CN105843200B - 一种基于物联网的工业过程控制实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于物联网的工业过程控制实验装置，属于工业自动化和过程控制技术的实验和教学领域。包括被控对象单元、现场总线仪表单元、现场总线电气单元、无线控制单元和计算机主控单元。被控对象单元由第一、二鼓风机，第一、二现场总线电动调节阀，空气加热器和三通组成；现场总线电气单元由具有现场总线通讯模块的第一、二变频器，第一、二软启动器，第一、二马达保护器，第一、二电气切换装置，及空气加热器控制器组成；无线控制单元由控制器、DI/DO/AI/AO模块和无线通讯模块组成；现场总线仪表单元由第一、二现场总线空气流量计，现场总线空气温度计和现场总线空气压力计组成；计算机主控单元，为具有现场总线通讯模块和无线通讯模块的PLC/DCS控制系统。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化和过程控制技术的研究、实验和教学领域，具体涉及一种基于物联网的工业过程控制实验装置及方法。
背景技术
工业4.0的技术基础是网络实体系统和物联网。随着智能制造的理念在工业界的持续深入，物联网技术必然和自动化技术特别是过程控制技术实现越来越紧密的结合，与之相伴随的是，在实验和教学环节，也需要能够体现物联网技术的工业过程控制实验装置。目前，在实验室环境下，用于研究、实验和教学的工业过程控制实验装置的种类已经很多，但是与物联网技术实现有机结合的工业过程控制实验装置尚不多见。本发明将网络通讯、现场总线、无线控制等一系列物联网核心技术引入工业过程控制实验装置，从而实现了一种基于物联网的工业过程控制实验装置。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于物联网的工业过程控制实验装置。
本发明的技术方案：
一种基于物联网的工业过程控制实验装置，包括：被控对象单元、现场总线仪表单元、现场总线电气单元、无线控制单元和计算机主控单元；
所述被控对象单元，由第一鼓风机、第二鼓风机、第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀、空气加热器和具有两个进口一个出口的三通组成；所述第一鼓风机的入口安装所述第一现场总线电动调节阀，第一鼓风机的出口连接所述空气加热器的入口，所述空气加热器的出口连接所述三通的一个进口；所述第二鼓风机的入口安装所述第二现场总线电动调节阀，第二鼓风机的出口连接所述三通的另一个进口；所述三通的出口联通大气；所述第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀均为具有现场总线的电动调节阀；所述第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀分别通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；
所述现场总线电气单元，由具有现场总线通讯模块的第一变频器、具有现场总线通讯模块的第一软启动器、具有现场总线通讯模块的第一马达保护器、第一电气切换装置、具有现场总线通讯模块的第二变频器、具有现场总线通讯模块的第二软启动器、具有现场总线通讯模块的第二马达保护器、第二电气切换装置和空气加热器控制器组成；所述第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第二变频器、第二软启动器和第二马达保护器均通过其各自的现场总线通讯模块与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯；所述第一变频器的输出端、所述第一软启动器的输出端和所述第一马达保护器的输出端均连接所述第一电气切换装置的输入端；所述第一电气切换装置的输出端连接第一鼓风机的输入端；所述第二变频器的输出端、所述第二软启动器的输出端和所述第二马达保护器的输出端均连接所述第二电气切换装置的输入端；所述第二电气切换装置的输出端连接第二鼓风机的输入端；所述空气加热器控制器通过无线控制单元中的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；所述空气加热器控制器的输出端连接所述空气加热器的输入端；所述基于物联网的工业过程控制实验装置还包括一个第一空气温度计，用于测量空气加热器出口处温度；
所述无线控制单元，由控制器、DI/DO/AI/AO模块和无线通讯模块组成；无线控制单元通过所述DI/DO/AI/AO模块与所述空气加热器控制器和第一空气温度计相连接；无线控制单元通过其具有的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯；
