摘要：通过分析目前高等学校中采用的传统过程控制实验模式存在的一些问题，提出了一种利用力控组态软件对过程控制实验设备虚拟化的设计方法，并通过力控软件自带的控制策略功能对其中两个实验进行了算法搭建。结果表明该方法可以有效地对过程控制实验进行软件仿真。另外，文章还提出了在此基础上实现B/S模式下学生通过网络进行远程实验的思路。
关键词：组态软件；过程控制；虚拟实验
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)36-2720-02
Virtual Experimentation Design in Process Control Based on Configuration Software
CHEN Wei, LI Jing-ping
(Shool of Electrical&Information Engineering, Lanzhou Jiao Tong University, Lanzhou 730070, China)
Abstract: By analyzing several existing problems in the traditional mode of the process -control experimentation which colleges adopted currently,a kind of design technique of virtualization for process-control experimental devices using the PCAuto configuration soft was brought forward,and two experiments" algorithm was built by controlling strategy model which PCAuto software contains.The result shows that the technique could emulate the process-control experimentation effectively by software.Additionally,it also advanced the thought that how students operate remote experiments by the way of network with B/S mode based on the technique.
Key words: configuration software; process control; virtual experiment
1 高校过程控制实验课目前面临的问题
过程控制课程是高等学校自动化专业的一门重要的专业课程 ,它是衔接自动控制原理,现代控制理论课与生产实践相结合的课程。过程控制最早起源于化工行业等流程工业,属于流程自动化类。随着控制理论和计算机等技术的不断发展,过程控制也渐渐的发展并逐步形成一门独立的学科。因此,让学生将控制基本理论技术和生产过程实践相结合,过程控制无疑是一门比较理想的课程。当前国内许多高等学校已经逐步认识到该学科的重要性,纷纷投资建立过程控制实验室。[1]
但是，目前传统的高校过程控制实验也面临着诸多问题。首先，过程控制实验项目要求对实验设备的投入较大，一台国产过程控制实验装置往往需要十几万甚至更高。其次，这样一台花大成本购买的过控实验设备，却只能允许1-5名学生同时进行实验，远远无法满足教学需要。以致实验课的效果不理想，很多修这门课的同学甚至大学四年连过控实验设备都没能摸到过几次，更别提自己独立做上一次实验了。
针对这样的情况，许多高校也做了相应的调整。有的学校选择多购买一些实验设备，但一来实验设备加上其配套设施，其本身就较为昂贵；再者，新增加有限的几台机器，与庞大的学生基数相比，仍是杯水车薪。还有的学校尝试采用编写软件的方法，进行虚拟实验，这是一个比较好的方式，但也存在一些问题。如搞过程控制的老师往往不能精通VB、C++、Delphi等编程语言，而计算机专业的老师又不懂过程控制，这样的话即使制作出来，有时软件也会存在各种问题；或者最终耗时耗力开发成功，但开发周期也会较长，且占用教师很大精力。
本文将针对目前高校过控实验存在的以上问题，提出一种新的虚拟过控实验开发方式。
2 选择组态软件的原因
与传统的 DCS、PLC 控制系统相比，控制策略生成器（Strategy Builder）充分体现了控制功能丰富、系统组建灵活、扩展方便的特点。在控制策略生成器中有变量、数学运算、逻辑功能、程序控制和控制算法等类别的近70个功能块，运用这些功能块可搭建出各种功能强大的控制策略。[2]
力控组态软件的应用场合主要是工业现场控制方面，但由于它提供的“控制策略”功能可以很方便地模拟过控中的各种实验模型和算法。而且基本不需要进行语句编程，可以高效快捷地实现原本需要繁琐编程才能够完成的功能。因此本文采用它来构建过程控制虚拟实验室。
3 过程控制虚拟实验开发
