1、基于 PLC 的智能化 PID 控制系统设计摘 要： 介绍了智能化 PID 控制系统的搭建和软件设计。上位机选用 VC+6.0 软件开发多媒体软件界面，实现系统的监控管理。下位机采用 PLC 智能化控制技术，实现现场数据的实时采集和现场设备运行状态的自动控制。系统采用科学的模块化管理模式，并在后方建立实时数据库实现对数据的存储管理，针对系统特点采用了改进的数据库访问方式。整个系统具有高可靠性、稳定性和安全性。 关键词：PLC；智能化；PID 控制；数据采集 Design of Intelligent PID Control System Based on PLC yan chao Abstra
2、ct： This paper presented the intelligent PID control system including the construction of its hardware environment and software design. The upper computer used VisualC+6.0 software， which designed an auto-play interface to realize monitoring and management system. The lower compute used PLC， which c
3、ollected the field data and control actions. The system uses scientific modularization management， and establish real-time database in the rear to realize data storage management. According to system features， an improved access mode to the database has been taken. The system was provided with stabi
4、lity and security. Key words： PLC； intelligence； PID control； data collect 在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化工业生产必不可少的基本手段。从单台计算机的直接监控到多级计算机监控系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。 计算机多级监控系统，是以监控计算机为主体，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了对生产过程的检测、监督和控制。本文结合在沙盘控制系统中的实际应用，采用可编程控制器
5、PLC 与上位机构建多级集散控制网络，结合软件设计，实现了智能化沙盘控制系统设计。与原有同类型系统相比本系统集过程控制与智能化管理于一体，控制质量高、能耗低、系统更加稳定可靠。 一、智能化 PID 控制原理 智能 PID 控制就是将 智能控制与传统的 PID 控制相结合，其控制器参数可以实时地自动调整，不依赖系统精确数学模型，对系统参数变化具有较好的适应性，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力1。智能 PID 控制主要有模糊 PID 控制、专家 PID 控制和基于神经网络的 PID 控制等2。 本文是基于模糊的 PID 控制系统，利用模糊控制系统在控制过程中对不确定的条件、参数 、延迟和干扰等因素进行
6、检测分析，采用模糊推理调整 PID 控制器的参数，使之适应被控对象的参数、结构以及输入参考信号的变化，并抵御外来扰动的影响，不仅保持了常规 PID 控制原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有很大的灵活性3。 PID 控制器完成对系统的控制，模糊控制系统实现对 PID 三个参数进行自动校正。PID 算法数字控制规律为： 其中 KP 为比例系数；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；u（k）为调节器的输出；e（k）为偏差值；Ts 为采样周期。 根据 PID 参数自整定原则，用于校正 PID 参数的模糊控制器采用两输入三输出的模糊控制器，以系统误差和误差变化率为输入语言变量。控制系统原
7、理如图 1 所示： 二、智能化控制系统的总体设计 2.1 系统软硬件平台的选择 上位计算机要实现稳定运行显示及各种参数设置，我们选用 VC+6.0软件进行开发实现对现场的数据采集，并通过友好直观的画面显示出来。考虑本系统多媒体智能化控制的现场要求，下位机选择台达公司的DVP 系列的 PLC。上位机与下位机之间通过 PLC 自带的 PPI 线相连4。 2.2 智能控制系统的主要功能 通过 PLC 于上位机的集散控制系统的建立，在触摸屏控制的可视化界面上，可以实时的看到现场多媒体播放软件的演示配合现场各种设备的动作展示。当系统出现异常信号传输时，系统可以自动识别纠错，实现了全自动化控制。通过系统的
8、安全级别控制，可以防止非操作人员进入系统带来不必要的损失。 2.3 系统的整体方案 本系统采用监控主机逻辑处理、串行数据传输、现场数据采集的三层网络。 第一级网络：监控平台。它对要求进入系统的人员进行身份识别，只允许有权限的人员进入。通过友好的人机界面实现对整个智能化控制系统的监测及管理。系统监控主机可以对整个工作过程中的信息进行集中采集管理。 第二级网络：串行数据传输平台。通过串行数据通讯接口实现 PLC与上位机的数据传输5。 第三级网络：信息采集系统。根据现场实际情况，PLC 完成对现场设备的控制，状态信息的采集，计算机程序将 PLC 采集到的有用信息实时记录到数据库里。系统总体结构如图
