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案例頻道1. 引言：
隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。目前計算機(jī)控制系統(tǒng)一般包括以計算機(jī)（單片機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)）為信息處理核心的所有控制裝置，它包括信息的獲取、信息的傳送、信息的處理和信息的輸出等多個硬、軟件環(huán)節(jié)。
本文是在掌握自動控制原理、傳感器技術(shù)、微機(jī)控制原理、力控組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，完成對實驗單容水箱、智能變送器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和電動執(zhí)行器等硬件系統(tǒng)的搭建，并且利用北京三維力控組態(tài)軟件建立了軟件平臺，以實現(xiàn)對水箱系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。
2. 目前的國內(nèi)外研究：
隨著工業(yè)的自動化程度日益增加，過程控制領(lǐng)域的研究也在不斷的深化。過程控制系統(tǒng)可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)和計算機(jī)過程控制系統(tǒng)。過程工業(yè)中被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度。其中液位不僅是工業(yè)過程中的常見參數(shù)，而且便于直接觀察和測量，同時液位控制裝置也是過程控制中最常用的實驗裝置。通常的液位控制主要是水位和油位的控制，而實驗室的研究又多以水位研究為主。
國內(nèi)外所研究的水箱控制系統(tǒng)基本上是：單容水箱系統(tǒng)、雙容水箱系統(tǒng)、三容水箱系統(tǒng)。其中單容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象；雙容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象、二階對象，雙輸入雙輸出對象；三容水箱可以作為單輸入單輸出的一階對象、二階對象、三階對象，雙輸入雙輸出對象。目前主要研究對象是三容水箱系統(tǒng)，因為它具有更多的優(yōu)點（無論是模型、算法、控制邏輯等），特別是三容水箱系統(tǒng)可以作為多功能的實驗設(shè)備去驗證各種算法的實現(xiàn)。限于目前實驗室的情況，本文的研究對象是單容水箱系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以很好的完成水位硬件和軟件的實現(xiàn)，只是模型、算法和控制邏輯上很單一。
水位控制系統(tǒng)的硬件一般主要包括：檢測元件（傳感器或變送器）、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、板卡及工控機(jī)IPC（內(nèi)有ISA總線插槽）和信號發(fā)生器等。
一般硬件組成可以有以下多種方式實現(xiàn)：
①方法一
變送器+PLC（該信號與設(shè)定值比較經(jīng)PID運(yùn)算）+變頻器（變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速）+電機(jī)
②方法二
變送器+ A/D + 單片機(jī)微處理器 + D/A + 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)
以單片機(jī)為核心的數(shù)字調(diào)節(jié)器，通過使用不同的程序來實現(xiàn)新的算法。對于硬件系統(tǒng)：由于A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入信號為DC0～5V電壓信號，而壓力變送器輸出的信號為DC0～10mA的電流信號，所以在兩者之間需要電流/電壓轉(zhuǎn)換；同樣由于D/A轉(zhuǎn)換器輸出的信號為電壓信號，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入為DC0～10(4～20)mA的電流信號，所以兩者之間需要電壓/電流的轉(zhuǎn)換。要實現(xiàn)電流/電壓、電壓/電流轉(zhuǎn)換可以通過設(shè)計專門的電路來實現(xiàn)。
③方法三
變送器+ 電路調(diào)理+ 數(shù)據(jù)采集卡（A/D）+工控機(jī)（IPC）+數(shù)據(jù)采集卡(D/A)+電動執(zhí)行器
3. 系統(tǒng)的原理及其流程圖：
本系統(tǒng)先把溫度、絕壓（絕對壓力）、流量、水位的信號送給智能變送器，然后一方面通過顯示儀表來對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,另一方面通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)送入工控機(jī)，由組態(tài)軟件構(gòu)造的系統(tǒng)控制界面和電動執(zhí)行器界面，在界面上顯示實時數(shù)據(jù)并且控制電動執(zhí)行器，以使電動執(zhí)行器來調(diào)節(jié)水閥門，達(dá)到控制系統(tǒng)水位的目的。