3.1 单容水箱液位特性实验
单容水箱液位特性实验是过程控制中一个基础实验，单容水箱的数学模型为 。对该实验的虚拟化，首先要对水箱模型进行模拟。力控控制策略中提供了一阶传递函数点模块，可以模拟任意 型的传递函数模型。在此只需令参数A=1,B=T,C=K,D=0，即可构造出一个一阶水箱模型。详细控制策略见图1：
图1中，sv1.pv表示液位设定值，pv1.pv表示水箱液位当前值，TRANS0即为一阶传递函数模块，它的A、B、C、D等参数值既可以点击模块本身进行设置，也可以通过引出到图形界面，在运行状态下现场修改。MUL模块为乘法器，start1.pv为实验一运行开关。当start1.pv值为1时，设定值sv1.pv通过乘法器的输出端进入TRANS0模块，处理后的数值输出到pv1.pv，完成一次调节过程；反之start1.pv为0时，乘积为0，TRANS0模块向pv1.pv的输出亦为0，反映在前台画面即为水箱内液位值为0。
另外，在界面上可以对TRANS0的A、B、C、D参数直接点击鼠标进行修改，这即相当于更换各种各样的水箱，从而可以很容易的观测不同的水箱的单容液位特性，非常方便。而这在硬件化的传统实验设备上则是几乎不可想象的。
力控中自带大量图库，用户可以很方便地从中选取水箱、管道、电动机、水泵等素材，然后组成前台界面。同时，将后台控制策略作用下的数据点参数也引用至前台界面，即可实现对现场数据的观测和修改。液位实时曲线也可以通过变化的数据由软件自动绘制出来（见图2）。
3.2 单容水箱液位PID闭环控制实验
力控组态软件控制策略生成器提供的PID控制模块根据设定值 SV 和过程测量值的偏差完成PID算法，PID控制回路有三种方式，MAN，AUT和CAS，在MAN 状态下，PID控制回路相当于手动调节器。在AUT状态下，PID控制回路完成PID算法，设定值SV由操作站给定，在串级CAS状态，设定值由上主回路的输出给定。在单容水箱液位PID闭环实验中，控制回路应采用AUT状态。
在本实验中，主要用到的模块是一阶传递函数模块和PID控制模块，前者用来模拟一个一阶水箱，后者实现控制算法，对水箱液位进行调节。详细控制策略见图3。
图中前半部分与实验一基本类似，主要差别在于本实验中在MUL模块与TRANS1模块中间加入了PID控制模块，使程序具备了PID控制功能。PID模块的参数很多，最主要的有比例参数KP、积分参数KI、微分参数KD、设定值SV、正/反动作、回路状态、内/外给定等。本实验中，正/反动作应设置为反动作，回路状态应设置为自动。
图3中的pv3.pv代表水箱液位的当前值，经过乘法器处理后，送入PID0模块，PID0根据设定值与当前值之差，以及PID各控制参数，经计算后自OP端输出控制信号至模拟水箱的TRANS1模块，最后将数值输出至末端的pv3.pv，完成一个闭环控制流程。
经测试，在该控制策略模拟下，对液位值的调节及实时曲线效果均比较理想（图4）。
图4中参数值带有下划线的表明其可以现场修改，在参数上点击鼠标即可输入新的数值；不带下划线的为采集数据，无法在界面上人工改动。
3.3 其他实验说明及web发布
通过控制策略提供的模块及在以上两个实验的基础上，对其他过程控制实验也是可行的。如双容水箱液位特性实验的模拟，在实验一控制策略（图1）的基础上再加入一个一阶传递函数模块即可。再比如串级控制试验，则可在实验三控制策略的基础上加入一个PID模块作为副控制器，再辅以相关参数修改（如回路状态应由自动修改为串级）和连线变动。当需要模拟锅炉温度等非液位控制对象时，需要改变一阶传递函数模块的A、B、C、D值，使其适应被模拟对象。另外，除了常用的PID算法，力控控制策略还提供纯滞后补偿、斜坡控制、温压补偿、通用线性化、偏差限制、加权平均滤波、脉宽调制输出，以及各种数学计算模块，可供开发者设计其他复杂算法的控制实验。
除了单机实验，力控还允许B/S模式的访问方式，即一台机器运行力控程序后，其他与之联网的计算机不需安装任何力控组件，只需要通过IE浏览器，在地址栏输入运行力控的计算机的IP地址和端口，即可实现远程观看实验过程，甚至远程动手做实验。（图5）
4 结束语
利用力控组态软件构建过程控制虚拟实验室，突破了传统过程控制实验在资金和实验设备上的局限性，也避免了使用通用编程语言（C++、VB等）设计虚拟实验的繁琐。教师能够在较短时间内掌握设计方法并制作出自己风格的虚拟实验软件，大大减轻了人力和物力上的负担。教师可以把编写好的软件安装在实验室的每台机器上供学生单人单机做实验，也可以使用web发布功能先向学生演示整个实验流程并进行讲解。本文提出的组态虚拟实验可以作
为传统过程控制实验方式的补充，也可在一定程度上取代传统实验模式，具有一定实用价值。
参考文献：
[1] 赵贤林.关于过程控制实验室的建设和管理[J].实验室研究与探索,2005,24(增刊):288-290.
[2] 北京三维力控科技有限公司.力控·控制策略生成器使用指南[EB/OL].(2004-06)..cn.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”