水箱水溫計水位控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29222水箱水溫計水位控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計案例 118835第一章系統(tǒng)硬件設計 1251531.1硬件架構(gòu) 196071.2感知層 2136171.2.1熱電阻 2136831.2.2壓力變送器 2132811.2.3超聲波傳感器 2215461.2.4全隔離單相交流調(diào)壓模塊 353831.3傳輸層 3204701.4控制層 4160091.2.1JACE-8000網(wǎng)絡控制器 43293第二章系統(tǒng)軟件程序設計 6110432.1Niagara軟件框架 6282172.2N4軟件與JACE-8000數(shù)據(jù)通訊 7241122.3主程序設計 8270932.1.1設置點對應傳感器 8242532.1.2設置報警模塊步驟： 9310192.1.3溫度檢測與控制系統(tǒng) 10154532.1.4液位檢測控制邏輯，壓力檢測邏輯及溫度控制邏輯的集成 123882.1.5歷史/趨勢數(shù)據(jù)采集程序設計 13295142.1.6用戶頁面設計 14209862.1.7平臺的遠程訪問 15第一章系統(tǒng)硬件設計1.1硬件架構(gòu)在之前的系統(tǒng)監(jiān)視設計上，計算和統(tǒng)計出需要監(jiān)視的點數(shù)，傳感器和設備的類型等，并搭建完成感知層傳輸層和控制層的硬件結(jié)構(gòu)。感知層主要是溫度，液位等。傳輸層主要是一些工業(yè)控制協(xié)議，其中包括MODBUS和TCP/IP通信協(xié)議?？刂茖又饕琂ACE-8000，IO-28P輸入和輸出模塊。主要的硬件設備為水箱、抽水設備和多個管道、加熱器[1]。如圖系統(tǒng)架構(gòu)圖3-1。圖3-1系統(tǒng)架構(gòu)1.2感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)硬件架構(gòu)中最基本的部分，它是由多種現(xiàn)場設備構(gòu)成。該設計是基于Niagara的過控系統(tǒng)，它的感知層主要有熱電阻、壓力傳感器等[1]。1.2.1熱電阻在中低溫區(qū)間內(nèi)，熱電阻是最常用的溫度檢測器之一。對于熱電阻測量溫度有以下特點：金屬導體電阻大小會隨溫度升高而增加[10]。熱電阻主要有測量的精度高，性能較為穩(wěn)定的特點。在這些檢測器之中，鉑熱阻有者最高測量精度。其不僅僅用于廣泛工業(yè)中的溫度測量，而且還可以與標準參考設的一些制作。1.2.2壓力變送器當測量膜片的表面上受到壓力時，膜片會引起輕微變形。膜片上的精密電路將這種細微的變形轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓與膜片表面壓力成正比，與激勵電壓成正比[8]。它發(fā)送信號，并使用相應芯片將該電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)通用的4-20mA的電流信號或者1-5V的電壓信號[4]。測量膜片使用帶有線性和溫度補償電路的集成標準電路，用來實現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性。傳輸電路使用了專用的兩線制芯片，可以保證4到20mA的電流輸出信號。1.2.3超聲波傳感器超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換為另一個能量信號（一般為電信號）的傳感器[5]。它是一種機械波并且振動頻率超過20kHz。它具有高頻率，短波長，小的衍射現(xiàn)象的特點。特別是方向性好的特性，并且可以變成光線并沿方向傳播。它具有很強的穿透能力，可以把液體和固體穿透，特別是不允許陽光通過的固體。