基于LabVIEW的过程控制实验平台开发

李 哲，邓小刚，曹玉平，王 平，杨明辉，刘 宝

基于LabVIEW的过程控制实验平台开发

李 哲，邓小刚，曹玉平，王 平，杨明辉，刘 宝

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 青岛 266580）

基于LabVIEW开发了A3000的实验平台，以进行虚拟仿真控制和实时通信控制实验教学。建立了A3000水箱系统的机理模型，完成了调节阀、变频泵和水箱特性等重要参数的测量和辨识，建成流量调节阀单回路控制、双容串级控制、下水箱前馈反馈控制、比值控制和扩展范围的分程控制等5个控制仿真实验平台。平台采用模块化设计，通过OPC server与实际A3000装置进行通信，实现了实时控制。

过程控制；实验平台；LabVIEW；OPC server；A3000过程装备

过程控制实验是高校相关专业的综合设计性大实验。通过该实验，使学生认识传感器和数据采集模块的工作原理，理解和掌握系统的工作过程，提高解决工程实际问题的能力[1-2]。A3000是高校普遍采用的过程控制实验设备，它有独立的控制对象和完整的数据采集系统，有电动调节阀和变频泵两个执行器。A3000应用于实验教学，能够通过硬件实际操作、数据处理和控制参数调整，使学生进一步理解和掌握过程控制思想[3]。然而实验室A3000设备的软件环境没有仿真功能且操作复杂，难以满足专业培养和创新型训练的高要求。由于实验中调节时间长，学生往往无法在课内完成实验内容。

LabVIEW是图形化的编程语言，具有开发效率高、界面友好、扩展性强等特点[4]。根据过程控制实验教学的要求，利用LabVIEW开发了基于A3000水箱对象的实验平台。该平台分为虚拟仿真控制平台和实时通信控制平台两部分。虚拟仿真控制平台使学习者在没有控制装置的情况下，行进预习、验证和应用，通过仿真操作和设计，在观察现象、分析系统响应的过程中强化对控制理论的理解，提高学习者的积极性和主动性。实时通信控制平台的作用是在仿真训练的基础上，提高学生的动手能力和现场应变能力。二者相辅相成，为学生提供良好的过程控制训练平台。

1 被控对象机理建模及重要参数辨识

1.1 机理分析及建模

A3000过程控制实验装置是过程控制实验室的常见实验装置，广泛应用于高校的控制类实验教学，可以完成测量仪表、自动控制原理、过程控制原理等课程的实验教学[5]。A3000实验装置包括水箱系统和温度系统，本文主要对A3000水箱系统进行机理建模分析。

A3000水箱系统包括4个水箱：上水箱为卧式圆罐型，具有较为典型的非线性特性；中水箱和下水箱物理特性相同，可用于实施串级控制等先进控制算法。系统底部有一个储水池，实现实验中的水循环利用。系统包括2个流体支路：支路1利用变频泵从底部储水箱获取流体，经换热器注水到3个水箱，支路2的流体经工频泵、电动调节阀至各个水箱。实验装置的测控系统包括5个温度测量点、1个压力测量点、2个流量测量点、1个电动调节阀和2个电磁阀[3]。

机理建模中忽略管路的动态特性，所有手动阀门仅考虑开、关两种状态。对系统上、中、下3个水箱进行机理分析，根据各自的机理关系建立数学模型。3个水箱均可以看作单容自衡对象，根据水介质流入流量与流出流量平衡原理，可设计出3个水箱液位控制的模型。

上水箱液位控制的机理模型为：

式中：1为上位水箱的横截面积、为上位卧式圆型水箱的长度、1为水箱液位高度、圆柱水箱侧面的半径，1为上水箱隔板的阀阻系数。

中水箱液位控制的机理模型为：

式中：2为中位水箱的底面积、2为中位水箱的液位高度，2为中位水箱隔板的阀阻系数。

下水箱液位控制的机理模型为：

式中：3为下位水箱的底面积、3为下位水箱的液位高度，3为下位水箱隔板的阀阻系数。

1.2 参数测量及辨识

机理模型中的未知参数可以通过测量和辨识得到，主要包括水箱物理参数的测量和调节阀、变频泵的流量系数以及隔板的阀阻系数。现场测得上位卧式圆型水箱的底面半径为0.14 m、长度为0.34 m，水箱中液位的最大高度可以为0.21 m；中位水箱和下位水箱物理特性相同，底面积为0.178 6 m2，水箱中液位的最大高度为0.21 m。

