胡開(kāi)明 劉 薇 陳 堅(jiān)

(東華理工大學(xué) 長(zhǎng)江學(xué)院， 撫州 344000)

在自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)往往具有先導(dǎo)作用，通常一個(gè)控制實(shí)驗(yàn)需要預(yù)先進(jìn)行一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，只有仿真成果達(dá)到預(yù)期才能夠進(jìn)行更為嚴(yán)格的實(shí)體實(shí)驗(yàn)[1]。然而，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)仿真有許多缺點(diǎn)和不足，例如在傳統(tǒng)的工業(yè)液位控制中，人們雖然能夠利用Matlab進(jìn)行良好的算法分析和計(jì)算，但是很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作等，從而不利于人們根據(jù)事件發(fā)生情況完成相應(yīng)的控制操作。針對(duì)控制系統(tǒng)仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題，將組態(tài)軟件與Matlab相結(jié)合，并以過(guò)程控制中液位系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，在不依賴于價(jià)格昂貴且使用麻煩的硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，很直觀地看到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的畫面效果，還可以根據(jù)監(jiān)控信息進(jìn)行相應(yīng)操作，逼真地模仿了用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，真正有效地節(jié)約了在自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的時(shí)間和硬件投入，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 組態(tài)虛擬仿真平臺(tái)

1.1 組態(tài)虛擬仿真平臺(tái)原理

組態(tài)虛擬仿真以O(shè)PC技術(shù)為核心，將Matlab作為后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與算法處理，借助OPC接口通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送給組態(tài)軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)的交換在組態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可視化人機(jī)交互，進(jìn)行模擬仿真運(yùn)行[2]。OPC依賴于客戶端/服務(wù)器的模型，是設(shè)置在設(shè)備制造商或第三方制造商上開(kāi)發(fā)訪問(wèn)任務(wù)的接口，以O(shè)PC服務(wù)器的形式向用戶提供訪問(wèn)接口，解決軟件和硬件制造商之間的差異，完成系統(tǒng)集成，改進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)放性和互操作性[3]。組態(tài)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理就是OPC通信技術(shù)在Matlab與組態(tài)王之間的運(yùn)用，組態(tài)王軟件作為上位機(jī)(服務(wù)器)，直接發(fā)出操作命令，Matlab軟件作為下位機(jī)(客戶端)，接收到命令后進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果回執(zhí)給組態(tài)王軟件，進(jìn)而呈現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控畫面，而兩者之間的數(shù)據(jù)通信就是利用OPC通信技術(shù)。將Matlab用作OPC客戶端，將Kingview用作OPC服務(wù)器，并通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)交互為同步方式。其原理如圖1所示。

圖1 Matlab與組態(tài)間的OPC通信

組態(tài)王監(jiān)控軟件本身包含一個(gè)集成好的運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且由于可以通過(guò)采用OPC的接口與不同的仿真軟件(如Matlab)方便地對(duì)對(duì)象進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)交互，所以組態(tài)軟件可以直接用來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的對(duì)象圖形建模以及具體的對(duì)象控制策略[4]。通過(guò)開(kāi)發(fā)和選擇一款恰當(dāng)?shù)慕M態(tài)軟件，規(guī)劃設(shè)計(jì)出可以通過(guò)相應(yīng)的對(duì)象圖形監(jiān)控界面模仿實(shí)際的對(duì)象模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備，并通過(guò)相應(yīng)的OPC接口快捷地連接模擬軟件到OPC的客戶端，讀取由相應(yīng)的仿真軟件直接輸出的對(duì)象仿真數(shù)據(jù)，在軟件界面上建立基于監(jiān)控對(duì)象屬性的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)連接，就可以直觀地觀察到被控對(duì)象的變化趨勢(shì)。因此，選擇組態(tài)王在仿真中作為上位機(jī)，進(jìn)行控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示。

