过程控制综合实训平台的设计

2013-09-03宗晓萍

实验室研究与探索 2013年8期

姜萍，宗晓萍，李帅

(河北大学电子信息工程学院，河北保定071002)

0 引言

过程控制是自动化专业的一门理论与实践紧密联系的骨干专业课程，是以自动控制原理为理论指导基础、以工艺过程分析为主体、以仪器仪表和计算机为技术手段，用于工业生产过程的控制系统分析、设计和应用的综合性工程应用课程。随着电子及信息技术的发展，工业过程控制已经融合了自动控制、通信网络、计算机、仪器仪表等技术的最新发展成果，因此对过程控制的教学工作也提出了更高的要求［1-3］。过程控制实验教学对自动化专业学生培养工程化、系统化思想具有重要作用，传统的过程控制实验内容多为验证性实验，与实际工业应用脱节，很难调动学生的积极性、主动性和创造性。目前，教育部启动“卓越工程师教育培养计划”，强调学生实践工程能力和创新能力的培养，要按通用标准和行业标准培养工程人才［4-5］。

依托罗克韦尔自动化公司的“与中国大学共勉”项目，利用罗克韦尔自动控制集成架构和PF-JD701过程控制教学装置，建立了一个集机、电、计算机、通信网络等于一体、符合通用行业标准和工业实际应用的自动化综合实验实训平台［6］。遵循工程项目开发的流程，结合课堂基础知识的学习，使学生围绕项目进行实践训练，从而具备对工业过程中常用的过程控制系统进行分析、设计的能力。该平台为培养具有工程应用和创新素质的自动化专业人才提供了有力支撑。

1 综合实训平台的集成架构

以罗克韦尔的Logix系列控制器为核心、NetLinx三层网络的集成架构为纽带，将管理计算机、过程控制系统模型和触摸屏、变频器、电机等多种仪器仪表连接成一个有机的整体，构成了一个体系完善、功能强大的过程控制实训平台，如图1所示。该平台可按控制器、通信网络、人机交互设备和对象模型四部分进行划分:

(1)核心控制器。配备三套 ControlLogix、两套CompactLogix的产品，在进行实训时自行选择，采用RSLogix5000软件进行控制任务组态，完成过程设备的实时控制任务。

(2)通信网络。由 Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet三层网络组成了开放的 NetLinx控制网络［7］，由RSLinx和 RSNetWorx软件进行网络配置，构成整个系统设备的信息桥梁。

(3)人机交互设备配备。40台个人计算机和4台2711P系列的触摸屏，通过RSView等相关软件的开发，实现过程控制设备的实时监控任务。

(4)对象模型。模拟实际工业生产过程的是三套PF-JD701过程控制实验装置，由水箱、管路、离心水泵、各类阀门等构成双独立回路三容微缩水循环系统，检测变送器﹑执行装置和显示仪表均采用工业级产品，通过柔性连接可以组成多种被控过程物理模型。可以针对温度、压力、流量、液位等典型工业过程参数实现从简单到复杂、从经典到现代的控制策略，进行多种控制策略及控制算法的研究。

图1 过程控制综合实训平台架构

在过程控制实训平台的集成架构中，控制器、通信网络和人机交互设备等硬件、软件均采用工业级产品，缩短了实验教学与工厂企业的距离，构建出一个开放性、实用性和操作性很强的综合实训平台。

2 过程控制实训项目任务体系

2.1 综合实训项目内容

随着计算机技术和通讯网络的发展，在完成现场级仪器仪表选型之后，过程控制系统的设计任务主要是进行系统组态、控制组态和监控画面组态［8-10］，由此，对实训项目进行任务体系划分，主要分为系统集成、控制系统设计、监控画面组态三大部分，最后完成整体调试并运行，如图2所示。

