ANSYS workbench有限元模拟教程接触分析.docx
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ANSYSworkbench有限元模拟教程接触分析
第五章控制程序及监控界面的开发
控制系统的效率和性能一方面决定于系统的硬件设计,另一方面在很大程度上取决于应用程序的设计质量。
只有将系统的硬件和软件有机的结合在一起,相辅相成,才能使系统最大程度的发挥效率。
软件是计算机控制系统的神经中枢,控制系统中的控制任务最终是靠软件即应用程序的执行来完成的。
因此软件开发占有相当重要的地位,本实验室自控系统是由三大软件支撑的,分别是利用PLC编程软件STEP7V5.2,嵌入式组态软件MCGS,以及虚拟仪器Labview7.0所开发的程序。
STEP7基础软件是用于西门子公司SIMATICS7、SIMATICC7和SIMATICWinAC等控制系统的标准开发软件,主要用于完成控制程序的开发。
本实验室包含的设备种类多、数量大、各设备间关系复杂。
实验室的操作者要全面、综合和有效地监控、操作和管理试验系统并不是件容易的事情,因此还需要设计合理的控制操作界面,本实验室利用MCGS嵌入式组态软件开发出形象的控制界面,并利用其提供的动画功能仿真试验系统的运行状态。
无论是研究性试验还是本科教学试验,都需要采集大量的数据,并需要对这些数据作分析、存储、曲线显示等,因此本试验室采用Labview开发数据采集程序。
因为他们的界面和和操作模仿物理仪器,如示波器和万用表,所以Labview程序被称作虚拟仪器,。
在Labview中包含了一系列进行采集、分析、显示的工具,能很快的帮助解决复杂数据采集问题。
通过这些软件的应用,可以构造强大的实验室自控系统。
§5.1控制程序方案确定
§5.1.1控制算法的选择
随着智能控制技术的发展,不断有空调控制算法方面的报道,现已有模糊控制、神经网络控制、自适应控制、解耦控制在变风量空调系统中的应用的思想,但这些研究成果多为仿真结果,在实际应用还用一定的距离,而PID算法控制简单、抗干扰性好、可靠性高等优点[46]。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、代码少,可靠性高等优点,使得PID在工程中应用达90%以上。
当用计算机实现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样化、简单方便的优点。
同时在其他智能控制算法发展的同时,PID算法同样也在发展,出现了模糊PID、带死区的PID等改进算法。
使用PID算法在应用范围内控制精度较高:
由于PID控制存在积分的作用,可使微小的误差得以累计,从而最终消除静差。
PID算法也存在一些缺点,改进PID调节器的内部结构或算法,可得到更好的调节效果。
考虑到工程实用性,本试验室各模拟量控制环路采用PID控制算法,由PLC中的PID特殊功能模块实现。
§5.1.2模拟PID与数字PID控制算法
1.模拟PID控制器
模拟PID控制系统原理框图如下图所示,系统由模拟PID控制器和受控对象组成。
图5-1模拟PID控制系统原理图
PID控制器根据给定值r(t)与实际输出c(t)构成的控制偏差:
(5-1)
将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制,其控制规律为:
(5-2)
式中:
为比例系数,
为积分时间常数,
为微分时间常数。
简单来说,PID控制器各环节的作用如下:
♦♦ 比例环节:
即时、成比例地反应被控参数的偏差信号
,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用以减小误差。
♦♦ 积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无差度,积分作用的强弱取决于积分时间常数了
,越大,积分作用越弱,反之则越强。
♦♦ 微分环节:
能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值趋向变大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
2.数字PID控制器