Matlab軟件是目前仿真軟件中最為廣泛運(yùn)用的軟件之一，其內(nèi)具有仿真功能強(qiáng)大的Simulink軟件工具包，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真等功能，在控制系統(tǒng)中是先進(jìn)的計(jì)算和仿真工具。在Simulink擁有OPC工具箱，包括讀、寫等模塊，可以完成與組態(tài)王軟件OPC通信，接收控制命令，并將其納入到仿真中去[5]。在Simulink環(huán)境中，根據(jù)控制對(duì)象的不同，建立不同的控制系統(tǒng)模型，接收到上位機(jī)的命令信號(hào)，進(jìn)行仿真并將仿真結(jié)果回饋給上位機(jī)。為此，Matlab可以作為下位機(jī)，進(jìn)行控制算法的實(shí)現(xiàn)。

1.2 Matlab與OPC間的通信設(shè)計(jì)

現(xiàn)在版本的Matlab都添加了OPC工具箱，OPC工具箱中包括OPC_Configuration、OPC_Read及OPC_Write等，分別用于配置及讀寫OPC數(shù)據(jù)，包含有OPC_Read、OPC_Write和OPC_Configuration三個(gè)基本模塊。OPC_Configuration為Matlab指定OPC服務(wù)器的參數(shù)設(shè)置窗口，用于選定組態(tài)王的OPC服務(wù)器。OPC_Read是從OPC服務(wù)器中讀取的變量的設(shè)置，用于設(shè)置輸入變量。同理OPC_Write是從OPC服務(wù)器中寫入的變量的設(shè)置，用于設(shè)置輸出變量。

1.3 組態(tài)王與OPC間的通信設(shè)計(jì)

組態(tài)王軟件內(nèi)嵌有OPC服務(wù)器，其性能強(qiáng)大，能為工作人員提供了便捷高效的工程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪問(wèn)[5]。另外，組態(tài)王軟件作為OPC服務(wù)器時(shí)可以同時(shí)連接管理多個(gè)OPC客戶端。每臺(tái)基于OPC的客戶端都被工程人員視為一個(gè)外部設(shè)備，工程技術(shù)人員和用戶可以對(duì)其外部設(shè)備進(jìn)行重新定義、刪除和重新添加。在組態(tài)王軟件點(diǎn)擊新建 OPC，就能進(jìn)行 OPC 的設(shè)置，選擇OPC_Configuration中設(shè)置的服務(wù)器，就可以完成組態(tài)王與OPC聯(lián)機(jī)通信，便可在該工程下定義實(shí)驗(yàn)所需的變量。

2 雙容水箱的組態(tài)虛擬仿真的設(shè)計(jì)

2.1 雙容水箱液位控制

系統(tǒng)由兩個(gè)上下兩個(gè)獨(dú)立單容水箱組成，如圖2所示，水流由管道首先進(jìn)入上水箱，然后通過(guò)底部閥進(jìn)入下水箱。實(shí)驗(yàn)任務(wù)是通過(guò)控制電動(dòng)閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)管道流量大小，進(jìn)而控制下水箱的液位的高度，使其達(dá)到給定的液位值。為了提高系統(tǒng)控制精度和抗干擾能力，系統(tǒng)采用串級(jí)控制方式，將下水箱作為主控對(duì)象，上水箱作為副控對(duì)象。下水箱液位變送器將檢測(cè)到的水箱水位高度數(shù)值送給主控制器，經(jīng)過(guò)與設(shè)定液位值進(jìn)行比較后進(jìn)行主控運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為上水箱液位的設(shè)定值。獲取上水箱液位變送器將測(cè)量的水位高度值與該設(shè)定值的偏差值，對(duì)偏差執(zhí)行副控運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果控制電動(dòng)閥的開(kāi)度大小，進(jìn)行供水流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制水箱的水位的高低。若下水箱液位高于設(shè)定值，則電動(dòng)閥開(kāi)度減小，反之則開(kāi)度增加。

圖2 雙容水箱液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

2.2 模型與控制算法

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試法得到某過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的雙容水箱系統(tǒng)中的上下水箱傳遞函數(shù)分別為：

(1)

(2)

選擇上水箱作為副控對(duì)象，下水箱為主控對(duì)象，下水箱液位高度為被控量。雙容水箱液位控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制方式，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)(細(xì)調(diào)功能)，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)(粗調(diào)功能)。主控量為下水箱的液位高度，要求系統(tǒng)的主控制量達(dá)到給定值，并穩(wěn)定在給定值。副控量為上水箱的液位高度，要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律，以達(dá)到對(duì)主控制量的控制目的，能夠提高工作頻率，增強(qiáng)克服二次干擾能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

