過程控制綜合實訓平臺的設計

姜 萍， 宗曉萍， 李 帥

(河北大學電子信息工程學院，河北保定071002)

0 引言

過程控制是自動化專業的一門理論與實踐緊密聯系的骨干專業課程，是以自動控制原理為理論指導基礎、以工藝過程分析為主體、以儀器儀表和計算機為技術手段，用于工業生產過程的控制系統分析、設計和應用的綜合性工程應用課程。隨著電子及信息技術的發展，工業過程控制已經融合了自動控制、通信網絡、計算機、儀器儀表等技術的最新發展成果，因此對過程控制的教學工作也提出了更高的要求［1-3］。過程控制實驗教學對自動化專業學生培養工程化、系統化思想具有重要作用，傳統的過程控制實驗內容多為驗證性實驗，與實際工業應用脫節，很難調動學生的積極性、主動性和創造性。目前，教育部啟動“卓越工程師教育培養計劃”，強調學生實踐工程能力和創新能力的培養，要按通用標準和行業標準培養工程人才［4-5］。

依托羅克韋爾自動化公司的“與中國大學共勉”項目，利用羅克韋爾自動控制集成架構和PF-JD701過程控制教學裝置，建立了一個集機、電、計算機、通信網絡等于一體、符合通用行業標準和工業實際應用的自動化綜合實驗實訓平臺［6］。遵循工程項目開發的流程，結合課堂基礎知識的學習，使學生圍繞項目進行實踐訓練，從而具備對工業過程中常用的過程控制系統進行分析、設計的能力。該平臺為培養具有工程應用和創新素質的自動化專業人才提供了有力支撐。

1 綜合實訓平臺的集成架構

以羅克韋爾的Logix系列控制器為核心、NetLinx三層網絡的集成架構為紐帶，將管理計算機、過程控制系統模型和觸摸屏、變頻器、電機等多種儀器儀表連接成一個有機的整體，構成了一個體系完善、功能強大的過程控制實訓平臺，如圖1所示。該平臺可按控制器、通信網絡、人機交互設備和對象模型四部分進行劃分:

(1)核心控制器。配備三套 ControlLogix、兩套CompactLogix的產品，在進行實訓時自行選擇，采用RSLogix5000軟件進行控制任務組態，完成過程設備的實時控制任務。

(2)通信網絡。由 Ethernet/IP、ControlNet和DeviceNet三層網絡組成了開放的 NetLinx控制網絡［7］，由RSLinx和 RSNetWorx軟件進行網絡配置，構成整個系統設備的信息橋梁。

(3)人機交互設備配備。40臺個人計算機和4臺2711P系列的觸摸屏，通過RSView等相關軟件的開發，實現過程控制設備的實時監控任務。

(4)對象模型。模擬實際工業生產過程的是三套PF-JD701過程控制實驗裝置，由水箱、管路、離心水泵、各類閥門等構成雙獨立回路三容微縮水循環系統，檢測變送器﹑執行裝置和顯示儀表均采用工業級產品，通過柔性連接可以組成多種被控過程物理模型。可以針對溫度、壓力、流量、液位等典型工業過程參數實現從簡單到復雜、從經典到現代的控制策略，進行多種控制策略及控制算法的研究。

圖1 過程控制綜合實訓平臺架構

在過程控制實訓平臺的集成架構中，控制器、通信網絡和人機交互設備等硬件、軟件均采用工業級產品，縮短了實驗教學與工廠企業的距離，構建出一個開放性、實用性和操作性很強的綜合實訓平臺。

2 過程控制實訓項目任務體系

2.1 綜合實訓項目內容

隨著計算機技術和通訊網絡的發展，在完成現場級儀器儀表選型之后，過程控制系統的設計任務主要是進行系統組態、控制組態和監控畫面組態［8-10］，由此，對實訓項目進行任務體系劃分，主要分為系統集成、控制系統設計、監控畫面組態三大部分，最后完成整體調試并運行，如圖2所示。