计算机实现PID控制时,首先必须将上述PID控制规律的连续形式变成离散形式,然后才能编程实现。
根据输出量的形式,PID控制器可分为位置式PID和增量式PID,位置式控制算法的离散方程形式为:
(5-3)
式中:
—采样时间;
—采样序号,k=0,1,2,……;
-第k次采样输入的偏差值;
=KPT/TI—积分系数;
=KPTD/T—微分系数。
从公式(5-3)可以看出积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数,微分项是当前采样和前一次采样的函数,比例项仅是当前采样的函数,在数字计算机中未保存所有的误差项,占用很大内存,实际使用也不方便,所以在工业过程控制中常采用另一种被称为增量型PID控制算法的算式。
采用这种控制算法得到的计算机输出是执行机构的增量值,其表达式为
(5-4)
可见,除当前偏差值
外,采用增量式PID算法只需保留前两个采样周期的偏差,即
和
在程序中简单地采用平移法即可保存,免去了保存所有偏差的麻烦。
增量PID算法的优点是编程简单,数据可以递推使用,占用内存少,运算快。
§5.1.3STEP7中的PID功能块
STEP7开发环境内部集成了PID算法模块FB41,温度PID控制模块FB58,可以根据程序的需要调用,相应的控制参数储存在对应的InstanceDB中,也可以根据实际需要编写自己的PID算法或其他更为复杂的算法,FB41为增量式PID,具有死区功能,控制输出高低限等功能,同时还可以结合FB43构成脉冲输出式调节器,FB41其原理如下图[47]:
图5-2STEP7中的PID模块原理图
§5.1.4实验室编程软件STEP7介绍[48]
PLC的所要完成的任务已在第三章详细叙述,主要是由PLC的编程软件STEP7编写。
STEP7程序最大特点就是采用模块化结构,正是由于这些功能模块的编程特点,使得在STEP7的程序设计中,可以采用面向对象的程序设计方法,使程序结构层次清晰,具有相当的灵活性,开发人员也可以将自己开发的控制算法封装起来,直接在其他程序中调用即可,使用者无需了解程序的具体实现。
STEP7的程序模块有:
.OBs(Organizationblocks)组织块,操作系统和用户程序的接口,由系统事件通过中断来驱动。
其中OB1是PLC程序的主循环模块,操作系统通过循环调用OB1模块来循环执行用户程序。
.FCs(Functions)功能用来设计用户程序,它没有自己的存储空间,在调用时必须指定实际的参数。
.FBs(Functionblocks)功能块用来设计用户程序,它有自己的存储空间,正是这一点,使得PLC的程序设计在使用FB块时能够借鉴面向对象的编程方法。
.DBs(DataBlocks)数据块不包含程序指令,只是用来保存用户数据。
一般情况下它作为FB模块的数据区,用来存储FB模块的运行参数。
.SFCs(SystemFunctions)系统功能块功能与FCs相似,但它由系统提供了一些常用基本功能。
.SFBs(SystemFunctionBlocks)系统功能块功能与FBs相似,是由系统提供的。
图5-3显示了各模块之间调用关系,是STEP7编程的核心内容
图5-3STEP7程序块调用关系
STEP7基本软件为用户提供各种不同的工具,是一系列工具的组合。
编程环境主要由SIMATIC管理器,硬件管理器,程序编辑器等工具构成,如图5-4、5-5、5-6所示。
SIMATIC管理器用于集中管理,可以浏览SIMATICS7、SIMATICC7和SIMATICWinAC的所有工具软件和数据。
硬件管理器用于对自动化系统进行配置和对各种模块进行参数设置,用于配置连接及用于定义经MPI连接的自动化组件之间时间驱动的周期性数据传送,或定义用MPI、PROFIBUS或工业以太网进行的事件驱动的数据传输。
程序编辑器用于编写控制程序,可以采用梯形图语言(LAD)、结构化文本语言(STL)、和功能图语言(FBD)进行编辑。
梯形逻辑图(LAD)是STEP7编程语言的图形表达方式。
它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似:
当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时,使用梯形图,可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。
