基于智能仪表控制系统A3000实验和测试培训毕业设计论文.docx
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基于智能仪表控制系统A3000实验和测试培训毕业设计论文
基于ADAM4000DDC控制系统
A3000实验和测试培训指导
北京华晟高科教学仪器有限公司
前言
《基于智能仪表控制系统A3000实验和测试培训》是根据A3000过程控制实验系统的相关内容编写的，包括了如下内容：
1、ADAM4000介绍。
2、ADAM4000初始化和测试，以及相关软件。
3、ADAM4000组态软件的连接。
不介绍具体的A3000现场系统和组态软件。
有关这些内容将在独立的组态软件培训指导书中介绍。
本指导书缺点和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广大读者批评指正。
申明：
本培训书内容只适合华晟高科A3000教学实验。
范例和文档内容只用于提供信息，对本书不承担任何保证。
第一章研华ADAM4000
1.1控制系统概述
AS3020子系统包括研华的ADAM4017、ADAM4024、ADAM4050或ADAM4060模块。
24V直流电驱动，通过RS485转换网络到以太网，再将数据传到上位机。
模块从左到右，地址分别为1，2，3。
通讯波特率9600bps，注意无校验，数据位8，停止位1。
校验和（checksum）必须选中，否则无法和组态王通讯。
1.2控制系统设置和初始化
1.2.1模块介绍和设置
1.ADAM4017
ADAM4017是一个16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范围，可以自行选择设定。
这个模块用于工业操作和监测，其性价比很高。
通过光隔离输入方式对输入信号与模块之间提供3000VDC隔离，而且具有过压保护功能。
其结构如图1.2.1所示。
图1.2.1ADAM4017模拟量输入模块
ADAM4017提供信号输入，A/D转换，RS485数据通讯功能。
使用一个16位微处理器控制的A/D转换器将传感器的电压或电流信号转换成数字量数据，然后转换为工程单位量。
当上位机采集数据时，该模块就通过RS-485DP线传送到上位机。
输入信号：
电压输入：
±150mV，±500mV，±1V，±5V，±10V
电流输入：
±20mA（需要并接一个125Ω电阻）
ADAM4017应用连线如图1.2.2，1.2.3所示：
图1.2.2ADAM4017差分输入通道0～5
图1.2.3ADAM4017单端输入通道6～7
2.ADAM4024
ADAM4024是一个4通道模拟量操作混合模块。
在某些情况下，需要多路模拟量操作来完成特殊的功能，但是却没有足够的模拟量操作通道。
而ADAM4024正是为了解决这一问题而设计的，它包括了4通道模拟量操作，以及4通道数字量隔离输入。
这4路数字量通道作为紧急联锁控制操作。
见图1.2.4所示：
图1.2.4ADAM4024模拟量操作模块
ADAM4024的4路模拟量操作通道支持同时工作在不同的操作范围，例如4～20mA与±10V。
ADAM4024允许初始值代替默认值，用户很容易对模块进行设置。
ADAM4024技术规范：
Ø操作类型：
mA，V
Ø操作范围：
0～20mA，4～20mA，±10V
Ø隔离电压：
3000VDC
Ø负载：
0～500Ω（有源）
Ø隔离的数字量输入：
✧逻辑“0”：
＋1Vmax
✧逻辑“1”：
＋10～30VDC
如果不是用ADAM4050而是使用ADAM4060，那么就需要利用这里的数字量通道。
程序只要把DI0,DI1等关联到ADAM4050的改到ADAM4024就可以了。
3.ADAM4050
ADAM4050有7通道数字量输入，8通道数字量操作。
它的操作可以由上位机给定，并且可以控制固定的继电器以达到对加热、水泵、电力设备的控制。
上位机能通过它的数字量输入来确定限制状态、安全开关，以及远距离数字量信号。
其示意图见图1.2.5。
图1.2.5ADAM4050数字量输入/出模块
Ø数字量输入：
✧逻辑“0”：
-1Vmax
✧逻辑“1”：
+3.5V~+30V
Ø数字量操作：
开集电极30V，负载30mAmax
ADAM4050接线原理如图1.2.6，1.2.7所示：
图1.2.6ADAM4050TTL输入
