基于WEBHMI的物位网络监控系统设计.docx
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基于WEBHMI的物位网络监控系统设计
摘要
基于WEBHMI的物位网络监控系统设计
本文介绍的教学实验系统采用超声波非接触式测量技术实现物位控制。
现场总线因其良好的兼容性，稳定性得到非常广泛的运用，特别是在过程控制领域，FF现场总线的应用更是广泛。
故此本系统是基于FF现场总线的控制系统。
系统控制信号由上位机的控制算法给定，经由FF现场总线，F/I转换器，变频器来实现离心式鼓风机的输出风速的控制，最终实现被控对象的高度控制。
本文首先介绍了实验系统组建的硬件连接，参数设置，上位机监控画面用组态软件Controlcare实现。
其次介绍Matlab通过与OPC服务器的连接来实现各种复杂的控制算法的实时控制。
再次分析了PID控制对系统的控制效果。
最后在实际应用中取得了很好的演示效果，能直观地解释超调量，衰减率，稳态误差等控制理论基本概念。
关键词Controlcare组态软件；FF现场总线；OPC服务器；PID
Abstract
Thispaperintroducestheexperimentalteachingsystemofultrasonicnon-contactmeasurementtechniquestorealizemateriallevelcontrol.FFfieldbusbecauseoftheirgoodcompatibility,stabilitytogetverybroadapplication,especiallyintheprocesscontrolfield,FFfieldbusapplicationisextensive.ThereforethissystemisbasedonFFfieldbuscontrolsystem.SystemcontrolsignalbyPCcontrolalgorithmaregiven,viaFFfieldbus,F/Iconverter,frequencyconvertertorealizetheoutputspeedcentrifugalfancontrol,finallyrealizesthecontrolledobjectheightcontrol.Thispaperfirstlyintroducesthehardwareconnectionestablishedexperimentalsystem,parameterSettings,PCmonitorscreenusingconfigurationsoftwareControlcarerealization.Second,introducestheMatlabthroughandOPCserverconnectiontoachieveallkindsofcomplicatedcontrolalgorithmofreal-timecontrol.AgainthePIDcontrolsystemanalysisofthecontroleffect.Finallyinactualapplicationsmadeverygooddemonstrationeffect,canintuitiveyexplainovershoots,attenuationetc,steady-stateerrorcontroltheoryofbasicconcepts.
KeywordsControlcareconfigurationsoftwareFoundationFieldbusOPCserverPID
第1章 绪论
.1课题背景及研究的目的和意义
物位在工业生产过程中一般指液位、固体颗粒和粉粒位，以及液-液、液-固相界面位置。
测量液体液面位置的称为液位计，测量固体、粉料位置的称为料位计，测量液-液、液固相界面位置的称为相界面计。
物位是工业生产过程中应用十分广泛的一个物理参数，工业中的各种原料和成品存在于生产流程中的每一个环节，它们动态地在釜、槽、罐、池、仓、塔、运输带、传输管道等容器中。
生产过程中需要及时知道这些物料在各种容器中有多少，它们的输送过程是否受阻。
这就是工业自动化中的物位测量技术的主要任务。
目前的物位测控教学实验系统一般都采用静压型物位计，而物位测量技术从工作方式上已经由接触式测量向非接触式测量方向发展，因此此类教学实验系统就显得过时，为了进一步改善实践教学条件，培养学生的动手能力，哈尔滨工业大学测控技术与仪器中心承担了“超声物位测量控制实验装置的研制”任务以升级此类教学实验系统。
本实验教学系统基于WEBHMI的物位网络监控系统设计，WEBHMI是完全基于浏览器设计的网际组态软件，能够实现WEB浏览器的全功能客户端与现场同步，具有强大的远程监控功能。
