基于LabWindows CVI的雙容水箱虛擬實驗系統開發

王 新, 張圓圓， 張將將， 徐保巖， 王書茂

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

基于LabWindows CVI的雙容水箱虛擬實驗系統開發

王 新, 張圓圓， 張將將， 徐保巖， 王書茂

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

根據虛擬儀器及自動控制理論綜合教學要求,設計制作了一種基于LabWindows CVI的雙容水箱模塊化虛擬儀器實驗教學系統。該系統不但能夠較好地模擬工業生產過程,使學生對實際工業應用實例有直觀的了解,還可以讓學生利用LabWindows CVI虛擬儀器軟件對雙容水箱中的傳感器及執行元件進行檢測與控制。該系統采用模塊化設計,控制方案變化靈活,編程操作簡單易學,受到學生和實驗教師的好評。

虛擬儀器； 雙容水箱； LabWindows CVI； 實驗教學

雙容水箱模型由2個具有自平衡能力的單容水箱上下串聯而成,通常要求通過對模擬儀表、計算機、PLC等單回路控制,實現下水箱液位的定值控制[1],一般選取上水箱的進水流量作為操縱量予以控制。

從工程應用角度看,雙容水箱實驗系統具有很強的代表性和工業背景,它通過各閥門的開關,可組成各階系統對象及復雜的控制回路,可模擬隨機發生的故障等[2]。雙容水箱實驗為系統辨識、控制理論及故障診斷等研究提供了典型的控制實例,尤其是為先進控制技術的應用提供了良好的實踐平臺[3-5]。

從教學角度看,雙容水箱實驗系統的開發為工程控制理論的教學和科研提供了良好的實驗環境[6]。開發經濟、實用并能真實復現工業過程的實驗教學系統,能夠幫助學生將所學的知識應用到實踐中并自主進行創新設計；開發基于虛擬儀器技術的雙容水箱實驗教學系統,是實驗室資源的合理應用和共享的重要舉措,提供系統、開放的教學、科研平臺,對控制理論的實驗教學具有重要的意義。

1 雙容水箱實驗系統的總體設計

1.1 系統組成

雙容水箱實驗系統的控制目標是水箱液位的自動控制,即保證其中一個水箱的液位在任意指定區間作周期性變化,同時控制另一個水箱的液位保持在給定值。筆者設計的基于LabWindows CVI的雙容水箱實驗系統主要由硬件系統、軟件監控系統、數據采集系統等3部分組成[7-9],系統結構如圖1所示。

圖1 雙容水箱實驗系統結構圖

雙容水箱實驗系統由水箱主體、液位變送器、電磁閥、無刷直流磁力隔離泵、機械工程共性參數測試儀及工控計算機構成,系統原理如圖2所示。

水箱主體由左右2個圓柱型有機玻璃容器(主水箱T1和從水箱T2)、1個方形有機玻璃儲水箱T3、1個連接閥、4個泄水閥和連接件(PVC和PPR材料)組成。主水箱和從水箱通過一個連接閥LV5連接。兩個水箱各裝有2個泄水閥門(LV4、LV3、LV2和LV1)。整個系統構成了一個封閉的水循環回路。兩個容器底部各裝有一個液位變送器,它們作為測量元件用來測量液位。變送器輸出信號電流4～20 mA,分別對應液位為0～700 mm(主水箱)和0～300 mm(從水箱)。進水流量是通過控制無刷直流磁力隔離泵的轉速來實現的。

圖2 雙容水箱實驗系統原理圖

軟件監控系統用美國NI公司的LabWindows CVI虛擬儀器軟件開發,具有收發數據、處理數據、網絡監控等功能的操作界面[10-11]。數據采集系統從現場采集數據,通過一定協議,以USB數據通信的方式傳送給系統用戶,并把處理后的 0～5 V電壓信號傳送給執行器。系統通過連接閥和泄水閥的不同組合,可以構成單容、雙容的實驗系統,學生可以自行設置控制模型,操作簡單方便。

1.2 需求分析

在雙容水箱測控系統中,主要是根據對水箱液位和流量閥流量的檢測,實現對水泵流量以及水流流向的控制與調節。經分析,在該系統中的檢測參數有液位高度、流量；控制對象有電磁閥、水泵。其中需要分別檢測2個水箱的液位高度,并對5個電磁閥的開閉、2臺水泵的啟停和泵流量進行控制。針對系統中的檢測參數,選用的傳感器如表1所示。

表1 傳感器型號及參數指標

雙容水箱中的電磁閥是SD02型直動式膜片電磁閥,控制電壓為DC 12 V。水泵為無刷直流水泵,可以采用PWM或0～5 V模擬電壓信號控制。機械工程共性參數測控儀開關量控制電壓為12 V,模擬量輸出電壓為0～10 V,可以滿足測試任務需求。根據上述的任務分析,至少要選擇3路模擬輸入通道、8路開關量輸出通道、2路模擬量輸出通道以滿足測試需求。

