基于Niagara開發平臺的過程控制實驗系統設計

曹寶文

摘? 要： 為了滿足工業生產制造的實時控制需求，基于Niagara開發平臺，選取過程控制中的典型案例對水箱液位和溫度控制系統進行開發。將原PLC控制技術進行替換，通過硬件搭建、軟件開發、數據通信與界面設計集成出一套過程控制實驗系統。通過實驗測試表明，所提系統的水箱液位和溫度控制運行可靠，同時體現出Niagara開發平臺可視化圖形編程的優越性、互聯網訪問便捷性、工業控制網絡的融合性和強大的設備兼容性，為其他系統的移植和開發平臺的選擇提供了技術參考和支持。

關鍵詞： Niagara開發平臺; 過程控制; 系統開發; 實驗系統; 工業網絡; 開發效率

中圖分類號： TN98?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0110?04

Design of process control experimental system

based on Niagara development platform

CAO Baowen

（Basic Experimental Training Center， Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： On the basis of the Niagara development platform and the typical cases in the process control， a water tank level and temperature control system is developed to meet the needs of real?time control of industrial production and manufacturing. The original PLC control technology is replaced， and the process control experimental system is integrated by hardware construction， software development， data communication and interface design. The experimental test shows that the water tank level and temperature control of the proposed system are reliable. Meanwhile， it shows the superiority of the visual graphical programming of Niagara development platform， the convenience of Internet access， the integration of industrial control networks and the powerful compatibility of device. Therefore， it provides technical reference and support for other system transplants and the selection of development platform.

Keywords： Niagara development platform; process control; system development; experiment system; industry network; development productivity

0? 引? 言

工業過程控制也可被稱為工業實時控制，其是將實時的溫度、流速、壓力、液位等變量作為輸入參數，以實時的控制方式作為輸出結果。也就是說，工業過程控制能夠通過采集數據實現對控制對象快速且自動地調節和控制。隨著提高經濟效益、生產效率和節約能源等因素越來越被人們重視，工業過程控制的重要性也日漸突出。在工業過程控制領域，發展了三代基礎控制技術，工程技術人員在控制工程實踐活動中的發明創造是控制理論的最初和基本來源[1?2]。

工業過程控制的目的是實現生產的優質、高效和低耗，這就需要工程人員熟悉和掌握生產工藝流程和特性，應用各種控制理論對整個系統進行分析、設計和綜合應用，最終通過自動化裝置結合控制手段加以實現，滿足人們的生產需求。傳統的過程控制通常使用可編程控制器（PLC）以及輸入輸出（I/O）和各種儀表，例如：壓力、溫度、差壓、流量等模擬量和開關、運行狀態等開關量，完成對某一生產環節的控制。PLC和繼電器?接觸器傳統控制系統相比，工作可靠性更好，系統集成化程度更高[3]。電氣類和機電類專業的學生也將可編程控制技術作為核心專業課程進行學習，部分學生已經具備一定編程水平和實操能力，需要進行知識儲備的擴充和技術技能的提高，特別是對新穎的控制器和開發平臺、基于圖形化的編程環境、工業控制網絡等進行深入研究。所以，引入一種新穎的控制開發平臺和控制器，接觸全新編程理念，發揮更強大的通信能力，對于應用型人才培養具有重要意義。同時，使用已有實驗室部分過程控制設備進行硬件系統搭建和上位機開發，與原PLC控制系統進行對比，總結各自優勢，具有系統移植性研究意義，可協助企業更好地開發軟件系統，為未來將該控制系統拓寬到更廣的應用領域提供了技術支持。

1? 現狀分析

高效的新能源動力和信息技術的發展是改變工業生產模式，提升競爭力的關鍵因素[4]。

在第三次工業革命之后，PLC的應用使工業過程控制的自動化程度大大提升。經分析，基于PLC和上位組態軟件架構的優勢主要有兩個方面：存在大量的項目應用案例，提供了豐富的控制和調試策略;組態軟件種類很多，用戶可選空間很大。然而，使用PLC進行內部邏輯的編寫需要花費大量的時間，特別是復雜邏輯需要人力和時間的充分保障。開發周期長、調整邏輯困難、遠程控制領域發展不良，這些都導致了使用PLC開發的局限性。同時，這樣的架構還存在兩個潛在的難題：