图1.2.7ADAM4050开集电极输入
实际实验连接线：
DI0~DI2直接连到数字接口的数字量输出端（包括低限液位、高限液位、现场电源状态），DICOM与“状态公共端”相连；DO0~DO6直接连到数字接口的数字量输入端（包括1#电磁阀、2#电磁阀、声音告警、2#水泵、变频器），DOCOM与“驱动公共端”相连。
1.2.2模块初始化和初始化软件
在对ADAM模块进行初始化之前，应将其固定好，通24V直流电，用DP线（RS-485→RS232转换器）或通过以太网同上位机连接，在上位机安装ADAM-4000UTILITY。
并用RS485—232模块，将ADAM模块与上位机相连。
ADAM-4000UTILITY主界面如图1.2.8所示：
图1.2.8ADAM-4000UTILITY主界面
选中左侧端口，如COM1，在右侧设置对话框中设置端口：
Ø波特率：
9600bps
Ø数据位：
8
Ø停止位：
1
Ø校验位：
None
模块初始化：
每个模块出厂时都没有设置其设备地址，因此在初始化的时候，要逐个通电，逐个进行设置。
将GND与INIT端短接，重新上电。
打开ADAM-4000UTILITY，选择对应端口，点击工具栏上的搜索，几秒钟后会出现扫描到的模块，例如（*）ADAM4017。
括号中的“*”表示模块现在处于初始化状态，点击StopScan。
如图1.2.9所示。
图1.2.9模块扫描界面
初始化设置：
在软件界面左侧点击ADAM4017图标，右侧显示ADAM4017设置对话框。
进行以下设置：
Ø地址：
1
Ø波特率：
9600bps
Ø校验和：
选中Enable（对于组态王这是必须的）
Ø输入范围：
±20mA
设置完参数后，点击”Update”，进行数据更新。
如图1.2.10所示：
图1.2.10ADAM4017初始化
在弹出的对话框中点击”OK”，ADAM4017参数设置完成，断开它的电源线。
重复以上各步，依次初始化ADAM4024、ADAM4050：
ADAM4024参数设置如图1.2.11所示：
图1.2.11ADAM4024初始化
ADAM4050参数设置如图1.2.12所示：
图1.2.12ADAM4050初始化
撤掉所有的初始化短接线，重新上电、搜索，即可得到图1.2.13的结果：
图1.2.13初始化后的设备
单击要查看的模块即可看到已经设置好的参数，并且可以在此进行实时监控。
监测ADAM4017的八路输入：
把标准信号连接到各输入通道，检测模块的各通道是否工作正常。
如图1.2.14所示。
图1.2.14监测ADAM4017
点击ADAM4024，在右侧窗口中用下拉菜单选择输出通道，输入输出值，也可拖动滚动条来确定输出值，单击“Output”，即可控制通道的输出值，同时可以在下面的“AOChannelSetup”中监测到输出值。
用万用表测量输出信号，检测输出通道是否工作正常。
如图1.2.15所示。
图1.2.15控制ADAM4024的输出
点击ADAM4050，在右侧窗口的”DataArea”中查看数字量输入的状态，控制各个输出通道的输出状态。
如图1.2.16所示。
图1.2.16监控ADAM4050
数字量输入DI，在常态下为常”ON”高电平亮的状态；数字量输出DO，常态下为常”OFF”，低电平状态，用鼠标单击各个通道，就可以改变该通道的状态。
1.3常见错误
1）初始化软件搜索不到设备
存在多个没有进行初始化的设备同时上电
串口参数设置有问题
RS485-232模块损坏
2）ADAM4024没有输出信号
变量定义为只读型
模块损坏
3）没有数字量输入输出
没有使用函数“Bit”“BitSet”执行位操作。
DICOM、DOCOM接线错误
1.4控制器信号连接和操作
控制器的信号直接连接到面板上，通过插孔和锁紧连结线连接到现场系统的IO上。
计算机和ADAM4000通过RS485转RS232模块联接。
1.4.1面板接线
ADAM4000控制系统IO接口图如图1.4.1所示，其中DICOM接GND，DOCOM接24V。
图1.4.1ADAM4000控制系统面板图
对应的ADAM4000控制系统面板接线如图1.4.2所示。
图1.4.2ADAM4000控制系统端子图
其中，DOCOM连接了24V，DICOM连接GND，现场的干接点闭上时，输入为0，否则为1。
数字量输出1时，外部负载动作。
1.4.2控制系统运行时接线