测量采用E+H物位测量仪表、采用E+HFF总线控制器，组态软件ControlCare，上位机监控采用ControlPView和WEBHMI来完成，具有数据查询和监控功能，可以提高学生的学习兴趣和留下深刻的印象。
对提高学生的学习兴趣有很大的帮助。
.2物位测量仪表简介
物位测量仪表按是否与被测物位直接接触分为接触式和非接触式仪表。
接触式测量仪表主要有：
直读式物位仪表、差压式物位仪表、浮力式物位仪表和电测式物位仪表等。
非接触式测量仪表主要有：
超声物位仪表、微波物位仪表和激光物位仪表。
直读式物位仪表可以从测量机构上可直接读出物位。
浮力式物位仪表则利用液面上的浮子或沉浸在液体中浮筒受到浮力作用而工作。
差压式仪表利用液体的静态压力测量物位。
电测式物位仪表将物位变化转换为电参数（如电阻、电容、电感）的变化来测量物位。
基于时间行程的非接触式物位测量方法，又称回波法，其工作原理为利用能量波（如机械波，电磁波，激光）在介质中的传播速度为已知，测量能量波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离，如式1-1所示。
（1-1）
式中：
D——探头到物料表面的距离；
C——能量波的传播速度；
T——从发射到接收能量波的运行时间
实际应用中的测量方法示意图如图1-1所示。
图1-1回波法物位测量原理图
如上图所示E为满罐距离，L为被测物位，标定满罐距离E后就可以通过仪表间接测量物位L=E-D。
超声物位仪表利用超声波来测量物位，是从声纳技术衍化而来。
微波物位仪表利用微波来检测物位，俗称雷达物位计。
激光物位计从激光测距技术衍化而来。
核辐射式物位仪表利用被测对象对核辐射的吸收，使射线强度减弱的原理来测量物位。
核辐射能穿透较厚的钢板和其它固体，对容器不必开孔，能在强光、浓烟、高压、高温等恶劣的工作条件下对高粘度、易爆、腐蚀性强的介质进行物位测量，这是此类仪表的优点。
但核辐射影响人体健康，需要采取现场劳动防护措施，这在一定程度上限制了核辐射物位仪表的推广应用。
.3超声物位测量的优点
激光物位仪表的优点是波束窄，可在很狭窄的范围内传播很远距离而不会受到干扰，量程最大可达350m。
因为激光物位仪表是利用激光的光学特性，所以被测物料必须是不透明的液体或浆体。
当测量固体物料时，因为激光波长很短，在表面粗糙的固体物料上，不易得到良好回波，而且深色的物料表面对光波吸收大，为了保证在被测目标上可靠反射，可以在目标上贴上目标反射器，以保证光束稍偏离正入射反射面也能得到可靠回波。
但由于这种产品本身技术特点，所以在工业过程中应用有限。
利用微波测量物位是近年来发展最快的一种物位测量技术。
和超声波相比，微波的传播不依赖介质，故可用于有挥发、高温及压力的环境；传播损耗小，量程大小对价格的影响不大；波速不受环境影响，故测量精确度较超声物位计高，一般产品可达±0.1％，精密级产品可达±1mm绝对精确度。
它可解决许多超声波技术难以胜任的工况。
已成为物位测量中一种重要手段，特别是在被测距离较大的场合。
超声波反射是基于空气和固态物料的声阻抗率相差极大，故超声波在块状及颗粒状固态物料上几乎是全反射，而微波的反射是基于介电率的差别，对于介电率低的被测物料，信号反射就会减少。
此外，测量固态料面基本上利用波在粗糙表面的漫反射，而微波的波长小于超声波的波长，因此对尺寸较小的固体颗粒，微波的漫反射效果差。
在这种环境中选择超声波方法的较多。
在下面一些领域超声波测量仍有很大的优势：
1.常规的短量程（12m以下）液位测量（常温常压），主要是应用一体形的超声液位计，应用领域为：
水和废水处理中的液位，化工、石化中的酸碱罐。
超声液位计使用方便，仪表尺寸小，性能、精确度都能满足要求，价格便宜，应用也很成熟。
2.固态物料（矿石、煤、谷物等）物位测量除了细粉料物位外，该领域仍是超声物位测量有优势的领域，虽然微波物位计也推出了测量固态物位的产品，但是在常用量程（在15m以下）的应用中，超声物位计在性能和价格上都有优势。
.4本文的主要研究内容
本课题的研究内容主要为通过基于WEBHMI的物位测量与控制系统的连接调试，上位机的控制算法的实现，控制算法的探究。
第1章绪论主要介绍了物位测量控制在工业过程控制中的重要作用，物位测量方法，即超声波测量的特点和本实验控制系统的创新之处。
第2章介绍了过程控制的发展，现场总线控制技术的特点。
分析了本实验控制系统扥理论可行性，中间介绍各个组成部分。
第3章介绍具体的设计安装，包括硬件连接，软件组态，监控软件的设计及各个现场设备的参数设置等。
第4章介绍了PID控制的原理和规律，系统模型的建立，实现了基于近似模型的Simulink仿真，用PID控制方法实现系统的滞后补偿。
最后通过PID及系统本身的特点进行实时控制。
