姜 萍， 宗曉萍， 李 帥

(河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071002)

0 引言

過程控制是自動化專業(yè)的一門理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系的骨干專業(yè)課程，是以自動控制原理為理論指導(dǎo)基礎(chǔ)、以工藝過程分析為主體、以儀器儀表和計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，用于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的綜合性工程應(yīng)用課程。隨著電子及信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)過程控制已經(jīng)融合了自動控制、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、儀器儀表等技術(shù)的最新發(fā)展成果，因此對過程控制的教學(xué)工作也提出了更高的要求［1-3］。過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)對自動化專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)工程化、系統(tǒng)化思想具有重要作用，傳統(tǒng)的過程控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用脫節(jié)，很難調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性。目前，教育部啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才［4-5］。

依托羅克韋爾自動化公司的“與中國大學(xué)共勉”項(xiàng)目，利用羅克韋爾自動控制集成架構(gòu)和PF-JD701過程控制教學(xué)裝置，建立了一個(gè)集機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等于一體、符合通用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的自動化綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺［6］。遵循工程項(xiàng)目開發(fā)的流程，結(jié)合課堂基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生圍繞項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，從而具備對工業(yè)過程中常用的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)的能力。該平臺為培養(yǎng)具有工程應(yīng)用和創(chuàng)新素質(zhì)的自動化專業(yè)人才提供了有力支撐。

1 綜合實(shí)訓(xùn)平臺的集成架構(gòu)

以羅克韋爾的Logix系列控制器為核心、NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)的集成架構(gòu)為紐帶，將管理計(jì)算機(jī)、過程控制系統(tǒng)模型和觸摸屏、變頻器、電機(jī)等多種儀器儀表連接成一個(gè)有機(jī)的整體，構(gòu)成了一個(gè)體系完善、功能強(qiáng)大的過程控制實(shí)訓(xùn)平臺，如圖1所示。該平臺可按控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互設(shè)備和對象模型四部分進(jìn)行劃分:

(1)核心控制器。配備三套 ControlLogix、兩套CompactLogix的產(chǎn)品，在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)時(shí)自行選擇，采用RSLogix5000軟件進(jìn)行控制任務(wù)組態(tài)，完成過程設(shè)備的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)。由 Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet三層網(wǎng)絡(luò)組成了開放的 NetLinx控制網(wǎng)絡(luò)［7］，由RSLinx和 RSNetWorx軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的信息橋梁。

(3)人機(jī)交互設(shè)備配備。40臺個(gè)人計(jì)算機(jī)和4臺2711P系列的觸摸屏，通過RSView等相關(guān)軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)過程控制設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)。

(4)對象模型。模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的是三套PF-JD701過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，由水箱、管路、離心水泵、各類閥門等構(gòu)成雙獨(dú)立回路三容微縮水循環(huán)系統(tǒng)，檢測變送器﹑執(zhí)行裝置和顯示儀表均采用工業(yè)級產(chǎn)品，通過柔性連接可以組成多種被控過程物理模型。可以針對溫度、壓力、流量、液位等典型工業(yè)過程參數(shù)實(shí)現(xiàn)從簡單到復(fù)雜、從經(jīng)典到現(xiàn)代的控制策略，進(jìn)行多種控制策略及控制算法的研究。

圖1 過程控制綜合實(shí)訓(xùn)平臺架構(gòu)

在過程控制實(shí)訓(xùn)平臺的集成架構(gòu)中，控制器、通信網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)交互設(shè)備等硬件、軟件均采用工業(yè)級產(chǎn)品，縮短了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工廠企業(yè)的距離，構(gòu)建出一個(gè)開放性、實(shí)用性和操作性很強(qiáng)的綜合實(shí)訓(xùn)平臺。

2 過程控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目任務(wù)體系

2.1 綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目內(nèi)容

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在完成現(xiàn)場級儀器儀表選型之后，過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、控制組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)［8-10］，由此，對實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)體系劃分，主要分為系統(tǒng)集成、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、監(jiān)控畫面組態(tài)三大部分，最后完成整體調(diào)試并運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)集成及通信網(wǎng)絡(luò)

在圖1中，過程控制綜合實(shí)訓(xùn)平臺是以設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)DeviceNet、控制層網(wǎng)絡(luò) ControlNet和信息層網(wǎng)絡(luò)Ethernet/IP的三層網(wǎng)絡(luò)模式構(gòu)成羅克韋爾NetLinx架構(gòu)，將控制器、對象物理設(shè)備、檢測裝置、人機(jī)界面等整合到統(tǒng)一框架下，在各網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層都采用統(tǒng)一的通用工業(yè)協(xié)議，以三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)交換技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)從設(shè)備底層到管理信息層的開放網(wǎng)絡(luò)平臺。

