基于虚拟仪器技术的过程控制仪表的研究

基于虚拟仪器技术的过程控制仪表的研究

孙宏艳秦娜娜李翠芳

中机国能电力工程有限公司邯郸分公司

摘要：过程控制仪表就是指把所有软件和测量电路封装在一起，并利用仪器前面板为用户提供一组有限的或特定的测控功能。过程控制仪表主要组成部分有调节器包含可编程调节器、执行器、操作器等各种新型控制仪表及装置。本文对基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统进行了研究。通过查阅大量相关文献，了解了基于虚拟仪器技术的过程控制仪表的研究在国内外的发展状况。本文利用基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统的概念，设计制作了控制模式的加热装置和液压缸控制系统。

关键词：虚拟仪器技术；过程控制；仪表；

引言

随着虚拟仪器产品种类的拓展及功能的加强，虚拟仪器技术已逐渐走出测试领域，进入了一些相关的领域。在虚拟仪器技术如此迅猛的发展势头之下，很多人使用虚拟仪器的测控技术替代传统仪器的测控技术。

1基于虚拟仪器技术的过程控制仪表组成

基于虚拟仪器技术的仪表是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能。由测试软件实现信号采集，由集成的并且可以接插在计算机上的信号采集卡来实现数据输入通道。以计算机的各种端口为输出的一种计算机仪表系统。虚拟仪器技术的功能是由计算机实现，由计算机完成过程控制中的控制算法。类似于早先的集中控制的控制想法。但是又不同于集中控制。因为在被控对象中还是用了传统仪器。他们都可以独立的完成单回路控制。这样即使脱离了计算机过程控制仪表也能独立完成工作。

2基于虚拟仪器技术的过程仪表开发应用过程

首先要实际考察被控对象，如果有可能最好作试验得出被控对象的传递函数。了解控制精度。这对选择什么样的控制算法和传统过程控制仪表的所使用的元器件和设计方案非常有帮助。确定机和传统过程控制仪表的通信方式和通信协议。在基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统中这非常关键。它是过程控制系统稳定工作不可缺少的前提。基于虚拟仪器技术的过程控制仪表使用的是资源共享技术。具体的说是传统的过程控制仪表享有虚拟仪器技术中的先进的控制算法和运算能力这种资源。而虚拟仪器享有传统过程控制仪表的现场采集的数据资源。在基于虚拟仪器技术所编写的软件中有使用传统仪表和虚拟仪表的选项。在选择了传统仪表控制后，虚拟仪表只是起到记录仪表的作用。它会记录下来试验过程中的数据并且形成曲线形式进行描述。在选择了虚拟仪表控制后，传统仪表就放弃了使用自己控制算法的权利，由虚拟仪器完成控制。此时，虚拟仪表既要完成控制也要实现数据记录。

3基于虚拟仪器技术的仪表软件组成

虚拟仪器软件有很多种，如VC++、VB、LABVIEW、Labwindos/CVI等。在课题中使用的是LABVIEW。它是由虚拟仪器倡导者公司提供的。在LABVIEW中所使用的各种仪表的表盘都是按照现在工业现场所使用的真实仪表表盘制作完成的。所以用户在编程和应用虚拟仪器的时候都非常熟悉这些界面。更主要的是在LABVIEW里集成了好多现代工业中的成熟的先进的控制算法。

虚拟仪器技术的核心是尽可能多的用软件实现仪器的功能。可以利用计算机中友好的图形界面制作出虚拟仪器前面板，使用户更容易使用和接受。利用计算机中的数据存储资源来实现控制过程中的数据存储，使用户可以随时保存、提取所需要的数据。利用计算机的图形显示功能和实时打印功能，可以使所得到的数据实时图形化，看到被控量的变化趋势，从而可以及时的修改控制策略和控制参数。利用计算机的联网资源可以组成网络仪器，实现资源共享和远程控制等功能。

4基于虚拟仪器技术的仪表分析设计

为了更好的研究基于虚拟仪器技术的过程控制仪表。在课题中设计了一种用于对温度可以实时控制的基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统，后文称此系统为试验样机。研究过程中用这个样机来模拟基于虚拟仪器技术的过程控制系统中的单回路过程控制级功能。

此实验样机是用于温度控制、调节的加热装置。以前传统方法是直接在控制芯片中植入控制算法。但是由于控制芯片的运算能力、数据存储能力都十分有限。若采用高性能的处理器、大容量的存储设备虽然会大幅提高控制系统本身的性能，但同时也大幅度提高了设备的成本。基于这些，在设计中采用了基手虚拟仪器技术的过程控制仪表即在闭环的控制系统中引入虚拟仪器技术以降低控制系统成本、提高控制能力和精度。

