基于LabVIEW的過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

李 哲，鄧小剛，曹玉平，王 平，楊明輝，劉 寶

基于LabVIEW的過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

李 哲，鄧小剛，曹玉平，王 平，楊明輝，劉 寶

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580）

基于LabVIEW開發(fā)了A3000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以進(jìn)行虛擬仿真控制和實(shí)時(shí)通信控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)。建立了A3000水箱系統(tǒng)的機(jī)理模型，完成了調(diào)節(jié)閥、變頻泵和水箱特性等重要參數(shù)的測(cè)量和辨識(shí)，建成流量調(diào)節(jié)閥單回路控制、雙容串級(jí)控制、下水箱前饋反饋控制、比值控制和擴(kuò)展范圍的分程控制等5個(gè)控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過OPC server與實(shí)際A3000裝置進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。

過程控制；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；LabVIEW；OPC server；A3000過程裝備

過程控制實(shí)驗(yàn)是高校相關(guān)專業(yè)的綜合設(shè)計(jì)性大實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理，理解和掌握系統(tǒng)的工作過程，提高解決工程實(shí)際問題的能力[1-2]。A3000是高校普遍采用的過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它有獨(dú)立的控制對(duì)象和完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和變頻泵兩個(gè)執(zhí)行器。A3000應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠通過硬件實(shí)際操作、數(shù)據(jù)處理和控制參數(shù)調(diào)整，使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握過程控制思想[3]。然而實(shí)驗(yàn)室A3000設(shè)備的軟件環(huán)境沒有仿真功能且操作復(fù)雜，難以滿足專業(yè)培養(yǎng)和創(chuàng)新型訓(xùn)練的高要求。由于實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生往往無法在課內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

LabVIEW是圖形化的編程語言，具有開發(fā)效率高、界面友好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。根據(jù)過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，利用LabVIEW開發(fā)了基于A3000水箱對(duì)象的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)分為虛擬仿真控制平臺(tái)和實(shí)時(shí)通信控制平臺(tái)兩部分。虛擬仿真控制平臺(tái)使學(xué)習(xí)者在沒有控制裝置的情況下，行進(jìn)預(yù)習(xí)、驗(yàn)證和應(yīng)用，通過仿真操作和設(shè)計(jì)，在觀察現(xiàn)象、分析系統(tǒng)響應(yīng)的過程中強(qiáng)化對(duì)控制理論的理解，提高學(xué)習(xí)者的積極性和主動(dòng)性。實(shí)時(shí)通信控制平臺(tái)的作用是在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力。二者相輔相成，為學(xué)生提供良好的過程控制訓(xùn)練平臺(tái)。

1 被控對(duì)象機(jī)理建模及重要參數(shù)辨識(shí)

1.1 機(jī)理分析及建模

A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是過程控制實(shí)驗(yàn)室的常見實(shí)驗(yàn)裝置，廣泛應(yīng)用于高校的控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以完成測(cè)量?jī)x表、自動(dòng)控制原理、過程控制原理等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]。A3000實(shí)驗(yàn)裝置包括水箱系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)，本文主要對(duì)A3000水箱系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理建模分析。

A3000水箱系統(tǒng)包括4個(gè)水箱：上水箱為臥式圓罐型，具有較為典型的非線性特性；中水箱和下水箱物理特性相同，可用于實(shí)施串級(jí)控制等先進(jìn)控制算法。系統(tǒng)底部有一個(gè)儲(chǔ)水池，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的水循環(huán)利用。系統(tǒng)包括2個(gè)流體支路：支路1利用變頻泵從底部?jī)?chǔ)水箱獲取流體，經(jīng)換熱器注水到3個(gè)水箱，支路2的流體經(jīng)工頻泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥至各個(gè)水箱。實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)控系統(tǒng)包括5個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)、1個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、2個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)、1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和2個(gè)電磁閥[3]。

機(jī)理建模中忽略管路的動(dòng)態(tài)特性，所有手動(dòng)閥門僅考慮開、關(guān)兩種狀態(tài)。對(duì)系統(tǒng)上、中、下3個(gè)水箱進(jìn)行機(jī)理分析，根據(jù)各自的機(jī)理關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。3個(gè)水箱均可以看作單容自衡對(duì)象，根據(jù)水介質(zhì)流入流量與流出流量平衡原理，可設(shè)計(jì)出3個(gè)水箱液位控制的模型。

上水箱液位控制的機(jī)理模型為：

式中：1為上位水箱的橫截面積、為上位臥式圓型水箱的長(zhǎng)度、1為水箱液位高度、圓柱水箱側(cè)面的半徑，1為上水箱隔板的閥阻系數(shù)。

中水箱液位控制的機(jī)理模型為：

式中：2為中位水箱的底面積、2為中位水箱的液位高度，2為中位水箱隔板的閥阻系數(shù)。

下水箱液位控制的機(jī)理模型為：

式中：3為下位水箱的底面積、3為下位水箱的液位高度，3為下位水箱隔板的閥阻系數(shù)。

1.2 參數(shù)測(cè)量及辨識(shí)