通過RSLinx和RSNetWorx軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建立，完成網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、控制器、I/O模塊及相關(guān)設(shè)備的配置，實(shí)現(xiàn)各層設(shè)備之間的信息無縫連接。

RSLinx是AB系列可編程控制器產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器軟件，通過 RSLinx可使 RSLogix、RSNetWorx、RSView等應(yīng)用軟件可以與控制網(wǎng)絡(luò)建立通信連接，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)與監(jiān)控。

首先用RSLinx軟件建立Logix系列控制器和軟件平臺之間的通訊，配置網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動并完成設(shè)置，某工程實(shí)例完成通訊配置后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

各種過程物理量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，需要通過在控制組態(tài)軟件RSLogix5000中添加控制器模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸入輸出模塊等，各模塊的槽號要與實(shí)際機(jī)架上的槽號對應(yīng)，并完成I/O模塊的參數(shù)配置。圖3是ControlLogix平臺中一個(gè)模擬量輸入模塊的參數(shù)配置界面。

RSNetWorx軟件是開放式網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具，提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、設(shè)備參數(shù)設(shè)定、通信規(guī)劃、在線監(jiān)測、故障診斷等功能，發(fā)揮各網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)同一網(wǎng)絡(luò)的多處理結(jié)構(gòu)、端到端的互鎖、預(yù)定和非預(yù)定通信以及共享輸入等功能。

圖3 RSLogix 5000中的模擬量輸入模塊設(shè)置界面

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無論涉及何種工業(yè)生產(chǎn)過程，過程控制的任務(wù)均可歸結(jié)為:在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，應(yīng)用理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用適宜的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)［11］。由此，根據(jù)工程實(shí)際出發(fā)，由建模分析系統(tǒng)動、靜態(tài)特性、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)整定和系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試等步驟完成過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3.1 數(shù)學(xué)模型建立

被控對象的數(shù)學(xué)模型是表示輸入變量與輸出變量之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，是控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?；镜慕７椒ㄓ袡C(jī)理法和測試法，由于實(shí)際工業(yè)過程的內(nèi)部機(jī)理通常比較復(fù)雜，多采用測試法進(jìn)行對象模型的建立。

階躍響應(yīng)曲線法以其操作簡單易行的特點(diǎn)成為過程控制中廣泛應(yīng)用的一種工程建模方法，不需要深入了解被控過程的機(jī)理，完全從外部特性上測試和描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。在被控過程處于開環(huán)、穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過手動或遙控裝置使被控過程的輸入量做階躍變化，記錄系統(tǒng)輸出量(被控參數(shù))的變化曲線(在此可以利用RSLogix5000軟件中的趨勢圖功能實(shí)現(xiàn))，直到被控過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，所得到的記錄曲線就是被控過程的階躍響應(yīng)曲線。

然后可采用切線法、單點(diǎn)法、兩點(diǎn)法等方法即可對被控過程輸入、輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［12-13］。

2.3.2 控制系統(tǒng)組態(tài)

在分析了系統(tǒng)模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制任務(wù)要求，合理選擇控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制器算法。利用本實(shí)訓(xùn)平臺，可以完成單回路、串級回路、前饋-反饋復(fù)合控制等多種控制結(jié)構(gòu)?？刂破魉惴ㄒ訮ID常規(guī)調(diào)節(jié)為主，還可以自行開發(fā)先進(jìn)控制策略。

以單容水箱的壓力控制系統(tǒng)為例，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線建立開環(huán)傳遞函數(shù)，可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，采用PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)就能滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

圖4 單容水箱的壓力單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RSLogix5000編程軟件為Logix控制器提供控制策略組態(tài)，開發(fā)環(huán)境同時(shí)支持IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的四種控制語言，分別為:梯形圖BD、功能塊FB、結(jié)構(gòu)化文本ST和順序功能流程圖SFC［14］。

在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要結(jié)合梯形圖實(shí)現(xiàn)邏輯切換、功能塊實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)任務(wù)。功能塊作為一種圖形化的編程語言，功能塊指令輸出參數(shù)是由輸入?yún)?shù)(外部硬件輸入?yún)?shù)或其他功能塊的輸出參數(shù))通過內(nèi)含算法計(jì)算產(chǎn)生的，可按周期性執(zhí)行或由事件驅(qū)動。

采用功能塊語言編程、調(diào)用增強(qiáng)型 PID指令(PIDE功能塊)實(shí)現(xiàn)的單回路控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 RSLogix 5000中的單回路控制圖

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)，還要考慮到模擬量輸入/出模塊的工程單位處理和調(diào)節(jié)器正反作用選擇等問題。

