洪雪梅，項(xiàng)雷軍，李 平，金福江

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

過程控制實(shí)驗(yàn)室為儀器儀表技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、先進(jìn)控制技術(shù)、智能控制和工業(yè)控制工程設(shè)計(jì)等課程及相關(guān)科學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)場所和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，面向電氣、自動化和機(jī)電等學(xué)科開設(shè)了重要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［1］。近年來隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生也越來越多，設(shè)備數(shù)量呈現(xiàn)嚴(yán)重不足，只能開設(shè)一些以演示性和驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，根本無法開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不利于學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)［2－3］。為了解決當(dāng)前面臨的困境，本研究利用組態(tài)王軟件與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對過程控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了改造，將只擁有2套設(shè)備的過程控制實(shí)驗(yàn)室改造成同時(shí)可以容納22位學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)服務(wù)平臺，有效地?cái)U(kuò)展了實(shí)驗(yàn)空間。并借此平臺重新整合優(yōu)化了簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分發(fā)揮了學(xué)生的個(gè)性和特長，激發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，取得了很好的教學(xué)效果。

1 過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件組成

過程控制實(shí)驗(yàn)裝置由操作控制系統(tǒng)和現(xiàn)場系統(tǒng)兩大部分組成，直觀形象地模擬了工業(yè)生產(chǎn)過程的流量、溫度、壓力、液位四大熱工參數(shù)，同時(shí)可以方便地組合成多種過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。操作控制系統(tǒng)包含了百特智能儀表、DDC控制器、CAN控制器和S7－300PLC控制器；現(xiàn)場系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器系統(tǒng)和各種被控對象等組成，主要包括西門子PA壓力表、西門子PA流量計(jì)、常規(guī)電磁流量計(jì)、氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、3個(gè)液位變送器、3個(gè)水箱、1個(gè)鍋爐和2個(gè)驅(qū)動泵等［4］。過程控制實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場系統(tǒng)可以通過各手閥的開啟／閉合構(gòu)建成2個(gè)支路，分別完成現(xiàn)場總線控制支路和常規(guī)信號控制支路。支路1（總線控制支路）由工頻電源開關(guān)、變頻器、西門子PA壓力表、西門子PA流量表、氣動調(diào)節(jié)閥、換熱器、上中下3個(gè)水箱和鍋爐等組成；支路2（常規(guī)信號控制支路）由工頻電源開關(guān)、常規(guī)電磁流量計(jì)、電動調(diào)節(jié)閥、換熱器、上中下3個(gè)水箱和鍋爐等組成。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造方案

以實(shí)驗(yàn)室原有的2臺過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，將組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用引入設(shè)備，并利用當(dāng)今先進(jìn)的控制方法對已有的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造與互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的信息資源共享［5］。改造后的過程控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)2個(gè)子系統(tǒng)。上位機(jī)子系統(tǒng)由2臺服務(wù)器（也稱管理站）和20臺客戶機(jī)組成一個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)；下位機(jī)子系統(tǒng)就是實(shí)驗(yàn)室原有的2臺過程控制實(shí)驗(yàn)裝置。服務(wù)器和客戶機(jī)之間用網(wǎng)線通過1臺24口的100Mbps交換機(jī)連接起來，服務(wù)器和下位機(jī)兩者之間的連接通過RS485或PPI總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)采用了目前工程中使用較多 的工業(yè)自動化通用組態(tài)軟件——組態(tài)王KingView，實(shí)時(shí)顯示控制數(shù)據(jù)和歷史控制數(shù)據(jù)，同時(shí)把這些數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制曲線和歷史曲線，更加直觀地顯示整個(gè)控制過程的變化，尤其是在改變PID控制參數(shù)時(shí)，軟件能及時(shí)跟蹤控制過程的微妙變化，清晰地顯示出各瞬態(tài)響應(yīng)曲線的變化過程，有利于進(jìn)一步研究PID控制參數(shù)［6］。運(yùn)行服務(wù)器端的組態(tài)王軟件，可以實(shí)時(shí)地采集現(xiàn)場系統(tǒng)中各種傳感器和壓力變送器的信號，同時(shí)將信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在PC機(jī)中，方便以后查看；另一方面服務(wù)器又通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳給各客戶機(jī)，客戶機(jī)根據(jù)對應(yīng)的控制算法計(jì)算出各控制參數(shù)，經(jīng)服務(wù)器授權(quán)通過工業(yè)以太網(wǎng)，利用現(xiàn)場模塊輸出控制現(xiàn)場系統(tǒng)的執(zhí)行器動作，實(shí)現(xiàn)了過程控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控［7］?？蛻舳诉€可以編寫各種控制算法、組態(tài)相關(guān)圖形和不同的實(shí)驗(yàn)流程等，將過程控制領(lǐng)域的專業(yè)理論知識與工程實(shí)踐很好地結(jié)合起來，進(jìn)一步加強(qiáng)了對學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 組態(tài)王軟件的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

