摘 要：給出了基于力控PCAuto組態軟件的電加熱爐監控系統的設計與實現。在該監控系統中，使用研華ADAM4000系列模塊實現數據采集與通信，采用抗積分飽和PID控制算法對電加熱爐溫度進行控制。實驗結果表明，該監控系統達到了預期的要求，并取得了良好的監控效果。
關鍵詞：監控系統 組態軟件 電加熱爐
引言
隨著工業自動化水平的迅速提高和計算機在工業領域的廣泛應用，人們對工業自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監控裝置在工業領域的應用，使得傳統的工業控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。通用工業自動化組態軟件的出現為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統工業控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據自己的控制對象和控制目的任意組態，完成最終的自動化控制工程。
目前世界上組態軟件的品種繁多，國外產品有美國
Wonderware公司的InTouch、美國Intellution公司的iFIX等，國內產品有三維力控、組態王、MCGS等。國外組態軟件雖然功能強大但價格高，而國產組態軟件吸收了國外軟件的優點，在功能上可以和國外組態軟件相媲美，而且還具有符合國人思維習慣的中文菜單，性價比高。本文以電加熱爐對象為例，利用三維力控PCAuto組態軟件設計開發了一個小型的監控系統，并應用于教學實踐。
1 力控PCAuto軟件
力控PCAuto軟件是對現場生產數據進行采集和過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和間接的工程實踐方法，用戶只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的組態，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能。
PCAuto軟件具有功能強大的圖形開發環境Draw，采用面向對象的圖形技術，創建動畫式的人機界面系統及高可靠性快速的圖形界面運行系統View，用來運行Draw創建圖形窗口。先進的分布式實時數據庫DB是整個應用系統的核心模塊，負責整個力控應用系統的實時數據處理、歷史數據存儲、統計數據處理、報警信息處理、數據服務請求處理及完成與過程的雙向通信[1]。
2 系統設計
2.1 硬件組成
本監控系統主要對一個小型的電加熱爐過程控制實驗裝置的溫度I/O點的數據進行實時采集和監控，其系統結構圖如圖1所示。該系統主要是由裝有力控PCAuto軟件的
工控機和研華ADAM系列數據采集控制模塊組成。ADAM系列模塊是一種內置微處理器、傳感器的智能化設備，主要有ADAM4000系列和ADAM5000系列兩種。本實時監控系統中用到的ADAM4000系列模塊有模擬量輸入模塊ADAM4018采集溫度信號、數字量模塊ADAM4024輸出控制電壓和通信模塊ADAM4520實現與上位機的數據通信。
圖1 監控系統的結構圖
2.2 軟件設計
2.2.1 軟件組態
基于力控PCAuto組態軟件的設計與實現主要包括以下幾個步驟：畫面創建、動畫連接、I/O設備設置、創建實時數據庫、數據連接。
① 畫面創建
根據本系統的特點，設計了實時控制主畫面、系統結構原理畫面、實時曲線畫面、歷史曲線畫面和歷史報表畫面。實時控制主畫面如圖2所示，主要包括了系統開關、自動/手動控制電加熱爐的溫度、預定溫度的設定、爐溫實時溫度的顯示、手動控制時控制量大小的設定、自動控制時PID控制器參數的設定等。系統結構原理畫面如圖3所示，說明了系統的控制原理以及數據的傳輸的方向，以便于更好地了解電加熱爐監控系統的控制流程。實時曲線畫面和歷史曲線畫面用于顯示被測量、被控量以及設定值的實時與歷史變化趨勢，以便于操作人員了解被測量、被控量等的變化，從而更好地對監控過程進行分析、研究等。歷史報表畫面提供了一種瀏覽和打印歷史數據的工具，還可以利用PCAuto軟件子圖中的DB_ODBC.dll把歷史報表中的數據導入到Excel文件，進行對數據的離線分析研究。
圖2 實時控制主畫面
② 動畫連接
動畫連接是指畫面中圖形對象與變量或表達式的對應關系。建立了連接后，在監控系統運行時，根據變量或表達式的數據變化，圖形對象改變其顏色、大小等外觀，文本會進行動態刷新。這樣就將現場真實的數據反映到計算機的監控畫面中，從而達到監控的目的。
③ I/O設備設置
I/O設備設置是指對包括應用程序的“軟件設備”和現場數據采集交換的硬件設備在內的廣義上I/O設備的驅動程序進行配置，使其與組態軟件建立通信，構成一個完整的系統。在被監控系統中，分別對ADAM4018、ADAM4024模塊進行了設備名稱的定義、地址的分配、通信方式的選定等操作。
④ 創建實時數據庫
實時數據庫（DB）是整個監控系統的核心。它負責整個系統的實時數據處理和歷史數據的存儲、統計數據處理、報警信息處理、數據服務請求處理，完成與過程數據采集的雙向數據通信。在本系統中，經過創建點參數、定義I/O設備、數據連接等幾個步驟便可完成數據庫的創建。
2.2.2 實時控制算法
PID控制是最早發展起來的工業過程控制方法，也是應用最為廣泛的控制策略之一，它所涉及的設計算法和控制結構非常簡單，易于參數調整。為了避免因積分飽和而導致執行機構達到極限位置，本文采用抗積分飽和PID控制算法[2]。該控制算法的思路是，在計算PID控制器輸出時，首先判斷上一采樣時刻的控制量()ku()1?ku是否已超出限制范圍：如超出限制范圍，則只累積負誤差；否則只累計正誤差。這個算法可以避免控制量長時間停留在飽和區。
圖4 抗積分飽和PID控制程序
該控制算法可以通過力控控制策略生成器的現有模塊實現，也可以通過在“應用程序動作”里編程實現。本文是通過編寫程序來實現的，程序如圖4所示。通過適當調整配合抗積分飽和PID控制器比例系數、積分系數、微分系數等三個參數，就可以使系統快速、平穩、準確，獲得滿意控制效果。圖5為電加熱爐溫度曲線效果圖（通過DB_ODBC.dll把歷史數據導入到Excel文件，經Matlab離線分析）。
圖5 溫度曲線
3 結束語
利用力控PCAuto組態軟件所設計的監控系統，可以很好地對電加熱爐的溫度狀態進行監控，而且人機界面友好，操作簡單；并采用抗積分飽和PID控制算法，實現了對電加熱爐溫度的自動控制，取得了良好的控制效果。
力控PCAuto組態軟件簡單易學，畫面制作簡單，動畫連接方便；利用控制策略生成器可以方便的實現控制組態；而且自帶實時數據庫，不需要用戶自己建立數據庫，所以說力控PCAuto組態軟件具有簡單易學、省時有效、功能強大等優點。
參考文獻
1 孫日升，孫自強.力控組態軟件在網絡虛擬實驗室中的應用[C]//第七屆工業儀表與自動化學術會議論文集, 2006:238-240.
2 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業出版社,2004.
