基于MCGS 的過程控制實驗軟件開發

孫宇貞，黃偉，李芹

（上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090）

通用監控系統（Monitor and Control Generated System，MGCS）是一套用于快速構造和生成的計算機監控系統組態軟件，具有二次開發簡單、開發周期短、可靠性高、通用性強等優點［1，2］.筆者采用MCGS組態軟件技術，開發了一套CS4000實驗平臺上的過程控制實驗軟件，在過程控制實驗裝置上實現了對水箱液位和流量的控制，滿足了過程控制課程的實驗要求.

1 CS4000過程控制實驗系統介紹

本過程控制實驗系統在浙江中控教學儀器廠出品的CS4000過程控制實驗裝置上設計完成，系統結構如圖1所示.其中，雙容水箱實驗裝置包括了一個蓄水箱和兩個獨立的水動力系統，每個水動力系統上都配有流量計.另外，該裝置還包含了兩組共4個雙容水箱，可以通過控制閥門來實現任意組合的單容或雙容水箱的配置.每個水箱都配有SP0018型壓力變送器來測量水箱液位，其測量信號轉換為4～20 mA標準值后，送至RemoDAQ-8017模擬量輸入模塊.同時，每個水箱還配有RemoDAQ-8024模擬量輸出模塊，可以將工控機所發送的控制信號指令轉換為4～20 mA標準信號，以控制電動調節閥的開度或者變頻器的頻率值，從而改變兩個管路的流量并控制水箱的液位.RemoDAQ-8017和RemoDAQ-8024模塊通過工業串行總線標準RS-485與工控機相連.

圖1 CS4000過程控制實驗系統結構

2 MCGS組態及遠程控制的實現

在CS4000過程控制實驗系統平臺上，采用MCGS網絡版組態軟件研制開發過程控制實驗系統，其組態過程包括設備窗口組態、實時數據庫組態、用戶窗口組態、主控窗口組態和運行策略組態等.

由于過程控制實驗系統與工控機之間的通信采用的是串行接口通道，在設備組態中，首先選用串口通訊父設備，并根據系統要求配置相應的通道端口號、通訊波特率等.同時，設置最小采集周期為250 ms.然后，根據RemoDAQ-8017和RemoDAQ-8024與泓格的7系列I/O模塊軟硬件兼容的特性，選用泓格i-7017和泓格i-7024配置在上述串口通訊父設備下，設置對應設備模塊的地址號，并保證其最小采集周期同樣為250 ms.最后，根據所連接的硬件通道地址，將實時數據庫中所配置的液位、流量和調節閥開度，以及變頻器控制信號等與設備通道相連.

在實時數據庫組態過程中，根據軟件中所需的所有數據點配置對應的數據對象，需要注意其中的對象初值、最大值、最小值和報警屬性等，并設置成組數據對象，對液位、流量、控制信號、PID參數等數據進行存盤，以方便歷史數據的讀取和分析.

通過組態軟件豐富和方便的圖形畫面功能，進行用戶窗口組態，其中包括實驗系統的流程畫面、各實驗畫面、實時曲線和歷史曲線，以及報警界面等組態.通過用戶窗口組態可以使軟件使用者了解實驗的對象組成，選取相應的實驗參數，并查看實驗效果和讀取實驗數據等.同時，通過主控窗口組態，使用者可配置實驗軟件界面中的菜單.

為了實現對該實驗系統的遠程控制效果，在進行組態后，首先設置本地機的IP地址，在本地機運行MCGS網絡版，并保證遠程控制機與本地機之間的網絡連通.然后在遠程控制機上打開網頁瀏覽器，在網頁瀏覽器中進行安全設置，允許接受及顯示ActiveX的控件和插件.最后在遠程機的網頁瀏覽器中輸入相應的IP地址，就可以看到監控畫面，并且可以通過網頁實現對該過程控制系統的監控.

3 MCGS控制策略組態

對于所采集數據的處理和控制實驗的控制算法主要是通過MCGS的運行策略組態實現的.其中，采用的控制算法包括以下4種.

