李 哲，鄧小剛，曹玉平，王 平，楊明輝，劉 寶

基于LabVIEW的過程控制實驗平臺開發(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的實驗平臺，以進行虛擬仿真控制和實時通信控制實驗教學(xué)。建立了A3000水箱系統(tǒng)的機理模型，完成了調(diào)節(jié)閥、變頻泵和水箱特性等重要參數(shù)的測量和辨識，建成流量調(diào)節(jié)閥單回路控制、雙容串級控制、下水箱前饋反饋控制、比值控制和擴展范圍的分程控制等5個控制仿真實驗平臺。平臺采用模塊化設(shè)計，通過OPC server與實際A3000裝置進行通信，實現(xiàn)了實時控制。

過程控制；實驗平臺；LabVIEW；OPC server；A3000過程裝備

過程控制實驗是高校相關(guān)專業(yè)的綜合設(shè)計性大實驗。通過該實驗，使學(xué)生認識傳感器和數(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，提高解決工程實際問題的能力[1-2]。A3000是高校普遍采用的過程控制實驗設(shè)備，它有獨立的控制對象和完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有電動調(diào)節(jié)閥和變頻泵兩個執(zhí)行器。A3000應(yīng)用于實驗教學(xué)，能夠通過硬件實際操作、數(shù)據(jù)處理和控制參數(shù)調(diào)整，使學(xué)生進一步理解和掌握過程控制思想[3]。然而實驗室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。由于實驗中調(diào)節(jié)時間長，學(xué)生往往無法在課內(nèi)完成實驗內(nèi)容。

LabVIEW是圖形化的編程語言，具有開發(fā)效率高、界面友好、擴展性強等特點[4]。根據(jù)過程控制實驗教學(xué)的要求，利用LabVIEW開發(fā)了基于A3000水箱對象的實驗平臺。該平臺分為虛擬仿真控制平臺和實時通信控制平臺兩部分。虛擬仿真控制平臺使學(xué)習(xí)者在沒有控制裝置的情況下，行進預(yù)習(xí)、驗證和應(yīng)用，通過仿真操作和設(shè)計，在觀察現(xiàn)象、分析系統(tǒng)響應(yīng)的過程中強化對控制理論的理解，提高學(xué)習(xí)者的積極性和主動性。實時通信控制平臺的作用是在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的動手能力和現(xiàn)場應(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。

1 被控對象機理建模及重要參數(shù)辨識

1.1 機理分析及建模

A3000過程控制實驗裝置是過程控制實驗室的常見實驗裝置，廣泛應(yīng)用于高校的控制類實驗教學(xué)，可以完成測量儀表、自動控制原理、過程控制原理等課程的實驗教學(xué)[5]。A3000實驗裝置包括水箱系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)，本文主要對A3000水箱系統(tǒng)進行機理建模分析。

A3000水箱系統(tǒng)包括4個水箱：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，可用于實施串級控制等先進控制算法。系統(tǒng)底部有一個儲水池，實現(xiàn)實驗中的水循環(huán)利用。系統(tǒng)包括2個流體支路：支路1利用變頻泵從底部儲水箱獲取流體，經(jīng)換熱器注水到3個水箱，支路2的流體經(jīng)工頻泵、電動調(diào)節(jié)閥至各個水箱。實驗裝置的測控系統(tǒng)包括5個溫度測量點、1個壓力測量點、2個流量測量點、1個電動調(diào)節(jié)閥和2個電磁閥[3]。

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

上水箱液位控制的機理模型為：

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)測量及辨識

機理模型中的未知參數(shù)可以通過測量和辨識得到，主要包括水箱物理參數(shù)的測量和調(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)場測得上位臥式圓型水箱的底面半徑為0.14 m、長度為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)辨識主要是通過大量的測試數(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，得到的實驗曲線如圖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的過程控制實驗平臺開發(fā)

LabVIEW是一種圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，不需要過多的高級語言基礎(chǔ)，利用其內(nèi)在模塊庫中豐富的數(shù)學(xué)運算和圖形界面模塊，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)虛擬仿真平臺開發(fā)主要是前臺交互界面開發(fā)和后臺程序框圖設(shè)計。交互界面主要用于工藝流程展示、控制器參數(shù)設(shè)置，程序框圖實現(xiàn)裝置數(shù)學(xué)模型的仿真運行。