圖2 實訓項目主要內容結構

2.2 系統集成及通信網絡

在圖1中，過程控制綜合實訓平臺是以設備層網絡DeviceNet、控制層網絡 ControlNet和信息層網絡Ethernet/IP的三層網絡模式構成羅克韋爾NetLinx架構，將控制器、對象物理設備、檢測裝置、人機界面等整合到統一框架下，在各網絡的應用層都采用統一的通用工業協議，以三網融合數據交換技術構造了一個從設備底層到管理信息層的開放網絡平臺。

通過RSLinx和RSNetWorx軟件實現網絡架構的建立，完成網絡驅動、控制器、I/O模塊及相關設備的配置，實現各層設備之間的信息無縫連接。

RSLinx是AB系列可編程控制器產品開發的數據通信服務器軟件，通過 RSLinx可使 RSLogix、RSNetWorx、RSView等應用軟件可以與控制網絡建立通信連接，實現對工業控制網絡的組態與監控。

首先用RSLinx軟件建立Logix系列控制器和軟件平臺之間的通訊，配置網絡驅動并完成設置，某工程實例完成通訊配置后的網絡結構。

各種過程物理量的數據實時傳輸，需要通過在控制組態軟件RSLogix5000中添加控制器模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸入輸出模塊等，各模塊的槽號要與實際機架上的槽號對應，并完成I/O模塊的參數配置。圖3是ControlLogix平臺中一個模擬量輸入模塊的參數配置界面。

RSNetWorx軟件是開放式網絡組態工具，提供網絡設計、設備參數設定、通信規劃、在線監測、故障診斷等功能，發揮各網絡的優異性能，實現同一網絡的多處理結構、端到端的互鎖、預定和非預定通信以及共享輸入等功能。

圖3 RSLogix 5000中的模擬量輸入模塊設置界面

2.3 控制系統的設計

無論涉及何種工業生產過程，過程控制的任務均可歸結為:在了解、掌握工藝流程和生產過程的靜態動態特性的基礎上，根據安全性、經濟性和穩定性的要求，應用理論對控制系統進行分析和綜合，最后采用適宜的技術手段加以實現［11］。由此，根據工程實際出發，由建模分析系統動、靜態特性、設計控制系統結構、參數整定和系統閉環調試等步驟完成過程控制系統的設計。

2.3.1 數學模型建立

被控對象的數學模型是表示輸入變量與輸出變量之間動態關系的數學描述，是控制系統分析設計的基礎。基本的建模方法有機理法和測試法，由于實際工業過程的內部機理通常比較復雜，多采用測試法進行對象模型的建立。

階躍響應曲線法以其操作簡單易行的特點成為過程控制中廣泛應用的一種工程建模方法，不需要深入了解被控過程的機理，完全從外部特性上測試和描述系統的動態特性。在被控過程處于開環、穩態時，通過手動或遙控裝置使被控過程的輸入量做階躍變化，記錄系統輸出量(被控參數)的變化曲線(在此可以利用RSLogix5000軟件中的趨勢圖功能實現)，直到被控過程達到新的穩態，所得到的記錄曲線就是被控過程的階躍響應曲線。

然后可采用切線法、單點法、兩點法等方法即可對被控過程輸入、輸出的實測數據進行處理，求得系統開環傳遞函數，確定系統的數學模型［12-13］。

2.3.2 控制系統組態

在分析了系統模型特點的基礎上，根據實際系統的控制任務要求，合理選擇控制系統的結構和控制器算法。利用本實訓平臺，可以完成單回路、串級回路、前饋-反饋復合控制等多種控制結構。控制器算法以PID常規調節為主，還可以自行開發先進控制策略。

以單容水箱的壓力控制系統為例，根據階躍響應曲線建立開環傳遞函數，可近似為一階慣性環節，采用PID調節器構成單回路控制系統就能滿足設計要求，如圖4所示。

圖4 單容水箱的壓力單回路控制系統結構圖

RSLogix5000編程軟件為Logix控制器提供控制策略組態，開發環境同時支持IEC61131-3國際標準的四種控制語言，分別為:梯形圖BD、功能塊FB、結構化文本ST和順序功能流程圖SFC［14］。

在過程控制系統設計中，主要結合梯形圖實現邏輯切換、功能塊實現連續調節任務。功能塊作為一種圖形化的編程語言，功能塊指令輸出參數是由輸入參數(外部硬件輸入參數或其他功能塊的輸出參數)通過內含算法計算產生的，可按周期性執行或由事件驅動。