第5章实现了实物测试，了解物位以及模块测试的实施，并发件及解决测试中遇到的困难。
第2章 现场总线物位控制系统
约40年前，数字计算机进入自动控制领域，成为控制系统的控制器。
计算机控制系统一经问世，就成为自动控制领域中的研究热点。
计算机已经成为经典控制理论向现代控制理论过渡的催化剂，并且大大推动了现代控制理论的发展，同时也促进了过程控制领域从传统的DCS控制系统到利用各种现场总线技术的网络化控制系统的转变。
.1过程控制发展
纵观过程控制的发展历史，大致经历了如下四个阶段：
第一阶段是50年代前后，过程控制实现了仪表化和局部自动化，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统，被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题；
第二阶段是自60年代以来，过程控制开始大量采用气动和电动单元组合仪表，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，在过程控制理论方面，现代控制理论得到了应用；
第三阶段是70年代，过程控制发展到现代过程控制的新阶段——计算机时代，计算机广泛应用在过程控制系统中；
第四阶段是80年代以后，工业过程控制得到了一个飞跃的发展，现代控制理论得到广泛应用，过程控制的结构已成为具有高度自动化的集中、远动控制中心。
设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。
最后导致了现场总线的产生。
.2现场总线
2.2.1现场总线简介
主要从项目及投资者的角度，设计合理财务方案，从企业理财的角度进行资本预算，评价项目的财务盈利能力，进行投资决策，并从融资主体（企业）的角度评价股东投资收益、现金流量计划及债务清偿能力。
按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会的定义：
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
现场总线的本质体现在以下六个方面：
1.现场通信网络：
用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。
2.现场设备互联：
依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。
3.互操作性：
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。
4.分散功能块：
FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。
5.通信线供电：
通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量,这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表,与其配套的还有安全栅。
6.开放式互联网络：
现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。
由以上内容可知，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，这避免了DCS系统的缺点。
DCS通常是一对一单独传送信号，通信信号为模拟信号，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，易失控，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。
FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。
由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。
现在比较流行的现场总线主要有以下几种：
CAN总线，LonWorks总线，PROFIBUS总线，WorldFIP总线，HART总线，FF总线。
它们各有优点，使用领域也不相同。
2.2.2现场总线的优点
现场总线仪表，便于节省安装费用；维护成本低；系统可靠性高；用户的系统集成更使工业自动化系统进入了信息网络的时代，为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个现场加灵活。
.3FF现场总线简介
FF以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
与物理层、数据链路层及应用层共同构成通信实体，完成报文生成和报文传送服务，是现场总线信号数字通信的核心部分。
