利用组态软件与网络技术改造过程控制实验室

2014-05-02洪雪梅项雷军金福江

实验技术与管理 2014年5期

洪雪梅，项雷军，李平，金福江

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门 361021）

过程控制实验室为仪器仪表技术、现代控制理论、先进控制技术、智能控制和工业控制工程设计等课程及相关科学研究提供了实验场所和实验设备，面向电气、自动化和机电等学科开设了重要的专业实验项目［1］。近年来随着高校招生规模的不断扩大，参与实验项目的学生也越来越多，设备数量呈现严重不足，只能开设一些以演示性和验证性为主的实验项目来满足实验教学需求，根本无法开展综合设计性实验项目，不利于学生实践动手能力的培养［2－3］。为了解决当前面临的困境，本研究利用组态王软件与网络技术对过程控制实验室进行了改造，将只拥有2套设备的过程控制实验室改造成同时可以容纳22位学生的网络实验服务平台，有效地扩展了实验空间。并借此平台重新整合优化了简单的验证性实验，进一步增强了综合性、设计性、研究性实验项目，充分发挥了学生的个性和特长，激发和培养了学生的工程创新能力，实现了“团队协作”实验教学新模式，取得了很好的教学效果。

1 过程控制实验系统硬件组成

过程控制实验装置由操作控制系统和现场系统两大部分组成，直观形象地模拟了工业生产过程的流量、温度、压力、液位四大热工参数，同时可以方便地组合成多种过程控制系统实验。操作控制系统包含了百特智能仪表、DDC控制器、CAN控制器和S7－300PLC控制器；现场系统由传感器、执行器系统和各种被控对象等组成，主要包括西门子PA压力表、西门子PA流量计、常规电磁流量计、气动调节阀、电动调节阀、变频器、3个液位变送器、3个水箱、1个锅炉和2个驱动泵等［4］。过程控制实验装置现场系统结构图如图1所示。

图1 过程控制实验装置现场系统结构图

现场系统可以通过各手阀的开启／闭合构建成2个支路，分别完成现场总线控制支路和常规信号控制支路。支路1（总线控制支路）由工频电源开关、变频器、西门子PA压力表、西门子PA流量表、气动调节阀、换热器、上中下3个水箱和锅炉等组成；支路2（常规信号控制支路）由工频电源开关、常规电磁流量计、电动调节阀、换热器、上中下3个水箱和锅炉等组成。

2 控制系统网络技术改造方案

以实验室原有的2台过程控制实验装置为基础，将组态王的网络应用引入设备，并利用当今先进的控制方法对已有的过程控制系统进行网络改造与互联，实现实验设备之间的信息资源共享［5］。改造后的过程控制网络实验系统分为上位机和下位机2个子系统。上位机子系统由2台服务器（也称管理站）和20台客户机组成一个计算机局域网；下位机子系统就是实验室原有的2台过程控制实验装置。服务器和客户机之间用网线通过1台24口的100Mbps交换机连接起来，服务器和下位机两者之间的连接通过RS485或PPI总线进行通信，实现数据的采集与发送。过程控制系统实验室的网络结构如图2所示。

图2 过程控制系统实验室的网络结构图

控制系统主界面设计采用了目前工程中使用较多的工业自动化通用组态软件——组态王KingView，实时显示控制数据和历史控制数据，同时把这些数据绘制成相应的实时控制曲线和历史曲线，更加直观地显示整个控制过程的变化，尤其是在改变PID控制参数时，软件能及时跟踪控制过程的微妙变化，清晰地显示出各瞬态响应曲线的变化过程，有利于进一步研究PID控制参数［6］。运行服务器端的组态王软件，可以实时地采集现场系统中各种传感器和压力变送器的信号，同时将信号转换成相应的数据保存在PC机中，方便以后查看；另一方面服务器又通过网络将现场数据传给各客户机，客户机根据对应的控制算法计算出各控制参数，经服务器授权通过工业以太网，利用现场模块输出控制现场系统的执行器动作，实现了过程控制系统的远程监控［7］。客户端还可以编写各种控制算法、组态相关图形和不同的实验流程等，将过程控制领域的专业理论知识与工程实践很好地结合起来，进一步加强了对学生工程实践与创新能力的培养。

3 组态王软件的网络应用

组态王软件是一套基于Windows平台、快速构造和生成上位机监控系统的工业自动化通用智能软件包，可运行于 Microsoft Windows95／98／NT／2000等操作系统。使用组态软件的网络功能需要在局域网中建立服务器和客户机，通常建立一台服务器和多台客户机，并分别在服务器和客户机上设置相关参数［8－9］。首先，确定所有的计算机在同一个局域网内，每台客户机能够在网上邻居访问到服务器；然后服务器和客户机分别在本机上打开同一个组态程序，使服务器上的程序处于完全共享状态［10］。