语句表(或STL)是STEP7编程语言的文本表达方式,与机器码相似。
如果一个程序是用语句表编写的,CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。
为使编程更容易,语句表已进行扩展,还包括一些高层语言结构,例如结构数据的访问和块参数。
功能块图(FBD)是STEP7编程语言的图形表达方式,使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。
复合功能(如数学功能)可用逻辑框相连直接表达。
实验室系统采用了两种编程语言,其中开关量控制采用梯形图语言,对于报警处理及设备起停的逻辑编程比较方便。
模拟量控制采用STL即结构化文本语言,其语法类似与汇编语言,对于数学运算、逻辑操作具有相当的灵活性。
§5.2程序编制
§5.2.1硬件组态
本实验室将计算机作为编程装置,运行STEP7,对计算机进行相应参数设置,包括通信端口的设置,MPI地址设定,选择数据传输速率等;然后通过MPI端口对S7-300进行硬件组态,即对S7-300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处理器CP等按其实际配置类型和物理地址进行组态,在组态表中指定自控方案所要使用的模板以及在程序中以什么样的地址来访问这些模板。
最后将组态程序下载到PLC以确认[49,50]。
根据实验室建设要求,硬件组态如图5-7所示,分别对应表4-4所选择的模块,在硬件组态窗口中对各通道测量参数信号、滤波时间等参数进行组态,对于模拟量的测量主要根据传感器输出信号及执行器的接受信号选择信号的方式(4-20mA,1-10V,0-5V,电阻等)。
图5-8实验室程序总的框架结构
§5.2.2软件结构设计
本实验室程序总的框架结构如图5-8,根据S7-300软件的特点,采用结构化编程,即需要0B1,0B35,0B100,FB,FC,DB等等。
0B100作为CompleteRestart块,当系统在热启动时初始化系统参数,以及在突然掉电时,保存系统参数;OBl是CycleExecution块,判断手动/自动切换的数字量;0B35是循环中断组织块,进行数据采集、滤波、PID运算;FB、FC是PID滤波等算法模块;DB共享数据块包含通过MPI与上位机通讯的参数,以及程序背景数据块等。
图5-9变频冷水机组启停控制与保护梯形图程序
§5.2.3设备启停控制及报警处理
由于本实验室试验设备众多,涉及到较多的设备顺序控制及保护报警功能,第三章已详细叙述了各功能需求,限于篇幅,仅举例压缩式冷水机组启停及报警处理的程序。
图5-9是在OB1组织块中运行的冷水机组控制程序,包括顺序起停控制、高低压报警保护、冷冻水出水温度过低保护等功能,network19中机组起停控制的逻辑条件,只有当风机、冷冻水泵、冷却水泵均开启的情况下,且没有报警的情况下才能启动机组,本梯中调用的”pulse_switch”模块是单独编制的脉冲式开关函数,当按钮钦下,判断机组状态,若机组处于开的状态则停机,反之亦然;”jizu”模块为单独编制报警保护函数,当机组蒸发压力过低、冷凝压力过高或出水温度低于3℃时,报警函数将切断机组电源,操作人员排除故障后,需手动对报警信号复位后才能继续对机组进行操作。
§5.2.4模拟量控制环路子程序编制
实验室控制程序包含多路模拟量子程序的控制,对应的PID模块见第四章表4-2,模拟量控制采用STL语言编写,其语法类似于汇编语言,可以编制出相当灵活的控制算法,如模糊PID算法等,尤其适用于控制算法的研究,限于篇幅,本文仅以变风量系统中送风静压控制为例说明。
PID调用及采样处理必须进行周期性的处理,因此,将所有的PID控制程序放在周期中断组织块0B35中进行周期性的调用,其中断周期默认为100ms,控制框图如图5-10所示
所有的PID函数调用均需要提供手动/自动控制切换功能,其中对应PID的设定值及控制参数值均存储在共享数据块DB1中,以方便与上位机通讯,通过上位机调整PID参数及设定值等。
图5-11是送风静压控制环路PID调节程序的STL代码,对应PID参数,采样时间等参数保存在PID控制器FB41的背景数据块DB39中。
图5-11定静压PID控制程序
§5.3监控界面的开发[51,52]
§5.3.1嵌入式组态应用
