串级控制系统与不同网络结构下的性能验证

Egyptian Informatics Journal（2016）17，285开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com全长文章不同网络结构下串级控制系统的性能验证A. Lakshmi Sangeethaa， N.Bharathia， A. Balaji Ganeshb，*a电子和仪器系，Velammal工程学院，Chennai，印度bTIFAC-CORE，Velammal Engineering College，Chennai，India接收日期：2014年10月27日;修订日期：2016年1月13日;接受日期：2016年2月11日2016年3月7日在线发布摘要分析了串级控制系统与各种网络结构（如Internet、移动和无线网络）互联时的性能特性。串级控制系统由液位和流量分别作为主要和次要变量组成。采用远程客户机-服务器、ActiveX数据套接字和Web发布工具三种技术实现了网络化的监控通过GSM调制解调器与控制系统接口建立移动网络，从而可以通过移动电话监控过程级联控制系统也从远程位置无线监控性能分析证明，无线监测可以被认为是一种有效的替代技术，以基于互联网的通信，特别是在较短的距离。©2016制作和主办由Elsevier B.V.代表计算机与信息学院开罗大学。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在过去的三十年里，网络介导的自动化的重要作用在几乎所有类型的行业中都得到了显著的赞赏工业过程的网络化可以通过小型网络如内联网（LAN）或大型网络如互联网（WAN）来建立。改头换面*通讯作者。联系电话：+91 44 2659 1860;传真：+91 44 26591771.电子邮件地址：abganesh@velammal.edu.in（A.B. Ganesh）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。传统过程环境下的Internet通信过程受许多因素的影响，包括节点数量、Internet带宽、时延、处理速度、数据量、管理策略、安全性和保密性[1，2]。经典控制理论认为，控制回路中的延迟是导致系统不稳定的重要因素，因为它增加了控制系统的输入和输出信号之间的相移，这限制了最大允许增益[3]。一些研究人员报告说，今天另一方面，报告已经通过实验证明，与网络相关的时间延迟不会影响大多数工业过程工厂，因为它们的缓慢性质[5，14]。一般来说，可编程逻辑控制器（PLC）和SCADA已被广泛采用的监测和控制，在许多http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2016.02.0011110-8665© 2016制作和主办Elsevier B. V.代表开罗大学计算机和信息学院这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。制作和主办：Elsevier关键词串级控制系统;互联网;无线网络;移动通信图1各种网络架构使能的串级控制系统的功能框图。286A.L. Sangeetha等人图2串级控制系统的SCADA表示。加工工业。它们具有很好的特性，包括灵活性、可靠性、低功耗和易于扩展[6，7]。SCADA代表监督、控制和数据采集，即使在远程位置也能提供过程参数的图形化可视化表 示[7]。据了解， 通过信息标签将PLC与SCADA集成可以进一步提高工厂自动化的效率[8基于互联网的工程实验室被视为技术教育的革命，不仅把设备带到学生所有领先的PLC制造商，包括西门子和艾伦-布拉德利已经开始适应网络自动化，以提高生产力。大多数行业更喜欢使用无线通信，因为它比有线通信更适合从远程位置监控过程参数移动和无线网络的安装和维护所需的工作量最小串级控制系统的性能验证287图3串级控制系统的性能特性因为两者都不涉及杂乱和冗长电缆[16，17]。通常，无线传感器节点由计算模块、通信模块、电源和适当的传感系统组成[18，19，26]。 有线和无线技术都广泛用于监测和控制[16，20]。在未来，无线传感器网络和移动通信由于其灵活性，部署和低成本，可能会成为我们生活中不可或缺的一部分[21]。本文研究的目的是分析PLC-SCADA使能的串级控制系统在不同的网络架构（即互联网、移动和无线网络）下运行时性能指标（如峰值时间、上升时间和稳定时间）错误值，如到压力）转换器，其产生在3-15 psi范围内的等效压力。压力驱动气动控制阀打开或关闭，最终误差值为零。通常，实验在运行时模式下进行，可视化和修改在开发模式下完成。串级过程被认为是主回路（水平过程）和次回路（流动过程）传递函数的乘积。串级控制系统的传递函数采用双时间常数法[25]获得。传递函数在等式中给出。（1）从实验数据中得出。.0：6040：4 Σ积分平方误差（ISE）和积分绝对误差（IAE）也被计算[22，23]。