基于Niagara平臺(tái)的加熱控制和液位檢測綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要該設(shè)計(jì)基于Niagara平臺(tái)與過程控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)室原有水箱系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。將該系統(tǒng)原有的功能進(jìn)行擴(kuò)展，完成一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中分為加熱控制系統(tǒng)與液位檢測系統(tǒng)。加熱控制系統(tǒng)主要由熱電阻，加熱棒和壓力調(diào)節(jié)模塊組成，液位的檢測主要是由上下限和壓力傳感器兩部分組成。在系統(tǒng)的核心，JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器通過TCP/IP協(xié)議與PC服務(wù)進(jìn)行通信，通過RS-485接口和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且也可以通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[9]。在軟件使用上,我們使用Niagara軟件進(jìn)行開發(fā)可以使得管理平臺(tái)的可視化。首先，將JACE-8000集成到軟件站點(diǎn)中。通過JACE-8000，現(xiàn)場設(shè)備傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)并與主機(jī)相互通訊。建立了可視化監(jiān)控界面，將界面劃分為功能區(qū)域，并在監(jiān)控管理平臺(tái)上顯示了水箱系統(tǒng)執(zhí)行過程，實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析以模塊化編程方式進(jìn)行，并且實(shí)時(shí)獲取水箱系統(tǒng)的溫度，液位和其他參數(shù)。與此同時(shí)，在相同的局域網(wǎng)下，也可以使用另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)使用web瀏覽器登錄相應(yīng)的IP地址進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，這樣便實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)在監(jiān)控方面的實(shí)時(shí)性和便捷性。在管理平臺(tái)的搭建完成的基礎(chǔ)上，可以隨時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行合理化的控制，主要是以溫度作為被控對象，利用軟件中的PID算法實(shí)現(xiàn)了對溫度的調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：Niagara；MODBUS協(xié)議；水箱系統(tǒng)目錄第一章概述 11.1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)教學(xué)儀器與設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遇到的問題 11.2過控設(shè)備國內(nèi)研究現(xiàn)狀 11.3課題研究目的與意義 2第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 32.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 42.2.1實(shí)用性原則 42.2.2可擴(kuò)充性、可維護(hù)性 42.2.3可靠性、安全性 5第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 53.1硬件架構(gòu) 53.2感知層 53.2.1熱電阻 53.2.2超聲波傳感器 63.2.3全隔離單相交流調(diào)壓模塊 63.3傳輸層 73.4控制層 73.4.1JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器 7第四章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 104.1Niagara軟件框架 104.2N4軟件與JACE-8000數(shù)據(jù)通訊 114.3主程序設(shè)計(jì) 124.3.1設(shè)置點(diǎn)對應(yīng)傳感器 124.3.2設(shè)置報(bào)警模塊步驟： 134.3.3溫度檢測與控制系統(tǒng) 144.3.4液位檢測控制邏輯，壓力檢測邏輯及溫度控制邏輯的集成 154.3.5歷史/趨勢數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 174.3.6界面設(shè)計(jì) 184.3.7平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問 19第五章總結(jié)與展望 215.1總結(jié) 215.2展望 22參考文獻(xiàn) 23第一章概述1.1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)教學(xué)儀器與設(shè)備產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中遇到的問題根據(jù)調(diào)查，我國有許多技術(shù)相對完善的大中型物聯(lián)網(wǎng)公司，并且有許多掌握核心技術(shù)的人才。但是，由于低利潤，高風(fēng)險(xiǎn)，投資大，物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)設(shè)備數(shù)量少，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教材不夠完善，存在一些問題需要解決。