2 實驗系統結構設計與制作

為了達到更好的實驗效果,采用Pro/ENGINEER進行整體三維設計。實驗臺的效果圖如圖3所示。

圖3 雙容水箱實驗系統效果圖

通過前期的效果圖設計和后期系統的加工制作,整個系統保持了效果圖的設計樣式,在局部有所改進,以適應各種實際情況。管道的連接部位采用PPR接頭,用生膠帶進行密封,以便系統的拆裝和改進。在水箱和泵的安裝過程中,螺栓螺母的位置也做了合理安排,充分考慮拆卸替換的方便性。

3 模塊化虛擬儀器教學軟件設計

為使學生快速掌握LabWindows CVI軟件,開發了模塊化虛擬儀器教學軟件供學生在雙容水箱實驗中使用。該軟件以前文所述的系統組成為基礎,以功能模塊作為軟件功能與結構框架,根據共性參數思想,為每個功能模塊預留了信息輸入接口,包括系統設置信息輸入接口、參數配置信息接口、控件屬性信息接口等[12-13]。學生在編程中,可對每個接口信息進行靈活的選擇與設置。

利用模塊化虛擬儀器教學軟件,結合雙容水箱實驗教學硬件系統,學生可以自行開發水箱液位定值控制、主水箱液位區間控制、雙容水箱液位PID參數整定等一系列與控制工程基礎相關的實驗,從而實現了虛擬儀器技術與自動控制實驗的綜合教學。

3.1 測控參數配置

對測試系統中的各種測控參數進行配置,包括參數命名、通道選擇、顯示方式選擇、傳感器標定、公式編輯、控制信息選擇等操作。在參數配置中,根據對測試任務的分析,通過參數配置面板上的信息輸入接口,可以迅速完成參數配置,配置完成的參數將會自動記錄到對應的參數配置信息表中。在雙容水箱測控系統中,包含了檢測參數和控制參數兩種參數類型[14-16],兩種參數配置完成后的配置信息表如圖4所示。

圖4 測控參數配置界面

3.2 測試界面編輯

參數配置完成后,點擊“創建界面”按鈕便進入測試界面編輯面板。系統自動生成的測試界面比較簡單,界面中的控件屬性未經過任何修改,全部保留了儀表庫中的控件屬性,并且控件的排列較為死板。因此,需要測試人員根據測試任務、自己的操作習慣和審美特點,對測試界面進行個性化編輯。經過個性化編輯后生成的測試界面如圖5所示。

圖5 雙容水箱測試系統界面

3.3 測控軟件生成

測試界面編輯完成后,即可點擊測試界面右側面板修改區域中的“保存界面”按鈕,在彈出的保存位置路徑選擇對話框，學生可以為所編輯的軟件選擇路徑,并將所編輯軟件保存在指定的路徑下,供再次實驗調用。

4 結語

基于LabWindows CVI的雙容水箱模塊化虛擬儀器實驗教學系統,滿足了自動控制理論和虛擬儀器技術綜合實驗教學的需要。該實驗系統是自動控制理論與控制工程研究、虛擬儀器技術教學和實驗的綜合實驗平臺。學生可以通過模塊化虛擬儀器軟件,方便地組成多階系統對象,既可通過經典的PID控制方式設計與調試,完成控制理論的實驗,也可以根據實際需要,基于實驗教學系統硬件平臺開發相關的自動控制驗證性實驗。整個實驗教學系統結構緊湊、界面美觀、自動化程度較高、功能模塊完整、操作簡單、擴展性強,為自動控制理論和虛擬儀器技術綜合實驗教學提供了硬件基礎和技術保障。

References)

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[5] 牛玉廣.基于LabVIEW的水箱平臺設計及PID控制特性分析[J].儀表技術與傳感器,2007,24(7)：26-30.

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Development of virtual experimental system for double tank based on LabWiondows CVI

Wang Xin, Zhang Yuanyuan, Zhang Jiangjiang, Xu Baoyan, Wang Shumao

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

According to the comprehensive teaching requirements of the virtual instruments and automatic control theory, a modular virtual instrument experimental teaching system for the double tank based on LabWindows CVI is designed and developed. The system can not only simulate the process of industrial production well to enable the students to get an intuitive understanding of the actual industrial applications, but also let the students use the LabWindows CVI virtual instrument software to detect and control the sensors and actuating elements in the double tank. This system adopts the modular design, the control program changes flexibly, and the programming operation is simple and easy to learn. It is well

by the students and experimental teachers.

virtual instruments; double tank; LabWindows CVI; experimental teaching

TP273; TP391.9

: A

: 1002-4956(2017)09-0113-03

2017-02-02

北京高等學校教育教學改革項目(2014-ms043)

王新(1982—),女,山東青島,工學博士,副教授,主要研究方向為機電一體化.

E-mail:wangxin117@cau.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.028