所述现场总线仪表单元，由第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计组成；所述第一现场总线空气流量计安装在所述空气加热器的出口处；所述第二现场总线空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处；所述现场总线空气温度计和现场总线空气压力计均安装在所述三通的出口处；同时，所述第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计均通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；所述第一现场总线空气流量计和第二现场总线空气流量计均为具有现场总线的空气流量计；所述现场总线空气温度计、现场总线空气压力计分别为具有现场总线的空气温度计、空气压力计；
所述计算机主控单元，为具有现场总线通讯模块和无线通讯模块的PLC/DCS控制系统；
本发明的有益效果：本发明的系统架构、物理含义、设备操作模式、控制方式(包括自动控制和手动控制)及现场总线通讯协议与工业现场高度相似，有助于加深实验者和学生对基于物联网的工业自动化和过程控制的相关理念的理解，同时也为先进控制算法提供了工业化的实验验证平台；实验装置的运行不涉及原材料和产品，无污染排放，运行成本只有电费；不涉及高温高压，实验安全性有良好保证；不同的输入输出变量自由组合，可以实现灵活多变的多种控制策略的实验方案；除了不同回路控制策略的实验之外，还可以用来进行过程辨识的实验和设备逻辑控制实验。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的基于物联网的工业过程控制实验装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的被控对象单元的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式的计算机主控单元与现场总线电气单元、无线控制单元的连接关系示意图；
图4为本发明一种实施方式的计算机主控单元与现场总线仪表单元的连接关系示意图；
以上图中带箭头虚线表示现场总线通讯方式或者无线通讯方式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
本实施方式的基于物联网的工业过程控制实验装置，如图1所示，包括：被控对象单元、现场总线仪表单元、现场总线电气单元、无线控制单元、计算机主控单元和供电配电单元；
本实施方式的供电配电单元，用于为被控对象单元、现场总线仪表单元、现场总线电气单元、无线控制单元和计算机主控单元的各用电部件进行220V和380V的供电和配电；
本实施方式的被控对象单元，如图2所示，由第一鼓风机、第二鼓风机、第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀、空气加热器和具有两个进口一个出口的三通组成；所述第一鼓风机的入口安装所述第一现场总线电动调节阀，第一鼓风机的出口通过一段金属管道连接所述空气加热器的入口，所述空气加热器的出口通过另一段金属管道连接所述三通的一个进口，即第一路空气流从第一现场总线电动调节阀进入后经过第一鼓风机、空气加热器和两段金属管道后进入三通；所述第二鼓风机的入口装有所述第二现场总线电动调节阀，第二鼓风机的出口通过第三段金属管道连接所述三通的另一个进口，即第二路空气流从第二现场总线电动调节阀进入后经过第二鼓风机和金属管道后也进入三通。所述第一现场总线电动调节阀根据来自控制单元的模拟量指令对对应阀门开度进行调节。所述第二现场总线电动调节阀根据来自控制单元的模拟量指令对对应阀门开度进行调节。所述三通的出口通过第四段金属管道联通大气。所述第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀均为具有现场总线的电动调节阀；所述第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀分别通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；
本实施方式中的第一鼓风机和第二鼓风机均选用型号为YE2-80M1-2的小功率鼓风机，具体规格参数为：风压为840～760Pa；风量为2100～2300m3/h；供电为380VAC；功率为0.75kw；转速为2850r/min；材质为不锈钢。本实施方式中的第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀均选用型号为M8410M+A8005ML的不锈钢电动调节阀门，具体规格参数为：输出：Profibus_DP和Modbus现场总线通讯；供电：380VAC；带一对球形铰链。本实施方式选用的空气加热器的型号为SD-06XX，其具体规格参数为：空气压力范围为0～840Pa；空气流量范围为0～2000～800m3/h(变频)；总功率为6KW，外形尺寸为600*450*300(长*宽*高)。金属管道和三通均采用的是DN100的不锈钢材质。