在超聲波與污染物或界面接觸時，會產(chǎn)生清晰反射的回聲。用超聲波觸摸移動的物體會產(chǎn)生多普勒效應。1.2.4全隔離單相交流調(diào)壓模塊全隔離單向交流調(diào)壓器是由鑒相電路，同步變壓器，移相觸發(fā)電路和輸出晶閘管構(gòu)成。當控制電壓力發(fā)生改變時，晶閘管觸發(fā)的相角能發(fā)生改變，即能實現(xiàn)單相交流電的電壓調(diào)節(jié)。單相交流調(diào)壓模塊的技術(shù)參數(shù)請看表3-2-4。表3-2-4技術(shù)參數(shù)輸入電壓控制0-5V，0-10V控制輸入電流控制4-20mA，0-10mA參數(shù)手動電位器控制2-10kΩLED指示有額定工作電壓220/380Vac（±10%）輸入?yún)?shù)電網(wǎng)頻率50Hz斷態(tài)峰值截止電壓Vp≥1200Vpk浪涌電流（電網(wǎng)一周）800%最小負載電流100mA輸出斷態(tài)漏電流＜12mA參數(shù)靜態(tài)電壓上升率dVs/dt＞200V/μs（增強型）換向電壓上升率dVc/dt＞200V/μs（增強型）調(diào)節(jié)響應時間10ms關(guān)斷最大延時10ms介質(zhì)耐壓≥2000Vac其他絕緣電阻＞1000MΩ（500Vdc）參數(shù)工作環(huán)境溫度-40℃—+60℃散熱方式散熱器、強制風冷1.3傳輸層傳輸層在管理平臺中的作用是上載和下達數(shù)據(jù)。其是物聯(lián)網(wǎng)的中心，同時也是確保信息傳輸質(zhì)量的主要通信手段。該系統(tǒng)中使用到的傳輸層技術(shù)主要包括TCP/IP協(xié)議（JACE-8000與PC服務器的通信）和MODBUS協(xié)議（JACE-8000與水箱系統(tǒng)和IO模塊通信）。MODBUS協(xié)議是工業(yè)控制中一種常用的編程語言。在當前應用中，MODBUS通信協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)控制中的重要組成部分，并且工業(yè)控制中的每個組件都可以通過該協(xié)議連接到工業(yè)網(wǎng)絡中進行集中的監(jiān)視。在使用的過程中，可以采用RTU或ASCII進行MODBUS通信。傳輸方式為：JACE-8000（IP：40）通過PRI口，并通過TCP/IP協(xié)議與PC進行通信。水箱系統(tǒng)的各種傳感器通過導線接上IO-28P的I/O，再通過TCP/IP連接到JACE-8000。1.4控制層控制層是物聯(lián)網(wǎng)整個硬件體系結(jié)構(gòu)的最高層，是整個硬件系統(tǒng)的指揮。它在協(xié)調(diào)總體情況以及收集和分析感覺層數(shù)據(jù)方面起著總體作用?？刂茖釉O備主要是JACE-8000和IO-28P模塊。1.2.1JACE-8000網(wǎng)絡控制器控制層中使用的是一臺嵌入式網(wǎng)絡控制器，型號為JACE-8000（圖3-4-1是實際的設備圖），并且可以連接相應的擴展模塊（有RS485端口）。JACE-8000包括了兩個單獨的RS485端口，兩個以太網(wǎng)端口，USB備份和恢復以及一個Wi-Fi連接。電源為24VAC/DC電源，最多可以使用4個擴展模塊。它還配備了擴展模塊，具有RS-485接口。JACE-8000將具有不同協(xié)議的多個現(xiàn)場設備連接到LAN/WAN，并具有能源管理，警報，趨勢分析，控制和Web界面功能。圖3-4-1JACE-8000IO-28P模塊是模擬量、數(shù)字量輸入、輸出模塊，如圖所示，模塊當中有模擬量輸入接口，數(shù)字量輸入接口，數(shù)字量輸出接口各8個，模擬量輸出接口有4個。IO模塊的硬件調(diào)試步驟如下進行：（1）設備可以同時支持BACnet與MODBUS協(xié)議。共有8個內(nèi)部DIP開關(guān)，第一個位用于選擇協(xié)議的類型，其余的第二個到第八位是用于尋址設備的二進制規(guī)則。