基于LabVIEW與PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收稿日期:2004-03-19作者簡(jiǎn)介:謝建君(1962-,男,湖南岳陽(yáng)人,副教授,主要從事自動(dòng)化教學(xué)與科研工作?；贚abVIEW與PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)謝建君,王洪猛,徐春梅(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北武漢430072摘要:詳細(xì)介紹了采用RS232串口完成LabVIEW與PLC之間通訊,并利用該方法,設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW與PLC的串級(jí)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:控制系統(tǒng)已達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。關(guān)鍵詞:LabVIEW;PLC;串級(jí)控制;串口通訊中圖分類(lèi)號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):100020682(20050220054203ThedesignofacascadecontrolsystembasedonLabVIEWandPLCXIEJian2jun,WANGHong2meng,XUChun2mei(PowerandMechanicalEngineeringSchoolofWuhanUniversity,HubeiWuhan430072,ChinaAbstract:ThisarticlediscussesanapproachtotherealizationoftheRS232serialtransferbetweenLab2VIEWandPLC.TheapproachisusedtodesignacascadecontrolsystembasedonLabVIEWandPLC.There2sultofexperimentsshowsthatasatisfactorysolutionisreached.Keywords:LabVIEW;PLC;cascadecontrol;serialtransfer在過(guò)程控制中,由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常分散,I/O點(diǎn)數(shù)眾多,各種儀表的工作環(huán)境非常惡劣,采用數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制顯然不可取。考慮到過(guò)程控制中的過(guò)程參數(shù)變化不是很快,而PLC恰恰可以克服數(shù)據(jù)采集卡在過(guò)程控制中的不足,并且具有較高的性能比,因而采取以PLC為下位機(jī),以裝有LabVIEW軟件的工控機(jī)為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái),通過(guò)RS232或RS485串口與PLC通訊,實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析。這樣可以利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和良好的人機(jī)交互環(huán)境通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的SCADA功能。1系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)室中的雙容水箱對(duì)象為例來(lái)構(gòu)建基于LabVIEW與PLC的過(guò)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用OMRON公司C200HG系列的PLC為下位機(jī),用RS232型電纜將HOSTLINK模塊直接連到裝有LabVIEW的工控機(jī)的串口上。2PLC與上位機(jī)連接系統(tǒng)的通訊上位機(jī)與PLC之間的通信實(shí)際上是計(jì)算機(jī)與圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PLC通信模塊HOSTLINK之間交換命令和響應(yīng)的過(guò)程。上位機(jī)具有初始傳送優(yōu)先權(quán),所有通訊均由上位機(jī)啟動(dòng),不需要PLC編寫(xiě)通信程序,HOSTLINK能夠?qū)ι衔粰C(jī)發(fā)送來(lái)的字符串進(jìn)行分析,檢查數(shù)據(jù)格式,分析指令代碼,然后根據(jù)指令代碼進(jìn)行相應(yīng)的操作,并向上位機(jī)發(fā)出響應(yīng)信號(hào)。通知上位機(jī)已完成或反映通信的錯(cuò)誤,如奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、FCS錯(cuò)誤、代碼錯(cuò)誤等。在一次交換中傳輸?shù)拿罡袷胶蛻?yīng)答數(shù)據(jù)稱之為一幀。命令幀要通過(guò)用戶編寫(xiě)的上位機(jī)通訊程序?qū)崿F(xiàn),PLC的上位鏈(HostLink單元會(huì)根據(jù)上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令幀自動(dòng)生成響應(yīng)幀返回給上位機(jī)。211命令幀格式上位機(jī)命令格式如下:@節(jié)點(diǎn)號(hào)識(shí)別碼正文…FCS3回車(chē)其中@表示一幀的開(kāi)始。節(jié)點(diǎn)號(hào)是上位機(jī)按該號(hào)來(lái)識(shí)別PLC。識(shí)別碼是含有兩個(gè)字符的上位機(jī)鏈接命令代碼,它表示上位機(jī)要對(duì)PLC進(jìn)行何種操作,其識(shí)別碼的含義見(jiàn)文獻(xiàn)[4]?！罢摹卑ㄆ鹗甲趾妥?jǐn)?shù),起始字指的是要讀寫(xiě)通道的起始地址,字?jǐn)?shù)是指要讀寫(xiě)的通道個(gè)數(shù)。FCS設(shè)置兩個(gè)字符幀檢查順序碼,FCS碼由上位機(jī)計(jì)算,并設(shè)置在命令幀里。它主要是用來(lái)保證在傳送一幀數(shù)據(jù)時(shí),在終止符前安排一個(gè)FCS碼,以檢查在傳送數(shù)據(jù)時(shí),是否發(fā)生錯(cuò)誤。FCS碼的具體算法是:從一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始到幀正文結(jié)束(FCS之前所有數(shù)據(jù)字符的ASCII碼執(zhí)行“異或”操作的結(jié)果,此結(jié)果是一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù),然后分別把其高4位和低4位轉(zhuǎn)換成兩個(gè)16進(jìn)制數(shù)并看成ASCII碼。