白瑞峰, 房朝暉, 郝 瑩, 于赫洋

(1. 天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 天津 300072;2. 天津大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 天津 300072)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

融合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的過(guò)程控制虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

白瑞峰1，2, 房朝暉1，2, 郝 瑩1，2, 于赫洋1，2

(1. 天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 天津 300072;2. 天津大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 天津 300072)

綜合虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)、3D等先進(jìn)技術(shù),構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了RS-485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了主從通信、信息交互和監(jiān)控功能。利用LabVIEW與SolidWorks聯(lián)合仿真,實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)態(tài)交互；開發(fā)了控制算法模塊,可實(shí)現(xiàn)實(shí)體與虛擬對(duì)象控制,數(shù)據(jù)處理與顯示模塊實(shí)現(xiàn)曲線圖形顯示、數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)管理等功能。該系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)總線、過(guò)程控制等虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了重要支撐。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線； 虛擬儀器； 聯(lián)合仿真； 3D虛擬仿真平臺(tái)

近年來(lái),虛擬儀器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異,高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)研究蓬勃發(fā)展,開發(fā)了傳感器、模糊PID控制、通信等諸多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1-5]。在工業(yè)生產(chǎn)中,由于過(guò)程控制與現(xiàn)場(chǎng)總線密不可分,且常涉及高危、高能耗的化工生產(chǎn)過(guò)程或高成本、大型綜合通信網(wǎng)絡(luò),所以開發(fā)虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)很有必要。天津大學(xué)為了在專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中更好地開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),成立了電氣工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,設(shè)計(jì)并建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與共享平臺(tái)[6]。

本文構(gòu)建的融合現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是典型的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)資源,具有良好交互性,它在兼顧實(shí)體實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上,能夠彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足、提高教學(xué)效果。虛擬儀器LabVIEW的開源環(huán)境支持VISA、SoftMotion,可實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線中數(shù)據(jù)的傳輸控制[7]?，F(xiàn)場(chǎng)總線是全數(shù)字化的、雙向的、多變量、多站、開放式的通信網(wǎng)絡(luò),虛擬儀器技術(shù)的加入有利于豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的維護(hù)和升級(jí)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)遵循“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則[8],結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)并充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),在RS-485總線的兼容性基礎(chǔ)上,連接實(shí)體控制器、計(jì)算機(jī)、實(shí)體對(duì)象和虛擬對(duì)象。該系統(tǒng)基于RS-485總線設(shè)計(jì),分為學(xué)生機(jī)和教師機(jī),并且利用LabVIEW設(shè)計(jì)教師軟件與學(xué)生軟件進(jìn)行串口通信。教師機(jī)可監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)、輪詢召測(cè)。通過(guò)學(xué)生機(jī)與教師機(jī)可完成現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)、主從通信等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生機(jī)還可完成各種過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)以及與教師軟件的通信的內(nèi)容。

在學(xué)生機(jī)端能夠完成過(guò)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn),包括液位過(guò)程控制系統(tǒng)構(gòu)建、一階和二階對(duì)象建模、PID工程整定以及先進(jìn)過(guò)程控制等。還可為控制策略和控制方法的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供支持。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW與SolidWorks的開源環(huán)境自主開發(fā)設(shè)計(jì),可進(jìn)行三維可視化圖形仿真。用LabVIEW完成控制算法及仿真模塊,可實(shí)現(xiàn)PID控制。采用模塊化和開放的設(shè)計(jì)理念,學(xué)生也可完成其他先進(jìn)過(guò)程控制的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括實(shí)體控制器、實(shí)體對(duì)象、虛擬對(duì)象、虛擬控制器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)體對(duì)象是天津大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的液位-流量綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]。實(shí)體控制器采用NI-6259數(shù)據(jù)采集模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制；虛擬控制器是利用LabVIEW MathScript開發(fā)的,3D虛擬對(duì)象通過(guò)SolidWorks設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),結(jié)合SoftMotion完成3D虛擬對(duì)象與LabVIEW控制算法及仿真模塊的通信,從而搭建起完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生不僅可通過(guò)實(shí)體控制器與實(shí)體對(duì)象完成實(shí)體實(shí)驗(yàn),通過(guò)虛擬控制器與虛擬對(duì)象進(jìn)行信息交互與控制完成虛擬實(shí)驗(yàn),而且可利用實(shí)體控制器與虛擬對(duì)象、虛擬控制器與實(shí)體對(duì)象分別構(gòu)成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件界面(見圖2)架構(gòu)主要包括LabVIEW虛擬仿真的控制算法模塊、LabVIEW與SolidWorks聯(lián)合仿真、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、通信和監(jiān)控模塊。

圖2 軟件界面

2.1 LabVIEW虛擬仿真控制算法模塊

水槽的液位控制實(shí)驗(yàn)采用位置型數(shù)字PID控制算法[10],其控制算法模塊如圖3所示。

圖3 控制算法模塊

位置型數(shù)字PID控制器包括比例、積分、微分3部分:

其中u(n)為控制器的輸出變化量；e(n)為控制器的輸入,即偏差；KP為比例系數(shù),TI為積分時(shí)間常數(shù)、TD為微分時(shí)間常數(shù)。