（2）可以通過內(nèi)部跳線開關(guān)選擇設備的模擬輸入信號。信號類型包括電流，電壓和電阻信號。該系統(tǒng)中使用的主要模擬輸入信號是4-20mA電流信號。（3）IO-28P模擬輸出信號，包括電壓和電流信號，也可以通過內(nèi)部跳線開關(guān)進行選擇。該系統(tǒng)中使用的模擬輸出信號主要是4-20mA的電流信號與0-10V的電壓信號。本硬件架構(gòu)平臺使用一臺IO-28P模塊，一臺IO模塊的地址分別為0-3。一臺IO模塊溫度、液位的物理狀態(tài)，循環(huán)泵的啟停狀態(tài)、加熱棒的加熱公率等數(shù)據(jù)進行采集和控制，IO模塊對應的輸入輸出數(shù)據(jù)如表1.1所示圖3-5-1IO-28P模塊表1.1模塊編號描述量程點的類型接點地址IO-28P熱電阻0~100℃BooleanPointHex:0IO-28P超聲波傳感器85~735mmNumericPointHex:4IO-28P壓力變送器0~4000PaNumericPointDecimal：14IO-28P加熱棒加熱功率AC0~220NumericWritableHex:0IO-28P液位開關(guān)上限BooleanPointHex:0IO-28P液位開關(guān)下限BooleanPointHex:1IO-28P加熱棒啟動BooleanWritableHex:1IO-28P水泵啟動BooleanWritableHex:3第二章系統(tǒng)軟件程序設計前三章分別詳細介紹了設計該系統(tǒng)的意義，系統(tǒng)的設計方案和系統(tǒng)硬件設計等結(jié)構(gòu)。下面詳細介紹系統(tǒng)的軟件設計和開發(fā)。本章基于Niagara的軟件框架，完成了軟件和硬件設備的通信設置以及數(shù)據(jù)互聯(lián)，以構(gòu)建完整的監(jiān)視和管理界面。該平臺可以提供了遠程瀏覽器訪問，實時進行數(shù)據(jù)監(jiān)視，系統(tǒng)實時控制以及歷史數(shù)據(jù)可視化顯示。2.1Niagara軟件框架Niagara是霍尼韋爾的Tridium基于Java技術(shù)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)軟件框架[15]。該平臺使用第4代產(chǎn)品Niagara4（見圖4-1-1）。軟件如圖4-1-2所示。Niagara4用于管理連接的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡控制器和現(xiàn)場DDC。在獲得傳感器檢測的的數(shù)據(jù)后，由集成的相應邏輯處理后，在界面中進行統(tǒng)計分析，算法分析，監(jiān)視和警報等應用。它還負責感知層設備的群控[13]。圖4-1-1Niagara2.7軟件圖4-1-2Niagara4軟件界面圖Niagara的相關(guān)技術(shù)如下：（1）應用程序組件（programs）：①站：這是Niagara運行時的程序，它是在Java虛擬機上運行的Niagara組件應用程序。②工作臺：一種可視化的Niagara編程工具，使用者可以訪問平臺和工作站。③守護程序（Demon）：守護程序用于平臺配置項目與啟動工作站，例如設置IP地址。④Web瀏覽器：使用者可以通過瀏覽器來訪問Niagara平臺。（2）網(wǎng)絡通訊協(xié)議（Protocols）：①Fox：基于TCP/IP的專用協(xié)議，用于站到站通信和工作臺到站通信。；②HTTP：這里是指標準的HTTP協(xié)議。