組態(tài)王軟件是一套基于Windows平臺、快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)自動化通用智能軟件包，可運(yùn)行于 Microsoft Windows95／98／NT／2000等操作系統(tǒng)。使用組態(tài)軟件的網(wǎng)絡(luò)功能需要在局域網(wǎng)中建立服務(wù)器和客戶機(jī)，通常建立一臺服務(wù)器和多臺客戶機(jī)，并分別在服務(wù)器和客戶機(jī)上設(shè)置相關(guān)參數(shù)［8－9］。首先，確定所有的計(jì)算機(jī)在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，每臺客戶機(jī)能夠在網(wǎng)上鄰居訪問到服務(wù)器；然后服務(wù)器和客戶機(jī)分別在本機(jī)上打開同一個(gè)組態(tài)程序，使服務(wù)器上的程序處于完全共享狀態(tài)［10］。

3.1 配置服務(wù)器

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，服務(wù)器充當(dāng)中間介質(zhì)的作用，擔(dān)任著連接客戶機(jī)與下位機(jī)的任務(wù)。任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要正常運(yùn)行，首先必須搭建好服務(wù)器與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。打開一個(gè)組態(tài)程序，雙擊左邊窗口的“網(wǎng)絡(luò)配置”，在彈出的窗口中選擇“連網(wǎng)”，然后在“本機(jī)節(jié)點(diǎn)名”中鍵入本機(jī)的計(jì)算機(jī)名，如czg；最后在節(jié)點(diǎn)類型中選中“本機(jī)是登錄服務(wù)器”和“本機(jī)是I／O服務(wù)器”，至此，服務(wù)器的設(shè)置完畢。

3.2 客戶機(jī)配置：

（1）在本機(jī)上打開同一個(gè)組態(tài)程序，選擇最左側(cè)的按鍵“站點(diǎn)”，右鍵單擊左側(cè)空白處，選擇“新建遠(yuǎn)程站點(diǎn)”，點(diǎn)擊“讀取節(jié)點(diǎn)配置”，在“網(wǎng)上鄰居”上找到服務(wù)器czg上所共享的組態(tài)程序，點(diǎn)擊確定。

（2）點(diǎn)擊界面左側(cè)的“系統(tǒng)”按鍵，雙擊“網(wǎng)絡(luò)配置”，選擇“連網(wǎng)”，輸入本機(jī)節(jié)點(diǎn)名，即計(jì)算機(jī)名，如guan；節(jié)點(diǎn)類型中選擇登錄服務(wù)器czg；客戶配置中選中“客戶”和I／O服務(wù)器下面的“czg”，點(diǎn)擊“確定”。

（3） 點(diǎn) 擊 “數(shù) 據(jù) 詞 典 ”，選 擇 一 變 量，如“ADAM4017AI0”，單擊右鍵，選擇變量名稱替換，在彈出的對話框中選中“變量使用報(bào)告（不改變數(shù)據(jù)詞典）”，然后點(diǎn)擊“替換為”后面的“？”，在彈出對話框中點(diǎn)擊左側(cè)窗口中的“czg”，最后選擇右側(cè)窗口中的“ADAM4017AI0”變量，點(diǎn)擊“確定”，最后點(diǎn)擊“替換”，即可。以此類推，分別替換其他變量。

至此，服務(wù)器和客戶機(jī)的配置都已經(jīng)完成，其他客戶機(jī)的配置可以照樣進(jìn)行。將剛剛配置好的一臺客戶機(jī)上的組態(tài)程序復(fù)制到其他作為客戶機(jī)上的計(jì)算機(jī)上，然后在每臺計(jì)算機(jī)上分別打開，雙擊“網(wǎng)絡(luò)配置”，將“本機(jī)節(jié)點(diǎn)名”更改為本機(jī)計(jì)算機(jī)名即可。

為了避免網(wǎng)絡(luò)控制沖突，客戶機(jī)實(shí)行分時(shí)或?qū)崟r(shí)登錄服務(wù)器。一旦通過服務(wù)器授權(quán)，客戶機(jī)就可以從監(jiān)視級升級為控制級，相應(yīng)地經(jīng)授權(quán)的客戶機(jī)也由原先的監(jiān)視用戶轉(zhuǎn)變成了控制用戶，而沒有授權(quán)的客戶機(jī)仍然保留原來的監(jiān)視用戶身份?？梢姳O(jiān)視用戶和控制用戶只是相對而言，他們之間是可以互換的，關(guān)鍵在于服務(wù)器的授權(quán)［11］?？刂朴脩艨梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的功能模塊采集現(xiàn)場各傳感器信號，改變控制參數(shù)，遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場系統(tǒng)的執(zhí)行器；而監(jiān)視用戶只能遠(yuǎn)程觀看控制的整個(gè)響應(yīng)過程，瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，無法改變算法參數(shù)來控制執(zhí)行器。

