基于Niagara开发平台的小型过程控制装置的制作方法

本实用新型涉及过程控制装置技术领域，尤其涉及一种基于niagara开发平台的小型过程控制装置。

背景技术：

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制也称实时控制，是计算机及时的采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，如数控机床和生产流水线的控制等。在过程控制系统中，现场装置(例如，测量装置、操作装置、或其他装置)通过i\o模块连接至控制器。控制器通过测量装置(如，传感器)的测量结果来控制装置以控制上述各种类型的状态量。

niagara能够提供一个统一的、具有丰富功能的开放式平台，它可以简化开发的过程，明显降低产品或系统的开发成本，缩短企业进入市场的时间或工程的建设周期。niagara还能够创造了一个通用的环境，几乎可以连接任何能够想象到的嵌入式设备或系统，而不用太多考虑这些设备的制造厂家和所其使用的通信协议。这一切的关键在于niagara可以与各种设备和系统通信，将它们的数据和属性转换成为标准的软件组件。并且，niagara还可以集成以前老的产品，可以为现有客户提供新的产品和技术，而无需大规模更换以前的设备。同时，采用niagara平台还具有图形化编程使得操作简单，处理控制逻辑速度快，易于修改，消耗人力物力少，界面美观，能将数据点接入云端，实现远程的编程和控制等优点。

传统的过程控制通常是使用可编程控制器(plc)以及输入输出(i/o)和各种仪表，例如压力、温度、差压、流量等模拟量和开关、运行状态等开关量，完成对某一生产环节的控制。基于plc和上位组态软件架构的优势主要有两个方面：(1)存在大量的项目应用案例，提供了丰富的控制和调试策略；(2)组态软件种类很多，用户可选空间很大。然而，依靠plc实现内部逻辑功能，编写复杂逻辑时需要消耗大量的时间和人力，开发周期长，修改逻辑困难，并在远程控制方面几乎处于空白，这就导致了plc控制的局限性。同时，这样的架构还存在两个潜在的难题：(1)plc无法直接读取所有品牌设备的参数，大量设备参数的读写必须依赖第三方网关，或者使用网关在上位机完成协议转换。这样就增加了一个不稳定环节，对系统长期稳定运行造成隐患。(2)随着互联网技术的快速发展，用户需要随时随地进行web访问和实时监控成了一个难题，目前很多plc系统不是原生态的支持web浏览，必须依赖第三方软件，造成开发的局限性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于niagara开发平台的小型过程控制装置。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于niagara开发平台的小型过程控制装置，其特征在于：包括pc机、jace8000控制器、io-28p控制器以及硬件结构部分，所述硬件结构部分包括加热水箱、储水箱、水泵、放水阀、加热棒、温度传感器、压力变送器、超声波传感器、液位开关和调压模块，所述水泵用于将水从储水箱抽到加热水箱，实现水循环使用，加热棒和调压模块配合使用，实现水的精确加热，温度传感器、压力变送器输出4～20ma电流信号用于显示加热水箱温度和底部压力；超声波传感器包括传感器部分和放大器部分，输出dc1～5v信号显示水位；液位开关用于采集水位的上下限并控制水泵的启停；

所述pc机与所述jace8000控制器连接，所述jace8000控制器与io-28p控制器通过rs-485端口连接，所述液位开关与所述io-28p控制器的数字输入接口连接；所述加热棒以及水泵分别通过继电器与所述io-28p控制器的数字输出接口连接；所述温度传感器、压力变送器、超声波传感器分别与所述io-28p控制器的模拟输入接口连接；所述调压模块与所述io-28p控制器的模拟输出接口连接，输出4～20ma控制加热棒，控制范围为ac0～220v。

优选地，所述io-28p控制器的通用输入ui、模拟量输出ao进行跳线设置。

优选地，所述超声波传感器四线制，温度传感器和压力变送器为两线制。

本实用新型的有益效果是:基于niagara开发平台可以通过简单易懂的逻辑来控制各个设备，不要考虑各个硬件是否兼容的的问题，也不需要对底层逻辑进行修改，从而降低了学习成本，并且基于niagara平台可以将数据上传到云端，实现远程控制，解决了传统工业控制无法远程操作的问题，在操作本实训装置时，学生只需要将精力用于物联网的设计，极大提高了开发学习的效率。利用niagara开发平台进行逻辑编程和软件开发，可以对控制过程进行实时监控，具备报警、历史曲线、实时曲线等常见的监控功能。满足过程控制逻辑要求，在蓄水加热模式下，水泵抽水到达水位上限，水泵停止，然后加热棒通过电压模块实现加热，加热至设定温度停止加热，实现水箱蓄水加热功能；在用水模式下，手动开闸放水，水流进储水箱，当液位下降至下限，水泵开始抽水，如此重复循环，此过程模拟了热水器的使用过程，具有现实意义。