瀏覽器則是通過https協(xié)議訪問站點的網(wǎng)站。③Niagarad：用于工作臺與守護程序之間通信的專用協(xié)議。2.2N4軟件與JACE-8000數(shù)據(jù)通訊JACE-8000借助PRO端口通過使用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)線連接到PC服務器上。為了成功進行通信，必須在192.168.0.XX部分中設置PC服務器的本地連接地址。在N4軟件平臺上，使用OpenPlatform命令將Jace-8000的IP地址設置為40。，將FoxPort設置為4911，然后輸入相應的用戶名和密碼以打開Jace-8000控制器平臺。雙擊進入平臺然后運行ApplicationDirector目錄。加載后，可以在JACE-8000網(wǎng)絡控制器上打開工作站。此平臺上的通信連接主要使用目錄中的Config功能。這包括服務，驅(qū)動程序和APP之類的功能。其中，驅(qū)動軟件作用是實現(xiàn)各設施通訊最主要的部分。文件部分可以在管理平臺上存儲界面，歷史記錄和警報數(shù)據(jù)。打開工作站后，使用“調(diào)色板”工具選擇ModbusTcp文件夾，以將ModbusTcpNetwork組件依次添加到Drivers目錄和組件ModbusTcp設備中。ModbusTcp設備的狀態(tài)將照常顯示（參見圖4-3）。這樣就可以在N4軟件和JACE-8000之間進行通信。圖4-32.3主程序設計2.1.1設置點對應傳感器先建立8個點來對應相應的傳感器。4個Boolean點為加熱開關(guān)、水泵繼電器、液位上限位、液位下限位。4個模擬點為加熱棒繼電器、超聲波傳感器、壓力變送器、熱電阻。按表1.1進行地址設置。如圖4-3-1所示、圖4-3-2所示。圖4-3-1圖4-3-22.1.2設置報警模塊步驟：打開station目錄中的services的alarmservice一項，打開alarmservice中的屬性視圖。2.打開調(diào)色板里的alarm調(diào)色板。從調(diào)色板為alarmservice的wiresheet添加一個新的alarmClass項目，并將其命名為報警。1.打開報警的PropertySheet設置如圖4-3-3。圖4-3-32.從alarm調(diào)色板的Recipients文件夾，為alarmservice的wiresheet添加一個consoleRecient。將這個consolerecipient命名為All_Alarms。從DefaultAlarm的Alarm連接到All_Alarms的RouteAlarm。從HighPriorityAlsrms的alarm連接到All_Alarms的RouteAlarm。連接圖如圖4-3-4。圖4-3-42.1.3溫度檢測與控制系統(tǒng)在編寫溫控邏輯時，重要的是PID模塊的使用。設T為測得的溫度值，然后tset設定的溫度值。程序設計的基本控制方式如下：系統(tǒng)開啟并且達到穩(wěn)定狀態(tài)后，計算機首先接收由下部熱電阻收集的數(shù)據(jù)，然后將其與程序設置的溫度值進行比較[6]。當測得溫度T>設定溫度tset時，系統(tǒng)輸出開度為0，由它控制的全隔離單體交流調(diào)壓模塊的輸出電壓為0，系統(tǒng)供熱系統(tǒng)不運行。當測得溫度T<在設定溫度T時，系統(tǒng)輸出開度按照邏輯設定開啟，系統(tǒng)開始加熱。系統(tǒng)則是采用T-tset作為偏差信號，并通過Niagara軟件中的Looppoint模塊調(diào)整PID算法（Looppoint的屬性配置頁面如圖6所示）。PID算法的應用主要在于PID模塊計算邏輯開度進行對溫度的調(diào)整[14]。最終水箱中的溫度將會穩(wěn)定在設定值的附近。

該系統(tǒng)主要使用PI循環(huán)，PI回路輸出計算如下：輸出=KPx（ES+KIxErrorSum）（如果動作=直接），或輸出=-（KPx（ES+KIxErrorSum））（如果動作=反向）；其中：KP比例常數(shù)；ES=[PV-SP]；ErrorSum=一段時間內(nèi)的誤差總和；PV傳感器采到的值；KI分常數(shù)；SP目標溫度。其中KP的值和KI的值經(jīng)過多次調(diào)試得到,設置如圖4-3-5，圖4-3-6所示。