標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一問題：用于教育的所有類型的設(shè)備都存在與教育兼容的問題。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的聲明反映了新特點(diǎn)。如何充分理解并實(shí)現(xiàn)這一新興行業(yè)和技術(shù)的特征依靠標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)務(wù)發(fā)展中起著不可替代的作用。如今，物聯(lián)網(wǎng)教育設(shè)備只是零碎的應(yīng)用，而最大領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化仍處于起步階段或零碎狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)導(dǎo)，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新是行業(yè)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新之后的階段。服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化也是物聯(lián)網(wǎng)教材的主要問題。沒有提供可以接受的服務(wù)。技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新已導(dǎo)致出現(xiàn)了新的應(yīng)用程序和新的業(yè)務(wù)模型標(biāo)準(zhǔn)化。因此，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是正在進(jìn)行的研究和開發(fā)的重點(diǎn)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成到教育設(shè)備系統(tǒng)中時(shí)，需要考慮標(biāo)準(zhǔn)化問題。設(shè)備開放性不足：開放性顯然不足是很多實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)，這嚴(yán)重的遏制了平時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。硬件的配置是先前完成的，在實(shí)訓(xùn)中幾乎沒有辦法修改與調(diào)整內(nèi)內(nèi)部的配置，了解設(shè)備內(nèi)部的配置對學(xué)生來說是不便利的。學(xué)生可以完成軟件程序的編寫和開發(fā)并接受現(xiàn)有設(shè)備的培訓(xùn)，但當(dāng)他們走向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域時(shí),可能會(huì)變的很陌生,因?yàn)樗麄冇辛艘粋€(gè)新的環(huán)境。售后服務(wù)不完善：教育設(shè)備供應(yīng)商的客戶服務(wù)是學(xué)校購買者應(yīng)注意的重要問題，也是評估購買交易時(shí)要考慮的重要因素。改善供應(yīng)商的客戶服務(wù)功能是提高公司整體競爭力的重要問題?，F(xiàn)今市場上設(shè)備制造商的售后服務(wù)還不夠完善。這主要是由于無法及時(shí)維修學(xué)校設(shè)備以及供應(yīng)商在項(xiàng)目的保修期到期后履行合同的能力有限。在許多情況下，提供者會(huì)收取不同的維護(hù)學(xué)校費(fèi)用。學(xué)校也會(huì)因?yàn)榉植磺逭婕俣ê芏噱X,造成浪費(fèi)。1.2過控設(shè)備國內(nèi)研究現(xiàn)狀過程實(shí)驗(yàn)設(shè)備國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：國內(nèi)外許多大學(xué)也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，例如清華大學(xué)自動(dòng)化研究所過程控制學(xué)院的水力模型控制測試設(shè)備。該過程實(shí)驗(yàn)配備了學(xué)校開發(fā)的小型多參數(shù)水箱物理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置是受控對象。用于過程控制和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)使用更流行的軟件Fix7.0，并使用VisualC++編寫以Fix和MATLAB作為DDE客戶端的DDE服務(wù)器應(yīng)用程序（DynamicDataExchange，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）。工業(yè)過程分布式仿真試驗(yàn)平臺(tái)是由東大的唐健和柴天佑提出來的[3]。它由一個(gè)真正的DCS（分布式控制系統(tǒng)）和一個(gè)PLC（可編程控制器）構(gòu)成。它是由虛擬執(zhí)行器，檢查儀和工業(yè)對象組成的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。虛擬過程控制對象由符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和模擬信號通過電纜組成。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了用于過程控制實(shí)驗(yàn)的高級過程評審平臺(tái)，該平臺(tái)使用流量和液位控制作為研究對象，并使用VisualBasic為組態(tài)王與MATLAB之間的程序接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，并使用MATLAB編寫軟件，補(bǔ)充組態(tài)運(yùn)算功能的不足。在北京高校成功引進(jìn)MPCE-1000裝備的基礎(chǔ)上，遼寧工業(yè)大學(xué)開發(fā)的另一款功能更強(qiáng)大，功能更完善的先進(jìn)多功能過程控制培訓(xùn)裝置SMPT-1000，它使用全數(shù)字和半實(shí)物。