9、2 所示： 三、智能化系统功能的实现 本系统软件设计采用标准 C/C+语言，在 Visual C+6.0 集成开发环境下进行软件的开发。 3.1 可视化界面的主要功能 监控软件总体分为 6 个功能模块，分别为：系统管理模块，串口通讯模块，多媒体播放模块，数据存储模块，异常处理模块和帮助模块。 系统管理模块：分为用户登陆、系统用户管理和退出功能；其中系统用户管理功能包括添加新的系统用户、用户密码变革和注销用户。 串口通讯模块：完成 PC 机与 PLC 设备的实时通讯，从而对外部硬件系统进行控制6。 多媒体播放模块：通过串口传来的数据，根据需要播放相应的站点视频介绍与 3D 动画。 数据存储模块：
10、把 PLC 采集到的数据通过串行通讯接口上传到监控主机后，通过数据处理模块把数据实时的存储在多媒体界面的后台，另一方面周期性的将实时数据保存到历史数据库中。 异常处理模块：当系统运行发生异常时，系统根据运行参数，产生报警信息，自动进行纠错处理。 帮助模块：分为关于和显示帮助文档功能。 系统软件分为普通用户登陆和系统管理员用户登陆，这种设计提高了系统的安全性。在系统管理员用户下，可以进行一些普通用户所无法操作的功能，比如：增加新的系统用户、密码变更、注销系统用户、出入权限设置等等。 3.2 系统管理模块的设计 安全保护是现场应用系统不可忽视的问题，对于有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用工程，
11、必须解决好授权与安全性的问题，系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操作。给操作者分配访问优先级和安全区，运行时当操作者的优先级小于对象的访问优先级或不在对象的访问安全区内时，该对象为不可访问，即要访问一个有权限设置的对象，要求先具有访问优先级，而且操作者的操作安全区须在对象的安全区内时，方能访问。在用户管理界面中，可以进行用户登录、注销、修改密码、删除用户和退出等操作。其中删除用户是级别高的用户可以删除比自己级别低的任意用户，对于和自己级别相同的用户或者级别高于自己的用户则没有操作权限。 为了保障系统连续、安全、稳定运行，对于退出系统的权限也进行了设置，规定只有管理员级别的用户
12、才有权利退出系统，而且为了防止误操作，又添加了操作确认提示框，为系统的运行增加了一个保障。 3.3 多媒体播放程序的实现 在多媒体播放模块的设计中，要充分考虑模块的适应性、使用简便、界面美观等方面的条件。经过综合比较，最后选用 VC+6.0 自带的ActiveX 控件 Windows Media Player ，它的优点是可以播放多种不同格式的音视频文件，而所需修改的代码量很少，不用针对不同格式的文件单独编写其调用程序，并且界面友好。 首先插入该控件，然后给它关联一个 CWMPPlayer4 类型的公有变量，这样这个类下面封装的所有函数就都可以使用了。 在设置播放文件的路径时，单个界面的应用程
13、序主要有两种方法：在控件的属性选项卡中直接设置需要播放的多媒体文件，或者调用函数SetUrl（LPCTSTR lpszNewValue）进行设置。但当系统为含有多个界面的应用程序时，如果选用设置控件的属性选项卡这种方式，在调用过程中，第二个控件会默认播放之前一个控件的播放文件，所以在设计使用时必须采用调用函数的方法。另外，需要播放多媒体文件的界面在使用这个控件时，需要在相应的应用文件中包含定义这个函数类的头文件。 四、后台数据库的设计 在本设计中，由于系统对实时性的要求较高，采用 SQL Server 2000关系型数据库。系统将数据库设计成实时信息数据库和历史数据库两大部分。 4.1 实时存
14、储模块的搭建 在本设计中，采用利用动态链接库来建立实时数据库。动态连接库是 Windows 中的一种特殊的程序单元，被称为非任务化的可执行模块，它们由调用者的任务所驱动。本文提出了利用动态连接库来建立系统运行的实时数据库，数据库接口由一组 API 函数组成，利用这些接口函数，I/O 驱动程序和各个用户程序模块可以直接访问实时数据库，这样，系统便具有了全面的开放性和很强的实时性7。 根据地铁沙盘系统的运行要求，为系统定义数据库变量，并将数据库变量与 PLC 的物理 I/O 设备建立 I/O 连接。在数据库中所建的数据库点参数和所采集数据变量进行一一对应，从而可以动态的显示及存储设备的运行状态。
15、4.2 改进的数据库访问方式 传统的客户/服务器应用软件模式大都是两层结构应用软件。客户方软件不但要完成用户交互和数据显示工作，而且还要完成对应用逻辑的处理工作8。为了解决两层结构应用软件中存在的系统可伸缩性较差和安装维护困难的问题，在本设计中提出了的多层结构应用软件，把业务逻辑单独提取出来，构成了中间一层，形成真正的分布式应用系统。结构如图 3 所示： 五、结语 本文所介绍的智能化地铁沙盘控制系统，采用了上位机+PLC 的分布式控制模式。PLC 系统与传统的控制系统相比，自动化程度和可靠性有了大幅度提高，减少操作人员的工作量，而且操作简单，控制精度高。采用计算机进行数据处理，使整个过程实现了
16、科学化、现代化。PLC 系统的采用对能源和设备的合理利用，节约能源，降低能耗。系统现已正式投入使用，此项技术的研究，为今后此类控制系统的开发提供了良好平台。参考文献 1舒迪前，饶立昌，柴天佑.自适应控制M.沈阳：东北大学出版社，1999 2李卓，萧德云，何世忠.基于神经网络的模糊自适应 PID 控制方法J.控制与决策，1996，11（3）：340-345 3金鑫. 典型工业过程鲁棒 PID 控制器的整定 J.控制理论与应用，2005，22（6）：947-953 4DELTA COMPANY.DELTA DVP Series PLC COMMUNICATION PROTOCOL VER 1.0Z，2007 5龚建伟，熊光明.VisualC+/Turbo C 串口通信编程实践M.北京：电子工业出版社，2006 6刘正国，刘唯.计算机与松下 FP 系列 PLC 串行通讯的实现J.微计算机信息，2006，22（8）：166-168 7蒋年德，王耀南.基于面向对象的变电站实时数据库设计J.开发应用，2002，18（6）27-29. 8张志檀.实时数据库原理及应用M.北京：中国石化出版社，2001.