对于大型中央空调系统,机组、水泵、空气处理箱达几百台,要管理如此众多的设备并不是容易的事,业主即使投入大量的人力物力也未必能取得良好的效果,计算机技术和网络技术的飞速发展,为中央空调系统自动化开辟了广阔的发展空间,用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统,使管理者随时监测设备运行状况,并可根据检测参数进行设备的最优化运行,因此有着极为广泛的应用前景。
本综合实验室包含了众多独立的系统和设备,操作和管理这些设备并不容易,因此必须提供友好的易于操作的人机界面。
本实验室控制操作人机界面利用MCGS嵌入版组态软件进行开发。
§5.3.2MCGS嵌入版组态软件介绍
MCGS的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。
通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。
由MCGS嵌入版生成的应用系统,其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成,如图5-12所示。
实时数据库相当于一个数据处理中心,同时也起到公用数据交换区的作用。
MCGS嵌入版从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库,系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。
设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件如PLC、仪表驱动程序,实现对外部设备的操作和控制。
通过设备构件把外部设备的数据采集进来,送入实时数据库,或把实时数据库中的数据输出到外部设备。
通过在用户窗口内放置不同的图形对象,搭制多个用户窗口,可以构造各种复杂的图形界面,将数据通过图形显示出来;可显示报警信息、数据库信息及数据点名称有关的信息细节,用不同的方式实现数据和流程的“可视化”。
通过对运行策略的定义,使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库、控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等,从而实现对外部设备工作过程的精确控制。
同时MCGS还提供类似与VisualBasic的脚本语言,及软PID模块,可以结合脚本程序完成复杂的控制要求。
§5.3.3监控界面的开发方案
由于试验设备多而复杂,不可能同时挤在同一界面上,因此按功能将整个系统划分为空调子系统、热水子系统、负荷模拟子系统。
其中热水子系统、负荷模拟子系统涉及到的设备较少,将其控制功能集成在各自的动画流程显示界面中,空调子系统较为复杂,独立编制设备起停、参数设置、手动控制等界面,见图5-13。
利用MCGS开发运行软件,主要实现如下功能:
1).提供形象的系统流程动画界面;
2).通过相应的按钮对操作设备起停,并以动画的方式实时显示设备运行状态,如以流动线来表示泵与风机的状态等;
3).实时检测设备运行过程中产生的报警信号,当报警产生时,发出警告通知操作人员做进一步的处理,并记录下报警时间及报警内容,以备设备维护;
4).以图、表的方式实时显示被控量的变化及其趋势,并自动保存一定时间内所测得的数据;
5).显示PID控制参数,并可进行修改再设定;
6).提供阀门、变频器等驱动设备的手动/自动操作切换。
根据实验室实际情况,共定义了186个数据点,包括显示风机、水泵、机组及阀门等设备的开关量输入、输出点状态,报警状态点,温湿度、流量等模拟量输入点,模拟控制输出点,PID参数及控制参数设定值等模拟量寄存器点、报警寄存器点等。
实时数据库通过控制器驱动程序与PLC内部通道连接,实现对PLC内部位进行操作。
§5.3.4界面制作
利用MCGS提供的工具箱,可设计出生动的画面。
本系统共开发了流程显示窗口、报警数据窗口、设备控制窗口、PID自控手动控制窗口,参数设置窗口、单回路PID控制曲线等共17个不同的画面,包括空调系统动态流程图、供热系统动态流程图、负荷模拟控制、报警监控、温湿度、流量、压力数据曲线显示等,可显示含有实时数据的画面,并提供了数据与图间的关联,将数据库的数据点链接图片动态地反映出来。