采用功能塊語言編程、調用增強型 PID指令(PIDE功能塊)實現的單回路控制系統如圖5所示。

圖5 RSLogix 5000中的單回路控制圖

根據實際工程設計，還要考慮到模擬量輸入/出模塊的工程單位處理和調節器正反作用選擇等問題。

(1)工程單位的轉化。將模擬量輸入/出模塊正常工作時的數字量的范圍整定到一個統一的工程單位，即將數據做“類歸一化”處理，便于調節器功能塊運算和處理。

(2)調節器正反作用的選擇。為了保證單回路控制系統構成負反饋調節，調節器需進行正、反作用調節方式的選擇，程序中通過設置偏差計算方式實現。

2.3.3 調節器參數整定

當控制方案已經確定，則各過程通道的靜態和動態特性就已確定，系統控制品質就取決于調節器參數的設置。整定PID調節器的參數，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統的動態和靜態指標，取得最佳的控制效果。

工程上，PID整定的參數常常通過工程整定方法來確定，主要有經驗法、臨界比例度法、衰減曲線法和響應曲線法等。圖6是通過經驗法確定的PID參數。

圖6 RSLogix 5000中的PID調節器參數設置

2.4 監控界面的設計

監控界面實現人與生產設備、控制裝置之間信息交互，是過程控制系統中必不可少的重要組成部分。按照發展新型工業和企業信息化的要求，監控系統擔負著生產過程的控制和管理，是復雜生產過程優化控制和協調運行的保障。在監控系統中主要完成生產流程畫面顯示、操作調節、趨勢曲線、故障報警監視、參數列表顯示、歷史數據庫和生產管理報表等功能［15］。

RSView人機界面開發軟件，提供了符合工業控制標準的功能庫，通過開放的技術增強了和羅克韋爾軟件以及和其他工業組態軟件的兼容性，開發流程如下:

(1)數據通信配置。RSLinx通過設置OPC驅動，建立OPC服務器;在RSView組態軟件中進行通道和節點的配置;通過Tag Database(標記數據庫)建立標簽并使用文件夾管理標簽。從而采用OPC通信方式，完成了監控界面和控制系統之間的實時數據通訊。

(2)圖形顯示界面制作。打開圖形顯示編輯器，在圖形庫中調出系統相關的圖形、按鈕、滑塊等元件，建立流程動態畫面、趨勢圖、報警監視和報表等監控畫面。

(3)界面的動畫配置。進行顯示畫面和數據標簽之間的實時鏈接，通過添加對象連接到標簽的動畫，使圖形的外觀可以隨標簽值的變化而變化。

針對圖4設計的壓力控制監控系統的運行畫面如圖7所示。

可以實現如下主要功能:

(1)壓力控制系統的工藝流程監視。實現數據采集、處理和顯示，電動調節閥和水泵會在運行時發生顏色的改變，較為形象地展現了現場設備的運行情況。

(2)壓力系統操作控制。矩形條和三角形的位置變化直觀的體現了設定值、壓力值和程序PIDE模塊輸出值的變化;在輸入對話框內輸入KP、KI、KD等參數，可以改變RSLogix5000中標簽量的值，從而改變了控制器中程序的參數配置;通過按鈕實現手/自動切換。

(3)數據動態顯示。以圖形和曲線等形式顯示壓力控制系統的動態畫面、趨勢圖等，并通過操作畫面查詢實時數據和歷史數據，實現了參數修改和數據實時顯示的設計目標。

圖7 單容水箱壓力控制系統監控運行界面

3 結語

利用羅克韋爾開放的網絡集成架構和先進的控制設備，開發了過程控制綜合實訓平臺。遵循工業過程控制系統的整體設計流程，根據系統集成、控制組態和界面設計三個部分完成工程化設計訓練。使學生掌握羅克韋爾三層網絡架構并采用RSLinx完成通信組態配置、Logix控制平臺的性能和使用RSLogix5000軟件完成過程控制系統的設計及調試運行，以及利用RSView軟件制作監控畫面，實現遠程監控和信息管理。為學生學習國際先進的自動化技術提供了良好平臺，同時也是一個有力的科學研究平臺。

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