110303基于无线通信平台组态王温度PD控制系统主界面设计.docx
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110303基于无线通信平台组态王温度PD控制系统主界面设计
成绩评定表
学生姓名
王再胜
班级学号
1103020313
专业
测控
课程设计题目
基于无线通信平台组态王温度PD控制系统主界面设计
评
语
组长签字：
成绩
日期
201年月日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程
专业
测控技术与仪器
学生姓名
王再胜
班级学号
1103020313
课程设计题目
基于无线通信平台组态王温度PD控制系统主界面设计
实践教学要求与任务:
1）掌握电热炉温度控制的原理及方法。
2）掌握组态软件控制界面设计方法，设计合理的基于无线通信平台组态王温度PD控制系统主界面。
要求在课程设计报告中给出：
1）控制系统主界面截图。
2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。
3）分析存在的问题及解决方法。
工作计划与进度安排:
2014年11月10日—2014年11月14日
根据设计要求和内容查阅参考文献或资料，提出设计方案，进行原理设计。
2014年11月24日—2014年11月28日
根据设计方案，进行调试，测试，撰写课程设计报告，答辩。
指导教师：
2014年11月7日
专业负责人：
2014年11月7日
学院教学副院长：
2014年11月10日
摘要
随着社会经济的迅速发展，人们对温度的控制系统可靠性的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到温度控制领域，成为对温度系统的新要求。
温度控制系统集自控技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行温度控制可以提高供温度系统的稳定性和可靠性，方便地实现温度系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
本课题利用无线通信平台控制系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现温度控制系统设计。
通过对现场系统数据的采集处理，在组态王中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。
同时利用智能仪表控制系统，在所设计的组态王监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定。
最后向用户提供温度控制系统的动态运行结果。
关键词：
无线通信平台；温度；组态王；
1绪论
1.1课题研究背景
温度控制在电子、冶金、机械等工业领域应用非常广泛。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。
目前,仍有相当部分工业企业在用窑、炉等烘干生产线，存在着控制精度不高、炉内温度均匀性差等问题,达不到工艺要求，造成装备运行成本费用高，产出品品质低下，严重影响企业经济效益，急需技术改造。
近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，如:
职能化PD、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的技术改造服务。
在工业生产过程中，温度是最常见的过程参数之一。
在冶金、化工、电力、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求极高。
可编程控制器（PLC）是一种应用非常广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。
基于PLC的温度控制系统以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、能耗低等优点深受许多用户的青睐，在工业温度控制场合得到了广泛的应用。
同时，人机界面的出现可以使用户对控制系统进行全面监控，包括参数监测、信息处理、在线优化、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得简单易懂、操作人性化。
1.2课题研究意义
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前,我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规的PD控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟。
形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及我国现场调试来确定。
这些差距，是必须努力克服的。
随着我国加入WTO，我国政府及企业对此非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度仪表等工业得到迅速的发展。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势。
1.3设计内容及要求
本课题利用无线通信模块系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现温度控制系统设计。
要求通过对现场系统数据的采集处理，在组态王中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。
同时利用智能仪表控制系统，在所设计的组态王监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定，记录并分析控制结果。
最后向用户提供温度控制系统的动态运行结果。
无线通信网络，由于其特有的非线接通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区，油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。
尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通信网络的优势更为明显。
典型的无线通信网络分布控制系统如图1.1所示。
PC
COM口
232
无线模块
图1.1典型无线通信控制网络
2系统设计方案简介
系统设计方案包括无线通信模块，组态王界面，PD控制器，数据采集部分几个模块。
2.1无线通信模块设计简介
无线通信（WirelessCommunication）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
这一技术已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。
而且无线通信网络，由于其特有的非线接通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区，油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。
尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通信网络的优势更为明显。
设计主要包括：
a:
和温度控制箱的输入输出连接，采集温度控制箱的温度数据；
b:
和微机进行串口连接，使能够把采集到的温度数据显示在微机平台；
c:
