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案例详细
标题工控组态软件在FESTO 过程控制系统中的应用
技术领域仪器仪表
行业
简介以一种利用工控组态软件组态王实现“FESTO过程控制系统的创新性实验”为例，介绍了利用ActiveX特性扩充组态软件控制功能的新方法。重点描述了控制算法、现场信号和组态王之间的有机结合，为在工业控制领域中使用组态软件来完成复杂的控制算法开辟了新的途径。系统具有形象直观、实时性好、编程简单等特点，满足了工业控制的要求。
内容



引言

    在工业控制领域，如何有效的实现控制算法一直是人们普遍关心的问题。目前，工控组态软件能够提供友好的人机交互界面，强大的通讯功能，但是计算能力不强，很难实现一些复杂的控制策略[1]。Visual Basic是Microsoft公司开发的Windows平台的主力编程语言之一，它避开了C++编程繁琐和抽象的缺点，综合运用了BAIC语言和新的可视化设计工具，不仅简单易学，而且功能强大。同时，VB还具有事件驱动的编程机制，在开发时可以充分扩充其功能，如在函数层调用功能态链接库（DLL）、在控件层使用VBX、在应用层使用shell函数调用其他应用程序等[2]。因此，可以利用组态软件作为系统主控，定时进行数据采样、动态工艺图显示、数据记录等；利用VB来实现复杂的控制算法，而二者之间的无缝连接可以通过ActiveX技术来实现，如图1所示。这样就可以充分发挥工控组态软件和VB各自的优势，实现复杂系统的控制。

1．FESTO 过程控制系统简介

    FESTO 过程控制系统(如图2所示)由液位站、流量站、压力站、温度站和PLC站组成。其中前四站模拟工业生产过程中对典型的液位、流量、压力、温度系统进行控制的方法；进行单闭环控制。而PLC站可将各站连接起来形成多输入多输出的的耦合系统；另外设备上还留有PROFIBUS现场总线接口，可实现网络控制。



图2、FESTO 过程控制系统

    通过实验能了解工业过程中对液位、流量、压力、温度系统的控制方法；能掌握超声波传感器、流量传感器、压力传感器、热点阻等常用传感器的测量原理及使用方法；能通过液位、流量、压力、温度各站上的Burket控制器进行PID参数的简单整定；给出开环、闭环、前馈控制的控制效果结论。但是由于利用设备上带有的Burket控制器对控制、给定量等各参数的设定需要较长的时间，考虑到对Burket控制器的保养和扩展网络控制功能，故我们对FESTO 过程控制系统进行了创新性试验，在实践中获得了满意的控制效果。

2．创新性试验

    下面以液位站(图3)为例对创新性试验进行介绍。（其他站方法与液位站相同）

    2.1液位系统介绍



图3.液位站

    液位控制系统是FESTO四个独立站中的一站，包括一高一低两个容器（通过中间连接管道上手动阀的开闭控制其通断）、超声波液传感器、直流电机、直流电机调速器；以及四个系统都包含的向中间调度站PLC传送开关量的电容接近传感器和PLC控制的电磁开度阀。

    系统的被控变量为高容器中液体的液位，执行机构为可调速的直流电机。根据实际测量值与预设给定值的偏差，控制器控制直流电机的转速，以使高容器中的液位达到设定值。控制器具有自动和手动两种控制方式。
自动控制原理如图4所示：



图4.液位控制系统原理图

    只要超声波液位传感器测得的液位不等于给定值，就会有偏差e存在，Burket控制器内的PID算法就会根据e的值算出控制输出量，进而调节直流电机的转速，使容器中液体的液位发生变化，直到等于给定值，电机转速才保持不变。

    2.2利用组态王设计FESTO 过程控制系统

    2.2.1 现场信号的检测及采集

    数据采集是系统的基础。对于液位控制而言需要将液位信号及时准确地采集到控制计算机中。从现场传感器输出的模拟值，经PCI数据采集板卡AD通道就可以变化成数字量传输到计算机中。