圖4-3-5PID模塊設置圖4-3-6溫度控制邏輯圖由于實際溫度會在進行系統(tǒng)控制的實際情況下發(fā)生低于設定的最低溫度或者高于設定的最高溫度，因此在控制系統(tǒng)溫度時需要發(fā)出警報通知，因此，需要向邏輯程序圖中的溫度控制模塊添加警報通知擴展，即在Temperature模塊里添加報警通知擴展。新添加的警報通知擴展名是超出范圍的警報擴展。具體的屬性配置界面如圖4-3-7所示。在上限選項框中輸入高溫警報值75即超過75℃發(fā)出報警，在下限選項框中輸入低溫警報值15即低于75℃發(fā)生報警，警報指令％alarmData.sourceName％>％alarmData.highLimit％！輸入。將警報指令寫在上下文本％alarmData.sourceName％<％alarmData.lowLimit％！實現(xiàn)報警通知。圖4-3-72.1.4液位檢測控制邏輯，壓力檢測邏輯及溫度控制邏輯的集成Niagara4開發(fā)平臺允許配置不同類型的數(shù)據(jù)點以連接到用戶界面中的現(xiàn)場設備和niagara中的控制點?？梢詫⑺袛?shù)據(jù)集成到同一個邏輯視圖中，并在邏輯視圖中實施相應的邏輯策略。同時，開發(fā)平臺提供了一個龐大的調(diào)色板庫。開發(fā)工程師可以使用它將所需的命令和功能直接拖到邏輯視圖中。這種圖形開發(fā)過程可以顯著減少開發(fā)難度和開發(fā)周期。工程師可以專注于優(yōu)化邏輯，而不必在冗長的邏輯指令上浪費時間。在這里，您應注意以下幾點：1.除了與設備的通信點之外，還必須通過用戶界面定義交互點和邏輯中間點。系統(tǒng)運行（SystemStart），排水閥啟動（WaterDrainValve），溫度設置（TemperatureSetPoint），水泵運行1（WaterPumpStart1）和水泵運行2（WaterPumpStart2），開關(guān)（Switch）等。軟件中可以使用常見的邏輯函數(shù)（And，Or，Not）和創(chuàng)建選擇函數(shù)（BooleanSwitch）進行搭建，這些東西都可以從軟件中的調(diào)色板庫里面找到。2.壓力變送器的輸出是4到20mA的電流信號，只要設置了相應的最大值，最小值和單位，就可以顯示實際值。但是，超聲波傳感器的輸出信號為1至5V，對應于該范圍內(nèi)的最小值和最大值。但是，由于采集通道只能設置為0-5V，因此直接顯示數(shù)據(jù)并不準確。故要在邏輯視圖中進行轉(zhuǎn)換，就要需要使用線性函數(shù)。最后對于到實際水位顯示。1.根據(jù)系統(tǒng)總體控制流程圖4-3-8，最后完成邏輯的編寫，如圖4-3-9。圖4-3-8系統(tǒng)總體控制流程圖圖4-3-9邏輯圖2.1.5歷史/趨勢數(shù)據(jù)采集程序設計為便于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)檢索，提供了溫度和液位的歷史紀錄。1.在站點中找到History容器。展開該容器，然后進一步展開其內(nèi)部容器。2.打開調(diào)色板側(cè)欄里的history調(diào)色板，展開調(diào)色板里的擴展。1.打開watertank文件夾并打開Temperature的屬性表，向其中添加一個NumeriCov的拓展。展開視圖里面的拓展，以便查看其屬性。2.在numericalCov拓展進行以下設置：（1）將Enable設為Ture。（2）展開HistoryConfig容器，將Capacity設為600條記錄。（3）ChangeTolerance設為5防止數(shù)據(jù)波動，報存修改。5.打開Ultrasonic的屬性表。從調(diào)色板中拖拉numericalCov拓展，并將其放在該點屬性表的名稱上，從而完成添加拓展。6.Enable新的拓展。7.雙擊站點上Services容器里面的HistoryServices項目。注意站點上的所有歷史推展名稱是否都存在。詳細修改如圖4-3-10，4-3-11所示。圖4-3-10圖4-3-112.1.6用戶頁面設計為了實