實(shí)物的設(shè)計(jì)理念結(jié)合了工業(yè)實(shí)用性和教學(xué)實(shí)驗(yàn)性，具有很強(qiáng)的工業(yè)實(shí)用性。1.3課題研究目的與意義物聯(lián)網(wǎng)課程和過程控制課程是每個(gè)自動(dòng)化學(xué)生的必修課，首先國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景廣闊，所以學(xué)好物聯(lián)網(wǎng)課程是必要的，但是學(xué)校的課程安排也只有24學(xué)時(shí)，在有限的時(shí)間去了解甚至去掌握物聯(lián)網(wǎng)是一件很難的事情，其次是過程控制課程，學(xué)時(shí)也僅有32學(xué)時(shí)，花費(fèi)在了解實(shí)驗(yàn)室龐大機(jī)器的時(shí)間將近一半，而且實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)器上手難度也是極大。所以該設(shè)計(jì)致力于將物聯(lián)網(wǎng)和過程控制結(jié)合起來設(shè)計(jì)一種基于Niagara的小型過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于平時(shí)的教學(xué)是很有必要的。該設(shè)計(jì)是基于Niagara開發(fā)平臺(tái)。這個(gè)統(tǒng)一的開放平臺(tái)具有非常多的功能，可以降低開發(fā)的難度并可以減少開發(fā)成本。該軟件的編程是可視化的，具有易于開發(fā)的程序，強(qiáng)大的功能和美觀簡潔的用戶界面。設(shè)備兼容性與高度集成的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)極大地提高了每個(gè)組件運(yùn)行過程中的可靠性與智能性。系統(tǒng)開發(fā)過程中可以通過不同設(shè)備之間的硬線連接，邏輯設(shè)計(jì)等各種方式去集成各種過程控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備。硬件部分則采用了標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)。通過靈活的系統(tǒng)布局，方便系統(tǒng)的集成[11]。這個(gè)軟件可以打通不同協(xié)議之間的設(shè)備的聯(lián)通，利用這套設(shè)備可以很好的解決開放性的問題；利用這套設(shè)備的精小，避免去理解設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以省去大量的時(shí)間去用去實(shí)際教學(xué)；由于設(shè)備是由自己升級改造，這便很好的解決的售后問題；利用這套系統(tǒng)的可視化優(yōu)點(diǎn)，可以增強(qiáng)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)和過程控制課程的興趣，使學(xué)生更加容易接受；利用編程簡單化的優(yōu)點(diǎn)，可以使學(xué)生避免的復(fù)雜編程的煩惱，更好的去學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)和過程控制方面的知識(shí)。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本文主要介紹的是一種基于Niagara的小型過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的完成用到一套硬件系統(tǒng)和一套軟件，其中硬件系統(tǒng)包含水箱、溫度傳感器、紅外傳感器、液位傳感器、抽水設(shè)備及各個(gè)管道、加熱裝置構(gòu)成。對溫度和液位進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整、查看歷史紀(jì)錄和上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)可以借助上傳的數(shù)據(jù)在云端可以保證編程人員隨時(shí)隨地地編程和修改程序，提高工作效率。DDC與水箱系統(tǒng)中的傳感器直接相連獲得數(shù)據(jù)，只需找到相應(yīng)的信號輸出端（模擬信號和數(shù)字信號）并連接至對應(yīng)DDC接口。紅外傳感器位于水箱上方，通過發(fā)射紅外線確定液位高度并得到實(shí)時(shí)的液位高度數(shù)據(jù)。液位傳感器設(shè)置在水箱上側(cè)，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)便會(huì)觸發(fā)該傳感器，該傳感器被觸發(fā)后會(huì)發(fā)送一個(gè)數(shù)字信號通過相應(yīng)的輸出傳輸?shù)紻DC中，這使該裝置會(huì)通過設(shè)定程序打開抽水設(shè)備使水箱液位下降至指定高度。溫度的控制，通過設(shè)定溫度區(qū)間通過系統(tǒng)中的PID算法達(dá)到更精確的控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄[12]。圖2-1系統(tǒng)流程圖2.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則若要在平時(shí)的教育系統(tǒng)中使用該系統(tǒng)，必須要遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各類原則。各種原則在下面詳細(xì)描述[2]。2.2.1實(shí)用性原則在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性中主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面[2]：1、充分的考慮了教學(xué)中的物聯(lián)網(wǎng)和過程控制的應(yīng)用和教學(xué)；2、充分的考慮了獲得數(shù)據(jù)后處理的便利性與可行性；3、充分考慮了系統(tǒng)整體對學(xué)生的友好性；4、形成的系統(tǒng)界面比較友好,操作比較簡便實(shí)用，適用學(xué)生的操作；5、老師也可以使用瀏覽器登陸40進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管。