本实施方式的被控对象单元的工作过程为，第一鼓风机和第二鼓风机分别对来自大气的两路空气流提供动力输入被控对象，第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀分别对这两路空气流提供阻力，通过改变第一鼓风机和第二鼓风机的转速以及改变第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀的开度可以调节两路空气流的流量。其中经过第一鼓风机的空气流经空气加热器加热后变成高温气流，经过第二鼓风机的空气流为常温气流，这两路空气流经过三通混合后，成为中温气流，中温气流的流量为高温气流和常温气流的流量之和，中温气流的温度介于高温气流的温度和常温气流的温度之间，中温气流在第四段金属管道中运行一定距离后排至大气。
由本实施方式的被控对象单元的工作过程容易理解出本实施方式的被控对象单元的工作原理为：两路不同温度的空气在三通管道内混合，以被控对象单元中的空气加热器出口处高温气流的流量与温度、第二鼓风机出口处的常温气流流量、三通出口处的中温气流的温度与压力为被控变量，以第一鼓风机频率、第一鼓风机频率、第一现场总线电动调节阀开度、第二现场总线电动调节阀开度和空气加热器加热强度为控制输入，组成一个多输入多输出的具有明确物理含义的工业被控对象。本发明中的现场总线协议包括但不限于Profibus-DP、Profibus-PA、FF、Modbus、DeviceNet和工业以太网等。对于被控对象单元中的空气加热器设备配置无线控制单元，在设备就地实现启停控制和加热强度控制，同时采用无线通讯方式将过程数据上传至计算机主控单元，并接受来自计算机主控单元的指令。计算机主控单元和供电配电单元按照最小规模、最小耗电的原则选用工业级别的相关设备进行搭建。
本实施方式的现场总线电气单元，如图3所示，由具有现场总线通讯模块的第一变频器、具有现场总线通讯模块的第一软启动器、具有现场总线通讯模块的第一马达保护器、第一电气切换装置、具有现场总线通讯模块的第二变频器、具有现场总线通讯模块的第二软启动器、具有现场总线通讯模块的第二马达保护器、第二电气切换装置和空气加热器控制器组成；本实施方式的第一变频器和第二变频器均采用的是型号为ACS355-03E-03A3-4(380V/1.1kW)的ABB变频器。本实施方式的第一软启动器和第二软启动器均采用的是型号为PSR3-600-70的ABB软启动器。本实施方式的第一马达保护器和第二马达保护器均采用的是型号为MS116-2.5的ABB马达保护器，并各配常开触点HKF1-11。本实施方式的第一电气切换装置和第二电气切换装置均采用的是型号为OC-SO32的电气切换开关。本实施方式的现场总线电气单元同时配备相应的通讯模块(FPBA-01、FDNA-01、FENA-01、PDP22-FBP)、断路器(MS116-2.5)、接触器(A9-30-10)、断路器(T2S160TMDR16FFC3P)、柜体等。本实施方式的空气加热器控制器的具体规格参数为：接收远程无线信号以调节空气加热器加热强度，可以就地实现启停操作，也可以通过无线通讯方式实现远程启停操作。该空气加热器控制器采用Siemens S7-200系列PLC控制系统，硬件模块主要由型号为6EP1333-2BA20的电源模块、型号为6ES7 214-2BD23-0XB8的CPU模块、型号为6ES7 231-0HF22-0XA0、6ES7 232-0HD22-0XA0的IO模块、型号为6GK7 243-1EX01-0XE0的以太网通讯模块、型号为6GK5792-6MN00-0AA6的天线等组成。
本实施方式的第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第二变频器、第二软启动器和第二马达保护器均通过其各自的现场总线通讯模块与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯。通讯的内容包括电气单元中各电气设备的操作指令、各电气设备的状态数据以及变频器指令和变频器频率反馈信息。所述第一变频器的输出端、所述第一软启动器的输出端和所述第一马达保护器的输出端均连接所述第一电气切换装置的输入端；所述第一电气切换装置的输出端连接第一鼓风机的输入端；所述第二变频器的输出端、所述第二软启动器的输出端和所述第二马达保护器的输出端均连接所述第二电气切换装置的输入端；所述第二电气切换装置的输出端连接第二鼓风机的输入端；第一电气切换装置保证在任意时刻至多只有其中的一台设备即第一变频器或者第一软启动器或者第一马达保护器可以有效控制第一鼓风机。当第一变频器工作时，第一鼓风机的转速可以由第一变频器的频率进行调节，而第一变频器的频率可以由计算机主控单元通过现场总线通讯方式实现远程调节，或者由第一变频器操作面板的频率指令进行调节。当第一软启动器或第一马达保护器工作时，第一鼓风机恒速运行，其转速不可以由控制单元或者操作面板进行调节。第一变频器、第一软启动器和第一马达保护器都可以通过现场总线由来自计算机控制单元的指令进行设备启停操作。此外，第一电气切换装置还实现第一鼓风机的就地/远程切换操作。第二电气切换装置保证在任意时刻至多只有其中的一台设备即第二变频器或者第二软启动器或者第二马达保护器可以有效控制第二鼓风机。当第二变频器工作时，第二鼓风机的转速可以由第二变频器的频率进行调节，而第二变频器的频率可以由计算机主控单元通过现场总线通讯方式实现远程调节，或者由第二变频器操作面板的频率指令进行调节。当第二软启动器或第二马达保护器工作时，第二鼓风机恒速运转，其转速不可以由控制单元或者操作面板进行调节。第二变频器、第二软启动器和第二马达保护器都可以通过现场总线由来自计算机控制单元的指令进行设备启停操作。此外，第二电气切换装置还实现第二鼓风机的就地/远程切换操作。
