基于LabVIEW和PCI-1711的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛亞明,于 鑫,呂淑平,李 軍

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于LabVIEW和PCI-1711的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛亞明,于 鑫,呂淑平,李 軍

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集,又要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理,更要求有可視化的監(jiān)控視圖。采用PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡對(duì)控制對(duì)象的輸入信號(hào)進(jìn)行采集,使用LabVIEW軟件對(duì)采集量進(jìn)行顯示和處理,根據(jù)設(shè)定的控制指標(biāo),采用PID等控制算法,經(jīng)PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動(dòng)放大電路輸出,對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,完成液位、流量、壓力等常用工業(yè)過(guò)程控制量的數(shù)據(jù)采集和控制。PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試、顯示、存儲(chǔ)、分析及控制,提高了原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能擴(kuò)展性。

過(guò)程控制;LabVIEW;PCI-1711;數(shù)據(jù)采集

工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)常以智能儀表和PLC為主控制器,完成液位、流量、壓力等過(guò)程量的數(shù)據(jù)采集及控制,并使用組態(tài)軟件做監(jiān)控視圖。為了提高設(shè)備的利用率,較好地提高原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能擴(kuò)展性,拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思維,以過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備為依托,采用LabVIEW和PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡完成液位等信號(hào)的給定值控制[1-4]。

PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡是一種插卡式的數(shù)據(jù)采集設(shè)備,插入臺(tái)式計(jì)算機(jī)PCI槽或筆記本電腦PCMCIA槽中即可使用,是一種典型的虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu),它通常要求在計(jì)算機(jī)外面根據(jù)需要配備某種信號(hào)調(diào)理設(shè)備。本文利用LabVIEW軟件可視化的編程方式對(duì)PCI-1711采集到的信號(hào)進(jìn)行處理[5],并對(duì)輸出信號(hào)適當(dāng)放大,給出控制信號(hào),構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)過(guò)程控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是帶反饋的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整,控制其自身的測(cè)量裝置,使其以最佳的測(cè)量狀態(tài)測(cè)量當(dāng)前信號(hào),以便應(yīng)對(duì)信號(hào)的較大變化;系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時(shí)反饋給被測(cè)信號(hào),通過(guò)某種控制裝置改變被測(cè)對(duì)象的信息。

搭建的硬件平臺(tái)分為如下幾個(gè)部分:由傳感器和調(diào)理電路構(gòu)成的輸入通道,由信號(hào)調(diào)理電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成的輸出通道,數(shù)據(jù)采集卡接口電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡,最多可以同時(shí)采集16路的模擬信號(hào),每路模擬信號(hào)的輸入類(lèi)型和范圍可由用戶(hù)靈活設(shè)定[6],2路12位模擬量輸出,在進(jìn)行信號(hào)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),這2路通道用于輸出控制信號(hào),12位的精度足以滿(mǎn)足要求。

PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡模擬通道的最大輸出電壓范圍是-5 V～+5 V,不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,需要設(shè)計(jì)放大電路。采用集成運(yùn)算放大器OP07設(shè)計(jì)同相比例放大器,根據(jù)模擬電路的知識(shí)得到輸出電壓OUTPUT=(1+Rf/R1) INPUT，Rf是一個(gè)0～5 kΩ變化的電位器,當(dāng)Rf=0時(shí),放大倍數(shù)為1;當(dāng)Rf=5 kΩ時(shí),放大倍數(shù)為6。

測(cè)試時(shí)用PCL-10168(兩端針型接口的68芯SCSI-II電纜為1 m)將PCI-1711與ADAM-3968(DIN導(dǎo)軌安裝的68芯SCSI-II接線端子板)連接,這樣PCL-10168的68個(gè)針腳和ADAM-3968的68個(gè)接線端子一一對(duì)應(yīng),通過(guò)將輸入信號(hào)連接到接線端子來(lái)測(cè)試PCI-1711管腳[7]。圖2為測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡的硬件連接圖。

圖2 測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡的硬件連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)包含7個(gè)部分:液位顯示窗口,實(shí)時(shí)液位模擬窗口,參數(shù)設(shè)定,液位狀態(tài)顯示窗口,閥位信息反饋,誤差與調(diào)節(jié)時(shí)間窗口(可以顯示實(shí)時(shí)的控制誤差,并根據(jù)用戶(hù)輸入的期望誤差確定并顯示最終的調(diào)節(jié)時(shí)間),程序運(yùn)行控制。

圖3 液位測(cè)試與控制系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

圖4為液位測(cè)試與控制系統(tǒng)的程序流程圖,包括如下部分:循環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓采集與轉(zhuǎn)換，液位比較，PID控制，實(shí)時(shí)誤差與調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算，數(shù)據(jù)保存[8-10]。