終止符是“3”,“回車(chē)”符表示命令的結(jié)束。212應(yīng)答幀格式應(yīng)答幀是由PLC自動(dòng)返回的,其應(yīng)答格式如下:@節(jié)點(diǎn)號(hào)識(shí)別碼結(jié)束碼正文…FCS3回車(chē)其中“結(jié)束碼”是兩位16進(jìn)制數(shù),它是PLC返回給上位機(jī)的通訊錯(cuò)誤代碼,其中00表示通訊無(wú)錯(cuò)誤,不同錯(cuò)誤代碼的含義可參考編程手冊(cè)。“正文”中每4位16進(jìn)制表示一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。213LabVIEW與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)(1PLC上位機(jī)鏈接設(shè)置采用RS232C端口時(shí),需要置DM6645的12~15位為0,PLC的節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置在DM6648的00~07位。文中采用OMRONC200PLC的默認(rèn)設(shè)置。即在CPU的DIP開(kāi)關(guān)J腳置OFF的情況下,PLC與上位機(jī)之間采用如下參數(shù)進(jìn)行通訊:啟動(dòng)位:1位;數(shù)據(jù)長(zhǎng)度:7位;停止位:2位;奇偶校驗(yàn):偶校驗(yàn);波特率:9600b/s。(2LabVIEW中串口通訊的步驟LabVIEW共有5個(gè)串行通訊節(jié)點(diǎn),包括初始化端口(SerialPortInit.vi、串口寫(xiě)(SerialPortWrite.vi、串口讀(SerialPortRead.vi、檢測(cè)串口輸入緩存中的字節(jié)數(shù)(BytesatSerialPort.vi、串口中斷(SerialPortBreak.vi等功能,各個(gè)節(jié)點(diǎn)端口參數(shù)表見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。在LabVIEW的程序中可采用下列步驟實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通訊:①初始化串口,設(shè)置雙方通訊的端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等;②把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按PLC命令幀的格式打包,包括計(jì)算幀校驗(yàn)序列FCS;③寫(xiě)端口,把整個(gè)命令幀發(fā)送到串口;④延時(shí)等待PLC的應(yīng)答幀到達(dá)串口;⑤讀串口,讀取PLC的應(yīng)答幀;⑥把讀取的應(yīng)答幀解包,讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。(3LabVIEW中串口通訊的實(shí)現(xiàn)①初始化串口,按照PLC串口通訊的要求,通過(guò)SerialPortInit.vi節(jié)點(diǎn)設(shè)定,端口號(hào)設(shè)為0,即設(shè)定上位機(jī)的串口COM1與PLC通訊,若設(shè)其他串口,端口號(hào)依此類(lèi)推;波特率設(shè)為9600b/s;數(shù)據(jù)位為7位;停止位設(shè)定為2位;奇偶校驗(yàn)設(shè)定為2,即對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行偶校驗(yàn)。②對(duì)PLC數(shù)據(jù)幀計(jì)算FCS并把數(shù)據(jù)幀打包,其子程序如圖2所示:圖2計(jì)算FCS和打包子程序第0步為計(jì)算幀校驗(yàn)序列FCS程序;第1步為數(shù)據(jù)幀打包程序。在編程時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1對(duì)于長(zhǎng)度為n的字符串,要進(jìn)行n-1次“異或”,因此循環(huán)次數(shù)應(yīng)為n-1;2利用循環(huán)結(jié)構(gòu)的移位寄存器對(duì)每個(gè)字符的ASCII碼進(jìn)行“異或”時(shí),要對(duì)左側(cè)的移位寄存器進(jìn)行初始化[3]。在系統(tǒng)中,由于任何一幀數(shù)據(jù)都是以“@”開(kāi)始,因此程序中采用“@”的ASCII碼來(lái)初始化左側(cè)的移位寄存器;3在For循環(huán)與循環(huán)外部的數(shù)據(jù)交換通道采用無(wú)索引(DisableIndexing形式,這樣就可在循環(huán)結(jié)束后一次性讀取FCS的數(shù)值;4由于數(shù)據(jù)幀中FCS的數(shù)字是字符型的,要通過(guò)“NumberToHexadecimalString”這個(gè)節(jié)點(diǎn)把整型表示的FCS數(shù)值轉(zhuǎn)換成2個(gè)以16進(jìn)制表示的ASCII碼字符;5程序中的“13”是回車(chē)符ASCII碼數(shù)值。③對(duì)串口的發(fā)送與接收及解包程序數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收主要是通過(guò)串口寫(xiě)、串口讀節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在寫(xiě)串口完成后要延時(shí)一段時(shí)間(如延時(shí)250ms后再讀串口,這樣才能保證串口通訊正常進(jìn)行。解包程序與打包程序類(lèi)似,其過(guò)程正好相反。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序如圖3所示。圖3數(shù)據(jù)收發(fā)子程序3系統(tǒng)的分析及方案設(shè)計(jì)311系統(tǒng)分析通過(guò)作雙容水箱上升階躍,采用LabVIEW的波形顯示控件可得到一條與“S”型相近的響應(yīng)曲線,可用一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延近似表示其傳遞函數(shù):W(S=H2(SQ1(S=31361+4127Se-4153S由于τ/T=1106>1,故系統(tǒng)遲延較大[4],且動(dòng)態(tài)特性存在非線性。經(jīng)分析,動(dòng)態(tài)特性的非線性主要是由于變頻器及水泵的非線性造成的。