如图3所示，本实施方式中空气加热器控制器通过无线控制单元中的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；本实施方式中空气加热器控制器的输出端连接所述空气加热器的输入端。本实施方式中可以根据来自控制单元或者空气加热器控制器操作面板的指令对被控对象单元的空气加热器进行远程或就地的启停操作，并通过控制单元发出的标准模拟信号指令对空气加热器的加热强度进行调节。
本实施方式的无线控制单元，如图3所示，由控制器、DI/DO/AI/AO模块、无线通讯模块组成；无线控制单元通过DI/DO/AI/AO模块与所述空气加热器控制器和用于测量空气加热器出口处温度的第一空气温度计以硬线方式相连接；空气加热器控制器从DI/DO/AI/AO模块接收空气加热器启停的DO指令信号，空气加热器控制器还向DI/DO/AI/AO模块发出运行、故障、转换的DI信号，空气加热器控制器还从DI/DO/AI/AO模块接收空气加热器加热强度指令的AO信号。第一空气温度计通过DI/DO/AI/AO模块向无线控制单元传送空气加热器出口处温度的检测AI信号；无线控制单元通过其具有的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯，接收来自计算机主控单元的空气加热器启停指令，并在就地实现空气加热器的启停逻辑控制，同时将与空气加热器之间的所有DI/DO/AI/AO的信号通过无线通讯模块送至计算机主控单元以实现远程监控。无线控制单元本身可以采用单回路控制器实现用加热强度指令对空气加热器出口处温度的回路控制，也可以将该回路控制功能放置在计算机主控单元中实现。
本实施方式的现场总线仪表单元，如图4所示，由第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计组成；本实施方式的第一现场总线空气流量计和第二现场总线空气流量计均采用的是型号为V100-05-V-R-C2NSL-PSW-89/4的威力巴流量计配型号为EJA110A-GMS4A-92DA的差压变送器。威力巴流量计的具体规格参数为：介质为空气；压力为760～840Pa；温度为0～50℃；流量范围为100～2300m3/h；管径为DN80；通用螺纹连接型，含05号探头，V指管道为垂直方向，R接头，带不锈钢针阀。本实施方式的现场总线空气温度计采用的是型号为WZP-2316-B3P2M-300A150-AM27的热电阻温度变送器，具体规格参数为：介质为空气；测量范围为0～100℃；压力为840Pa；防水接线盒IP65；分度号为Pt100；精度为B级；保护管材质为0Cr18Ni9；保护管直径为￠16mm；安装方式为采用外螺纹M27X2卯接；全长X插入深度：300X150mm；带直形连接头H＝80mm；带一体化温度变送器；输出为FF现场总线通讯。本实施方式的现场总线空气压力计采用的是型号为EJA110A-GMS4A-92DA的差压变送器，用于中温气流压力检测，具体规格参数为：介质为空气；测量范围为0～1000Pa；输出：FF现场总线通讯。
如图4所示，所述第一现场总线空气流量计安装在空气加热器出口处的高温气流管道上，用于在线测量高温气流的流量，并将流量值传送至计算机主控单元。所述第二现场总线空气流量计安装在所述第二鼓风机出口处的常温气流管道上，用于测量常温气流的流量，并将流量值传送至计算机主控单元。所述现场总线空气温度计安装在所述三通出口处，用于在线测量中温气流的温度，并将温度值传送至计算机主控单元。所述现场总线空气压力计安装在所述三通出口处的中温气流管道上，用于在线测量中温气流的压力，并将压力值传送至计算机主控单元。同时，所述第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计均通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；所述第一现场总线空气流量计和第二现场总线空气流量计均为具有现场总线的空气流量计；所述第一空气温度计为硬线温度计，现场总线空气温度计为具有现场总线的空气温度计；所述现场总线空气压力计为具有现场总线的空气压力计；
所述计算机主控单元，可以选用各种品牌和各种型号的PLC/DCS控制系统，例如可采用采用Siemens S7-300系列的PLC控制系统设备。本实施方式的计算机主控单元由上位计算机、CPU、电源模块、现场总线通讯模块、无线通讯模块、供电模块以及相关的控制软件组成。控制软件例如采用STEP 7软件包和WinCC组态软件。在S7-300中进行编写逻辑控制和回路控制程序，在WinCC组态软件中开发并操作本发明的计算机监控界面，包括流程界面、逻辑控制界面、回路控制界面及相应的趋势图、报警界面、系统管理界面等。其中现场总线通讯模块连接现场总线电气单元和现场总线仪表单元，通过现场总线负责实时过程信号的采集和控制指令的下达，无线通讯模块通过无线网络实现与无线控制单元之间的数据通讯，CPU模块完成控制程序的运行，供电模块实现PLC/DCS控制系统内部各模块的供电，上位计算机实现工程师站和操作员站的功能，即用于开发控制程序，也用于实验过程中的人机交互。
