第31卷第5期 西南大学学报(自然科学版) 2009年5月Vol 131 No 15Journal of Sout hwest University (Nat ural Science Edition )May 2009文章编号:1673-9868(2009)05-0168-04
廖育武, 刘克非, 胡家勤
襄樊学院物理与电子信息技术系，湖北襄樊441053
摘要：以组态软件为平台，通过PL C 构建了一个分布式温度自动控制系统，实现对现场温度的自动控制.按大林算法设计温度调节器，并对其控制特性进行了分析，给出了控制结果.借助组态软件良好的人机界面，完成温度的动态显示和实时温度曲线的记录，同时使系统数字化，智能化，网络化，并实现远程控制. 关 键 词:PL C ；组态软件；大林算法；远程控制
中图分类号:TP273文献标识码:A
在许多工矿企业的生产中，由于被控对象模型的不确定性，参数随时间的漂移以及含有纯滞后环节，如果要求控制系统的输出值是最少拍内到达稳态，不但不能达到预期的效果，反而会产生较大的超调和振
荡.目前，对于大范围内的多点温度控制多采用由单片机系统来实现温度控制，其缺点是多点远程控制系统复杂，可靠性差，特别是当控制点较多、距离较远时，通讯出错的概率较高，严重影响温度的控制精度.而采用组态软件构成的分布式控制系统往往会收到很好的效果.本文研究的基于组态软件的大林算法智能温度远程监控系统，能较好地解决温度的远程控制问题，且系统结构简单，温度控制精度高.
图1 系统构建示意图1 分布式控制系统的构建
系统主要由三大部分组成.第一部分由上位计算
机、个人计算机、服务器构成生产管理层；第二部分
由现场总线系统构成中间过程控制层；第三部分由可
编程序控制器(PL C )、数模转换器(D/A )、温度调控
环节构成现场控制层.生产管理层设在中控室，通过
网络与中间控制层联系，完成对整个生产过程的监控
和管理.过程控制层为CC 2Link 现场总线系统，它接
收上位机的各种指令，并协调现场设备的工作，同时
对现场各种数据进行处理并向上层传送.现场控制层
为多路具有各种控制功能的多点控制单元,PL C 为三
菱FX 2N ，数模转换器为FX ON 23A ，温度调控环节为可控调相闭环系统，具体完成对现场温度的控制.系统
构建如图1所示.2 组态软件在分布式控制系统中的应用
链轮材料
211 基本思路
组态软件集成了电路图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术，使控制系统3收稿日期:2009-01-16
基金项目：湖北省自然科学基金计划项目(2007ABA161).
作者简介：廖育武(1965-)，男，湖北鄂州人，副教授，主要从事智能控制方面的研究及教学.
开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控软件设计，降
低了监控画面开发难度[1].
利用组态软件可以完成监控和远程控制，其基本思路是：首先完成好PL C 与上位机的通讯，用组态软件完成上位机的操作界面，通过设计建立一个良好的人机界面，实现管理层对中间控制层及现场状况的实时监控和动态显示.上位计算机通过RS 2232转换为RS 2485与中间层及PL C 相连，能够在中控室监控现场多台PL C 和多点温度.上位PC 机通过组态软件采集现场数据并将其保存下来，利用组态软件的监控界面对温度、排水、进水等进行动态监控，并通过“历史趋势组态”可以对水温变化曲线进行观察和运算，从而实现远程控制.
212 组态软件与PLC 的通信
远程监控就是要利用监控组态软件在PC 机上建立一个界面来显示外界模拟量的历史变化曲线，主要解决的问题是计算机画面上的点必须与具体的物理点建立一种映射关系.这就必须对I/O 设备端口进行定义，这样计算机才能识别PL C ，才能访问PL C 里的数据.系统采用三菱公司FX2N 串行通信协议,I/O Server 主要是按照该接口协议的规定向PL C 发送数据请求命令，并对返回数据进行拆包，从中分离出所需数据(即组态的数据连接项和设备状态数据)[2].
图2 远程监控画面
213 远程监控画面的建立
根据远程监控的要求，利用组态软件的编辑功
能，先设计“实时温度曲线”、“温控系统控制中心”应
用程序图形，然后创建数据库、制作动画链接、设置
I/O 驱动程序.数据库是应用程序的核心，链接使图
形“活动”起来,I/O 驱动程序完成与硬件设备的通信
过程.构建的远程监控画面如图2所示.在画面中点
击运行，便可反映水箱的温度变化，打开开关，出水发布软件
煤气化炉阀变为绿，排水电磁阀开始排水；关上变成灰,
电磁阀停止排水.
3 温度控制
温度控制指令由中控远程发布，具体调控则由底
图3 温度控制原理框图
层温度调控执行单元完成.控制原理框图如图3所
示.r (t )为中控发布的温度给定信号，调节器由PL C
及FX ON 23A 数模转换器构成，执行机构采用可控调相整流器，被控对象为加热电阻丝，测量元件选用
WB 系列温度变送器.
311 调节器的设计由于温度具有纯滞后特性，采用常规的PID 调节
器或改进型PID 调节器，温度控制精度不高，特别是温度超调较大.而采用大林算法设计的调节器可以获得良好的温度控制特性.
31111 数学模型的建立
大林算法的设计准则是：以大林算法为模型的数字控制器，使闭环系统的特征为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同.