2.2.2可擴(kuò)充性、可維護(hù)性在實(shí)際應(yīng)用的過程中,在整個(gè)軟件的使用周期中系統(tǒng)維護(hù)所占比例是最大的,所以系統(tǒng)的可擴(kuò)充性與可維護(hù)性必需要重視起來[7]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)充、可維護(hù)中主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:1、采用Niagara軟件可以打通不同協(xié)議之間的通訊問題，便于系統(tǒng)后期的擴(kuò)充；2、模塊化結(jié)構(gòu)邏輯編寫是Niagara的優(yōu)點(diǎn),便于后期系統(tǒng)的管理維護(hù)。2.2.3可靠性、安全性要求各類數(shù)據(jù)得到及時(shí)的采集與處理,系統(tǒng)就要具備高度的安全性和可靠性。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性中主要有以下三個(gè)方面[2]：1、在邏輯編寫中加入了報(bào)警邏輯，可以及時(shí)反映故障的存在；2、設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行的歷史記錄，可以隨時(shí)查看；3、系統(tǒng)搭建完成后學(xué)生只需完成控制部分的24V接線，相對比較安全。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件架構(gòu)在之前的系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)計(jì)上，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)出需要監(jiān)視的點(diǎn)數(shù)，傳感器和設(shè)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(shè)備為水箱、抽水設(shè)備和多個(gè)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)3.2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(shè)備構(gòu)成。該設(shè)計(jì)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]。3.2.1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(diǎn)：金屬導(dǎo)體電阻大小會(huì)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(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)的一些制作。3.2.2壓力變送器當(dāng)測量膜片的表面上受到壓力時(shí)，膜片會(huì)引起輕微變形。膜片上的精密電路將這種細(xì)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(lì)電壓成正比[8]。它發(fā)送信號，并使用相應(yīng)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(bǔ)償電路的集成標(biāo)準(zhǔn)電路，用來實(shí)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。3.2.3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(gè)能量信號（一般為電信號）的傳感器[5]。它是一種機(jī)械波并且振動(dòng)頻率超過20kHz。它具有高頻率，短波長，小的衍射現(xiàn)象的特點(diǎn)。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(qiáng)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生清晰反射的回聲。用超聲波觸摸移動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。3.2.4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(dāng)控制電壓力發(fā)生改變時(shí)，晶閘管觸發(fā)的相角能發(fā)生改變，即能實(shí)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(dòng)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(fù)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(qiáng)型）換向電壓上升率dVc/dt＞200V/μs（增強(qiáng)型）調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間10ms關(guān)斷最大延時(shí)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(qiáng)制風(fēng)冷3.3傳輸層傳輸層在管理平臺(tái)中的作用是上載和下達(dá)數(shù)據(jù)。其是物聯(lián)網(wǎng)的中心，同時(shí)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(wù)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(dāng)前應(yīng)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(gè)組件都可以通過該協(xié)議連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行集中的監(jiān)視。