让操作员坐在电脑旁就能了解实验系统所发生的变化,从PLC传送的数据中便能清楚知道设备运行的状况。
第三章图3-2为利用MCGS软件开发的空调系统的立体流程图,当风机、水泵运行时,风管及水管将演示流体实际流动的动画,并动态显示各测点的温度、压力、流量实测值。
图3-15为负荷模拟系统流程界面。
使学生很直观形象地熟悉了解试验系统。
空调系统设备多而复杂,除了空调系统硬件设备外,还包括软件仪表的起停控制、参数设置、手动/自动控制等界面的设计,图5-14为空调系统控制操作台界面,利用颜色和动画来显示设备的状态,要启动相应的设备只需按下相应的按钮,设备为运行状态时按钮将显示为绿色,停机时显示为红色;风阀打开时将动画显示空气送、回状态。
除对硬件设备进行起停外,同时还可停止和启动PID模块控制。
图5-14空调系统控制操作台
图5-15为空调系统PID控制参数调整界面,在该界面下,操作人员点击相应的数值可实时调整控制模块比例带、积分时间、微分时间以及被控参数设定值,为系统调试带来方便。
图5-15空调系统PID集中控制台
按系统要求定义报警组态,并将需要报警的数据块与动画特性相连,当报警发生时,进行相应的程序处理并弹出报警界面,告知操作者做进一步的处理,达到报警提示的最佳效果。
操作人员通过判断解除故障后,对报警应答即复位报警信号后,方可对相对应的设备进行再操作,界面如5-16所示。
其中过滤器压差报警出现后,将弹出更换过滤器的提示界面。
图5-16报警与复位界面
为便于控制系统的调试,以及实时观察控制效果,将温度、压力、流量等参数通过制作独立的控制界面,提供历史曲线来寻找控制规律、观察控制效果,从中获得了很多有价值的方案。
见图5-17、5-18、5-19。
图5-17室内温度控制界面
图5-18新风量控制
图5-19送风静压控制
程序共计17个界面,限于篇幅,本文不再一一罗列。
§5.4数据采集中心Labview程序
试验往往需要测量大量的数据,而这些数据必须保存下来,并且形成曲线以便于研究数据背后的规律。
因此数据采集程序在本试验室中显得尤为重要,本试验室采用Labview实现数据采集、存储、趋势图等功能。
§5.4.1Labview语言介绍
Labview程序被称作虚拟仪器,它是一种基于图形化的编程语言,使用图标而不是文本行来建立应用程序。
虚拟仪器是基于计算机的仪器仪表技术、基于计算机技术测量与自动化技术,是由NI(美国国家仪器公司NationalInstrumentsCoporation)于1976年提出的,其核心是由图形化编程开发环境(Labview)、Lablwindows/CVI、标准ANSIC语言、PCI-时钟和触发控制和数据采集卡等组成,也可将虚拟仪器(vi)概括为:
由计算机、应用软件和仪器硬件三大部分组成,且在测试系统或仪器中最大限度地用软件代替硬件[53]。
与基于文本编程语言如VB和VC++等编程语言相比较,Labview更能在工程应用上取得领先。
一般而言,基于文本的编程语言是不容易轻易掌握和使用的。
对于许多工程人员来说他们关心的重点往往不是在代码上,而是怎样才能通过计算机辅助系统更快地达到工程和实验上的目的,Labview的易学易用性很好地解决了这一问题。
Labview中包含了一系列进行采集、分析、显示的工具,能很快地帮助解决复杂数据采集问题。
在Labview中通过对前端面板的用户界面设计和后端块图程序流程设计,可以非常容易在较短的时间内完成对工程实验数据采集系统的上位机程序的设计工作。
§5.4.2试验采集程序开发
本试验室首先将所有需要采集的数据集中在一个总的数据表里,然后根据不同试验的要求分别开发了不同的数据显示界面,以显示与试验相关的数据及其变化曲线,同时还可根据试验需要将试验过程数据导入到EXCEL表格中保存。
图5-22为数据采集程序的主界面,在主界面上可启动停止采集程序、设置采集参数、可弹出专为不同的试验开发的数据采集界面,如图5-23为变风量空调性能试验设计的采集、分析界面,采集了环境室、低温室内温度、末端风量及总送风量等与VAV性能试验相关的参数,同时实时显示变化曲线,便于分析试验数据。
图5-22数据采集程序主界面
图5-23变风量系统数据采集及分析界面
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