附图说明

图1为过程控制实训装置硬件系统图；

图2为硬件系统网络结构图；

图3为io接口图；

图4为jace8000接口图；

图5为总体控制流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1、图2所示，实训装置硬件部分包括加热水箱、储水箱、水泵、放水阀、加热棒、温度传感器、压力变送器、超声波传感器、液位开关、调压模块、连接管道等，可以满足水箱的液位控制和温度控制。其中，水泵用于将水从储水箱抽到加热水箱，实现水循环使用；调压模块内部集移相触发电路、单向或双向可控硅、rc阻容吸收回路及电源电路等于一体，可自动或手动调节输出可控硅的触发导通角以改变负载上的电压，从而调节输出功率，实现负载电压从零伏到电网全电压的无级可调。加热棒和调压模块配合使用，实现水的精确加热；温度传感器、压力变送器输出4～20ma电流信号用于显示加热水箱温度和底部压力；超声波传感器包括传感器部分和放大器部分，输出dc1～5v信号显示水位；液位开关用于采集水位的上下限并控制水泵的启停。

niagara开发平台可以不同利用的驱动程序将不同的通讯协议进行融合，本系统使用bacnetip和modbusrtu两种方式进行数据通信，使用bacnetip集成时，需要使用网线将jace的第一个以太网端口和电脑连接，jace的第二个以太网端口和io-28p连接，将电脑的ip地址和jace端口1设置到同一网段，jace端口2的ip地址和io-28p设置到同一网段，可以使用ping指令检测一下。在软件开发平台端需要将bacnetnetwork添加到站点的drivers中，并设置objectid、networknumber、networkadapter和ipaddress，通过“discover”按钮查询网络上所有的bacnet设备并添加到本地数据库，接下来就是在新添的bacnet设备中搜索可用的点，将点添加到本地数据库，作为代理点和逻辑视图中的点进行关联。使用modbusrtu方式集成时，需要将jace和io-28p通过rs485连接起来，在软件开发平台端将modbusasyncnetwork添加到站点的drivers中，通过新建modbus设备并根据查询网页中的设备信息配置portconfig中的com口、比特率、检验位、停止位，com口根据io-28p中id设置跳线决定，modbus设备添加后，需要新建点和设备寄存器中的数据进行关联，关联的关键在于查询不同类型的寄存器地址表，需要注意的是新建代理点时要设置好数据类型和状态类型，区分是只读还是可读可写的。

为了更好的利用niagara4，tridium公司研发了全新的硬件平台jace8000及配套的io设备。本系统使用pc、jace8000控制器、io-28p和传感器、继电器等设备进行互联，其中，jace8000控制引擎具有全新、兼容以及开放的功能和特点，最大化利用niagara4，基于html5web界面、图表和数据可视化，通用的设计语言，更好的报表功能，更强的安全性，提高了设备管理能力。io-28p具有28个输入输出点，同时具备bacnetmstp/ip和modbusrtu/tcp通讯协议，是一款能满足一般应用的控制模块或特殊需求的应用控制器。jace8000控制器、io-28p需要dc24v电源供电，液位上限开关和液位下限开关作为di点(数字输入接口)进行干触点接入；加热棒继电器和水泵继电器作为do点(数字输出接口)，需要串入dc24电源，实现继电器的吸合；温度传感器、压力变送器、超声波传感器作为ai点(模拟输入接口)，也需要dc24电源供电，其中超声波传感器四线制，温度传感器和压力变送器为两线制。调压模块作为ao点(模拟输出接口)，输出4～20ma控制加热棒，控制范围为ac0～220v。需要注意的是io-28p的通用输入(ui)、模拟量输出(ao)需要进行跳线设置，为了区分通用输入是电压、电流还是电阻信号，以及模拟量输出是电压信号还是电流信号。此外，为了明确模拟量的具体类型，需要进行通道配置，niagara支持网页设置，浏览器访问io-28p的ip地址，输入登录名和密码，将温度传感器、压力变送器和调压模块的信号范围设置为4～20ma，超声波传感器的信号范围为0～5v。

