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摘 要：给出了基于力控PCAuto组态软件的电加热炉监控系统的设计与实现。在该监控系统中，使用研华ADAM4000系列模块实现数据采集与通信，采用抗积分饱和PID控制算法对电加热炉温度进行控制。实验结果表明，该监控系统达到了预期的要求，并取得了良好的监控效果。
关键词：监控系统 组态软件 电加热炉
引言
随着工业自动化水平的迅速提高和计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
目前世界上组态软件的品种繁多，国外产品有美国Wonderware公司的InTouch、美国Intellution公司的iFIX等，国内产品有三维力控、组态王、MCGS等。国外组态软件虽然功能强大但价格高，而国产组态软件吸收了国外软件的优点，在功能上可以和国外组态软件相媲美，而且还具有符合国人思维习惯的中文菜单，性价比高。本文以电加热炉对象为例，利用三维力控PCAuto组态软件设计开发了一个小型的监控系统，并应用于教学实践。
1 力控PCAuto软件
力控PCAuto软件是对现场生产数据进行采集和过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和间接的工程实践方法，用户只要将其预设置的各种软件模块进行简单的组态，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能。
PCAuto软件具有功能强大的图形开发环境Draw，采用面向对象的图形技术，创建动画式的人机界面系统及高可靠性快速的图形界面运行系统View，用来运行Draw创建图形窗口。先进的分布式实时数据库DB是整个应用系统的核心模块，负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理及完成与过程的双向通信[1]。
2 系统设计
2.1 硬件组成
本监控系统主要对一个小型的电加热炉过程控制实验装置的温度I/O点的数据进行实时采集和监控，其系统结构图如图1所示。该系统主要是由装有力控PCAuto软件的工控机和研华ADAM系列数据采集控制模块组成。ADAM系列模块是一种内置微处理器、传感器的智能化设备，主要有ADAM4000系列和ADAM5000系列两种。本实时监控系统中用到的ADAM4000系列模块有模拟量输入模块ADAM4018采集温度信号、数字量模块ADAM4024输出控制电压和通信模块ADAM4520实现与上位机的数据通信。 （图片）
图1 监控系统的结构图 2.2 软件设计
2.2.1 软件组态
基于力控PCAuto组态软件的设计与实现主要包括以下几个步骤：画面创建、动画连接、I/O设备设置、创建实时数据库、数据连接。
① 画面创建
根据本系统的特点，设计了实时控制主画面、系统结构原理画面、实时曲线画面、历史曲线画面和历史报表画面。实时控制主画面如图2所示，主要包括了系统开关、自动/手动控制电加热炉的温度、预定温度的设定、炉温实时温度的显示、手动控制时控制量大小的设定、自动控制时PID控制器参数的设定等。系统结构原理画面如图3所示，说明了系统的控制原理以及数据的传输的方向，以便于更好地了解电加热炉监控系统的控制流程。实时曲线画面和历史曲线画面用于显示被测量、被控量以及设定值的实时与历史变化趋势，以便于操作人员了解被测量、被控量等的变化，从而更好地对监控过程进行分析、研究等。历史报表画面提供了一种浏览和打印历史数据的工具，还可以利用PCAuto软件子图中的DB_ODBC.dll把历史报表中的数据导入到Excel文件，进行对数据的离线分析研究。（图片）
图2 实时控制主画面 （图片） ② 动画连接
动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。建立了连接后，在监控系统运行时，根据变量或表达式的数据变化，图形对象改变其颜色、大小等外观，文本会进行动态刷新。这样就将现场真实的数据反映到计算机的监控画面中，从而达到监控的目的。
③ I/O设备设置
I/O设备设置是指对包括应用程序的“软件设备”和现场数据采集交换的硬件设备在内的广义上I/O设备的驱动程序进行配置，使其与组态软件建立通信，构成一个完整的系统。在被监控系统中，分别对ADAM4018、ADAM4024模块进行了设备名称的定义、地址的分配、通信方式的选定等操作。
④ 创建实时数据库
实时数据库（DB）是整个监控系统的核心。它负责整个系统的实时数据处理和历史数据的存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理，完成与过程数据采集的双向数据通信。在本系统中，经过创建点参数、定义I/O设备、数据连接等几个步骤便可完成数据库的创建。
2.2.2 实时控制算法
PID控制是最早发展起来的工业过程控制方法，也是应用最为广泛的控制策略之一，它所涉及的设计算法和控制结构非常简单，易于参数调整。为了避免因积分饱和而导致执行机构达到极限位置，本文采用抗积分饱和PID控制算法[2]。该控制算法的思路是，在计算PID控制器输出时，首先判断上一采样时刻的控制量()ku()1−ku是否已超出限制范围：如超出限制范围，则只累积负误差；否则只累计正误差。这个算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。（图片）
图4 抗积分饱和PID控制程序 该控制算法可以通过力控控制策略生成器的现有模块实现，也可以通过在“应用程序动作”里编程实现。本文是通过编写程序来实现的，程序如图4所示。通过适当调整配合抗积分饱和PID控制器比例系数、积分系数、微分系数等三个参数，就可以使系统快速、平稳、准确，获得满意控制效果。图5为电加热炉温度曲线效果图（通过DB_ODBC.dll把历史数据导入到Excel文件，经Matlab离线分析）。（图片）
图5 温度曲线 3 结束语
利用力控PCAuto组态软件所设计的监控系统，可以很好地对电加热炉的温度状态进行监控，而且人机界面友好，操作简单；并采用抗积分饱和PID控制算法，实现了对电加热炉温度的自动控制，取得了良好的控制效果。
力控PCAuto组态软件简单易学，画面制作简单，动画连接方便；利用控制策略生成器可以方便的实现控制组态；而且自带实时数据库，不需要用户自己建立数据库，所以说力控PCAuto组态软件具有简单易学、省时有效、功能强大等优点。
参考文献
1 孙日升，孙自强.力控组态软件在网络虚拟实验室中的应用[C]//第七届工业仪表与自动化学术会议论文集, 2006:238-240.
2 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.
12/31/2010
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