比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)的取值將影響PID控制器的性能。參數(shù)整定不當(dāng)不但會(huì)影響控制質(zhì)量,還可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID參數(shù)整定也是電氣信息類專業(yè)核心課程——自動(dòng)控制原理的核心知識(shí)點(diǎn)。

2.2 LabVIEW與SolidWorks聯(lián)合仿真

LabVIEW開發(fā)環(huán)境下的3D開發(fā)有3種方法。

第一種是利用3ds MAX導(dǎo)出的ASE文件,本質(zhì)上還是圖形顯示。

第二種是利用LabVIEW自帶的三維圖片控件建立三維模型,這種方法響應(yīng)速度快且操作簡(jiǎn)單,但只適用于柱體、方體、錐面和球面等簡(jiǎn)單、規(guī)則的模型。

第三種是利用NI SoftMotion模塊建立起SolidWorks設(shè)計(jì)的三維虛擬物理原型(裝配體)與LabVIEW的之間的聯(lián)系,從而實(shí)現(xiàn)LabVIEW和SolidWorks的聯(lián)合仿真[11]。這種方法兼容VR技術(shù),運(yùn)動(dòng)控制方便、3D效果清晰、模型設(shè)置開放,便于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新升級(jí)。

本系統(tǒng)采用第三種方法。在SolidWorks中設(shè)計(jì)的裝配體以現(xiàn)實(shí)虛擬建模語(yǔ)言(VRML)格式保存,可導(dǎo)入到LabVIEW語(yǔ)言環(huán)境,利用LabVIEW的庫(kù)函數(shù),對(duì)三維裝配體進(jìn)行設(shè)置和控制(見圖4),利用SolidWorks中NI SoftMotion既能調(diào)用API實(shí)現(xiàn)底層定制,也可實(shí)現(xiàn)三維虛擬物理原型的編程控制。

圖4 SolidWorks裝配體導(dǎo)入

2.3 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的濾波、存儲(chǔ)與顯示等功能,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示,包括設(shè)定值和水槽液位曲線。紅色的曲線為設(shè)定值、藍(lán)色的曲線為水槽液位曲線,鼠標(biāo)放置在曲線上即可顯示該位置的具體數(shù)值信息。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、分析以及歷史數(shù)據(jù)管理。

圖5 數(shù)據(jù)處理與顯示模塊

2.4 通信與監(jiān)控模塊

在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)了通信與監(jiān)控模塊,學(xué)生機(jī)與教師機(jī)依托RS-485總線進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)串口控制、教師機(jī)的輪詢召測(cè)、學(xué)生機(jī)應(yīng)答等功能。教師機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示。為保證主機(jī)與從機(jī)之間的高速信息傳輸,借鑒ModBus協(xié)議定義了信息幀[12],包括幀頭(AAH)、模塊地址(學(xué)號(hào))、功能碼(長(zhǎng)度1 byte)、數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度1 byte)、校驗(yàn)和、幀尾(13H)。

圖6 教師機(jī)監(jiān)控界面

利用LabVIEW的VISA節(jié)點(diǎn)函數(shù)編譯數(shù)據(jù)收發(fā)子VI,程序框圖如圖7、圖8所示。在初始化串口時(shí)設(shè)定串行通信波特率為9 600 bit/s,采用8位數(shù)據(jù),1位停止位,無(wú)校驗(yàn)位,無(wú)流控制方式。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送子VI程序框圖

圖8 數(shù)據(jù)接收子VI程序框圖

3 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的過(guò)程控制虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與SolidWorks聯(lián)合仿真,可完成單回路控制中液位對(duì)象的特性參數(shù)測(cè)定、PID整定及計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線等實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。虛擬系統(tǒng)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合,在兼顧實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,為高危、高能耗、大型綜合實(shí)驗(yàn)的開展提供基礎(chǔ)條件。

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Construction on virtual-real combined experimental system for process control based on integration of field bus technology

Bai Ruifeng1，2, Fang Zhaohui1，2, Hao Ying1，2, Yu Heyang1，2

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

By integrating together the advanced technologies of virtual instruments, network, 3D, etc., a virtual-real combined experimental system for field bus process control is constructed. The network structure of the RS-485 industrial field bus is designed, and the functions of master-slave communication, information interaction, and monitoring and control are realized. By using the joint simulation of LabVIEW and SolidWorks, the dynamic interaction of 3D is actualized, and the control algorithm module is developed. The actual and virtual object control can be achieved, and the data processing and display module can realize the functions of curve and graph display, data analysis and historical data management. This system provides important support for virtual experimental teaching such as field bus, process control, etc.

industrial field bus; virtual instruments; joint simulation; 3D virtual experimental platform

TP273.5; G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0129-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.032

2017-03-30

2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610056030)；天津大學(xué)2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610056310)；天津大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理改革項(xiàng)目；天津大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目

白瑞峰(1987—),男,天津,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程、工業(yè)機(jī)器人與阻抗測(cè)量技術(shù).

E-mail:bairuifeng@tju.edu.cn