3.1 配置服务器

在整个实验系统中，服务器充当中间介质的作用，担任着连接客户机与下位机的任务。任何一个实验系统要正常运行，首先必须搭建好服务器与下位机之间的数据交换。打开一个组态程序，双击左边窗口的“网络配置”，在弹出的窗口中选择“连网”，然后在“本机节点名”中键入本机的计算机名，如czg；最后在节点类型中选中“本机是登录服务器”和“本机是I／O服务器”，至此，服务器的设置完毕。

3.2 客户机配置：

（1）在本机上打开同一个组态程序，选择最左侧的按键“站点”，右键单击左侧空白处，选择“新建远程站点”，点击“读取节点配置”，在“网上邻居”上找到服务器czg上所共享的组态程序，点击确定。

（2）点击界面左侧的“系统”按键，双击“网络配置”，选择“连网”，输入本机节点名，即计算机名，如guan；节点类型中选择登录服务器czg；客户配置中选中“客户”和I／O服务器下面的“czg”，点击“确定”。

（3）点击 “数据词典 ”，选择一变量，如“ADAM4017AI0”，单击右键，选择变量名称替换，在弹出的对话框中选中“变量使用报告（不改变数据词典）”，然后点击“替换为”后面的“？”，在弹出对话框中点击左侧窗口中的“czg”，最后选择右侧窗口中的“ADAM4017AI0”变量，点击“确定”，最后点击“替换”，即可。以此类推，分别替换其他变量。

至此，服务器和客户机的配置都已经完成，其他客户机的配置可以照样进行。将刚刚配置好的一台客户机上的组态程序复制到其他作为客户机上的计算机上，然后在每台计算机上分别打开，双击“网络配置”，将“本机节点名”更改为本机计算机名即可。

为了避免网络控制冲突，客户机实行分时或实时登录服务器。一旦通过服务器授权，客户机就可以从监视级升级为控制级，相应地经授权的客户机也由原先的监视用户转变成了控制用户，而没有授权的客户机仍然保留原来的监视用户身份。可见监视用户和控制用户只是相对而言，他们之间是可以互换的，关键在于服务器的授权［11］。控制用户可以通过网络和相应的功能模块采集现场各传感器信号，改变控制参数，远程控制现场系统的执行器；而监视用户只能远程观看控制的整个响应过程，浏览现场数据和历史数据，无法改变算法参数来控制执行器。

4 改造后的系统总流程图界面

改造后过程控制实验系统的服务器和客户机均装有组态王软件。利用组态王软件开发服务器和客户机的人机交互界面，组态了系统总流程图界面（见图3）和各实验项目的具体界面。界面上形象地显示了设备的基本构件，例如：水泵、手动阀、电动调节阀、锅炉、变送器、热换器、大储水箱、管道等。同时将这些基本构件按照流程图串连起来，通过各器件的开启或闭合组成各种各样的控制系统实验，以满足实验教学和科研的要求。

5 过程控制实验“团队协作”教学模式的实施

过程控制实验室通过上述模式的改造，重新整合、优化了实验室资源，更好地贯彻了“以人为本”的教育理念，强调了个性化发展、团队协作的实验教学模式，进一步加强了学生的创新能力和协调合作精神［11］。以液位和进口流量串级控制实验为例［12］，将22个学生分成2个团队，每个团队推荐一个综合素质较好的学生负责服务器的控制，统筹整个实验项目的具体实施，其他10个成员分别负责一台客户机，对服务器上传过来的实时响应曲线、数据和PID参数等信息进行共同商讨、判断，确定主副回路PID参数，然后把最终确定的方案下达给负责服务器控制的学生进行修正，直至得到满意的结果为止（见图4）。也可以有针对性地布置一些综合设计性和研究探索性实验项目，学生自行组队，充分发挥团队每个成员的各自特长，分工负责综合项目的方案构建、软件设计和硬件配置等，最终每个团队负责人把团队内各成员完成的任务综合组态成一个完整的实验项目，进行验收、考核，有效地发挥学生的主观能动性，培养了学生的工程素养和团队协作能力［13－14］。

图3 控制系统总流程图

图4 液位和进口流量串级控制实验组态运行

图4中监控界面左上半部分是现场模拟图，动态地显示了液位的实时液位和进口流量的实时数值，以及各环节运行状况；右上半部分是液位和流量实时数据显示、设定值、控制器的参数设定、主副回路PID参数设置和运行状态（给定值显示、测量值显示及输出值显示）［15］；下部分为实时曲线框，反映液位和流量控制系统当前的实时响应曲线及系统运行状况。从输出响应曲线可以看出系统运行平稳，稳态误差近似为零，调节时间非常理想，参数设置合理，说明改造后的过程控制网络实验装置是切实可行的。