    由超声波液位传感器的输出为4—20mA直流电流信号经过科日新KPCI—811板卡12位ADC转换为0—4095的数字量，存放在板卡的寄存器中。组态王下设置的I/O变量通过PCI总线读取数据，将其进行标度变换，还原为物理量，就可以与用户输入的设定值比较运算。

    例如在组态王数据词典里建立“液位测量值”I/O变量，板卡将传感器的输出转换为12位数字量，通过该变量就可以将数字量取出并得到对应的物理量，其基本属性为：

    变量名：液位测量值                变量类型：I/O实型

    最小值：0                         最大值：20（对应物理量的最大值）

    最小原始值：0                     最大原始值：4095（对应板卡数字量）

    连接设备：KPCI811                 寄存器：AD0

    数据类型：USHORT                采集频率：1000ms

    读写属性：只读

    2.2.2 上位机控制算法的实现

    ActiveX技术是Microsoft对OLE技术的更新和发展，它通常以动态链接库的形式存在，其设计思想是将一个程序嵌入到另一个程序中。ActiveX的优势在于它的动态可交互性，用户可以在使用过程中，通过改变它的属性和参数，在应用程序中实现自己的特殊要求[3]。

    用VB将简单自适应控制算法打包成ActiveX控件，将测量值、设定值和控制输出量留做控件的接口，在组态王下，通过设置I/O变量，与控件接口变量一一对应连接，就可以将板卡转换得到的现场信号送入控制算法控件，算法运算得到的控制量，经过板卡也可以送到现场执行机构。                 

    组态王I/O变量输出的控制量可根据执行机构的情况，设为电压或电流形式。811板卡有2路模拟量输出通道，本系统选择0—10V的电压输出，通过电机调节器对直流电机进行转速控制，从而保持系统对液位的控制。
现场信号、组态王与控制算法之间的连接关系如图5所示。

    2.2.3 监控界面的设计

    整个监控界面如图6所示，VB下制作控件如图7所示，组态王中调用控件液位站监控界面效果如图8所示。



图6.  FESTO 过程控制系统监控界面



图7. VB下制作的控件



图8. 液位站监控界面

    以组态王6.51为开发平台，利用其丰富的图形库和灵活的动画功能，创建了逼真的动态画面来实时显示现场的控制过程。系统的各参数不仅可以直观显示，还能够做实时和历史记录，并根据需要将其打印成报表；完善的报警管理可以及时提示报警事件，并记录报警信息，以备故障诊断时查询。
 
3结论

    在FESTO 过程控制系统上多次实验后，这种基于工控组态软件和ActiveX控件形式的控制系统，很好的满足了试验的要求。上位机借助组态软件和PCI数据采集板卡可以进行现场数据的实时显示和控制参数的实时修改，二者通过ActiveX控件无缝连接，交互数据，达到控制的目的。组态软件与ActiveX控件相结合实现控制的实验方案，弥补了组态软件命令语言功能单一的缺点, 也为在工业控制领域中使用组态软件来完成复杂的控制算法开辟了新的途径。 

    本文作者创新点：组态软件的图形动画显示功能已经非常成熟，但是控制能力却相对较弱。因此，本文介绍了一种利用ActiveX特性扩充组态软件控制功能的新方法。利用高级语言将控制算法打包成控件，将输入输出量留作接口，组态软件开发环境下调用算法控件，并设置变量与控件接口相连，就可以实现相应的控制功能。该方法简单实用，为组态软件在过程控制系统中的应用拓展了新天地。

参考文献：

[1] 余斌,陈维克.基于组态软件RSView32与matlab的通信.微计算机信息,2005年第四期42页

[2] 陈娟,周纳.关于VB功能扩展及应用.湖南商学院学报,2001年第一期107页

[3] 王海瑞,钟家玉.ActiveX技术在组态软件中的应用研究.计控系统，2002年第四期22页