如图3图4所示，io-28p接口由24v电源接口、rs-485端口、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、数字量输入输出指示灯以及状态指示灯组成。实现采集信号的输入和控制信号的输出。该io模块支持bacnetmstp/ip和modbusrtu/tcp通讯协议，通过连接以太网接口或者rs-485端口实现。jace8000接口包括：24v电源接口、rs-485端口、以太网端口(两个)、内置wifi接口以及状态指示灯等。rs485接口和io-28p的rs485接口可以直连，或者通过网线将以太网接口和io-28p的以太网接口互联，另一个以太网接口通过网线和服务器相连。

如图5所示，系统运行后，根据模式的选择由设置好放水阀，系统会根据液位上下限和放水阀状态判断水泵和加热棒运行指令，自动实现热水器工作过程。在niagara4开发平台中，可以建立不同类型的数据点，与现场设备和用户界面的控制点进行互联，将数据全部集成到逻辑视图中，在逻辑视图中实现逻辑策略。同时，开发平台提供了庞大的palette库，开发工程师将需要的控件和函数直接拖拽到逻辑视图中，这种图形化的开发流程可以大大减低开发难度和周期，工程师将更多的精力放在逻辑优化上，而不是繁琐的逻辑语句。这里需要注意以下几点：

1)除了和设备之间的通讯点之外，还需要建立一些和界面之间的交互点以及逻辑的中间点，例如系统运行、放水阀启动、温度设定值、水泵运行、模式设定等。系统需要使用常见的逻辑函数(and、or、not)和选择函数(booleanswitch)进行搭建，这些都可以从palette里面找到。

2)系统可以根据温度设定值和当前温度进行pid调节，使用looppoint函数，设置好比例、积分、微分环节参数、调节死区和爬坡时间等参数即可。

3)温度传感器和压力变送器输出4～20ma电流信号，只要配置好对应的最大值、最小值和单位就可以显示出真实数值。但是超声波传感器的输出信号是1～5v，对应量程的最小值和最大值，但是该采集通道只能设置为0～5v，直接显示数据不准，所以需要在逻辑视图运用线性函数进行换算，对应到实际的水位显示。

4)设置报警时需要使用alarmservice，在wiresheet视图上添加alarmclass和consolerecipient控件，设置好参数并连接起来，然后找到需要添加报警的点，使用alarm调色板中outofrangalarmext控件将点进行属性的扩展，设置好报警部分的上下限等参数即可，查看报警时需要打开alarmservice并选择不同的视图或者在站点的alarm中查看。

5)设置历史和实时曲线时需要使用history容器，确定需要添加历史的点，使用history调色板中numericcov、booleancov等控件将点进行属性的扩展，设置好参数，在historyservice里对历史进行启用，然后就可以在站点的history中通过不同视图查看各个历史点的曲线了。

通过界面中可以清晰的看到水箱运行参数，包括加热水箱温度、加热水箱箱底温度、加热水箱液位，液位上下限和水泵的运行状态也会随改变表现在界面上。此外，系统的运行和复位以及模式和水温的设定都是从界面得到的。本系统具有常规的历史、实时数据曲线和报警画面，同时支持web访问，可以轻松的通过常用浏览器实时监测水箱温度液位控制系统的运行状况。

基于niagara开发平台可以通过简单易懂的逻辑来控制各个设备，不要考虑各个硬件是否兼容的的问题，也不需要对底层逻辑进行修改，从而降低了学习成本，并且基于niagara平台可以将数据上传到云端，实现远程控制，解决了传统工业控制无法远程操作的问题，在操作本实训装置时，学生只需要将精力用于物联网的设计，极大提高了开发学习的效率。

此外，电气类和机电类专业的学生将可编程控制技术作为核心专业课程进行学习，部分学生已经具备一定编程水平和实操能力，需要进行知识储备的扩充和技术技能的提高，特别是对新颖的控制器和开发平台、基于图形化的编程环境、工业控制网络等进行深入研究。所以，引入一种新颖的控制开发平台和控制器，接触全新编程理念，发挥更强大的通讯能力，对于应用型人才培养具有重要意义，同时，使用已有实验室部分过程控制设备进行硬件系统搭建和上位机开发，与原plc控制系统进行对比，总结各自优势，具有系统移植性研究意义，协助企业更好的开发软件系统，为未来将该控制系统拓宽到更广的应用领域提供技术支持。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。