機(jī)理模型中的未知參數(shù)可以通過測(cè)量和辨識(shí)得到，主要包括水箱物理參數(shù)的測(cè)量和調(diào)節(jié)閥、變頻泵的流量系數(shù)以及隔板的閥阻系數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得上位臥式圓型水箱的底面半徑為0.14 m、長(zhǎng)度為0.34 m，水箱中液位的最大高度可以為0.21 m；中位水箱和下位水箱物理特性相同，底面積為0.178 6 m2，水箱中液位的最大高度為0.21 m。

參數(shù)辨識(shí)主要是通過大量的測(cè)試數(shù)據(jù)繪制特性曲線。本文采用分段直線法擬合各流量特性關(guān)系。以調(diào)節(jié)閥為例，得到的實(shí)驗(yàn)曲線如圖1所示，分段擬合關(guān)系如式（8）所示。變頻泵的流量特性和隔板的閥阻系數(shù)以同樣的方式獲得。

2 基于LabVIEW的過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

LabVIEW是一種圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，不需要過多的高級(jí)語言基礎(chǔ)，利用其內(nèi)在模塊庫中豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算和圖形界面模塊，開發(fā)者即可高效開發(fā)出仿真軟件人機(jī)接口界面，因此被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)研究[6-9]。A3000水箱系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)主要是前臺(tái)交互界面開發(fā)和后臺(tái)程序框圖設(shè)計(jì)。交互界面主要用于工藝流程展示、控制器參數(shù)設(shè)置，程序框圖實(shí)現(xiàn)裝置數(shù)學(xué)模型的仿真運(yùn)行。

2.1 界面開發(fā)

虛擬仿真界面主要包括介紹、操作、返回3個(gè)選項(xiàng)卡界面。采用Visio繪制控制流程圖，并將相關(guān)說明加入“介紹”界面，方便學(xué)習(xí)者掌握相關(guān)工藝流程和控制策略；采用DCS組態(tài)軟件繪制出A3000裝置的工藝流程圖，作為“操作”界面的背景圖。上述圖片是靜態(tài)背景，為學(xué)習(xí)者提供直觀提示和學(xué)習(xí)輔助。利用LabVIEW控件面板建立動(dòng)態(tài)圖形元素，使界面變量與后臺(tái)數(shù)據(jù)連接并動(dòng)態(tài)變化。動(dòng)態(tài)圖形元素包括液罐控件、開關(guān)控件、文本控件、數(shù)值輸入控件、趨勢(shì)顯示控件等。依照上述步驟，在前面板中依次插入對(duì)所需要的控件，分別設(shè)計(jì)各個(gè)控制策略的前面板。單回路控制操作界面如圖2所示。

圖2 單回路控制操作界面

2.2 程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖的設(shè)計(jì)與工藝流程相對(duì)應(yīng)，將while循環(huán)結(jié)構(gòu)作為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行條件。不同控制策略和三容水箱的各個(gè)模塊都在while循環(huán)中編寫并配置相應(yīng)連接條件；主要單元設(shè)備和控制器的仿真程序以公式節(jié)點(diǎn)的方式添加在整個(gè)while循環(huán)中。

圖3為串級(jí)控制設(shè)計(jì)案例。在while循環(huán)中添加2個(gè)條件結(jié)構(gòu)，分支選擇器與控制方式選項(xiàng)相連，圖中正反作用4控件是主調(diào)節(jié)的選項(xiàng)控件，含手動(dòng)和串級(jí)兩個(gè)選項(xiàng)，圖中正反作用5控件為副調(diào)節(jié)的選項(xiàng)控件，含有手動(dòng)、自動(dòng)和串級(jí)3個(gè)選項(xiàng)。當(dāng)主調(diào)節(jié)選擇手動(dòng)項(xiàng)時(shí)，副調(diào)節(jié)可以選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制；當(dāng)主調(diào)節(jié)和副調(diào)節(jié)中有一個(gè)選項(xiàng)控件選擇串級(jí)時(shí)，兩個(gè)選項(xiàng)控件將自動(dòng)同時(shí)選擇串級(jí)控制選項(xiàng)，即整個(gè)水箱系統(tǒng)進(jìn)入串級(jí)控制。