因為各種外界條件和干擾的影響，水箱的水位會發(fā)生變化，因此需要合理地設(shè)計自動控制系統(tǒng)以便控制水箱達(dá)到要求的水位。為了控制水位，需要測得的參量有水的溫度、絕壓、流量、水位。其中溫度由管道里的電偶傳感器采集信號至溫度變送器；絕壓、差壓、水位由水管直接從管道采集信號送至各自對應(yīng)的變送器，而流量則可以通過公式 （Q為流量， 為差壓）計算得到。隨后各個變送器得到的信號傳至接線端子排，然后通過端子排把各個變送器對應(yīng)的信號傳送至儀表柜里的8塊儀表顯示，另外再通過8根信號線和1根地線傳輸信號至1711數(shù)據(jù)采集卡（內(nèi)部含有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器）。1711數(shù)據(jù)采集卡接收端子排的8路輸入信號后，送入工控機(jī)。工控機(jī)可以觀測并調(diào)節(jié)各路信號，最終輸出兩開關(guān)信號至電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器接收兩開關(guān)信號，開動電動機(jī)，運(yùn)行電動執(zhí)行器，調(diào)節(jié)控制水閥門，通過水閥門來控制水流量，以使水箱達(dá)到要求的水位。下圖為水位控制系統(tǒng)的方框圖：
圖1 水位控制系統(tǒng)方框圖
4. 計算機(jī)控制系統(tǒng)實驗設(shè)計：
一個應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項功能必須要有較完善的硬件作保證，同時還必須要有相應(yīng)設(shè)計合理的軟件支持。本文所用的硬件和軟件組成如下：
4.1硬件設(shè)計
4.1.1 智能變送器
智能變送器是將各種被測參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位等物理量轉(zhuǎn)換成0～10mA DC或者4~20mA DC 的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，傳送到指示、記錄、計算、調(diào)節(jié)等儀表或檢測裝置、工控機(jī)，以實現(xiàn)對現(xiàn)場的自動檢測和控制。
本文使用Honeywell（霍尼韋爾）公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器。智能變送器是將壓力傳感器、溫度傳感器集成在同一單晶硅片上，采用復(fù)合傳感新技術(shù)與微處理器結(jié)合一體，形成各種補(bǔ)償回路可以實現(xiàn)自校準(zhǔn)的儀表。本文所使用的智能變送器主要是完成對溫度、絕壓、水位、流量等信號的精確采集和轉(zhuǎn)換。
4.1.2 電動執(zhí)行器（被控對象）
電動執(zhí)行器是執(zhí)行單元，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成，它使用電動機(jī)的電動力開啟或關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的開度。其原理為：來自調(diào)節(jié)器的信號通過伺服放大器驅(qū)動電動機(jī)，再經(jīng)減速器帶動調(diào)節(jié)閥，同時經(jīng)位置發(fā)生器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成位置隨動系統(tǒng)。依靠位置負(fù)反饋，保證輸入信號準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為閥桿的行程。
本系統(tǒng)使用DKJ型電動執(zhí)行器，它接受調(diào)節(jié)器來的0～10mA DC信號，并將其線性轉(zhuǎn)換為0º～90º的機(jī)械轉(zhuǎn)角，用以操作閥門。其中轉(zhuǎn)角θ =KI（K=9º/Ma，K為電動執(zhí)行器靜態(tài)傳遞系數(shù)），從上式可以看出機(jī)械轉(zhuǎn)角與輸入電流成線性關(guān)系。本系統(tǒng)把電動執(zhí)行器和控制閥相連接，電動執(zhí)行器一旦接收到來自變送器的電流就可以產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，也就可以實現(xiàn)對控制閥進(jìn)行控制，以滿足系統(tǒng)要求。本文中的電動執(zhí)行器在控制箱里的接線圖如下：
系統(tǒng)中可以對控制閥進(jìn)行手動控制，也可以使用電動執(zhí)行器組態(tài)控制界面進(jìn)行控制。系統(tǒng)中采用了脈寬調(diào)制PWM(Pulse－Width Modulation)的方式，通過設(shè)置脈沖的占空比來控制電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器接收執(zhí)行信號并將其轉(zhuǎn)換為閥門的開度或擋板轉(zhuǎn)角的位移，然后帶動閥門控制水位。
4.1.3 數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)：
