融合現場總線技術的過程控制虛實結合實驗系統構建

白瑞峰, 房朝暉, 郝 瑩, 于赫洋

(1. 天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072;2. 天津大學 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心, 天津 300072)

計算機技術應用

融合現場總線技術的過程控制虛實結合實驗系統構建

白瑞峰1，2, 房朝暉1，2, 郝 瑩1，2, 于赫洋1，2

(1. 天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072;2. 天津大學 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心, 天津 300072)

綜合虛擬儀器、網絡、3D等先進技術,構建了虛實結合的現場總線過程控制實驗系統。設計了RS-485工業現場總線網絡結構,實現了主從通信、信息交互和監控功能。利用LabVIEW與SolidWorks聯合仿真,實現3D動態交互；開發了控制算法模塊,可實現實體與虛擬對象控制,數據處理與顯示模塊實現曲線圖形顯示、數據分析、歷史數據管理等功能。該系統為現場總線、過程控制等虛擬實驗教學提供了重要支撐。

工業現場總線； 虛擬儀器； 聯合仿真； 3D虛擬仿真平臺

近年來,虛擬儀器技術、互聯網技術日新月異,高校虛擬仿真實驗的開發研究蓬勃發展,開發了傳感器、模糊PID控制、通信等諸多虛擬仿真實驗系統[1-5]。在工業生產中,由于過程控制與現場總線密不可分,且常涉及高危、高能耗的化工生產過程或高成本、大型綜合通信網絡,所以開發虛擬與現實結合的現場總線過程控制實驗教學系統很有必要。天津大學為了在專業實驗課程中更好地開展虛擬仿真實驗教學,成立了電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心,設計并建成虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺[6]。

本文構建的融合現場總線過程控制實驗系統是典型的虛實結合的教學資源,具有良好交互性,它在兼顧實體實驗優點基礎上,能夠彌補實體實驗的不足、提高教學效果。虛擬儀器LabVIEW的開源環境支持VISA、SoftMotion,可實現對于現場總線中數據的傳輸控制[7]。現場總線是全數字化的、雙向的、多變量、多站、開放式的通信網絡,虛擬儀器技術的加入有利于豐富實驗內容和實驗平臺的維護和升級。

1 系統硬件設計

現場總線過程控制實驗系統的硬件設計遵循“虛實結合、能實不虛”的原則[8],結合實體實驗并充分發揮虛擬實驗的優勢,在RS-485總線的兼容性基礎上,連接實體控制器、計算機、實體對象和虛擬對象。該系統基于RS-485總線設計,分為學生機和教師機,并且利用LabVIEW設計教師軟件與學生軟件進行串口通信。教師機可監控學生的實驗狀態、輪詢召測。通過學生機與教師機可完成現場總線設計、主從通信等相關的實驗。學生機還可完成各種過程控制實驗以及與教師軟件的通信的內容。

在學生機端能夠完成過程控制虛擬實驗和實體實驗,包括液位過程控制系統構建、一階和二階對象建模、PID工程整定以及先進過程控制等。還可為控制策略和控制方法的創新實驗提供支持。

該實驗系統通過LabVIEW與SolidWorks的開源環境自主開發設計,可進行三維可視化圖形仿真。用LabVIEW完成控制算法及仿真模塊,可實現PID控制。采用模塊化和開放的設計理念,學生也可完成其他先進過程控制的設計。系統包括實體控制器、實體對象、虛擬對象、虛擬控制器,其結構如圖1所示。實體對象是天津大學檢測技術與過程控制實驗室自主設計的液位-流量綜合實驗系統[9]。實體控制器采用NI-6259數據采集模塊,實現對實際對象的控制；虛擬控制器是利用LabVIEW MathScript開發的,3D虛擬對象通過SolidWorks設計實現,結合SoftMotion完成3D虛擬對象與LabVIEW控制算法及仿真模塊的通信,從而搭建起完整的虛擬仿真實驗平臺。學生不僅可通過實體控制器與實體對象完成實體實驗,通過虛擬控制器與虛擬對象進行信息交互與控制完成虛擬實驗,而且可利用實體控制器與虛擬對象、虛擬控制器與實體對象分別構成虛實結合的實驗。

圖1 系統結構

2 系統軟件設計

軟件界面(見圖2)架構主要包括LabVIEW虛擬仿真的控制算法模塊、LabVIEW與SolidWorks聯合仿真、數據處理與顯示模塊、通信和監控模塊。

圖2 軟件界面

2.1 LabVIEW虛擬仿真控制算法模塊

水槽的液位控制實驗采用位置型數字PID控制算法[10],其控制算法模塊如圖3所示。

圖3 控制算法模塊

位置型數字PID控制器包括比例、積分、微分3部分:

其中u(n)為控制器的輸出變化量；e(n)為控制器的輸入,即偏差；KP為比例系數,TI為積分時間常數、TD為微分時間常數。

比例系數、積分時間常數、微分時間常數的取值將影響PID控制器的性能。參數整定不當不但會影響控制質量,還可能導致系統不穩定。PID參數整定也是電氣信息類專業核心課程——自動控制原理的核心知識點。