串级控制系统传递函数T158s14： 2秒10e-6s战斗机是水平（主要过程）和流动（次要过程）过程的组合。支持Web的监控和控制通过三种技术实现，即远程客户端-移动和Zigbee通信的有效性也实际检查。通过对传感器节点的功耗、无线覆盖范围和吞吐量的分析，验证了传感器节点的性能.2. 实验概述一个串级控制系统的结构集成了各种网络结构如图所示。1.一、对串级控制系统及其性能特性的描述进行了验证和描述-其中[24]。简单地说，传统的串级控制系统是由一个串联的双回路PID控制器组成的，该双回路PID控制器以液位变送器作为一次测量装置，以流量变送器作为二次测量装置。通过MODBUS（ADAM-4022T，M/s Advan-tech，德国）与个人计算机建立专用通信，并且使用基于SCADA的软件架构使其自动化。在本研究中，PID是在Micrologix-1200 PLC和RSView-32 SCADA已与RSLinx通信软件实现The控制器产生在4和20 mA之间的范围内的控制器输出，并且相同的输出被给予I/P（电流建立了基于Web的串级控制系统的体系结构，实现了过程变量的Internet发布、数据共享、远程控制和分布式执行等功能。利用CSCAPE软件编写了一个工业标准的GSM调制解调器（M/sHornerGSM 0308），用于串级控制系统的实时监控调制解调器工作频率为900 MHz，功率传输为2 W。调制解调器已被配置为deli- ver的警报消息，可以包含多达20个变量的注册用户每一分钟。此持续时间可以根据需要重新编程为任何分钟，秒和小时。无 线 传 感 器 节 点 采 用 PIC 18LF4620 微 控 制 器 和Zigbee无线通信模块（MRF24J40）构成。传感器节点工作在2.5 GHz频率，数据速率为250 Kbps[26，27]。在这项研究中，[26]中描述的无线传感器节点成功地与串级控制系统连接2.1. 无线传感器节点与串级控制系统的接口无线传感器节点中的微控制器已被编程为全功能设备（FFD），并且负责诸如计算、将感测到的信息转换为相应的工程单元等操作，并且执行用于无线通信的Zigbee协议栈的执行[28，29]。在立即启动后，节点288A.L. Sangeetha等人表1串级控制系统的性能特点。系统特性仿真无PLC和NI DAQ卡有PLC有NI DAQ卡积分平方误差（ISE）1. 60E +05 3. 70E +05 2. 60E +05 1. 95E +05积分绝对误差（IAE）2541.43 9185.6 6277 5766.44峰值时间（tpin sec）Rise time（trinsec）41 186 129 59稳定时间（ts，秒）107 838 406 332图4使用远程客户端-服务器方法在Internet上进行监控被编程为读取相应的传感器端口，执行计算，并最终在进入睡眠模式之前发送信号。Zigbee协议规范的软件设计在介质访问控制层（MAC）中实现[30]。启动硬件配置并调用Zigbee进程以建立无线网络。建立网络后，收集主要过程变量（液位），并最终进行计算分析。在成功传输消息后，传感器节点每2分钟进入睡眠模式，并重复上述过程[26，27]。本研究比较了无线传感器网络与移动作为其他地方所描述的先前工作的扩展的通信[27]。3. 结果和讨论图2显示了串级控制系统的SCADA表示及其操作顺序。该过程可以通过单独（流量或级别）或同时进行两种方式进行监控。它已被配置为通过与Ms-Excel链接来拥有数据历史。研究了串级控制系统在稳态时的峰值时间、上升时间和稳定时间串级控制系统的性能验证289图5使用网络发布方法监测和控制过程参数与NI-DAQ卡接口。结果表明，与图1所示的PLC接口相比，与NI-DAQ卡接口的系统具有最小的上升时间和稳定时间，且误差最小。 3和表1中。此外，系统的整体性能显著提高，并最终变得更加稳定。这种改进的性能可以归因于NI-DAQ的数据采集速度采用远程客户机-服务器、ActiveX数据套接字和Web发布工具三种方法，成功地将集成NI-DAQ卡的串级控制系统在Internet上实现3.1. 远程客户端服务器方法在远程客户端-服务器方法中要建立连接，需要输入服务器IP地址、程序名和需要端口地址。当服务器机器通过提供IP地址、程序名和端口地址确认来自客户端的连接请求后，连接将被建立。客户端必须输入服务器的IP地址和要用端口地址控制的程序名称。一旦建立连接，客户端机器就可以从远程位置监控和更改过程变量，如图4所示。每当连接终止时，服务器机器重新获得对进程的控制。3.2. Web发布工具方法的详细信息在这种方法中，LabVIEW软件不需要安装在所有客户端机器上。然而，一个名为Web服务器的LabVIEW运行时插件引擎必须与客户端的Web浏览器一起添加。当客户端通过访问Internet服务器的URL来调用连接290 A.L. Sangeetha等人图6为串级控制系统创建的网页屏幕截图图7使用数据套接字方法创建远程应用程序串级控制系统的性能验证291ActiveX数据套接字用于构建基于Internet的交互式过程自动化。