以单容液位调节阀控制为例，连接如图1.4.3所示。
数字系统接线如图1.4.4所示。
第二章组态软件的监控
本章通过一个范例，详细地介绍和组态软件的连接和调试过程，而详细的组态，以及组态软件的PID控制问题在各个组态软件配置书中再介绍。
而其他比值控制，串级控制，前馈反馈控制，解藕控制都可以参考《基于组态王组态软件的A3000实验和测试培训》和《基于MCGS组态软件的A3000实验和测试培训》等指导书。
2.1单容液位调节阀PID单回路控制
单容下水箱液位PID控制流程图如图2.1.1所示。
图2.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制
测点清单如表2.1.1所示。
表2.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100％
2
LT103
压力变送器
下水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
备注：
为自动评分，以及系统监控方便，最终信号全部为2-10V信号。
水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
2.2范例的组态软件编程
这里不介绍具体的组态软件编程过程，只是介绍常用的组态软件和控制器之间的设备组态，以及数据词典（或称为标签）的建立。
对于ADAM4000、PCI1711卡以及ADAM5000CAN等DDC控制系统，需要计算机提供PID控制算法。
在组态软件中基本都提供了PID控件，可以利用这些控件来控制液位PID控制。
具体这些内容请参考各个组态软件的培训说明。
2.2.1组态王设备组态
ADAM4000是DDC控制器，不具有控制算法，所以必须由计算机直接控制。
包括了ADAM4017，ADAM4024，ADAM4050模块，对应地址分别是1，2，3。
通过研华的软件来设置地址，并设置通讯波特率9600bps，无校验，数据位8，停止位1，通讯超时3000ms，通讯方式RS485，选择checksum属性。
在这里仅介绍组态王软件和它通讯的内容，有关其他部分请参考《基于组态王软件的A3000实验和测试培训》参考书。
详细过程如下：
新建工程项目。
然后选择设备，COM1。
然后再工作区选择“新建”。
如图2.2.1所示。
图2.2.1新建设备
双击，在设备配置向导—生产厂家、设备名称、通讯方式窗口中，如图3.3.2所示，选择“智能模块”，“亚当4000系列”“Adam4017”。
图2.2.2选择智能模块
选择“串行”，逻辑名A4017，如图2.2.3所示。
图2.2.3设备逻辑名
选择“下一步”。
然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择。
这个端口可以以后按照同样的步骤来更改。
如图2.2.4所示。
图2.2.4设置串口
单击“下一步”，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址1。
如图2.2.5所示。
图2.2.5设备地址设置指南
如果单击“地址帮助”按钮，则可以看到详细的有关百特仪表的地址设置，以及数据定义的帮助过程。
如图2.2.6所示。
图2.2.6帮助系统
单击“下一步”，设置通讯参数，不需要改变任何参数，如图2.2.7所示。
图2.2.7通讯参数设置
单击完成，就可以看到整个设置的参数。
重复上面的过程，但是地址设置为2，逻辑名A4024。
地址3，逻辑设备A4050。
最后如图2.2.8所示。
图2.2.8最后设置的硬件
最后设置串口通讯参数，双击左边窗口中的“设备”“COM1”。
设置如图2.2.9所示。
图2.2.9串口设置
2.2.2组态王定义数据变量定义
数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。
ADAM4017具有的组态软件可访问的寄存器变量定义如表2.2.1所示。
表2.2.1ADAM4017寄存器定义
寄存器名称
寄存器
dd取值范围
读写类型
变量类型
模拟量输入
AIdd
0－－－7
读/写
FLOAT
量程校准
SPANCAL
－－－－
只写
BIT
零校准
ZEROCAL
－－－－
只写
BIT
多通道状态
MP
－－－－
读写
BYTE