图2 实训项目主要内容结构

2.2 系统集成及通信网络

在图1中，过程控制综合实训平台是以设备层网络DeviceNet、控制层网络 ControlNet和信息层网络Ethernet/IP的三层网络模式构成罗克韦尔NetLinx架构，将控制器、对象物理设备、检测装置、人机界面等整合到统一框架下，在各网络的应用层都采用统一的通用工业协议，以三网融合数据交换技术构造了一个从设备底层到管理信息层的开放网络平台。

通过RSLinx和RSNetWorx软件实现网络架构的建立，完成网络驱动、控制器、I/O模块及相关设备的配置，实现各层设备之间的信息无缝连接。

RSLinx是AB系列可编程控制器产品开发的数据通信服务器软件，通过 RSLinx可使 RSLogix、RSNetWorx、RSView等应用软件可以与控制网络建立通信连接，实现对工业控制网络的组态与监控。

首先用RSLinx软件建立Logix系列控制器和软件平台之间的通讯，配置网络驱动并完成设置，某工程实例完成通讯配置后的网络结构。

各种过程物理量的数据实时传输，需要通过在控制组态软件RSLogix5000中添加控制器模块、模拟量输入模块和模拟量输入输出模块等，各模块的槽号要与实际机架上的槽号对应，并完成I/O模块的参数配置。图3是ControlLogix平台中一个模拟量输入模块的参数配置界面。

RSNetWorx软件是开放式网络组态工具，提供网络设计、设备参数设定、通信规划、在线监测、故障诊断等功能，发挥各网络的优异性能，实现同一网络的多处理结构、端到端的互锁、预定和非预定通信以及共享输入等功能。

图3 RSLogix 5000中的模拟量输入模块设置界面

2.3 控制系统的设计

无论涉及何种工业生产过程，过程控制的任务均可归结为:在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态动态特性的基础上，根据安全性、经济性和稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现［11］。由此，根据工程实际出发，由建模分析系统动、静态特性、设计控制系统结构、参数整定和系统闭环调试等步骤完成过程控制系统的设计。

2.3.1 数学模型建立

被控对象的数学模型是表示输入变量与输出变量之间动态关系的数学描述，是控制系统分析设计的基础。基本的建模方法有机理法和测试法，由于实际工业过程的内部机理通常比较复杂，多采用测试法进行对象模型的建立。

阶跃响应曲线法以其操作简单易行的特点成为过程控制中广泛应用的一种工程建模方法，不需要深入了解被控过程的机理，完全从外部特性上测试和描述系统的动态特性。在被控过程处于开环、稳态时，通过手动或遥控装置使被控过程的输入量做阶跃变化，记录系统输出量(被控参数)的变化曲线(在此可以利用RSLogix5000软件中的趋势图功能实现)，直到被控过程达到新的稳态，所得到的记录曲线就是被控过程的阶跃响应曲线。

然后可采用切线法、单点法、两点法等方法即可对被控过程输入、输出的实测数据进行处理，求得系统开环传递函数，确定系统的数学模型［12-13］。

2.3.2 控制系统组态

在分析了系统模型特点的基础上，根据实际系统的控制任务要求，合理选择控制系统的结构和控制器算法。利用本实训平台，可以完成单回路、串级回路、前馈-反馈复合控制等多种控制结构。控制器算法以PID常规调节为主，还可以自行开发先进控制策略。

以单容水箱的压力控制系统为例，根据阶跃响应曲线建立开环传递函数，可近似为一阶惯性环节，采用PID调节器构成单回路控制系统就能满足设计要求，如图4所示。

图4 单容水箱的压力单回路控制系统结构图

RSLogix5000编程软件为Logix控制器提供控制策略组态，开发环境同时支持IEC61131-3国际标准的四种控制语言，分别为:梯形图BD、功能块FB、结构化文本ST和顺序功能流程图SFC［14］。

在过程控制系统设计中，主要结合梯形图实现逻辑切换、功能块实现连续调节任务。功能块作为一种图形化的编程语言，功能块指令输出参数是由输入参数(外部硬件输入参数或其他功能块的输出参数)通过内含算法计算产生的，可按周期性执行或由事件驱动。