2.2 LabVIEW與SolidWorks聯合仿真

LabVIEW開發環境下的3D開發有3種方法。

第一種是利用3ds MAX導出的ASE文件,本質上還是圖形顯示。

第二種是利用LabVIEW自帶的三維圖片控件建立三維模型,這種方法響應速度快且操作簡單,但只適用于柱體、方體、錐面和球面等簡單、規則的模型。

第三種是利用NI SoftMotion模塊建立起SolidWorks設計的三維虛擬物理原型(裝配體)與LabVIEW的之間的聯系,從而實現LabVIEW和SolidWorks的聯合仿真[11]。這種方法兼容VR技術,運動控制方便、3D效果清晰、模型設置開放,便于實驗內容的更新升級。

本系統采用第三種方法。在SolidWorks中設計的裝配體以現實虛擬建模語言(VRML)格式保存,可導入到LabVIEW語言環境,利用LabVIEW的庫函數,對三維裝配體進行設置和控制(見圖4),利用SolidWorks中NI SoftMotion既能調用API實現底層定制,也可實現三維虛擬物理原型的編程控制。

圖4 SolidWorks裝配體導入

2.3 數據處理與顯示模塊

數據處理與顯示模塊包括實驗數據的濾波、存儲與顯示等功能,如圖5所示。實驗數據以圖形的方式顯示,包括設定值和水槽液位曲線。紅色的曲線為設定值、藍色的曲線為水槽液位曲線,鼠標放置在曲線上即可顯示該位置的具體數值信息。數據處理與顯示模塊可進行實時數據管理、分析以及歷史數據管理。

圖5 數據處理與顯示模塊

2.4 通信與監控模塊

在LabVIEW環境中開發了通信與監控模塊,學生機與教師機依托RS-485總線進行通信,實現串口控制、教師機的輪詢召測、學生機應答等功能。教師機監控界面如圖6所示。為保證主機與從機之間的高速信息傳輸,借鑒ModBus協議定義了信息幀[12],包括幀頭(AAH)、模塊地址(學號)、功能碼(長度1 byte)、數據(長度1 byte)、校驗和、幀尾(13H)。

圖6 教師機監控界面

利用LabVIEW的VISA節點函數編譯數據收發子VI,程序框圖如圖7、圖8所示。在初始化串口時設定串行通信波特率為9 600 bit/s,采用8位數據,1位停止位,無校驗位,無流控制方式。

圖7 數據發送子VI程序框圖

圖8 數據接收子VI程序框圖

3 結語

利用虛擬儀器技術與計算機網絡技術構建的過程控制虛實結合實驗系統實現了LabVIEW與SolidWorks聯合仿真,可完成單回路控制中液位對象的特性參數測定、PID整定及計算機現場總線等實驗教學內容。虛擬系統與實體實驗系統相結合,在兼顧實習實驗優勢的同時擴充了實驗內容,為高危、高能耗、大型綜合實驗的開展提供基礎條件。

References)

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[6] 白瑞峰,韓洪洪,于赫洋,等.智能制造虛擬實驗系統設計與集成[J].實驗技術與管理,2016,33(6):129-131.

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[9] 袁浩,段瑞峰,閆淑英.一種新型的數字式液位-流量控制系統綜合實驗裝置[J].實驗技術與管理,2002,19(4):14-16.

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[11] 朱峰,刁燕,吳應東.基于LabVIEW和SolidWorks的微創手術機器人運動仿真[J].機械設計與制造,2013(3):136-138.

[12] 何振鋼.面向工業自動化應用的光載無線Modbus網絡設計與協議研究[D].北京:北京郵電大學,2014.

Construction on virtual-real combined experimental system for process control based on integration of field bus technology

Bai Ruifeng1，2, Fang Zhaohui1，2, Hao Ying1，2, Yu Heyang1，2

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

By integrating together the advanced technologies of virtual instruments, network, 3D, etc., a virtual-real combined experimental system for field bus process control is constructed. The network structure of the RS-485 industrial field bus is designed, and the functions of master-slave communication, information interaction, and monitoring and control are realized. By using the joint simulation of LabVIEW and SolidWorks, the dynamic interaction of 3D is actualized, and the control algorithm module is developed. The actual and virtual object control can be achieved, and the data processing and display module can realize the functions of curve and graph display, data analysis and historical data management. This system provides important support for virtual experimental teaching such as field bus, process control, etc.

industrial field bus; virtual instruments; joint simulation; 3D virtual experimental platform

TP273.5; G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0129-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.032

2017-03-30

2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610056030)；天津大學2016年大學生創新創業訓練計劃項目(201610056310)；天津大學實驗室建設與管理改革項目；天津大學實驗教學改革與研究項目

白瑞峰(1987—),男,天津,碩士,工程師,主要研究方向為控制科學與工程、工業機器人與阻抗測量技術.

E-mail:bairuifeng@tju.edu.cn