参数辨识主要是通过大量的测试数据绘制特性曲线。本文采用分段直线法拟合各流量特性关系。以调节阀为例，得到的实验曲线如图1所示，分段拟合关系如式（8）所示。变频泵的流量特性和隔板的阀阻系数以同样的方式获得。

2 基于LabVIEW的过程控制实验平台开发

LabVIEW是一种图形化软件开发环境，不需要过多的高级语言基础，利用其内在模块库中丰富的数学运算和图形界面模块，开发者即可高效开发出仿真软件人机接口界面，因此被广泛应用于各工业领域和学术研究[6-9]。A3000水箱系统虚拟仿真平台开发主要是前台交互界面开发和后台程序框图设计。交互界面主要用于工艺流程展示、控制器参数设置，程序框图实现装置数学模型的仿真运行。

2.1 界面开发

虚拟仿真界面主要包括介绍、操作、返回3个选项卡界面。采用Visio绘制控制流程图，并将相关说明加入“介绍”界面，方便学习者掌握相关工艺流程和控制策略；采用DCS组态软件绘制出A3000装置的工艺流程图，作为“操作”界面的背景图。上述图片是静态背景，为学习者提供直观提示和学习辅助。利用LabVIEW控件面板建立动态图形元素，使界面变量与后台数据连接并动态变化。动态图形元素包括液罐控件、开关控件、文本控件、数值输入控件、趋势显示控件等。依照上述步骤，在前面板中依次插入对所需要的控件，分别设计各个控制策略的前面板。单回路控制操作界面如图2所示。

图2 单回路控制操作界面

2.2 程序框图设计

程序框图的设计与工艺流程相对应，将while循环结构作为整个系统的运行条件。不同控制策略和三容水箱的各个模块都在while循环中编写并配置相应连接条件；主要单元设备和控制器的仿真程序以公式节点的方式添加在整个while循环中。

图3为串级控制设计案例。在while循环中添加2个条件结构，分支选择器与控制方式选项相连，图中正反作用4控件是主调节的选项控件，含手动和串级两个选项，图中正反作用5控件为副调节的选项控件，含有手动、自动和串级3个选项。当主调节选择手动项时，副调节可以选择手动控制和自动控制；当主调节和副调节中有一个选项控件选择串级时，两个选项控件将自动同时选择串级控制选项，即整个水箱系统进入串级控制。

串级控制时，主调节与副调节编写控制器的程序模块，相应输出与输入u0、输出e0与输入e1、输出e1与输入e2通过移位寄存器相连，、、参数和采样间隔与相应的控件相连，主调节的输出即MV1作为副调节的设定值输入，即与SV2相连输入到副调节的SV，副调节的输出控制调节阀调节液位达到串级控制的效果。

手动控制时，相应水箱模块的输出连接变量PV，给定值控件连接SV变量，通过单阀来调节控制两个水箱的液位。可以将两个水箱视为一个整体，调节阀MV2与调节阀输入相连，手动确定调节阀的输入值，进行两个水箱液位的调节，此时SV与PV相等。主调节手动时，副调节可以选择自动，此时调节方式与单回路PID调节方式相同。在此基础上编程实现手动、自动和串级的无扰动切换。程序框图编制完成后，结合前台界面进行联合调试，最后即可形成实验室A3000装置水箱系统的虚拟仿真平台。

图3 串级程序框图设计

2.3 基于OPC server通信方式的实时控制

OPC（OLE for process control）是一种利用微软的COM/DCOM技术来达成自动化控制的协定[10]。OPC通信技术广泛应用与工业通信领域[11-12]。硬件厂商提供的OPC Server接口，软件开发者可直接自硬件端取得所需的信息。LabVIEW仿真软件通过OPC Server通信方式与实验室的A3000过程控制实验装置进行通信，进而实现过程控制实验的实时控制。