在采用單級(jí)PID控制時(shí),由于系統(tǒng)遲延較大,在水箱B出現(xiàn)正偏差、降負(fù)荷的初級(jí)階段,水箱A中的水位值已經(jīng)開(kāi)始下降,但水箱B中的水位繼續(xù)上升,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差;基于上述現(xiàn)象的存在,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)一種近似等幅振蕩狀態(tài)。因而系統(tǒng)不宜采用單級(jí)PID控制。312系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)分析,采用串級(jí)控制系統(tǒng)可以改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,提高系統(tǒng)的工作頻率;對(duì)負(fù)荷的變化具有一定的自適應(yīng)力;適用于非線性對(duì)象[1]。故采用串級(jí)控制方案,其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖4串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器是在LabVIEW中用公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的,整個(gè)串級(jí)控制算法為[1]:e1(k=r1-y1(kΔu1(k=αe1(k-βe1(k-1+γe1(k-2u1(k=u1(k-1+Δu1(ke2(k=u1(k-y2(ku2(k=kp2e2(k其中:α=Kp+KpT0Ti+KpKdT0β=Kp+2KpKdT0γ=KpKdT0Kp、Ti、Kd分別為調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間。在整個(gè)串級(jí)控制中,把整個(gè)控制對(duì)象分為導(dǎo)前區(qū)(水箱A和惰性區(qū)(水箱B,其中副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除系統(tǒng)內(nèi)擾,以及克服變頻器及水泵在系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)對(duì)水位測(cè)量值的影響,起粗調(diào)作用,故采用P調(diào)節(jié)規(guī)律;而主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是維持水箱B水位的穩(wěn)定,采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊DA004是12位的,所能接收最大數(shù)字量為OFFF(即4095,這時(shí)在主調(diào)節(jié)器積分的作用下,在整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)、停止或給定值變化幅度較大時(shí),由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)很大的偏差,在積分作用下,整個(gè)調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)入深度飽和狀態(tài),產(chǎn)生積分飽和[1],使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩。在控制程序中采用積分分離的PID算法。在偏差大于某一值M時(shí),主調(diào)節(jié)器采用PD控制,在水位測(cè)量值接近給定值時(shí),采用PID控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5。(下轉(zhuǎn)第25頁(yè)下控制的結(jié)果。圖4PID解耦控制的響應(yīng)曲線圖5DRNN解耦控制的響應(yīng)曲線仿真結(jié)果表明:采用了DRNN算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定后,控制結(jié)果的動(dòng)靜態(tài)特性得到了明顯的改善。靜差消失,超調(diào)減少,調(diào)節(jié)時(shí)間也減少很多。因此,DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于球磨機(jī)的出口溫度和入口負(fù)壓控制系統(tǒng)是可行的。4結(jié)論在球磨機(jī)控制系統(tǒng)中,由于出口溫度和入口負(fù)壓這一兩輸入兩輸出的系統(tǒng)存在一定的耦合性,因而采用了加入解耦補(bǔ)償?shù)腜ID控制策略,同時(shí)利用DRNN網(wǎng)與PID控制器相結(jié)合,對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定。這種控制策略在不需進(jìn)行精確建模的情況下,通過(guò)自身的訓(xùn)練和學(xué)習(xí),不僅實(shí)現(xiàn)了多變量系統(tǒng)的解耦控制,而且還使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力,仿真實(shí)驗(yàn)也表明方法是有效的。參考文獻(xiàn):[1]朱賜英1300MW機(jī)組鋼球磨煤機(jī)出口溫度的控制方式[J].電力建設(shè),1999,(9:43-45.[2]姚剛,周洪,李崇晟.球磨機(jī)神經(jīng)元解耦控制系統(tǒng)[J].東北電力技術(shù),2000,(2:6-9.[3]王東風(fēng).制粉系統(tǒng)球磨機(jī)的模型算法解耦控制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2002,(1:23-25.[4]彭鋼.熱工PID算法的適應(yīng)性與局限性分析[J].河北電力技術(shù),1997,6(16:97-99.[5]王東風(fēng),宋之平.基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的制粉系統(tǒng)球磨機(jī)負(fù)荷軟測(cè)量[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,(12:6-8.(上接第56頁(yè)圖5串級(jí)控制下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線4小結(jié)以PLC為下位機(jī),以LabVIEW為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái),利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)分析能力并通過(guò)LabVIEW與PLC之間的串口通訊,組成了完整的串級(jí)控制系統(tǒng),試驗(yàn)表明,調(diào)節(jié)后水位的波動(dòng)范圍在±1mm范圍內(nèi),而且作系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)