进行调试，确定无线通信模块连线无误，确保数据采集误差小。
2.2组态王界面设计简介
组态王是运行于Windows98/NT/2000中文界面的人机界面软件，采用多线程，COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
目前组态王常用的版本为“组态王”软件包，它由工程浏览器,工程管理器和画面运行系统三部分组成。
在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造，定义外围设备等工作。
工程管理器内嵌入画面管系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。
画面的开发和运行是调用画面制作系统TouchMake”和工程运用系统“Touchview”来完成。
人机界面的设计，通过建立新的工程和画面，建立很直观的人机显示界面，能够很清楚操作和查看实时数据；监控界面的设计，通过实时趋势曲线和历史趋势曲线能够很清楚看到当前的温度变化趋势，达到一目了然的效果；报警系统设计，通过报警设计，能够了解控制系统可能出现的问题和情况，及时的调节可能出现的问题。
2.3PD控制器简介
控制器是一种应用广泛的自动控制器，又叫PD调节器。
P指偏差的比例D指微分，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”PD控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用很广泛的控制器。
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞（delay）后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.4数据采集部分的设计
大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。
然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。
由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。
在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。
由于COM技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。
在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。
同时，组态软件同样可以作为服务器为其他的应用系统（如MIS等）提供数据。
OPC现在已经得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等国外知名厂商的支持。
随着支持OPC的组态软件和硬件设备的普及，使用OPC进行数据采集必将成为组态中更合理的选择。
接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。
在测量温度时，测量体与被测介质接触，被测介质与测量体之间进行热交换，最后达到热平衡，此时测量体的温度就是被测介质的温度。
接触式测温的主要特点是：
方法简单、可靠、测量精度高。
但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到热平衡，因此产生了滞后现象。
同时测量体可能与被测元件产生化学反应；此外测量体还收到耐高温材料的限制，不能应用于很多高温度的测量。
具体的温度采集有如下步骤：
a:
连接烤箱，PT100，温度控制箱，完成连线后确认接口是否稳固，打开电源，准备加热；
b:
加热烤箱，使之温度达到一定的范围，使PT100能够采集到温度数据；
c:
把PT100放入烤箱，加热，使PT100能够有温度的变化，让无线通信模块能够很自然的采集到PT100的温度值变化信息，传送到微机平台。
3系统硬件设计
3.1温度自动控制实验箱连接
本设计的温度控制是由全隔离单向交流调压一体化模块TY-280D15P-220（双向硅控制电压）、电流源HF10W-D、温度控制仪表XMT602、数显表HB5135B组成。
其电路示意图如图3.1所示：
图3.1温度控制示意图
3.1.1温度控制箱主要部件说明
全隔离单向交流调压一体化模块TY-H380D15P-220是集随即型固态继电器、随机型SSR移相触发器和同步变压器（兼作模块内部电源变压器）于一体而成，其工作原理是：
在同步变压器的电压作用下（此同步电压在模块内部经整流后还作为模块工作电源）模块内部的移相触发器会根据控制电压的大小在输出端产生与电网电压同步的双倍电网频率的180°-0°范围内移相的宽脉冲，从而驱动随机型SSR，以达到移相调压的目的。
温度控制试验箱如图3.2：
图3.2温度控制试验箱
它的型号为TY-380D25P-220,其中TY表示单相调压模块，中间部分表示模块内部相应的随即型固态继电器型号即输出触点是曾强型或者普通型，电压、电流等级等，后面部分表示同步变压器初级电压。
该产品广泛运用于温度的自动控制，点击调速等场合。
本模块具有输入端与输出端光隔离，以便于实现弱电对强电的控制，由于输入端电压（0-5V）的高低变化实现对输出端负载功率的控制，输入阻抗搞，可直接通过数模转换器与计算机，数字程控电路接口，不必再外配电源同步电路，十分方便地实现了对输出端负载电压功率的无级调节，广泛用于照明设备，控温设备交流电机软启动，交流串波调速等功率自动调节场合。
其技术指标如下：
输出额定电压220VAC
输出额定电流10A-240A
输入控制信号0-5VDC
输出电压变化范围0-220VAC
输出端与底板间、输入与输出电路间介质耐压2500VACmin/50Hz
其内部电路如图3.3所示：
图3.3220Vac自动控制电路图
3.2温度传感器PT100
采用PT100作为温度传感器。
铂电阻温度传感器的特点是：
精度高，稳定性可靠。
铂电阻在氧化环境中，甚至在高温下的物理和化学性质都非常稳定。
因此铂电阻被公认为是目前制造热电阻的最好材料。
铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。
此外，还被广泛地应用于温度的基准和标准的传递。
铂电阻温度计是目前测温重复性最好的一种，其信号采集方式采用电桥。
由于热电阻安装的地方距离测量模块比较远，当环境的温度变化时其连接导线电阻也要变化。
因为它与热电阻Rt是串联的，也就是电桥臂的一部分，所以会造成测量误差。
采用三线制接线法就可以避免这种误差的产生，铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。
PT100的实物图如图3.4：
图3.4PT100温度采集设备图
3.3无线通信网络模块
无线通信控制网络由于其特有的非界限通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区、油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。
尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通讯控制网络的优势更为明显。
图3.5无线通信网络
牛顿模块（NUDAMMODULES）具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点，它被广泛地应用于工场、矿山、学校、车间等需要数据采集的场合。
每一单一的牛顿模块都是地址可编程的。