圖4 液位測(cè)試與控制系統(tǒng)的程序流程圖

液位測(cè)試系統(tǒng)的前面板與程序框圖的功能對(duì)應(yīng)如圖5所示。

圖5 程序框圖與前面板功能對(duì)應(yīng)圖

上述流程圖在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)后,具體的程序框圖如圖6所示。

圖6 液位測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照步驟連接好硬件電路,開(kāi)啟計(jì)算機(jī)并打開(kāi)LabVIEW程序,給系統(tǒng)上電并實(shí)際運(yùn)行程序。切換到LabVIEW程序的前面板上,給系統(tǒng)一個(gè)階躍輸入,觀察液位的響應(yīng)曲線是否滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求。如果不滿(mǎn)足,停止運(yùn)行程序,更改比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd的值,重新運(yùn)行程序。重復(fù)以上步驟直到液位響應(yīng)曲線達(dá)到要求。

經(jīng)過(guò)調(diào)試可知,當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.6,積分時(shí)間常數(shù)Ki= 2,微分時(shí)間常數(shù)Kd=0時(shí),控制效果較好。切換到前面板運(yùn)行程序,在參數(shù)設(shè)定部分,按照以上的值設(shè)定PID參數(shù),設(shè)定液位值為15 cm,液位上限值為20 cm,選擇數(shù)據(jù)采集的設(shè)備0(即PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡),選擇模擬輸入通道0(對(duì)應(yīng)硬件部分連線),采樣率設(shè)定為100，設(shè)定期望誤差為2%,點(diǎn)擊設(shè)定完畢,然后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”按鈕。控制程序就開(kāi)始運(yùn)行,可以看到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)到一定開(kāi)度時(shí)可以觀察到水開(kāi)始注入水箱,液位發(fā)生變化。

在進(jìn)行控制的過(guò)程中,實(shí)時(shí)誤差窗口中的值也在一直發(fā)生變化,當(dāng)“實(shí)時(shí)誤差”窗口中的值小于期望誤差時(shí),“調(diào)節(jié)時(shí)間”窗口顯示一個(gè)非0值；當(dāng)液位曲線出現(xiàn)振蕩,導(dǎo)致實(shí)時(shí)誤差大于期望誤差時(shí),此值清0；當(dāng)實(shí)時(shí)誤差再次小于期望誤差時(shí),再次給出一個(gè)非0值；當(dāng)誤差達(dá)到期望誤差以?xún)?nèi),且始終不超過(guò)期望誤差時(shí),給出最終的調(diào)節(jié)時(shí)間。圖7為調(diào)試結(jié)果界面。

圖7 液位測(cè)試與控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果界面

為了分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示和控制性能,當(dāng)液位穩(wěn)定于某個(gè)高度(測(cè)試時(shí)選擇為4 cm)時(shí),依次設(shè)定了幾個(gè)液位值,相當(dāng)于突然給系統(tǒng)加上階躍信號(hào),然后運(yùn)行程序,表1記錄了液位的設(shè)定值、最終的顯示值、實(shí)際的液位值、顯示誤差、期望誤差和對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間等信息。

表1 液位測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，顯示誤差控制在1%～3%之間,液位能達(dá)到設(shè)定值,但調(diào)節(jié)速度稍慢。

4 結(jié)論

采用LabVIEW和PCI-1711卡設(shè)計(jì)的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),與原有基于智能儀表和PLC控制器的系統(tǒng)相比,能夠達(dá)到相近的控制效果,將PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于過(guò)程控制系統(tǒng)中,使得該控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有了強(qiáng)大的信息處理能力,可視化效果也很好,拓展了原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

References)

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Design of process control experimental system based on LabVIEW and PCI-1711

Ge Yaming,Yu Xin,Lü Shuping,Li Jun

(Department of Automation Control,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The process control system can not only require the ability to collect the input signal data,but also process the output signal data. And it also needs to have the visual monitoring interface. The system collects input signal data of the process control system using PCI-1711 data acquisition card and uses LabVIEW software for data processing and display. According to object properties and system performance index,the control system uses PID algorithm to calculate the control target value,and utilizes the analog channels of PCI-1711 and driver amplifier to control the electric control valve,inverter and other actuators. By introducing PCI-1711 and LabVIEW,the acquisition of system parameters,display,storage,analysis and control can be realized,and it is better to achieve the functional scalability of the original experimental platform.

process control;LabVIEW;PCI-1711;data acquisition

2014- 05- 16

中央高校基金項(xiàng)目(HEUCF041407);哈爾濱工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目(SYJG20130405)

葛亞明(1976—)，女，黑龍江勃利，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程.

E-mail：geyaming@hrbeu.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2015)1- 0108- 04