早期的FF分低速H1和高速H2两种通信速率。
H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），支持总线供电，支持本质安全防爆环境。
H2的传输速率分为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。
物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。
其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。
正跳变代表0，负跳变代表1，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。
接收方既可根据跳变的极性来判断数据的“1”、“0”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。
现在通常使用的基金会现场总线一般包括H1总线和HSE总线，其中HSE是场总线基金会据弃了原有高速总线H2之后新作，分别是现场总线国际标准IEC61158的类型1和类型5总线。
H1的传输速率为31.25Kb/s，用于连接现场设备。
HSE使用10/100Mbps以太网作为物理层为整个控制网络提供一个高速骨干。
HSE并不是H1的替代品，它们各有利弊，互为补充，并且处于整个工厂控制网络结构的不同层次。
表2-1是H1和HSE的比较：
表2-1H1和HSE的比较
H1
HSE
速度
31.25Kbps
100Mbps
距离（每网段）
1900m
100m
双线
是
否
多点
是
否
续表2-1
总线供电
是
否
本质安全
是
否
冗余
否
是
确定性
很好
较好
由上表可以看出，与H1相比，HSE用快速以太网作为物理层，因而其传输速率高，并且由于可以利用便宜而成熟的以太网技术和相应产品，从而大大降低成本，也有利于信息网络和控制网络的集成。
使用HSE的另一个突出优点是可以构成完全冗余的系统，提高系统可靠性。
但由于HSE不具备H1所拥有的本质安全、总线供电等特点，所以现场级设备的互连仍然采用H1。
由HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网主干上并进一步送到企业ERP管理系统。
操作员主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。
现场设备同样也可以从网络获控制信息。
HSE低四层直接采太网TCP/IP，应用层和用户层直接采用FF/H1应用层服务和功能块应用进程规范，并链接设备将FF/H1网络连接到HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关功能，它的网桥功能可以用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段的H1设备之间能够进行对等通信而无需主机系统干预。
HSE主机可以与所有链接设备和链接设备上挂接H1设备进行通信，使操作数据能传送到远程现场设备，并接收来自现场设备数据信息，实现监控和报表功能。
监视和控制参数可直接映射到标准功能块“柔性功能块”（FFB）中。
同其它现场总线技术相比，FF总线最突出的技术特色就是功能块（FB，FunctionBlock）和功能块应用进程。
典型的用户应用功能模块有3类：
功能块、资源块、转换块。
基金会现场总线具有极好的互操作性，包括现场设备的互操作性、主机设备的互操作性、离线互操作性，极大地方便了用户选用多家产品。
.4本章小结
本章简要介绍了过程控制的发展历程，FF现场总线的特点，现场总线的优点简介，让我们对过程控制以及现场总线有了更进一步的了解，为以后设计的实施做出了一定的铺垫。
第3章 实验系统设计
3.1物位控制系统总体结构
物位控制实验系统包括二个部分：
基金会现场总线系统部分和现场控制模型部分。
基金会现场总线系统由主机系统，HSE总线，链接设备，H1总线和现场测量和控制仪表组成。
通过与现场总线实验装置的配合，可以对被控对象物位进行控制。
现场总线的典型网络拓扑结构为爪型，即在同一个H1接口上可以挂多个现场测量或控制仪表，每个网段最多可以挂6个本安型FF总线设备或32个非本安型FF总线设备。
控制室装置与现场设备用作为主干的双绞线连接。
现场设备可以接到一个公共的接线盒。
终端器位于主干两端。
现场仪表采用总线供电，电源位于控制室，需要电源调节器将传统电源与现场总线进行隔离。
也可以采用菊花链型结构，现场设备用分支连接到主干。
当然从逻辑上说，它仍然是总线型的。
由于本系统是实验室系统，整个控制系统的尺寸范围很有限，所以所有的接线部件可以直接连接得到同一个H1接口上，从而形成星型结构。