在水箱水位控制系統(tǒng)中，需要采集的數(shù)據(jù)有水位、流量、絕壓、溫度等電壓值以及電動執(zhí)行器的模擬點輸入電壓值；另外系統(tǒng)向電動執(zhí)行器發(fā)出順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)兩路開關(guān)信號。系統(tǒng)的任務(wù)主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理和顯示，并對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。
本文使用研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡。研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡是基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器。它具有16通道單端模/數(shù)輸入，16通道數(shù)字輸入、輸出和2通道數(shù)/模輸出。本文中1711采集卡的接線中8路為智能變送器的模擬輸入，1路為電動執(zhí)行器的模擬輸入；其中還含有2路輸出，都是開關(guān)量（數(shù)字量）輸出，直接輸送到電動執(zhí)行器，用以控制電動執(zhí)行器的正反轉(zhuǎn)。
本文使用和PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡配套的研華工控機(jī)IPC-610(Industrial PC)。
4.2 軟件設(shè)計：
軟件主要完成系統(tǒng)參數(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的采集、顯示以及控制策略。
本文使用研華工控組態(tài)軟件，主要完成人機(jī)交互控制界面的搭建（包括系統(tǒng)界面和執(zhí)行器界面）、系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析曲線、報表生成、編制動作腳本等。
GENIE工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件是運(yùn)行在WINDOWS平臺上的基于圖標(biāo)的過程軟件包，GENIE使PC機(jī)變成了一個以圖形方式創(chuàng)建、仿真、運(yùn)行實時數(shù)據(jù)采集和過程控制“策略”的設(shè)計工具。工控組態(tài)軟件的基本結(jié)構(gòu)為：前臺顯示界面部分和后臺數(shù)據(jù)采集與傳輸部分。后臺數(shù)據(jù)采集及控制程序通過對板卡的讀寫達(dá)到數(shù)據(jù)輸入和控制參數(shù)的輸出功能。前臺顯示界面則通過與后臺數(shù)據(jù)采集及傳輸程序共享數(shù)據(jù)單元或傳遞數(shù)據(jù)方式，得到實時采集的數(shù)據(jù)在屏幕上加以顯示。現(xiàn)在在組態(tài)軟件里自帶的動態(tài)鏈接庫中有直接對板卡（數(shù)據(jù)采集卡）進(jìn)行編程的函數(shù)，很方便且可靠。
力控組態(tài)軟件分為開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)（Draw）是一個集成的開發(fā)環(huán)境，可以創(chuàng)建工程畫面、分析曲線、報表生成，定義變量、編制動作腳本等，同時可以配置各種系統(tǒng)參數(shù)，啟動力控其他程序組件等。組態(tài)軟件還可以完成實時多任務(wù)：實現(xiàn)圖形顯示和人機(jī)對話、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和輸出、數(shù)據(jù)的處理和控制算法、實時數(shù)據(jù)的存儲、實時通信等。力控可以與一系列I/O設(shè)備進(jìn)行通信，其中包括串行通信方式、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方式等，本文采用板卡方式。
本文開發(fā)出一套基于組態(tài)的水位測控系統(tǒng)，設(shè)計出了整個系統(tǒng)的界面和電動執(zhí)行器的控制界面，在界面內(nèi)就可以實現(xiàn)電動執(zhí)行器的正反轉(zhuǎn)，利用工控機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計的整個系統(tǒng)的界面就可以實時的得到溫度、壓力、水位、流量的數(shù)據(jù)。以下為利用工控機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計的控制系統(tǒng)界面：
5. 結(jié)束語：
本文結(jié)合實驗室現(xiàn)有的單容水箱、智能變送器、數(shù)據(jù)采集卡、板卡、電動執(zhí)行器和工控機(jī)來建立硬件系統(tǒng)；用工控機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計出了系統(tǒng)界面和電動執(zhí)行器控制界面；實現(xiàn)了對水位系統(tǒng)的溫度、絕壓、水位和流量等信號的傳感、采集、轉(zhuǎn)換和顯示；在控制界面內(nèi)可以實時顯示采集的數(shù)據(jù)，并且可以利用力控的控制策略來控制電動執(zhí)行器的閥門旋轉(zhuǎn)角度；然后使用電動執(zhí)行器來調(diào)節(jié)水閥門，很好的實現(xiàn)了對水位預(yù)定位置的控制。但是還不能很好的實現(xiàn)控制算法和控制策略，有待進(jìn)一步改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號