摘 要：給出了基于力控PCAuto組態(tài)軟件的電加熱爐監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，使用研華ADAM4000系列模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信，采用抗積分飽和PID控制算法對(duì)電加熱爐溫度進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求，并取得了良好的監(jiān)控效果。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng) 組態(tài)軟件 電加熱爐
引言
隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高和計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。
目前世界上組態(tài)軟件的品種繁多，國(guó)外產(chǎn)品有美國(guó)
Wonderware公司的InTouch、美國(guó)Intellution公司的iFIX等，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有三維力控、組態(tài)王、MCGS等。國(guó)外組態(tài)軟件雖然功能強(qiáng)大但價(jià)格高，而國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件吸收了國(guó)外軟件的優(yōu)點(diǎn)，在功能上可以和國(guó)外組態(tài)軟件相媲美，而且還具有符合國(guó)人思維習(xí)慣的中文菜單，性價(jià)比高。本文以電加熱爐對(duì)象為例，利用三維力控PCAuto組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)小型的監(jiān)控系統(tǒng)，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。
1 力控PCAuto軟件
力控PCAuto軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和過程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和間接的工程實(shí)踐方法，用戶只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能。
PCAuto軟件具有功能強(qiáng)大的圖形開發(fā)環(huán)境Draw，采用面向?qū)ο蟮膱D形技術(shù)，創(chuàng)建動(dòng)畫式的人機(jī)界面系統(tǒng)及高可靠性快速的圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)View，用來運(yùn)行Draw創(chuàng)建圖形窗口。先進(jìn)的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫DB是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)力控應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求處理及完成與過程的雙向通信[1]。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件組成
本監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)一個(gè)小型的電加熱爐過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的溫度I/O點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要是由裝有力控PCAuto軟件的
工控機(jī)和研華ADAM系列數(shù)據(jù)采集控制模塊組成。ADAM系列模塊是一種內(nèi)置微處理器、傳感器的智能化設(shè)備，主要有ADAM4000系列和ADAM5000系列兩種。本實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中用到的ADAM4000系列模塊有模擬量輸入模塊ADAM4018采集溫度信號(hào)、數(shù)字量模塊ADAM4024輸出控制電壓和通信模塊ADAM4520實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2.2 軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 軟件組態(tài)
基于力控PCAuto組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要包括以下幾個(gè)步驟：畫面創(chuàng)建、動(dòng)畫連接、I/O設(shè)備設(shè)置、創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)連接。
① 畫面創(chuàng)建
根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)控制主畫面、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理畫面、實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史曲線畫面和歷史報(bào)表畫面。實(shí)時(shí)控制主畫面如圖2所示，主要包括了系統(tǒng)開關(guān)、自動(dòng)/手動(dòng)控制電加熱爐的溫度、預(yù)定溫度的設(shè)定、爐溫實(shí)時(shí)溫度的顯示、手動(dòng)控制時(shí)控制量大小的設(shè)定、自動(dòng)控制時(shí)PID控制器參數(shù)的設(shè)定等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理畫面如圖3所示，說明了系統(tǒng)的控制原理以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆较颍员阌诟玫亓私怆娂訜釥t監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程。實(shí)時(shí)曲線畫面和歷史曲線畫面用于顯示被測(cè)量、被控量以及設(shè)定值的實(shí)時(shí)與歷史變化趨勢(shì)，以便于操作人員了解被測(cè)量、被控量等的變化，從而更好地對(duì)監(jiān)控過程進(jìn)行分析、研究等。歷史報(bào)表畫面提供了一種瀏覽和打印歷史數(shù)據(jù)的工具，還可以利用PCAuto軟件子圖中的DB_ODBC.dll把歷史報(bào)表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel文件，進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的離線分析研究。
圖2 實(shí)時(shí)控制主畫面
② 動(dòng)畫連接
動(dòng)畫連接是指畫面中圖形對(duì)象與變量或表達(dá)式的對(duì)應(yīng)關(guān)系。建立了連接后，在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)變量或表達(dá)式的數(shù)據(jù)變化，圖形對(duì)象改變其顏色、大小等外觀，文本會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。這樣就將現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的數(shù)據(jù)反映到計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫面中，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。
③ I/O設(shè)備設(shè)置
I/O設(shè)備設(shè)置是指對(duì)包括應(yīng)用程序的“軟件設(shè)備”和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集交換的硬件設(shè)備在內(nèi)的廣義上I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行配置，使其與組態(tài)軟件建立通信，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在被監(jiān)控系統(tǒng)中，分別對(duì)ADAM4018、ADAM4024模塊進(jìn)行了設(shè)備名稱的定義、地址的分配、通信方式的選定等操作。
④ 創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（DB）是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求處理，完成與過程數(shù)據(jù)采集的雙向數(shù)據(jù)通信。在本系統(tǒng)中，經(jīng)過創(chuàng)建點(diǎn)參數(shù)、定義I/O設(shè)備、數(shù)據(jù)連接等幾個(gè)步驟便可完成數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。
2.2.2 實(shí)時(shí)控制算法
PID控制是最早發(fā)展起來的工業(yè)過程控制方法，也是應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一，它所涉及的設(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，易于參數(shù)調(diào)整。為了避免因積分飽和而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置，本文采用抗積分飽和PID控制算法[2]。該控制算法的思路是，在計(jì)算PID控制器輸出時(shí)，首先判斷上一采樣時(shí)刻的控制量()ku()1?ku是否已超出限制范圍：如超出限制范圍，則只累積負(fù)誤差；否則只累計(jì)正誤差。這個(gè)算法可以避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。
圖4 抗積分飽和PID控制程序
該控制算法可以通過力控控制策略生成器的現(xiàn)有模塊實(shí)現(xiàn)，也可以通過在“應(yīng)用程序動(dòng)作”里編程實(shí)現(xiàn)。本文是通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)的，程序如圖4所示。通過適當(dāng)調(diào)整配合抗積分飽和PID控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)等三個(gè)參數(shù)，就可以使系統(tǒng)快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，獲得滿意控制效果。圖5為電加熱爐溫度曲線效果圖（通過DB_ODBC.dll把歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel文件，經(jīng)Matlab離線分析）。
圖5 溫度曲線
3 結(jié)束語
利用力控PCAuto組態(tài)軟件所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以很好地對(duì)電加熱爐的溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而且人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單；并采用抗積分飽和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電加熱爐溫度的自動(dòng)控制，取得了良好的控制效果。
力控PCAuto組態(tài)軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，畫面制作簡(jiǎn)單，動(dòng)畫連接方便；利用控制策略生成器可以方便的實(shí)現(xiàn)控制組態(tài)；而且自帶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，不需要用戶自己建立數(shù)據(jù)庫，所以說力控PCAuto組態(tài)軟件具有簡(jiǎn)單易學(xué)、省時(shí)有效、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
1 孫日升，孫自強(qiáng).力控組態(tài)軟件在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用[C]//第七屆工業(yè)儀表與自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2006:238-240.
2 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