此时，系统期望的闭环传递函数为:
Φ(s )=
1T c S +1e -τs
系统的闭环脉冲传递函数为:961第5期 廖育武，等：基于组态软件的分布式多点温度远程监控系统
Φ(s )=(1-e -T
T c )z -N -11-e -T T c z -1
因此数字控制器的传递函数为:氢氧化钴
D (z )=1
G (z )z -N -1(1-e -T T c )1-e -T T c -(1-e
-T T c )z -N -1被控对象加上零阶保持器的广义传递函数为:
G (z )=Kz -N -11-e -T T D
三苯基氢氧化锡1-e -T T D z -1
根据以上规则，设计出的数字控制器的脉冲传递函数为:
D (z )=(1-e -T Tc )(1-e -T T D z -1)
K (1-e -T T D )1-e -T Tc z -1-(1-e -T Tc )z -1-
N
为了方便PL C 实现上述数学模型，把D (z )在进一步简化为:
D (z )=a 0-a 1z -11-b 1-b 2z -1-N
式中
a 0=1-e -T T c
K (1-e -T T D ) a 1=e -T T D -e -(
T T D )-(T T c )K (1-e -T
T D ) b 1=e -T T c b 2=1-e -T T c 把已经确定的系统参数T D ,τ,K 代入a 0,a 1,b 1,b 2表达式中，系数a 0,a 1,b 1,b 2便可求出.
将所得到的数字控制器用差分方程表示，则:
U (k )=b 1U (k -1)+b 2U (k -1-N )+a 0E (k )-a 1E (k -1)
U (k )即为数字控制器的输出,E (k )为偏差.根据它直接用PL C 编译控制算法的程序[3].
图4 大林算法的程序流程图31112 大林算法的编译
由差分方程可以得出一个简单的结论,b 2U (k -1-N )项
在k =N +1之前一直为零，可以只做U (k )=b 1U (k -1)+
a 0E (k )-a 0E (k -1)的运算，但必须把所有的U (j ),j =0,1,diy电子显微镜
2,3…N 存储于一块专门用于存放历史数据的特定数据单元
D1002D100+N 中.
当b 2U (k -1-N )项在k =N +1时变为b 2U (0)，当k =
N +2时为b 2U (1)，依此类推，当k =2N +1时为b 2U (N )，这
段数据正是所指的特定数据单元中存放的内容，每运算一次,
偏移地址要加1，这里将用到变址寻址D100Z0、D100V0，而已
经用过的数据单元应继续存储新的历史数据，用于做下一次循
环的b 2U (i ),i =0,1,2,3,…,N.大林算法的程序流程图如
图4所示.程序初始化包括分配数据单元和初始赋值:
a 0→D 0,a 1→D 2,
b 1→D 4,b 2→D 6
E (k )→D 8,E (k -1)→D 10
U (k )→D 96,U (k -1)→D 98
中控发布的给定指令存放D12，反馈存放于D14,D100Z0,
D100V0存放历史数据，用于循环计算.
系统的采样周期T =15s ，计算得到τ=3min =180s ,T D =42min ,T C =300s ,N =12，按大林算法得到:
a 0=01207,a 1=01203,
b 1=01951,b 2=01049,N =12
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把a 0,a 1,b 1,b 2,N =12，代入到已经编译好的程序中，这就完成了大林算法的整个编译过程.具体的参数，可在程序调试过程中再做调整，从而使系统的性能达到最佳的效果[4-5].
图5 系统温度控制效果图
312 温度控制效果
实现大林算法控制主要借助与FX 1N 提供的逻辑功能指令,
与模拟量输入/输出模块一起使用，经过编译实现控制作用.系
统的给定值为58165℃，实测最大值为59125℃，则超调量σ
为1102%，上升时间t r 为60min ，稳态误差±015℃.系统温
度的控制效果如图5所示.
4 结束语
本文研究的成果已成功应用于某工矿企业，通过网络实现
了远程多点温度监控，大大提高了生产管理效率.而大林算法
与传统的PID 控制算法相比，需要调节时间较长，但系统主要指标是温度无超调或超调量很小，在对控制系统快速性要求不高的场合，可以达到期望的控制目的.参考文献:
[1]马国华.监控组态软件及其应用[M ].北京：清华大学出版社,2001:1-314.
[2] 郭宗仁.可编程控制器应用系统设计及通讯网络技术[M ].北京：人民邮电出版社,2002.
[3] 曹立学.大林算法在MIMO 大滞后控制系统中的应用[J ].自动测量与控制,2008,27(9):84-88.
[4] 杨琳娟，李秋明，顾德英.大林算法在炉温控制中的应用[J ].仪器仪表学报,2005,26(8):153-154.
[5] 任德齐，谭中华.基于LabV IEW 的温度测试系统的研究[J ].西南师范大学学报(自然科学版),2007,32(5):
129-132.
A R emote Monitoring System for Multi 2point Distributed
T emperature B ased on the Conf iguration Soft w are
L IAO Yu 2wu , L IU Ke 2fei , HU Jia 2qin
Physics &E lectronics Information Technology Dep artment ,X iangfan University ,X iangfan Hubei 441053,China
Abstract :U sing t he configurative software as a platform ,an automatic dist ributed temperat ure cont rol sys 2tem for temperat ure is designed on t he scene wit h PL C.It s aim is to design a temperat ure cont roller which uses DAL IN algorit hm.It s cont rol characteristics are analyzed ,and t he result s of cont rol are given.Wit h t he help of a good man 2machine interface of t he configuration software ,it can display temperat ure dynami 2cally and record t he real 2time temperat ure curve.At t he same time t he system can realize digitization ,in 2telligence ,network and remote c
ont rol.
K ey w ords :PL C (Programmable Logic Cont roller );configuration software ;DAL IN algorit hm ;remote
cont rol
责任编辑 汤振金 171第5期 廖育武，等：基于组态软件的分布式多点温度远程监控系统
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