(1)工程單位的轉(zhuǎn)化。將模擬量輸入/出模塊正常工作時(shí)的數(shù)字量的范圍整定到一個(gè)統(tǒng)一的工程單位，即將數(shù)據(jù)做“類歸一化”處理，便于調(diào)節(jié)器功能塊運(yùn)算和處理。

(2)調(diào)節(jié)器正反作用的選擇。為了保證單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器需進(jìn)行正、反作用調(diào)節(jié)方式的選擇，程序中通過設(shè)置偏差計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

當(dāng)控制方案已經(jīng)確定，則各過程通道的靜態(tài)和動態(tài)特性就已確定，系統(tǒng)控制品質(zhì)就取決于調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置。整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。

工程上，PID整定的參數(shù)常常通過工程整定方法來確定，主要有經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法、衰減曲線法和響應(yīng)曲線法等。圖6是通過經(jīng)驗(yàn)法確定的PID參數(shù)。

圖6 RSLogix 5000中的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置

2.4 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)人與生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置之間信息交互，是過程控制系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分。按照發(fā)展新型工業(yè)和企業(yè)信息化的要求，監(jiān)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)過程的控制和管理，是復(fù)雜生產(chǎn)過程優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行的保障。在監(jiān)控系統(tǒng)中主要完成生產(chǎn)流程畫面顯示、操作調(diào)節(jié)、趨勢曲線、故障報(bào)警監(jiān)視、參數(shù)列表顯示、歷史數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)管理報(bào)表等功能［15］。

RSView人機(jī)界面開發(fā)軟件，提供了符合工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的功能庫，通過開放的技術(shù)增強(qiáng)了和羅克韋爾軟件以及和其他工業(yè)組態(tài)軟件的兼容性，開發(fā)流程如下:

(1)數(shù)據(jù)通信配置。RSLinx通過設(shè)置OPC驅(qū)動，建立OPC服務(wù)器;在RSView組態(tài)軟件中進(jìn)行通道和節(jié)點(diǎn)的配置;通過Tag Database(標(biāo)記數(shù)據(jù)庫)建立標(biāo)簽并使用文件夾管理標(biāo)簽。從而采用OPC通信方式，完成了監(jiān)控界面和控制系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

(2)圖形顯示界面制作。打開圖形顯示編輯器，在圖形庫中調(diào)出系統(tǒng)相關(guān)的圖形、按鈕、滑塊等元件，建立流程動態(tài)畫面、趨勢圖、報(bào)警監(jiān)視和報(bào)表等監(jiān)控畫面。

(3)界面的動畫配置。進(jìn)行顯示畫面和數(shù)據(jù)標(biāo)簽之間的實(shí)時(shí)鏈接，通過添加對象連接到標(biāo)簽的動畫，使圖形的外觀可以隨標(biāo)簽值的變化而變化。

針對圖4設(shè)計(jì)的壓力控制監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行畫面如圖7所示。

可以實(shí)現(xiàn)如下主要功能:

(1)壓力控制系統(tǒng)的工藝流程監(jiān)視。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，電動調(diào)節(jié)閥和水泵會在運(yùn)行時(shí)發(fā)生顏色的改變，較為形象地展現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況。

(2)壓力系統(tǒng)操作控制。矩形條和三角形的位置變化直觀的體現(xiàn)了設(shè)定值、壓力值和程序PIDE模塊輸出值的變化;在輸入對話框內(nèi)輸入KP、KI、KD等參數(shù)，可以改變RSLogix5000中標(biāo)簽量的值，從而改變了控制器中程序的參數(shù)配置;通過按鈕實(shí)現(xiàn)手/自動切換。

(3)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。以圖形和曲線等形式顯示壓力控制系統(tǒng)的動態(tài)畫面、趨勢圖等，并通過操作畫面查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)修改和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 單容水箱壓力控制系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行界面

3 結(jié)語

利用羅克韋爾開放的網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)和先進(jìn)的控制設(shè)備，開發(fā)了過程控制綜合實(shí)訓(xùn)平臺。遵循工業(yè)過程控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)流程，根據(jù)系統(tǒng)集成、控制組態(tài)和界面設(shè)計(jì)三個(gè)部分完成工程化設(shè)計(jì)訓(xùn)練。使學(xué)生掌握羅克韋爾三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并采用RSLinx完成通信組態(tài)配置、Logix控制平臺的性能和使用RSLogix5000軟件完成過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試運(yùn)行，以及利用RSView軟件制作監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息管理。為學(xué)生學(xué)習(xí)國際先進(jìn)的自動化技術(shù)提供了良好平臺，同時(shí)也是一個(gè)有力的科學(xué)研究平臺。

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