1） PLC無法直接讀取所有品牌設備的參數，大量設備參數的讀寫必須依賴第三方網關，或者使用網關在上位機完成協議轉換。這樣就增加了一個不穩定環節，對系統長期穩定運行造成隱患。

2） 隨著互聯網技術的快速發展，用戶需要隨時隨地進行Web訪問和實時監控成了一個難題，目前很多PLC系統并不是原生態的支持Web瀏覽，必須依賴第三方軟件[5?6]。

然而，隨著信息技術的日新月異，Tridium公司開發的Niagara系統的出現令上述問題迎刃而解。Niagara是基于互聯網自動化系統開發出來的，它是一種用于設備和企業級應用互聯的應用框架。應用框架不同于普通軟件，它已經實現了通用完備的底層服務，編程人員只需要在這個統一、具有豐富功能的開放式平臺上進行具體的產品和系統開發，將軟件的設計重用性和系統的可擴展性發揮得淋漓盡致。這樣做的直接好處就是簡化了開發過程，大大縮短了各種應用軟件的開發周期，明顯降低了產品或系統的開發成本并提高了開發的統一性和質量。此外，Niagara開發平臺的另一大優勢就是通用性和兼容性極好，它將數據和屬性轉換成為標準的組件，它所創造的通用環境幾乎可以和任何能夠想象到的嵌入式設備或系統連接，而不用去考慮這些設備或者系統使用的通信協議。Niagara開發平臺的集成性能很高，可以保留住以前的產品并為現有客戶提供新的產品和技術。同時，Niagara開發平臺的圖形化編程環境使得開發過程簡單易操作，界面美觀并且友好，控制邏輯開發速度快，易修改。由于能將數據點接入云端，可以輕松實現遠程控制[7?8]。目前很多學者已經在智能樓宇、暖通、物聯網、能效管理等領域嘗試使用Niagara開發平臺進行開發，效果顯著[9?12]。

2? 系統設計

2.1? 硬件設計

本文重點研究過程控制實訓裝置，結合目前先進的軟件框架Niagara平臺，選取過程控制中的典型案例，例如，水箱的溫度、液位控制，通過硬件搭建、控制系統設計和軟件開發與測試，最終設計開發出一套過程控制實訓裝置。

如圖1所示，實訓裝置硬件部分包括加熱水箱、儲水箱、水泵、放水閥、加熱棒、溫度傳感器、壓力變送器、超聲波傳感器、液位開關、調壓模塊等，可以滿足水箱的液位控制和溫度控制。其中，水泵用于將水從儲水箱抽到加熱水箱，實現水循環使用;調壓模塊內部包括移相觸發電路、可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等，可自動或手動調節輸出可控硅的觸發導通角以改變負載上的電壓，從而調節輸出功率，實現負載電壓從0 V到電網全電壓的無級可調。加熱棒和調壓模塊配合使用，實現水的精確加熱;溫度傳感器、壓力變送器輸出4～20 mA電流信號，用于顯示加熱水箱溫度和底部壓力;超聲波傳感器包括傳感器部分和放大器部分，輸出DC 1～5 V信號顯示水位;液位開關用于采集水位的上下限并控制水泵的啟停。

為了更好地利用Niagara4，Tridium公司研發了全新的硬件平臺 JACE8000及配套的I/O設備。如圖2所示，本系統使用PC，JACE8000控制器，IO?28P和傳感器、繼電器等設備進行互聯，其中，JACE8000控制引擎最大的特點就是高兼容性和開放性，它基于HTML5 Web界面，其圖表和數據可視化，具有通用的設計語言，這一切使得JACE8000擁有更強的安全性和優越的設備管理能力。IO?28P具有28個輸入輸出點，同時具備BACnet MSTP/IP和Modbus RTU/TCP通信協議，是一款能滿足一般應用的控制模塊或特殊需求的應用控制器。