4 改造后的系統(tǒng)總流程圖界面

改造后過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的服務(wù)器和客戶機(jī)均裝有組態(tài)王軟件。利用組態(tài)王軟件開發(fā)服務(wù)器和客戶機(jī)的人機(jī)交互界面，組態(tài)了系統(tǒng)總流程圖界面（見圖3）和各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體界面。界面上形象地顯示了設(shè)備的基本構(gòu)件，例如：水泵、手動閥、電動調(diào)節(jié)閥、鍋爐、變送器、熱換器、大儲水箱、管道等。同時(shí)將這些基本構(gòu)件按照流程圖串連起來，通過各器件的開啟或閉合組成各種各樣的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的要求。

5 過程控制實(shí)驗(yàn)“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”教學(xué)模式的實(shí)施

過程控制實(shí)驗(yàn)室通過上述模式的改造，重新整合、優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)室資源，更好地貫徹了“以人為本”的教育理念，強(qiáng)調(diào)了個(gè)性化發(fā)展、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和協(xié)調(diào)合作精神［11］。以液位和進(jìn)口流量串級控制實(shí)驗(yàn)為例［12］，將22個(gè)學(xué)生分成2個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)推薦一個(gè)綜合素質(zhì)較好的學(xué)生負(fù)責(zé)服務(wù)器的控制，統(tǒng)籌整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體實(shí)施，其他10個(gè)成員分別負(fù)責(zé)一臺客戶機(jī)，對服務(wù)器上傳過來的實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線、數(shù)據(jù)和PID參數(shù)等信息進(jìn)行共同商討、判斷，確定主副回路PID參數(shù)，然后把最終確定的方案下達(dá)給負(fù)責(zé)服務(wù)器控制的學(xué)生進(jìn)行修正，直至得到滿意的結(jié)果為止（見圖4）。也可以有針對性地布置一些綜合設(shè)計(jì)性和研究探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生自行組隊(duì)，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員的各自特長，分工負(fù)責(zé)綜合項(xiàng)目的方案構(gòu)建、軟件設(shè)計(jì)和硬件配置等，最終每個(gè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人把團(tuán)隊(duì)內(nèi)各成員完成的任務(wù)綜合組態(tài)成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行驗(yàn)收、考核，有效地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力［13－14］。

圖3 控制系統(tǒng)總流程圖

圖4 液位和進(jìn)口流量串級控制實(shí)驗(yàn)組態(tài)運(yùn)行

圖4中監(jiān)控界面左上半部分是現(xiàn)場模擬圖，動態(tài)地顯示了液位的實(shí)時(shí)液位和進(jìn)口流量的實(shí)時(shí)數(shù)值，以及各環(huán)節(jié)運(yùn)行狀況；右上半部分是液位和流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、設(shè)定值、控制器的參數(shù)設(shè)定、主副回路PID參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)（給定值顯示、測量值顯示及輸出值顯示）［15］；下部分為實(shí)時(shí)曲線框，反映液位和流量控制系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線及系統(tǒng)運(yùn)行狀況。從輸出響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)誤差近似為零，調(diào)節(jié)時(shí)間非常理想，參數(shù)設(shè)置合理，說明改造后的過程控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置是切實(shí)可行的。

6 結(jié)束語

改造后的過程控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺在很大程度上克服了常規(guī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟蛔悖谕瓿苫A(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的工程素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為以后走上社會奠定了良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過1年多的“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，取得了非常好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有效地提高了專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

（

）

［1］邵裕森，戴先中.過程控制工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］季宜敬，楊瑾，鞠永干.以創(chuàng)新機(jī)制培養(yǎng)創(chuàng)新人才［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：82－84.

［3］陳爽.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（8）：1－3.

［4］胡開明，錢敏，葛遠(yuǎn)香.基于網(wǎng)絡(luò)控制與組態(tài)技術(shù)的過程控制實(shí)驗(yàn)室改造［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：54－57.

［5］申亞芳，郝瑩，閻淑英.基于網(wǎng)絡(luò)過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（4）：80－82.

［6］李紅萍，賈秀明，李藝鴻，等.基于組態(tài)王的電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣自動化，2013，35（2）：102－103.

［7］劉恩博，田敏，李江全.組態(tài)王軟件數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［8］穆亞輝.組態(tài)王軟件實(shí)用技術(shù)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2012.

［9］曹輝，馬棟萍.組態(tài)王軟件技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［10］劉文貴，劉振方.工業(yè)控制組態(tài)王軟件應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［11］秦劍，胡曉，唐冬.基于課程群的電子信息工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系改革探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（4）：27－30.

［12］王樹青，戴連奎.過程控制工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［13］孫盾，姚纓英，范承志.實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（5）：28－30.

［14］劉俊，汪燁，楊慧勤.基于工程項(xiàng)目的機(jī)電一體化綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（8）：128－130.

［15］曹立學(xué)，令朝霞.基于組態(tài)王軟件的計(jì)算機(jī)液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21（6）：16－17.