、溫壓補償、通用線性化、偏差限制、加權(quán)平均濾波、脈寬調(diào)制輸出，以及各種數(shù)學(xué)計算模塊，可供開發(fā)者設(shè)計其他復(fù)雜算法的控制實驗。

除了單機(jī)實驗，力控還允許B/S模式的訪問方式，即一臺機(jī)器運行力控程序后，其他與之聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)不需安裝任何力控組件，只需要通過IE瀏覽器，在地址欄輸入運行力控的計算機(jī)的IP地址和端口，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程觀看實驗過程，甚至遠(yuǎn)程動手做實驗。（圖5）

4 結(jié)束語

利用力控組態(tài)軟件構(gòu)建過程控制虛擬實驗室，突破了傳統(tǒng)過程控制實驗在資金和實驗設(shè)備上的局限性，也避免了使用通用編程語言（C++、VB等）設(shè)計虛擬實驗的繁瑣。教師能夠在較短時間內(nèi)掌握設(shè)計方法并制作出自己風(fēng)格的虛擬實驗軟件，大大減輕了人力和物力上的負(fù)擔(dān)。教師可以把編寫好的軟件安裝在實驗室的每臺機(jī)器上供學(xué)生單人單機(jī)做實驗，也可以使用web發(fā)布功能先向?qū)W生演示整個實驗流程并進(jìn)行講解。本文提出的組態(tài)虛擬實驗可以作

為傳統(tǒng)過程控制實驗方式的補充，也可在一定程度上取代傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ剑哂幸欢▽嵱脙r值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙賢林.關(guān)于過程控制實驗室的建設(shè)和管理[J].實驗室研究與探索，2005，24(增刊):288-290.

[2] 北京三維力控科技有限公司.力控·控制策略生成器使用指南[EB/OL].(2004-06).http://www.sunwayland.com.cn.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”