2.1 界面開發(fā)

虛擬仿真界面主要包括介紹、操作、返回3個選項卡界面。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控件面板建立動態(tài)圖形元素，使界面變量與后臺數(shù)據(jù)連接并動態(tài)變化。動態(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、趨勢顯示控件等。依照上述步驟，在前面板中依次插入對所需要的控件，分別設(shè)計各個控制策略的前面板。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

程序框圖的設(shè)計與工藝流程相對應(yīng)，將while循環(huán)結(jié)構(gòu)作為整個系統(tǒng)的運行條件。不同控制策略和三容水箱的各個模塊都在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)點的方式添加在整個while循環(huán)中。

圖3為串級控制設(shè)計案例。在while循環(huán)中添加2個條件結(jié)構(gòu)，分支選擇器與控制方式選項相連，圖中正反作用4控件是主調(diào)節(jié)的選項控件，含手動和串級兩個選項，圖中正反作用5控件為副調(diào)節(jié)的選項控件，含有手動、自動和串級3個選項。當(dāng)主調(diào)節(jié)選擇手動項時，副調(diào)節(jié)可以選擇手動控制和自動控制；當(dāng)主調(diào)節(jié)和副調(diào)節(jié)中有一個選項控件選擇串級時，兩個選項控件將自動同時選擇串級控制選項，即整個水箱系統(tǒng)進入串級控制。

串級控制時，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)液位達到串級控制的效果。

手動控制時，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)控制兩個水箱的液位。可以將兩個水箱視為一個整體，調(diào)節(jié)閥MV2與調(diào)節(jié)閥輸入相連，手動確定調(diào)節(jié)閥的輸入值，進行兩個水箱液位的調(diào)節(jié)，此時SV與PV相等。主調(diào)節(jié)手動時，副調(diào)節(jié)可以選擇自動，此時調(diào)節(jié)方式與單回路PID調(diào)節(jié)方式相同。在此基礎(chǔ)上編程實現(xiàn)手動、自動和串級的無擾動切換。程序框圖編制完成后，結(jié)合前臺界面進行聯(lián)合調(diào)試，最后即可形成實驗室A3000裝置水箱系統(tǒng)的虛擬仿真平臺。

圖3 串級程序框圖設(shè)計

2.3 基于OPC server通信方式的實時控制

OPC（OLE for process control）是一種利用微軟的COM/DCOM技術(shù)來達成自動化控制的協(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通信方式與實驗室的A3000過程控制實驗裝置進行通信，進而實現(xiàn)過程控制實驗的實時控制。

配置方法如下：首先安裝DCS數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊；然后將本地機與采集系統(tǒng)設(shè)置成相同的網(wǎng)段，啟動本機服務(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)的控制實驗中，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，對新的共享變量進行讀寫操作，進而完成控制實驗的實時通信設(shè)計，如圖4所示。

圖4 實時控制程序框圖

3 結(jié)語

過程控制實驗平臺的開發(fā)，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗和實時通信控制實驗。通過友好的操作界面，可隨時進行參數(shù)調(diào)整和算法驗證，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。LabVIEW平臺函數(shù)節(jié)點式的仿真開發(fā)方式，保證了系統(tǒng)的可擴展性，方便廣大師生在課外進行創(chuàng)新型實驗和先進算法驗證，有助于學(xué)生創(chuàng)造性思維和工程實踐能力的提高。該平臺彌補了傳統(tǒng)A3000過程控制實驗裝置的不足，豐富了自動化、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控制等課程實驗的教學(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)基金項目（61403418，41674125）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2014FL016，ZR2016FQ21）；山東省重點研發(fā)計劃項目（2018GGX101025）；山東省教改項目（SDYC15037）；中國石油大學(xué)（華東）實驗教改項目（SZ201813）

李哲（1981—），女，遼寧鐵嶺，碩士，高級實驗師，主要研究方向為軟測量建模、數(shù)據(jù)挖掘和儲層參數(shù)預(yù)測.E-mail: lizhe@upc.edu.cn