4.1试验样机实现方案

试验样机是一种用于温度控制的系统。系统利用型热电偶对温度进行测量，使用温度传感器对热电偶测量的温度进行冷端补偿。使用运算放大器对热电偶的输出进行放大，使用模数转换器对输出信号进行采样后送入控制器中。再由控制器进行整理打包后送给虚拟仪器软件。虚拟仪器软件调用控制工具箱中的算法计算出控制量后通过输出通道传输给控制器。这样就形成了一个闭环的反馈控制回路。控制系统能根据测量的实际温度、设定温度、控制参数、等信息进行存储和显示。

4.2控制试验样机结构及实现

控制试验样机硬件设计主要由温度传感器、电源系统、单片机系统、信号放大电路、模数转换电路、串行通信，显示与键盘接口等几个部分组成。

5基于虚拟仪器技术的过程控制仪表的实现

在控制领域，有很多优秀的控制算法，比如控制、模糊控制、工业过程专家控制系统、神经控制等等。其中控制在自动控制领域中产生最早，在实际中应用最广。据不完全统计，在工业控制和航空航天控制等领域应用中控制占以上。鉴于控制算法的普遍应用，本温度控制实验样机采用算法实现对温度的控制。

5.1常规仪表调节功能的设计与实现

通过前面第三章的介绍，大概可以了解到试验样机系统的硬件组成如图1所示。下面按照基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统的组成—输入、输出通道、数据传输、算法、软件、界面的顺序逐一介绍。

图1试验样机结构图

5.2指示仪表的设计与实现

指示仪表，在过程控制中用来指示系统中需要测量的一些参数的实时数值。在过程控制系统中的常规仪表使用专业的表盘和方法来实现指示仪表。当把虚拟仪器引入过程控制仪表系统中的时候，可以使用虚拟仪器软件设计出和传统的过程控制仪表表盘、功能一样甚至增强了功能的指示仪表。为了继续对基于虚拟仪器技术的过程控制仪表进行研究，制作了一种用于对液压缸可以实时控制的基于虚拟仪器技术的液压缸过程控制仪表系统，后文称此系统为液压缸控制试验样机。此控制系统使用西门子系列作为控制器。通过对液压缸内的位移传感器和力传感器数据的读取来控制液压缸内活塞的位置，从而达到控制目的。系统的信号传输图如图所示工控机中安装使用虚拟仪器软件编写的虚拟仪器程序。该程序分为虚拟仪器作为主控制器和虚拟仪器作为辅助控制器。通过使用工控机与的通信整理出一套比较完善的通信控制协议。在实际的通信过程中使用该协议完成和虚拟仪器对该液压缸控制系统的控制。

5.3记录仪表的设计与实现

在温度控制试验样机中采用中的波形图表工具记录数据从而实现记录仪表功能。该工具可以实现记录多个数据的功能，并且将这些数据都实时的以曲线的形式连续显示工具图表的显示区域内。数据采集通道将数据安装预定的格式传输给计算机。由计算机控制波形图表工具记录、描点。当数据达到所设定的数据存储上限时，可以选择是否要将改图表保存成简易的曲线，以备后续研究工作。

5.4手操仪表的设计与实现

手操仪表用来完成手动操作所设计的虚拟仪器。整个系统的参数设置、调整和参数的传输都由手操仪表来完成。手操仪表在温度过程控制中，主

要是用来设置加热温度的上限和加热目标温度、通讯端口、通讯速率、控制的参数、参数传输等。应用手操仪表可以很方便的随时修改控制过程中的参数。

6虚拟仪器技术的发展前景

虚拟仪器在各个领域中的应用越来越广泛，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。子1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已经将NILABVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器与现实世界信号相连，分析数据已获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

结束语

本文对基于虚拟仪器技术的过程控制仪表系统进行研究讨论。给出了基于虚拟仪器技术的过程控制仪表所包括的内容及其开发、应用过程分析了如何使用虚拟仪器技术尽可能多的使用软件资源实现传统仪表的功能还探讨出了虚拟仪器与传统仪表资源共享方式和数据通讯方式。由于研究是在实验室进行的。所以要将研究的内容应用到工业过程控制领域还有很多工作要做。相信基于虚拟仪器技术的过程控制仪表一定会在工业控制中广泛地应用。它将提高过程控制能力，减少设备改造的投入，最大限度的利用现有资源。

参考文献：

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[2]杨明欣，张杰，郑郁正.基于STC单片机的实验开发平台的设计[J].成都信息工程学院学报.2016（03）

[3]刘兆妍，姚征.基于ADAM5510和LabVIEW的集散型供热控制系统[J].微计算机信息.2015（09）