设置延时参数（默认10ms）
DISPLAY
－－－－
读写
USHORT
ADAM4024具有的组态软件可访问的寄存器变量定义如表2.2.2所示。
表2.2.2ADAM4024寄存器定义
寄存器名称
寄存器
读写类型
数据类型
模拟量输出
AO0---AO3
读/写
FLOAT
数字量输入输出
DI
只读
BYTE
4mA校准
NC0----NC3
只写
BIT
20mA校准
OC0---OC3
只写
BIT
ADAM4024具有的组态软件可访问的寄存器变量定义如表2.2.3所示。
表2.2.3ADAM4050寄存器定义
寄存器名称
寄存器
读写类型
数据类型
数字量输入
DI0
只读
BYTE
DI0----DI6
只读
BIT
数字量输出
DO0
读/写
BYTE
DO0----DO7
读/写
BIT
设置延时参数（默认10ms）
DISPLAY
读写
USHORT
以上这些寄存器在组态王软件中将访问到一部分，然后和组态王中的IO变量对应。
ADAM4000控制系统的变量定义如表2.2.4所示。
表2.2.4组态软件中所有的DDC控制系统变量定义
序号
参数名
意义
设备寄存器
特性
数据范围
1
PID0_PV
过程值
AI0
AI0
0-100
2
PID1_PV
过程值
AI1
AI1
0-100
3
PID0_MV
操作值
AO0
AO0
0-100
4
PID1_MV
操作值
AO1
AO1
0-100
5
PID0_SP
设定值
内存
0-100
6
PID1_SP
设定值
内存
0-100
7
K0
真实比值
内存
0-100
8
K2
前馈系数
内存
0-100
9
A11
解藕系数
内存
10
A12
解藕系数
内存
11
A21
解藕系数
内存
12
A22
解藕系数
内存
13
DI
输入
DI0
DI
字节
14
DO
输出
DO0
DO
字节
15
YOUT0
操作值
PID0操作值
0-100
16
YOUT1
操作值
PID1操作值
0-100
下面以PID0_PV为例，介绍IO变量的定义过程。
选择工程浏览器左边窗口的“数据词典”。
双击“新建”，出现“定义变量”窗口，设置如图2.2.10所示。
图2.2.10定义变量PID0_PV
输入的IO数据在进入组态软件之前，进行工程量转换，ADAM4017的送到计算机为电流的实数值，为了转换成温度或者0-100的格式，需要进行转换。
线性转换公式：
工程量=（原始输入-原始最小值）*（最大值-最小值）/（原始最大值-原始最小值）+最小值。
在这里就是
工程量=（原始输入-4）*100/16。
如果原始输入超过最大原始值，则等于最大原始值；如果少于最小原始值，则等于最小原始值。
如果要进行报警，则可以设置报警条件。
如果要进行操作权限管理和历史趋势记录，则设置“记录和安全区”。
其它变量的设置类似，不详细介绍，注意读写属性。
2.2.3MCGS设备组态
台湾研华公司（Advantech）的通用智能数据采集模块有三个系列：
ADAM4000、ADAM5000、ADAM5000/CAN。
它们可以通过RS485协议单独与PC相连，也可通过485基座、CAN（ControllerAreaNetWork）总线基座与PC机相连。
由PC控制并实现数据采集模块对现场的模拟量、开关量信号的输入和输出、脉冲信号的计数和测量脉冲频率等功能。
为了方便用户，MCGS已将ADAM系列数据采集模块做成设备驱动构件，以下将介绍在MCGS中实现对研华ADAM4000系列数据采集模块的驱动及控制方法。
1、设备定义
打开设备组态窗口，然后打开“设备工具箱”，单击按钮“设备管理”。
找到“通用串口父设备”，如图2.2.15所示。
如果没有这个设备，则需要重新安装驱动程序。
图2.2.15设备管理窗口
选择“通用串口父设备”，单击“安装”按钮，就可以在“设备工具箱”看到这个设备。
再选择智能模块的“研华模块〉ADAM4000>研华-4017”。
单击“增加”按钮。
按照同样的方法增加研华-4024和研华-4050。
如图2.2.16所示
图2.2.16增加研华模块
单击“确定”按钮关闭设备管理窗口。
在“设备工具箱”上的“通用串口父设备”双击，就可以在“设备组态”窗口增加这个父设备，然后在“设备工具箱”上的“研华-4017”、“研华-4024”和“研华-4050”上双击，增加这些设备。
如图2.2.17所示。