3.1 一次參數預處理

對直接由過程通道檢測的參數進行相應的處理稱為一次參數預處理［3］.本系統開發過程中，需要進行的一次參數預處理包括標度變換、越限報警和數字濾波等.其中，標度變換是通過設備窗口組態中的通道處理實現的，越限報警是通過實時數據庫組態中的報警參數配置完成的.而考慮流量和液位信號自身的擾動特性，選取了平均值濾波算法進行數字濾波處理.以液位濾波為例，實時參數的采集周期為250 ms，即每秒采集4個數據，通過計算其平均值得到所需處理的液位參數.將算法寫入循環策略中，具體步驟如下：

液位之和=液位之和+采集液位

3.2 帶有死區和防積分飽和的PID算法

為了防止積分飽和對控制效果帶來的影響，并保證手自動的無擾切換，本軟件采用了增量式的PID算法.同時，考慮到閥門的頻繁動作對閥門壽命的影響，在PID算式中增加了死區算法.其中的液位控制算法如下：

偏差=液位設定值－濾波后液位

在上述腳本程序中，偏差_1和偏差_2分別代表了上一個執行周期的偏差和上兩個執行周期的偏差，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數.其中Kp和Ti可以通過用戶界面自行修改，但是本軟件中將Td設置為0，且不允許修改其參數.

3.3 串級控制設計

串級控制的實質是采用主、副兩個控制器串聯工作，其中主控制器的輸出值作為副控制器的設定值，系統通過副控制器的輸出來控制執行器動作，以實現對主參數的控制［4］.因此，其控制算法中只需要執行兩次PID控制算法，同時保證將主控制器的輸出作為副控制器的設定值.本實驗系統中，設計了單容水箱的液位-流量串級和雙容水箱的液位-液位串級兩個不同的串級控制實驗，而串級控制器設計的難點在于同時防止主副控制器的積分飽和，以及副控制器手動、本地自動和遠端自動3種模式之間的切換.

防止串級副控制器積分飽和的方法與一般的PID控制算法相同，應保證當執行機構位置處于極限時，如調節閥開度達到100%或0%時，可以去除主調節器的積分作用，僅采用P控制算法.

在串級控制投用過程中，應按手動、副控制器本地自動、副控制器遠端自動的順序依次切換，同時應保證其切換過程中無擾.其中，副控制器本地自動是指副控制回路采用單回路控制方法，只需要保證在切換的瞬間執行器動作能夠跟蹤手動情況下的執行器動作即可.而副控制器遠端自動也就是串級控制，要保證副控制器在本地和遠端模式下切換的無擾，則需要在副控制器本地模式下，讓主控制器的輸出能夠跟蹤副控制器設定值的變化，當切換到串級模式時，副控制器切換至遠端模式，此時輸入副控制器的設定值就不會有劇烈的變化，也就保證了切換的無擾.

3.4 前饋控制設計

本系統還設計了前饋-反饋控制實驗.其中，被控量為水箱液位，將變頻器管路的流量變化作為擾動量，在測量到流量有較大擾動變化后，根據擾動量的大小，通過前饋控制器改變調節閥的動作，抵消其對被控量的影響.同時，保留PID反饋控制回路，以保證液位達到設定值.前饋部分的腳本程序如下：

其中，副流量為所測變頻器管路流量，副流量_1為變頻器管路的歷史流量，而前饋系數可通過用戶界面在實驗過程中設置.

4 實驗軟件的應用效果

本過程控制實驗軟件可以完成CS4000實驗裝置上的多個過程控制實驗.其中，流量-液位串級控制實驗效果如圖2所示.

圖2a是流量-液位串級控制實驗的界面，可以看出該界面圖文并茂，能夠直觀顯示實驗裝置和設備的工藝流程，采用動畫和動態數據點指示設備的工作狀態和參數數值，并能通過按鈕設置參數，查看實時數據曲線和歷史數據曲線.

圖2b為串級控制的實驗曲線，通過該曲線可以看出，軟件中的濾波和控制算法能夠滿足控制要求，通過實驗過程中對PID參數的正確設置，能夠取得理想的控制效果.同樣，其他的實驗也有類似的實驗界面、參數設置及曲線顯示功能.利用MCGS網絡版可以使教師通過教師機實現對實驗設備的遠程監控，并實時了解每套設備的運行狀況和學生實驗情況，從而進行相應的實驗指導.

圖2 串級控制實驗效果

5 結語

筆者設計的過程控制實驗軟件，包含了水位對象動態特性測試和矩形脈沖測試實驗、單回路PID控制實驗、流量-液位串級控制實驗、雙容水箱液位-液位串級控制實驗，以及前饋-反饋控制實驗，能夠成功地運用于過程控制的實驗教學中，滿足了過程控制實驗的要求，同時能夠實現遠程網絡監控，且運行效果良好.

［1］俞海珍，史旭華.MCGS組態技術在PLC實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2008，6（5）：66-67.

［2］許志軍.工業控制組態軟件及應用［M］.北京：機械工業出版社，2005：192-195.

［3］肖大雛.火電廠計算機控制［M］.北京：中國電力出版社，1995：95-107.

［4］王再英，劉淮霞，陳毅靜.過程控制系統與儀表［M］.北京：機械工業出版社，2007：208-227.

（編輯白林雪）