本发明基于工业物联网环境下以被控对象单元中的不同位置的空气压力、空气流量、空气温度为被控变量，鼓风机频率、电动调节阀开度和空气加热器加热强度为控制输入，组成一个多输入多输出的被控对象，可以进行各类物联网通讯方式的实验研究，可以用来进行过程辨识的实验研究、设备逻辑控制和多种回路控制策略的实验研究。辨识实验包括离线辨识(含阶跃响应实验、单位冲击响应实验)和在线辨识(含各种递推最小二乘实验、神经网络辨识实验等)。设备逻辑控制的实验包括设备的启停控制以及联锁控制。回路控制策略实验包括单回路控制(含PID控制、模糊控制、极点配置控制)、串级控制、比值控制、前馈控制、解耦控制、自适应控制、预测控制等。
Claims (4)
1.一种基于物联网的工业过程控制实验装置，其特征在于：包括：被控对象单元、现场总线仪表单元、现场总线电气单元、无线控制单元、计算机主控单元；
所述被控对象单元，由第一鼓风机、第二鼓风机、第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀、空气加热器和具有两个进口一个出口的三通组成；所述第一鼓风机的入口安装所述第一现场总线电动调节阀，第一鼓风机的出口连接所述空气加热器的入口，所述空气加热器的出口连接所述三通的一个进口；所述第二鼓风机的入口安装所述第二现场总线电动调节阀，第二鼓风机的出口连接所述三通的另一个进口；所述三通的出口联通大气；所述第一现场总线电动调节阀、第二现场总线电动调节阀分别通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；
所述现场总线电气单元，由具有现场总线通讯模块的第一变频器、具有现场总线通讯模块的第一软启动器、具有现场总线通讯模块的第一马达保护器、第一电气切换装置、具有现场总线通讯模块的第二变频器、具有现场总线通讯模块的第二软启动器、具有现场总线通讯模块的第二马达保护器、第二电气切换装置和空气加热器控制器组成；所述第一变频器、第一软启动器、第一马达保护器、第二变频器、第二软启动器和第二马达保护器均通过其各自的现场总线通讯模块与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯；所述第一变频器的输出端、所述第一软启动器的输出端和所述第一马达保护器的输出端均连接所述第一电气切换装置的输入端；所述第一电气切换装置的输出端连接第一鼓风机的输入端；所述第二变频器的输出端、所述第二软启动器的输出端和所述第二马达保护器的输出端均连接所述第二电气切换装置的输入端；所述第二电气切换装置的输出端连接第二鼓风机的输入端；所述空气加热器控制器通过无线控制单元中的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯；所述空气加热器控制器的输出端连接所述空气加热器的输入端；所述基于物联网的工业过程控制实验装置还包括一个第一空气温度计，用于测量空气加热器出口处温度；
所述无线控制单元，由控制器、DI/DO/AI/AO模块、无线通讯模块组成；无线控制单元通过所述DI/DO/AI/AO模块与所述空气加热器控制器和第一空气温度计相连接；无线控制单元通过其具有的无线通讯模块与计算机主控单元中的无线通讯模块的连接实现与计算机主控单元之间的通讯；
所述现场总线仪表单元，由第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计组成；所述第一现场总线空气流量计安装在所述空气加热器的出口处；所述第二现场总线空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处；所述现场总线空气温度计和现场总线空气压力计均安装在所述三通的出口处；同时，所述第一现场总线空气流量计、第二现场总线空气流量计、现场总线空气温度计和现场总线空气压力计均通过其各自的现场总线接口与计算机主控单元中的现场总线通讯模块的连接实现与计算机主控单元的通讯。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的工业过程控制实验装置，其特征在于：所述第一现场总线电动调节阀和第二现场总线电动调节阀均为具有现场总线的电动调节阀。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的工业过程控制实验装置，其特征在于：所述第一现场总线空气流量计和第二现场总线空气流量计均为具有现场总线的空气流量计；所述现场总线空气温度计、现场总线空气压力计分别为具有现场总线的空气温度计、空气压力计。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的工业过程控制实验装置，其特征在于：所述计算机主控单元，为具有现场总线通讯模块和无线通讯模块的PLC/DCS控制系统。
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