在使用的過程中，可以采用RTU或ASCII進(jìn)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(jìn)行通信。水箱系統(tǒng)的各種傳感器通過導(dǎo)線接上IO-28P的I/O，再通過TCP/IP連接到JACE-8000。3.4控制層控制層是物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)硬件體系結(jié)構(gòu)的最高層，是整個(gè)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(shè)備主要是JACE-8000和IO-28P模塊。3.4.1JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器控制層中使用的是一臺(tái)嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器，型號為JACE-8000（圖3-4-1是實(shí)際的設(shè)備圖），并且可以連接相應(yīng)的擴(kuò)展模塊（有RS485端口）。JACE-8000包括了兩個(gè)單獨(dú)的RS485端口，兩個(gè)以太網(wǎng)端口，USB備份和恢復(fù)以及一個(gè)Wi-Fi連接。電源為24VAC/DC電源，最多可以使用4個(gè)擴(kuò)展模塊。它還配備了擴(kuò)展模塊，具有RS-485接口。JACE-8000將具有不同協(xié)議的多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備連接到LAN/WAN，并具有能源管理，警報(bào)，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(dāng)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(gè)，模擬量輸出接口有4個(gè)。IO模塊的硬件調(diào)試步驟如下進(jìn)行：（1）設(shè)備可以同時(shí)支持BACnet與MODBUS協(xié)議。共有8個(gè)內(nèi)部DIP開關(guān)，第一個(gè)位用于選擇協(xié)議的類型，其余的第二個(gè)到第八位是用于尋址設(shè)備的二進(jìn)制規(guī)則。（2）可以通過內(nèi)部跳線開關(guān)選擇設(shè)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(jìn)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(tái)使用一臺(tái)IO-28P模塊，一臺(tái)IO模塊的地址分別為0-3。一臺(tái)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(jìn)行采集和控制，IO模塊對應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)如表3.1所示圖3-5-1IO-28P模塊表3.1模塊編號描述量程點(diǎn)的類型接點(diǎn)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(dòng)BooleanWritableHex:1IO-28P水泵啟動(dòng)BooleanWritableHex:3第四章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)前三章分別詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的意義，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)。本章基于Niagara的軟件框架，完成了軟件和硬件設(shè)備的通信設(shè)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(tái)可以提供了遠(yuǎn)程瀏覽器訪問，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視，系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制以及歷史數(shù)據(jù)可視化顯示。4.1Niagara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(tái)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(luò)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(yīng)邏輯處理后，在界面中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，算法分析，監(jiān)視和警報(bào)等應(yīng)用。它還負(fù)責(zé)感知層設(shè)備的群控[13]。圖4-1-1Niagara4.7軟件圖4-1-2Niagara4軟件界面圖Niagara的相關(guān)技術(shù)如下：（1）應(yīng)用程序組件（programs）：①站：這是Niagara運(yùn)行時(shí)的程序，它是在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的Niagara組件應(yīng)用程序。②工作臺(tái)：一種可視化的Niagara編程工具，使用者可以訪問平臺(tái)和工作站。③守護(hù)程序（Demon）：守護(hù)程序用于平臺(tái)配置項(xiàng)目與啟動(dòng)工作站，例如設(shè)置IP地址。④Web瀏覽器：使用者可以通過瀏覽器來訪問Niagara平臺(tái)。（2）網(wǎng)絡(luò)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(tái)到站通信。；②HTTP：這里是指標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議。