JACE8000控制器、IO?28P需要DC 24 V電源供電，液位上限開關和液位下限開關作為DI點進行干觸點接入;加熱棒繼電器和水泵繼電器作為DO點，需要串入DC 24 V電源，實現繼電器的吸合;溫度傳感器、壓力變送器、超聲波傳感器作為AI點，也需要DC 24 V電源供電，其中超聲波傳感器為四線制，溫度傳感器和壓力變送器為兩線制。調壓模塊作為AO點，輸出4～20 mA控制加熱棒，控制范圍為AC 0～220 V。需要注意的是，IO?28P的通用輸入（UI）、模擬量輸出（AO）需要進行跳線設置，為了區分通用輸入是電壓、電流還是電阻信號，以及模擬量輸出是電壓信號還是電流信號。此外，為了明確模擬量的具體類型，需要進行通道配置，Niagara支持網頁設置，瀏覽器訪問IO?28P的IP地址，輸入登錄名和密碼，將溫度傳感器、壓力變送器和調壓模塊的信號范圍設置為4～20 mA，超聲波傳感器的信號范圍為0～5 V。

2.2? 軟件設計

利用Niagara開發平臺進行邏輯編程和軟件開發，可以對控制過程進行實時監控，具備報警、歷史曲線、實時曲線等常見的監控功能。滿足過程控制邏輯要求，例如，系統運行后，在蓄水加熱模式下，水泵抽水到達水位上限，水泵停止，然后加熱棒通過電壓模塊實現加熱，加熱至設定溫度停止加熱，實現水箱蓄水加熱功能;在用水模式下，手動開閘放水，水流進儲水箱，當液位下降至下限，水泵開始抽水，如此重復循環。此過程模擬了熱水器的使用過程，具有現實意義。

2.2.1? 軟件實現

為了實現邏輯控制功能，對總體控制流程進行設計，如圖3所示。系統運行后，根據模式的選擇設置好放水閥，系統會根據液位上下限和放水閥狀態判斷水泵和加熱棒運行指令，自動實現熱水器工作過程。

在Niagara4開發平臺中，可以建立不同類型的數據點，與現場設備和用戶界面的控制點進行互聯，將數據全部集成到邏輯視圖中，在邏輯視圖中實現邏輯策略。同時，開發平臺提供了龐大的Palette庫，開發工程師將需要的控件和函數直接拖拽到邏輯視圖中，這種圖形化的開發流程可以大大降低開發難度和周期，工程師可將更多的精力放在邏輯優化上，而不是繁瑣的邏輯語句，這里需要注意以下幾點：

1） 除了和設備之間的通信點之外，還需要建立一些和界面之間的交互點以及邏輯的中間點，例如：系統運行（SystemStart）、放水閥啟動（WaterDrainValve）、溫度設定值（TemperatureSetPoint）、水泵運行1（WaterPumpStart1）和水泵運行2（WaterPumpStart2）、開關（Switch）設定等。系統需要使用常見的邏輯函數（And，Or，Not）和選擇函數（BooleanSwitch）進行搭建，這些都可以從Palette里面找到。

2） 系統可以根據溫度設定值和當前溫度進行PID調節，使用LoopPoint函數設置好比例、積分、微分環節參數，調節死區和爬坡時間等參數即可。

3） 溫度傳感器和壓力變送器輸出4～20 mA電流信號，只要配置好對應的最大值、最小值和單位就可以顯示出真實數值。但是超聲波傳感器的輸出信號是1～5 V，對應量程的最小值和最大值，但是該采集通道只能設置為0～5 V，直接顯示數據不準，所以需要在邏輯視圖運用線性函數進行換算，對應到實際的水位顯示。