配置方法如下：首先安装DCS数据记录与监控模块；然后将本地机与采集系统设置成相同的网段，启动本机服务中的NI变量引擎服务；最后设置合适的采集速率。打开LabVIEW新建项目，新建I/O server，选择DCS系统组态的OPC Server，再创建绑定变量，添加所需要读写的所有的变量。在相关的控制实验中，右击函数选板，选择其中的共享变量控件，设定它的读写属性，对新的共享变量进行读写操作，进而完成控制实验的实时通信设计，如图4所示。

图4 实时控制程序框图

3 结语

过程控制实验平台的开发，实现了虚拟仿真实验和实时通信控制实验。通过友好的操作界面，可随时进行参数调整和算法验证，便于学生自主学习。LabVIEW平台函数节点式的仿真开发方式，保证了系统的可扩展性，方便广大师生在课外进行创新型实验和先进算法验证，有助于学生创造性思维和工程实践能力的提高。该平台弥补了传统A3000过程控制实验装置的不足，丰富了自动化、控制理论及控制工程等相关专业的过程控制工程及先进控制等课程实验的教学方法。

[1] 艾红.自动化专业过程控制方向教学与实践探讨[J].实验技术与管理，2014, 31(6): 219–222.

[2] 王茜，陈国达，李孝禄.基于Matlab的过程控制系统仿真实验设计[J].实验技术与管理，2017, 34(2): 119–123.

[3] 邓晓刚.过程控制实验装置的机理建模与虚拟仿真软件开发[J].实验室研究与探索，2015, 34(10): 99–103.

[4] 王咏宁，毛多鹭.基于LabVIEW的微机原理实验辅助学习平台[J].现代电子技术，2015, 38(18): 33–35.

[5] 麦雪凤.基于A3000过程控制装置的智能控制系统[J].化工自动化及仪表，2013, 40(6): 706–709.

[6] 刘凯，初光勇，黄海松.基于LabVIEW的温度控制系统设计研究[J].现代电子技术，2017, 40(18): 164–167.

[7] 谢志远，韩思思，胡正伟，等.基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台设计[J].现代电子技术，2017, 40(14): 144–148.

[8] 穆欣荣，张志杰，杨文杰，等.基于LabVIEW的压力传感器动态性能修正[J].现代电子技术，2017, 40(8): 141–144.

[9] 邓晓刚，于佐军.连续搅拌反应釜机理建模与开放式虚拟仿真系统开发[J].实验技术与管理，2016, 33(1): 114–117.

[10] 殷海峰. OPC数据存取服务器与虚拟DCS模型库研究与开发[D].北京: 华北电力大学（北京），2016.

[11] 田茂琴. OPC数据访问服务器研究与应用[J].现代电子技术，2015, 38(21): 72–75.

[12] 王帅，胡毅，何平，等.基于OPC技术实现西门子数控系统的数据采集[J].组合机床与自动化加工技术，2016(4): 69–71.

Development of process control experiment platform based on LabVIEW

LI Zhe, DENG Xiaogang, CAO Yuping, WANG Ping, YANG Minghui, LIU Bao

(School of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Based on LabVIEW, a process control experiment platform for A3000 is developed, which can realize virtual simulation control and real-time communication control. The mechanism model of A3000 water tank system is established, and the measurement and identification of important parameters such as regulating valve, frequency conversion pump and tank characteristics are completed. Five control simulation platforms are built, which includes single loop control of flow regulating valve, double capacitor cascade control, feed forward and feedback control of sewer tank, ratio control and split-range control of extended range. The platform adopts modular design, communicates with the actual A3000 device through OPC server, and achieves real-time control.

process control; experiment platform; LabVIEW; OPC server; A3000 process equipment

TP277；G484

A

1002-4956(2019)07-0134-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.032

2018-11-05

国家自然科学基金项目（61403418，41674125）；山东省自然科学基金项目（ZR2014FL016，ZR2016FQ21）；山东省重点研发计划项目（2018GGX101025）；山东省教改项目（SDYC15037）；中国石油大学（华东）实验教改项目（SZ201813）

李哲（1981—），女，辽宁铁岭，硕士，高级实验师，主要研究方向为软测量建模、数据挖掘和储层参数预测.E-mail: lizhe@upc.edu.cn