目前，采用无线通信技术的工控产品很多，有的采用RF调频通讯远离；有的采用扩频通信原理；根据发射功率的不同，无线通讯的距离也各不相同，也有很多公司开发出了应用于不同场合的无线数据传送模块，大大方便了无线通信测控系统的设计。
考虑到实验系统的要求及实际应用情况，本次设计选用了台湾威达（ICP）公司，是著名的工控产片研发和生产公司，其公司生产的工业控制计算机、数据采集卡和工控模块都是目前工控行业的主要产品。
尤其是工控模块产品，由于性价比高、组合使用方便，深受用户好评。
典型无线通讯网络分布式控制系统结构如下图3.6所示：
图3.6典型无线通讯网络分布式控制系统结构图
系统各部分说明如下：
（1）SST900EXT:
无线接收/发送模块，232/485接口；速率最高19.2Kbps；距离200M，加放大天线可达1KM,本设计系统速率设为9.6Kbps
（2）7012：
模拟量输入模块，16位隔离；485接口；地址设为2；电压输入0-10W对应0-10
图3.7牛顿-7012模块的原理框图
（3）7021：
模拟量输出模块，16位隔离；485接口；地址设为1；电压输出：
0-10对应0-10v。
图3.8牛顿-7012模块的原理框图
无线通信平台硬件总体连线图如图3.9所示
图3.9无线通信平台连线图
4系统软件设计
4.1组态王概述
组态王（Kingview）由北京亚控自动化软件有限公司开发的，该软件由中国科技大学学士、清华大学硕士林伟总设计，经数十位工程师历时五年开发成功，是最优秀的国产组态软件，居全国同类软件产销量第一。
组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。
应用组态王可以使工程师把精力放在控制对象上，而不是形形色色的通信协议、复杂的图形处理、枯燥的数字统计。
只需要进行填表操作，即可生成适合于用户的监控和数据采集系统。
可以在整个生产企业内部将各种系统和应用集成在一起，实现“厂际自动化”的最终目标。
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
（1）图形界面的设计
（2）构造数据库
（3）建立动画连接
（4）运行和调试
2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:
（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
4.2组态王人机界面设计
HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。
HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。
在本温度控制系统设计中，选择了组态王来完成监控画面的设计。
组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。
4.2.1新建工程和画面
从北京亚控公司的主页上下载了组态王6.5.3演示版，安装好以后。
双击桌面图标，打开工程管理器，建立工程。
如图4.1所示，最下面的一行是新建的工程，工程名称为“组态王”。
图4.1新建组态王工程
图4.2新建组态王画面
4.2.2监控主界面
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，把开关、温度仪表、闹钟直接拖进开发页面，再利用工具箱做好“开始”和“停止”按钮以及温度显示、设定画面、报警窗口等按钮。
完整的主界面如图5-3所示。
运行组态王后，点击“开始”按钮，开关变绿色，系统开始运行，目前温度值下面的方框和仪表上都显示当前温度值，闹钟上显示当前日期。
点击“设定画面”会进入参数设定画面，点击“报警窗口”会进入报警画面，实时趋势曲线和历史趋势曲线也是一样。
点击“停止”按钮，系统运行结束，同时开关变红色。
如图4.3。
图4.3监控主界面
4.2.3实时趋势曲线
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图4.4所示的实时趋势曲线画面。
系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温度值。
点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。
如图4.4。
图4.4实时趋势曲线
4.2.4历史趋势曲线
打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，双击“历史曲线”把它放进开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图4.5所示的历史趋势曲线画面。
系统运行时，画面上会记录某段时间内设定温度值和当前温度值的变化曲线。
点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。
如图4.5。
图4.5历史趋势曲线
4.2.5报警窗口
打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。
最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5.6所示的报警窗口画面。
系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。
此项目中设置当前温度低于90度时，“报警类型”栏显示当前温度偏低。
当前温度超过105度时，“报警类型”栏显示当前温度偏高。
图4.6报警窗口显示
4.3组态王变量设置
打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、“Td”、“采样时间”等变量。
其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和无线通信模块之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。
寄存器和数据类型要与程序中一致，否则组态王就不能起到监控作用了。
比如“设定稳定”的寄存器为v68,数据类型为float。
“当前稳定”的寄存器为v60,数据类型为float。
下面以当前温度设置为例来说明变量设置的步骤和方法。
图4.7为变量“当前温度”基本属性设置图，变量类型设置为I/O实数，连接设备为无线通信模块，寄存器为v60，数据类型是float。
图4.7当前温度值设定
图4.8为变量“当前温度”报警定义设置图，设置了当前温度低于60度时，报警当前温度太低。
当前温度在60度到90之间时，报警当前温度偏低。
当前温度大于105时，报警当前温度偏高。
图4.8当前温度报警设置
图4.9为变量“当前温度”记录和安全区设置图，设置“记录”为数据变化记录，变化灵敏度设为1.这个主要是为历史趋势曲线服务的，若不设置这个，往往历史趋势曲线就出不来或者效果很差。
图4.9当前温度设置和安全区设置
4.4动画连接
打开主界面，双击“开始”按钮，出现如图4.10的动画连接画面。
在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图4.11所示的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。
这样，点击“开始”后，系统就开始运行，此按钮就相当于PLC硬件图中的绿色启动开关。
“停止”按钮的动画连接设置类似。
4.10动画连接
打开主界面，双击目前温度值下面的框，出
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