已经修改了设备逻辑名称。
图2.2.17设备组态窗口增加了设备
在设备窗口双击“通用串口父设备0-[通用串口父设备]”，从而设置通讯属性。
包括端口，波特率等等。
如图2.2.18所示。
图2.2.18设置串口设备属性
双击“A4017-[研华-4017]”，从而设置通讯属性。
包括采样周期，地址等等。
如图2.2.19所示设备属性设置。
图2.2.19设备属性设置
（1）.设备名称：
可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。
这里修改为A4017。
（2）.采集周期：
为运行时，MCGS对设备进行操作的时间周期，单位为毫秒，一般在静态测量时设为1000ms。
（3）初始工作状态：
用于设置设备的起始工作状态，设置为启动时，在进入MCGS运行环境时，MCGS即自动开始对设备进行操作，设置为停止时，MCGS不对设备进行操作，但可以用MCGS的设备操作函数和策略在MCGS运行环境中启动或停止设备。
（4）设备地址：
设置仪表的地址，1，这里需要在手动初始化时设定。
（5）是否求效验：
注意，如果初始化时ADAM4000选中了checksum，则这里选择1-求效验。
默认情况下研华adam4000不效验。
对于ADAM4024，还需要设置输出通道的信号类型。
如图2.2.20所示。
选择4-20毫安类型。
图2.2.20ADAM4024设备属性设置
2、实时数据库定义
在工作台窗口，打开“实时数据库”页面。
如图2.2.20所示。
图2.2.20定义实时数据库
单击“新增对象”按钮，则在窗口增加一行。
双击该增加的变量。
如图2.2.21所示。
图2.2.21数据对象属性设置
对象名称可以在“实时数据库”页面修改，这里不能改动。
可以设置对象初值，最小值，最大值。
继续定义其他数据变量。
最后的数据库定义如表2.2.2所示的变量。
序号
参数名
意义
设备
特性
数据范围
1
PID0_PV
过程值
AI0
AI0
0-100
2
PID1_PV
过程值
AI1
AI1
0-100
3
PID0_MV
操作值
AO0
AO0
0-100
4
PID1_MV
操作值
AO1
AO1
0-100
5
PID0_SP
设定值
内存
0-100
6
PID1_SP
设定值
内存
0-100
7
K0
真实比值
内存
0-100
8
K2
前馈系数
内存
0-100
9
A11
解藕系数
内存
10
A12
解藕系数
内存
11
A21
解藕系数
内存
12
A22
解藕系数
内存
13
DI0
输入
DI0
DI
位
14
DI1
输入
DI0
DI
位
15
DO0
输出
DO0
DO
位
16
DO1
输出
DO0
DO
位
17
YOUT0
操作值
PID0操作值
0-100
18
YOUT1
操作值
PID1操作值
0-100
3、通道连接
对于关联硬件的变量进行通道连接。
双击“A4017-[研华-4017]”，从而设置通道连接，如图2.2.22所示。
图2.2.22ADAM4017通道连接
直接在窗口“对应数据对象”列中把实时数据库定义的变量名写在这里。
对ADAM4024进行同样的设置，如图2.2.23所示。
图2.2.22ADAM4024通道连接
4、数据处理
由于ADAM4017测量的数据送到计算机是实数，指示电压或者电流值。
对于A3000系统，信号都是4-20毫安，或者2-10V的。
选择“数据处理”属性页，单击“设置”按钮。
如图2.2.23所示。
图2.2.23通道处理设置
选择工程转换，弹出设置窗口如图2.2.24所示，进行设置。
图2.2.24工程量转换
对于ADAM4024，进行类似的设置，这里不重复叙述。
2.3范例的操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写测试组态工程，和控制器联合调试完毕。
这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。
4、打开设备电源。
启动右边水泵P102和调节阀。
5、启动计算机组态软件，进入测试项目界面。
启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试
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