它允许用户广播以及接收高内容实况数据，如图7所示。要使用这种方法，必须安装LabVIEW软件和ActiveX控件。客户端和服务器端应具有相似版本的LabVIEW环境，并且可以通过Web发布工具查看数据套接字的输出。所有三种方法的功能和性能特征进行了比较，并在表2中给出[31]。3.4. 移动和无线传感器网络的详细信息对于基于移动的应用程序，GSM调制解调器被配置为显示主要水平值和次要流量值。手机上出现的信息屏幕截图如图所示。 八、消息每隔1分钟发送一次移动用户。图 9显示了过程输出相对于时间段的相应值。无线传感器节点被编程为以2分钟的规律时间间隔捕获过程参数 可以清楚地观察到，传感器节点能够连续跟踪过程变量，如图11所示。 10. 从结果中可以看出，无线和移动网络的集成创造了从远程位置非常有效地跟踪过程变量的可能性基于串级控制系统的建立时间，对移动网络和无线网络的性能无线传感器节点的建立时间更短，仅为240 s.与具有300 s的稳定时间的移动网络相比串级控制系统通过NI-DAQ接口，通信被简化以匹配数据速率图8手机中的短消息以太网连接。对于无线网络，无线Zigbee通信的数据速率为250 Kbps，因此数据包以更高的速度发送到协调器节点。无线和互联网通信中的时间延迟对过程参数的影响不显著。换句话说，不存在显著的时间延迟，并且观察到其对系统的过程参数的监测的影响。为了在工业应用中有效使用NI DAQ-PLC-SCADA-无线网络-移动接口，需要对获得的结果数据进行进一步的实验分析此外，还需要采用智能控制器，使控制系统与操作人员兼容。安全系统也需要加强，表2不同方法之间的功能差异用于Web应用程序的LabVIEW。方法范围的应用用户交互安全额外软件费用远程服务器客户端Web发布工具数据插座-ActiveX局域网内无限制没有限制非常好（无滞后）取决于互联网带宽（0取决于互联网带宽（0好好米尼穆在None客户端中需要LabVIEWLabVIEW运行时引擎（Web浏览器插件）m附加LabVIEW NI Vision采集NI Vision软件运行时引擎通过Web浏览器。客户端现在可以通过Web浏览器查看和更改设置点，如图所示。 五、使 用 PHP （ 超 文 本 预 处 理 器 ） 创 建 了 一 个URLhttp://test.pccure.in已经使用CGI脚本提供了最低级别的用户认证机制，以通过提示输入用户名和密码来确保认证用户，如图6所示。该网页被配置为由多个客户端同时访问。用户可以在服务器端以图形图表的形式查看响应3.3.数据套接字和Active X方法292A.L. Sangeetha等人图9每隔1分钟在移动电话上接收的过程输出图10通过无线传感器节点接收的过程参数最终应确保操作者的安全。在不久的将来，设想这里使用的组件的小型化4. 结论在Internet上建立了独立的串级控制系统，实现了过程变量的发布、共享和控制。Web发布工具方法对于Web相关应用程序非常有用，因为它不需要在客户端机器中安装任何额外的软件此外，它提供了良好的安全性，可以通过大多数可用的Web浏览器访问。对串级控制系统的性能指标进行了分析，结果表明，串级控制系统与NI-DAQ卡接口后运行效率高验证了传感器节点的兼容性所获得的结果创建使用无线和移动网络的其他工业过程监控应用的可能性。确认作者A. Lakshmi Sangeetha感谢印度新德里科学技术部通 过 与 D.O. IDP/ IND/22/2012 ， 根 据 仪 器 开 发 计 划（IDP），交付给Velammal工程学院，Chennai。引用[1] CetincevizYucel，Bayindir Ramazan. 设计与实作一个以网际网路为基础，结合无线现场汇流排通讯技术的过程自动化有效监控系统-实验研究。ISA Trans 2012;51（3）：461-70。[2] 杨丽丽，杨世辉。网路控制系统之安全性与安全检查架构。Int J Inform Comput Secur2007;1（1/2）：185-200.[3] Levine William S，编辑。控制手册。CRC Press;2010.串级控制系统的性能验证293[4] Phuritatkul Jumpot ， Nguyen Kien ， Koibuchi Chihiro ，JiYusin，Fukuda Kensuke，Abe Shunji，Matsukata Jun，Urushi-dani Shigeo，Yamada Shigeki. QoS操作对实验测试床网络的影响。Simul Model PractTheory2009;17（3）：528-37.[5] 鲍尔西北，唐克斯MCF，范德沃N，希默斯WPMH。 通过网络通信实现基于分布式控制。Automatica2013;49（7）：2074-86.[6] J. J. J.可编程逻辑控制器。第2版New Jersey：Prentice Hall;2008.[7] BoyerSA. 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