瀏覽器則是通過https協(xié)議訪問站點(diǎn)的網(wǎng)站。③Niagarad：用于工作臺(tái)與守護(hù)程序之間通信的專用協(xié)議。4.2N4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(wù)器上。為了成功進(jìn)行通信，必須在192.168.0.XX部分中設(shè)置PC服務(wù)器的本地連接地址。在N4軟件平臺(tái)上，使用OpenPlatform命令將Jace-8000的IP地址設(shè)置為40。，將FoxPort設(shè)置為4911，然后輸入相應(yīng)的用戶名和密碼以打開Jace-8000控制器平臺(tái)。雙擊進(jìn)入平臺(tái)然后運(yùn)行ApplicationDirector目錄。加載后，可以在JACE-8000網(wǎng)絡(luò)控制器上打開工作站。此平臺(tái)上的通信連接主要使用目錄中的Config功能。這包括服務(wù)，驅(qū)動(dòng)程序和APP之類的功能。其中，驅(qū)動(dòng)軟件作用是實(shí)現(xiàn)各設(shè)施通訊最主要的部分。文件部分可以在管理平臺(tái)上存儲(chǔ)界面，歷史記錄和警報(bào)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(shè)備中。ModbusTcp設(shè)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(jìn)行通信。圖4-34.3主程序設(shè)計(jì)4.3.1設(shè)置點(diǎn)對應(yīng)傳感器先建立8個(gè)點(diǎn)來對應(yīng)相應(yīng)的傳感器。4個(gè)Boolean點(diǎn)為加熱開關(guān)、水泵繼電器、液位上限位、液位下限位。4個(gè)模擬點(diǎn)為加熱棒繼電器、超聲波傳感器、壓力變送器、熱電阻。按表3.1進(jìn)行地址設(shè)置。如圖4-3-1所示、圖4-3-2所示。圖4-3-1圖4-3-24.3.2設(shè)置報(bào)警模塊步驟：打開station目錄中的services的alarmservice一項(xiàng)，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(gè)新的alarmClass項(xiàng)目，并將其命名為報(bào)警。3.打開報(bào)警的PropertySheet設(shè)置如圖4-3-3。圖4-3-34.從alarm調(diào)色板的Recipients文件夾，為alarmservice的wiresheet添加一個(gè)consoleRecient。將這個(gè)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4-3-44.3.3溫度檢測與控制系統(tǒng)在編寫溫控邏輯時(shí)，重要的是PID模塊的使用。設(shè)T為測得的溫度值，然后tset設(shè)定的溫度值。程序設(shè)計(jì)的基本控制方式如下：系統(tǒng)開啟并且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，計(jì)算機(jī)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(shè)置的溫度值進(jìn)行比較[6]。當(dāng)測得溫度T>設(shè)定溫度tset時(shí)，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(yùn)行。當(dāng)測得溫度T<在設(shè)定溫度T時(shí)，系統(tǒng)輸出開度按照邏輯設(shè)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(yīng)用主要在于PID模塊計(jì)算邏輯開度進(jìn)行對溫度的調(diào)整[14]。最終水箱中的溫度將會(huì)穩(wěn)定在設(shè)定值的附近。

該系統(tǒng)主要使用PI循環(huán)，PI回路輸出計(jì)算如下：輸出=KPx（ES+KIxErrorSum）（如果動(dòng)作=直接），或輸出=-（KPx（ES+KIxErrorSum））（如果動(dòng)作=反向）；其中：KP比例常數(shù)；ES=[PV-SP]；ErrorSum=一段時(shí)間內(nèi)的誤差總和；PV傳感器采到的值；KI分常數(shù)；SP目標(biāo)溫度。其中KP的值和KI的值經(jīng)過多次調(diào)試得到,設(shè)置如圖4-3-5，圖4-3-6所示。圖4-3-5PID模塊設(shè)置圖4-3-6溫度控制邏輯圖由于實(shí)際溫度會(huì)在進(jìn)行系統(tǒng)控制的實(shí)際情況下發(fā)生低于設(shè)定的最低溫度或者高于設(shè)定的最高溫度，因此在控制系統(tǒng)溫度時(shí)需要發(fā)出警報(bào)通知，因此，需要向邏輯程序圖中的溫度控制模塊添加警報(bào)通知擴(kuò)展，即在Temperature模塊里添加報(bào)警通知擴(kuò)展。新添加的警報(bào)通知擴(kuò)展名是超出范圍的警報(bào)擴(kuò)展。具體的屬性配置界面如圖4-3-7所示。在上限選項(xiàng)框中輸入高溫警報(bào)值75即超過75℃發(fā)出報(bào)警，在下限選項(xiàng)框中輸入低溫警報(bào)值15即低于75℃發(fā)生報(bào)警，警報(bào)指令％alarmData.sourceName％>％alarmData.highLimit％！輸入。將警報(bào)指令寫在上下文本％alarmData.sourceName％<％alarmData.lowLimit％！實(shí)現(xiàn)報(bào)警通知。圖4-3-74.3.4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(tái)允許配置不同類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)以連接到用戶界面中的現(xiàn)場設(shè)備和niagara中的控制點(diǎn)?？梢詫⑺袛?shù)據(jù)集成到同一個(gè)邏輯視圖中，并在邏輯視圖中實(shí)施相應(yīng)的邏輯策略。同時(shí)，開發(fā)平臺(tái)提供了一個(gè)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(fèi)時(shí)間。