终端器的作用在于防止信号发生反射，但实验系统由于连接仪表少，可以不使用终端器。
本物位控制采用单回路控制系统，其控制原理框图如图3-1所示。
图3-1控制原理框图
根据控制原理框图所设计的物位控制信号流程如图3-2所示。
被控圆柱的高度由E+H公司的超声波物位仪表FMU40测量，并将信号送至现场总线。
通过现场控制器传送给上位机，上位机通过控制算法确定输出控制信号，控制信号由HSE送给现场控制器SFC162，经由H1送给FI302实现FF信号和现场控制信号的转换，现场控制信号控制变频器的输出频率，输出频率的调节确定离心式鼓风机的输出风速，最终改变被控对象的位置。
系统整体结构图如图3-2所示。
图3-2物位控制信号流程图
图3-3整体结构图
.12物位控制系统软硬件细节
3.2.1被控对象物理模型
在竖直管道中，被控对象的选取主要有球和圆柱两种。
当被控对象为球的时候，其空气力学模型如图a，能保证球停在管道的中间位置，而不会有贴壁的现象，但易产生振动和球体的翻转等现象，同时由于采用超声波非接触式测量，对球面的识别率较低。
当被控对象为圆柱时，其空气力学模型如图b，由于顶面是平面，容易测量，上升平稳，没有翻转的现象，但是在实际会有贴壁爬行的现象。
综合考虑，本实验系统选用圆柱为被控对象。
其工作的原理如图3-4所示，当时GF浮时物体在浮力作用下上升，因此此系统只需要控制变频器的输出频率以改变被控对象受的浮力就可以实现物体高度的控制。
被控对象的选取如图3-4所示。
图3-4被控对象物理模型
3.2.2硬件选用与安装
本实验系统现场控制器的主要组成以SFC901A为底架，和底架上的4个模块，包括SFC050底板电源供电模块，SFC162FF现场控制器模块，SFC252总线供电模块，SFC353总线电源调制模块。
其电路连接如图3-5所示。
图3-5现场控制器连线图
测量仪表选用E+H公司的超声波物位测量仪表FMU40，其分辨率是1mm，测量精度是2mm，响应时间为1s，基本能够满足本实验系统的要求。
仪表的安装要注意回波干扰，应该注意排除超声波的传播路径的干扰。
FMU40仪表的的功能块包括模拟量输入模块，PID控制模块，输入选择模块，计算模块，信号标准化模块等。
在本实验系统中用到的是模拟量输入AI模块来获得位置信号。
仪表的输出有PROFIBUSPA，HART，FoundationFieldbus三种信号标准可以选择，H1的正极接端子2，负极接端子1，由FF总线的特点知，H1线既是电源线，也是信号线。
其中FF信号的接线如图3-6所示。
图3-6FMU40的接线图
F/I信号转换器采用的是SMAR公司的FI302。
FI302是SMAR公司的第一代基于FF协议的设备，它可以实现3路FF现场总线信号和4~20mA标准信号的变换。
其内部端子图如图3-7所示。
图3-7FI302内部端子图
FI302做输出时，注意要串接9~24V的电压，如图3-8所示。
图3-8FI302输出连接示意图
变频器采用松下电器公司的BFV00152G，当使用现场控制信号对变频器自动控制时，变频器由面板操作变为外控操作时，主要修改参数见表3-1，其控制端子连接示意图端子连接如图3-9所示，其余控制端子悬空。
表3-1变频器参数设置表
参数
参数值
具体动作
P08
2
端子5控制运行、停止，端子6控制正反转
P09
5
输入控制信号为4~20mA
P48
0
施加电源后，当到达基准电平（LU电平）以上时，则会立即启动
图3-9外控时控制端子连接图
完成上面的连接硬件连接工作后，再进行相应的系统组态，参数设置后，利用现场总线仪表和变送器集成的现场总线功能块、资源块、转换块，包括PID控制模块，在完成测量和变送任务的同时实现对系统的控制。
.13系统组态
3.3.1组态对象建立
组态指通过配置相应的参数，构成一个运行系统。
FF总线的组态是通过组态软件进行的，使用E+H公司提供的组态软件ControlCare，该软件具有在线与离线组态能力。
组态软件包含3部分：
接口程序、组态程序和OPC服务器。
接口程序负责组态程序与底层物理设备的数据通信；组态程序是组态软件的主程序，对系统进行设备选择和相应的参数设置；OPC服务器可以向HMI软件等应用程序提供访问现场数据的标准接口。
基本的FF工程组态步骤有：
1.新建一个FF工程
2.添加bridge（SFC162），标签为CO104
3.在fieldbus目录下添加设备
4.在bridge目录下添加fieldbus
5.创建控制策略
6.添加功能块
7.在设备的功能块下设置相应的参数
8.连接功能块与设备
9.保存修改
10.连接现场控制器
11.分配HSE设备ID和标签
12.分配现场ID
13.下载工程，下载完后自动运行控制策略
组态界面如图3-10所示。
图3-10系统组态界面
升级会员 