串級(jí)控制時(shí)，主調(diào)節(jié)與副調(diào)節(jié)編寫控制器的程序模塊，相應(yīng)輸出與輸入u0、輸出e0與輸入e1、輸出e1與輸入e2通過移位寄存器相連，、、參數(shù)和采樣間隔與相應(yīng)的控件相連，主調(diào)節(jié)的輸出即MV1作為副調(diào)節(jié)的設(shè)定值輸入，即與SV2相連輸入到副調(diào)節(jié)的SV，副調(diào)節(jié)的輸出控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液位達(dá)到串級(jí)控制的效果。

手動(dòng)控制時(shí)，相應(yīng)水箱模塊的輸出連接變量PV，給定值控件連接SV變量，通過單閥來調(diào)節(jié)控制兩個(gè)水箱的液位?？梢詫蓚€(gè)水箱視為一個(gè)整體，調(diào)節(jié)閥MV2與調(diào)節(jié)閥輸入相連，手動(dòng)確定調(diào)節(jié)閥的輸入值，進(jìn)行兩個(gè)水箱液位的調(diào)節(jié)，此時(shí)SV與PV相等。主調(diào)節(jié)手動(dòng)時(shí)，副調(diào)節(jié)可以選擇自動(dòng)，此時(shí)調(diào)節(jié)方式與單回路PID調(diào)節(jié)方式相同。在此基礎(chǔ)上編程實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)和串級(jí)的無擾動(dòng)切換。程序框圖編制完成后，結(jié)合前臺(tái)界面進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，最后即可形成實(shí)驗(yàn)室A3000裝置水箱系統(tǒng)的虛擬仿真平臺(tái)。

圖3 串級(jí)程序框圖設(shè)計(jì)

2.3 基于OPC server通信方式的實(shí)時(shí)控制

OPC（OLE for process control）是一種利用微軟的COM/DCOM技術(shù)來達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定[10]。OPC通信技術(shù)廣泛應(yīng)用與工業(yè)通信領(lǐng)域[11-12]。硬件廠商提供的OPC Server接口，軟件開發(fā)者可直接自硬件端取得所需的信息。LabVIEW仿真軟件通過OPC Server通信方式與實(shí)驗(yàn)室的A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過程控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)控制。

配置方法如下：首先安裝DCS數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊；然后將本地機(jī)與采集系統(tǒng)設(shè)置成相同的網(wǎng)段，啟動(dòng)本機(jī)服務(wù)中的NI變量引擎服務(wù)；最后設(shè)置合適的采集速率。打開LabVIEW新建項(xiàng)目，新建I/O server，選擇DCS系統(tǒng)組態(tài)的OPC Server，再創(chuàng)建綁定變量，添加所需要讀寫的所有的變量。在相關(guān)的控制實(shí)驗(yàn)中，右擊函數(shù)選板，選擇其中的共享變量控件，設(shè)定它的讀寫屬性，對(duì)新的共享變量進(jìn)行讀寫操作，進(jìn)而完成控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)控制程序框圖

3 結(jié)語

過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)通信控制實(shí)驗(yàn)。通過友好的操作界面，可隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和算法驗(yàn)證，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。LabVIEW平臺(tái)函數(shù)節(jié)點(diǎn)式的仿真開發(fā)方式，保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，方便廣大師生在課外進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和先進(jìn)算法驗(yàn)證，有助于學(xué)生創(chuàng)造性思維和工程實(shí)踐能力的提高。該平臺(tái)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的不足，豐富了自動(dòng)化、控制理論及控制工程等相關(guān)專業(yè)的過程控制工程及先進(jìn)控制等課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。

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Development of process control experiment platform based on LabVIEW

LI Zhe, DENG Xiaogang, CAO Yuping, WANG Ping, YANG Minghui, LIU Bao

(School of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on LabVIEW, a process control experiment platform for A3000 is developed, which can realize virtual simulation control and real-time communication control. The mechanism model of A3000 water tank system is established, and the measurement and identification of important parameters such as regulating valve, frequency conversion pump and tank characteristics are completed. Five control simulation platforms are built, which includes single loop control of flow regulating valve, double capacitor cascade control, feed forward and feedback control of sewer tank, ratio control and split-range control of extended range. The platform adopts modular design, communicates with the actual A3000 device through OPC server, and achieves real-time control.

process control; experiment platform; LabVIEW; OPC server; A3000 process equipment

TP277；G484

A

1002-4956(2019)07-0134-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.032

2018-11-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61403418，41674125）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014FL016，ZR2016FQ21）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018GGX101025）；山東省教改項(xiàng)目（SDYC15037）；中國石油大學(xué)（華東）實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目（SZ201813）

李哲（1981—），女，遼寧鐵嶺，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)檐洔y(cè)量建模、數(shù)據(jù)挖掘和儲(chǔ)層參數(shù)預(yù)測(cè).E-mail: lizhe@upc.edu.cn