在這里，您應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.除了與設(shè)備的通信點(diǎn)之外，還必須通過用戶界面定義交互點(diǎn)和邏輯中間點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行（SystemStart），排水閥啟動(dòng)（WaterDrainValve），溫度設(shè)置（TemperatureSetPoint），水泵運(yùn)行1（WaterPumpStart1）和水泵運(yùn)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(jìn)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(shè)置了相應(yīng)的最大值，最小值和單位，就可以顯示實(shí)際值。但是，超聲波傳感器的輸出信號為1至5V，對應(yīng)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(shè)置為0-5V，因此直接顯示數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。故要在邏輯視圖中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就要需要使用線性函數(shù)。最后對于到實(shí)際水位顯示。3.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4.3.5歷史/趨勢數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)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(jì)錄。1.在站點(diǎn)中找到History容器。展開該容器，然后進(jìn)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(kuò)展。3.打開watertank文件夾并打開Temperature的屬性表，向其中添加一個(gè)NumeriCov的拓展。展開視圖里面的拓展，以便查看其屬性。4.在numericalCov拓展進(jìn)行以下設(shè)置：（1）將Enable設(shè)為Ture。（2）展開HistoryConfig容器，將Capacity設(shè)為600條記錄。（3）ChangeTolerance設(shè)為5防止數(shù)據(jù)波動(dòng)，報(bào)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(diǎn)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(diǎn)上Services容器里面的HistoryServices項(xiàng)目。注意站點(diǎn)上的所有歷史推展名稱是否都存在。詳細(xì)修改如圖4-3-10，4-3-11所示。圖4-3-10圖4-3-114.3.6用戶頁面設(shè)計(jì)為了實(shí)時(shí)監(jiān)視水箱的運(yùn)行情況，水箱中液位的溫度控制器界面設(shè)計(jì)如圖4-3-12所示。通過這個(gè)界面，能清晰地看水箱的運(yùn)行參數(shù)，如水箱的溫度，水箱底部壓力，水箱的液位，上下限等。界面上還會(huì)顯示熱水器的液位和運(yùn)行狀態(tài)。此外，該界面還接受系統(tǒng)程序操作，復(fù)位，模式和水溫的設(shè)置。并且可以通過界面上的超鏈接按鈕可以訪問液位歷史記錄、溫度歷史記錄、壓力歷史記錄。圖4-3-12界面設(shè)計(jì)4.3.7平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問基于Niagara的小型的過程控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問功能具有快速便捷的優(yōu)勢。在相同的網(wǎng)段下，把本地服務(wù)器上的Supervisor站點(diǎn)打開，然后在Configde目錄下的服務(wù)中打開Webservice命令。圖4-3-13所示，將屬性中的“Enabled”設(shè)置為“True”，將“HttpEnabled”和“HttpsEnabled”設(shè)置為“True”，并將“HttpsOnly”設(shè)置為“false”。保存該設(shè)置過程，則Web服務(wù)的狀態(tài)將顯示為“OK”。如果看到錯(cuò)誤，則表示該服務(wù)上的其他軟件正在使用端口443或80。在下圖中，需要手動(dòng)將HttpPort更改為8000，將HttpsPort更改為8443。但是，如果使用以下IP40地址登錄，則將原始IP地40的端口更改為800，最后進(jìn)行保存，然后將端口更改為如下圖4-3-13所示。圖4-3-13關(guān)閉防火墻后，然后打開平臺(tái)下的TCP/IP配置目錄，并檢查工作站下的IP地址：40。如圖4-3-14所示，在相同的局域網(wǎng)段上，使用計(jì)算機(jī)在瀏覽器中輸入40/login并輸入用于遠(yuǎn)程訪問平臺(tái)的用戶名和密碼。圖4-3-14遠(yuǎn)程界面主頁如圖4-3-15所示圖4-3-15遠(yuǎn)程界面溫度歷史記錄、水位歷史記錄、壓強(qiáng)歷史記錄如圖4-3-16、4-3-17、4-3-18。圖4-3-16溫度歷史記錄圖4-3-17水位歷史記錄圖4-3-18壓強(qiáng)歷史記錄第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)隨科技的發(fā)展，過程控制技術(shù)在各領(lǐng)域都得到了應(yīng)用和發(fā)展。在當(dāng)前的系統(tǒng)集成領(lǐng)域中，所使用的設(shè)備來自不同的制造商，并且所使用的通信協(xié)議也不同，這給系統(tǒng)集成帶來了一定的困難。Niagara軟件平臺(tái)便克服了與行業(yè)中廣泛使用的許多不兼容協(xié)議相關(guān)的障礙，并使將來自不同制造商的設(shè)備集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中變得容易。在本文中，詳細(xì)介紹了設(shè)備的