采用功能块语言编程、调用增强型 PID指令(PIDE功能块)实现的单回路控制系统如图5所示。

图5 RSLogix 5000中的单回路控制图

根据实际工程设计，还要考虑到模拟量输入/出模块的工程单位处理和调节器正反作用选择等问题。

(1)工程单位的转化。将模拟量输入/出模块正常工作时的数字量的范围整定到一个统一的工程单位，即将数据做“类归一化”处理，便于调节器功能块运算和处理。

(2)调节器正反作用的选择。为了保证单回路控制系统构成负反馈调节，调节器需进行正、反作用调节方式的选择，程序中通过设置偏差计算方式实现。

2.3.3 调节器参数整定

当控制方案已经确定，则各过程通道的静态和动态特性就已确定，系统控制品质就取决于调节器参数的设置。整定PID调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。

工程上，PID整定的参数常常通过工程整定方法来确定，主要有经验法、临界比例度法、衰减曲线法和响应曲线法等。图6是通过经验法确定的PID参数。

图6 RSLogix 5000中的PID调节器参数设置

2.4 监控界面的设计

监控界面实现人与生产设备、控制装置之间信息交互，是过程控制系统中必不可少的重要组成部分。按照发展新型工业和企业信息化的要求，监控系统担负着生产过程的控制和管理，是复杂生产过程优化控制和协调运行的保障。在监控系统中主要完成生产流程画面显示、操作调节、趋势曲线、故障报警监视、参数列表显示、历史数据库和生产管理报表等功能［15］。

RSView人机界面开发软件，提供了符合工业控制标准的功能库，通过开放的技术增强了和罗克韦尔软件以及和其他工业组态软件的兼容性，开发流程如下:

(1)数据通信配置。RSLinx通过设置OPC驱动，建立OPC服务器;在RSView组态软件中进行通道和节点的配置;通过Tag Database(标记数据库)建立标签并使用文件夹管理标签。从而采用OPC通信方式，完成了监控界面和控制系统之间的实时数据通讯。

(2)图形显示界面制作。打开图形显示编辑器，在图形库中调出系统相关的图形、按钮、滑块等元件，建立流程动态画面、趋势图、报警监视和报表等监控画面。

(3)界面的动画配置。进行显示画面和数据标签之间的实时链接，通过添加对象连接到标签的动画，使图形的外观可以随标签值的变化而变化。

针对图4设计的压力控制监控系统的运行画面如图7所示。

可以实现如下主要功能:

(1)压力控制系统的工艺流程监视。实现数据采集、处理和显示，电动调节阀和水泵会在运行时发生颜色的改变，较为形象地展现了现场设备的运行情况。

(2)压力系统操作控制。矩形条和三角形的位置变化直观的体现了设定值、压力值和程序PIDE模块输出值的变化;在输入对话框内输入KP、KI、KD等参数，可以改变RSLogix5000中标签量的值，从而改变了控制器中程序的参数配置;通过按钮实现手/自动切换。

(3)数据动态显示。以图形和曲线等形式显示压力控制系统的动态画面、趋势图等，并通过操作画面查询实时数据和历史数据，实现了参数修改和数据实时显示的设计目标。

图7 单容水箱压力控制系统监控运行界面

3 结语

利用罗克韦尔开放的网络集成架构和先进的控制设备，开发了过程控制综合实训平台。遵循工业过程控制系统的整体设计流程，根据系统集成、控制组态和界面设计三个部分完成工程化设计训练。使学生掌握罗克韦尔三层网络架构并采用RSLinx完成通信组态配置、Logix控制平台的性能和使用RSLogix5000软件完成过程控制系统的设计及调试运行，以及利用RSView软件制作监控画面，实现远程监控和信息管理。为学生学习国际先进的自动化技术提供了良好平台，同时也是一个有力的科学研究平台。

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