4） 設置報警時需要使用AlarmService，在Wiresheet視圖上添加AlarmClass和ConsoleRecipient控件，設置好參數并連接起來，然后找到需要添加報警的點，使用Alarm調色板中OutofRangAlarmExt控件將點進行屬性擴展，設置好報警部分的上下限等參數即可，查看報警時需要打開AlarmService，并選擇不同的視圖或者在站點的Alarm中查看。

5） 設置歷史和實時曲線時需要使用History容器，確定需要添加歷史的點，使用history調色板中NumericCov，BooleanCov等控件將點進行屬性的擴展，設置好參數，在HistoryService中對歷史進行啟用，然后就可以在站點的History中通過不同視圖查看各個歷史點的曲線了。

2.2.2? 數據通信

Niagara開發平臺可以利用不同的驅動程序將不同的通信協議進行融合，本系統使用的IO?28P支持Modbus協議和Bacnet協議，需要傳輸的I/O數據如表1所示。

本文嘗試了使用BACnet IP和ModbusRTU兩種方式進行數據通信，使用BACnet IP集成時，需要使用網線將JACE的第一個以太網端口和電腦連接，JACE的第二個以太網端口和IO?28P連接，將電腦的IP地址和JACE端口1設置到同一網段，JACE端口2的IP地址和IO?28P設置到同一網段，可以使用Ping指令檢測一下。在軟件開發平臺端需要將BACnetNetwork添加到站點的Drivers中，并設置ObjectId，NetworkNumber，NetworkAdapter和IP Address，通過“Discover”按鈕查詢網絡上所有的Bacnet設備并添加到本地數據庫，接下來就是在新添的Bacnet設備中搜索可用的點，將表1中的點添加到本地數據庫，作為代理點和邏輯視圖中的點進行關聯。使用ModbusRTU方式集成時，需要將JACE和IO?28P通過RS 485連接起來，在軟件開發平臺端將ModbusAsyncNetwork添加到站點的Drivers中，通過新建Modbus設備并根據查詢網頁中的設備信息配置PortConfig中的COM口、比特率、檢驗位、停止位，COM口根據IO?28P中ID設置跳線決定，Modbus設備添加后，需要新建點和設備寄存器中的數據進行關聯，關聯的關鍵在于查詢不同類型的寄存器地址表，需要注意的是，新建代理點時要設置好數據類型和狀態類型，區分是只讀還是可讀可寫的。

2.2.3? 界面設計

為了對水箱的運行情況進行實時監控，設計了水箱液位溫度控制系統界面，如圖4所示。在該界面中可以清晰地看到水箱運行參數，包括加熱水箱溫度、加熱水箱箱底壓力、加熱水箱液位，液位上下限和水泵的運行狀態也會表現在界面上。此外，系統的運行、復位以及模式和水溫的設定都是從界面得到的。本系統具有常規的歷史、實時數據曲線和報警畫面，同時支持Web訪問，可以輕松通過常用瀏覽器實時監測水箱溫度液位控制系統的運行狀況。

3? 結? 論

本系統基于Tridium公司的Niagara開發平臺進行設計開發，這個統一、具有豐富功能的開放式平臺可以簡化開發過程，降低開發成本，該平臺基于可視化圖形編程，程序開發簡單、功能強大、界面美觀，對現場設備兼容性強，工業控制網絡融合性高，大大提高了系統中各部分運行的可靠性和智能性。開發過程經過設備硬線連接、邏輯設計、界面設計和數據通信集成出一套過程控制實訓裝置，硬件部分采用標準化、模塊化結構，具有系統布局靈活的特點，可以實現系統集成與應用。軟件部分將原PLC控制技術進行替換，使用圖形化編程環境，告別了梯形圖環境，依靠強大的開發庫可以輕松實現邏輯編程和界面設計，提高了系統開發效率。

實驗測試表明，水箱溫度和液位控制過程運行可靠、準確，可以在不同工況下實時監控設備運行參數。該水箱溫度和液位控制系統可以根據教學內容自行配置相關模塊，開發相應實驗實訓項目，實現系統功能的多樣化。

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