控制效果的優(yōu)劣取決于系統(tǒng)的控制方式，這也是實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)。經(jīng)分析、計(jì)算，雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的主控調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，副控調(diào)節(jié)器為P調(diào)節(jié)器。多次仿真實(shí)驗(yàn)最終整定了一組較好的參數(shù)，其中主控比例系數(shù)Kp=8.1666，積分系數(shù)Ki=0.0128；副控比例系數(shù)Kp1=0.1696。

圖3 雙容水箱液位控制系統(tǒng)控制框圖

2.3 物理實(shí)驗(yàn)調(diào)試

以THJ-2型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為依托，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)調(diào)試。對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以水箱液位為控制對(duì)象、調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器、PLC為控制器、壓力變送器為檢測(cè)器，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)。壓力變送器將檢測(cè)到的液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成控制量，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差，按照已整定的控制參數(shù)經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換成4～20 mA的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以控制水的流量達(dá)到水箱液位恒定[6]。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水箱液位控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

在編程軟件中編寫控制程序并下載到PLC中，進(jìn)行系統(tǒng)上位機(jī)的雙容水箱液位控制系統(tǒng)的組態(tài)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。完成了PLC程序設(shè)計(jì)和組態(tài)人機(jī)界面設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行組態(tài)與PLC控制器間的通信連接，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試階段，打開(kāi)組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，切換到運(yùn)行模式，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)組態(tài)物理調(diào)試如圖5所示。

圖5 雙容水箱液位控制系統(tǒng)調(diào)試

在圖5組態(tài)運(yùn)行界面上，左邊部分是水箱的實(shí)物運(yùn)行的模型，右部分是數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)控制界面，負(fù)責(zé)控制器的參數(shù)設(shè)定和過(guò)程值顯示。其中右邊還有實(shí)時(shí)曲線框，記錄液位控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控，用來(lái)反映各種控制算法的實(shí)際控制效果。從圖可知，下水箱液位設(shè)定值為8 cm，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)誤差，超調(diào)量約為3%，運(yùn)行較為平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間基本達(dá)到要求，副控上水箱開(kāi)始有較大的起伏，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，能夠跟蹤主控的響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)效果較為理想。

2.4 組態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

以組態(tài)王KingView6.65進(jìn)行液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控開(kāi)發(fā)，創(chuàng)建“水箱液位控制”工程名，用來(lái)存放與工程相關(guān)的文件。通過(guò)添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，選擇已建好的OPC服務(wù)器作為變量連接設(shè)備[7]。制作雙容水箱液位系統(tǒng)的組態(tài)圖形畫面并定義動(dòng)畫連接，編寫任務(wù)控制的命令語(yǔ)言，對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)、用戶等進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而完成系統(tǒng)組態(tài)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。

2.5 組態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試

組態(tài)監(jiān)控畫面制作完成后，設(shè)置Matlab與組態(tài)王間的連接。將Matlab中的OPC_Configuration 模塊連接到組態(tài)王服務(wù)器，并通過(guò)OPC_Read 模塊從組態(tài)王中讀數(shù)據(jù)，利用OPC_Write 模塊將數(shù)據(jù)寫到組態(tài)王中，從而完成與組態(tài)王間的數(shù)據(jù)通訊[7]。將Matlab中OPC工具箱的相應(yīng)模塊拖到仿真圖中，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連接。雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的Matlab與OPC連接圖如圖6所示。

圖6 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的Matlab與OPC連接圖

打開(kāi)組態(tài)王中的“雙容水箱液位控制”工程畫面并運(yùn)行，按下“啟動(dòng)”按鈕，此時(shí)變量“yeweisheding”設(shè)置的初始值為“5.0”，在主控Kp處輸入“8.1666”，主控Ki處輸入“0.0128”，副控Kp處輸入“0.1696”。當(dāng)然還可以通過(guò)“+-”按鈕進(jìn)行微調(diào)。再打開(kāi)Matlab，進(jìn)入建立好的Simulink仿真中并運(yùn)行，仿真結(jié)果及組態(tài)王運(yùn)行結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 雙容水箱液位控制Simulink仿真結(jié)果圖

圖8 雙容水箱液位控制組態(tài)監(jiān)控運(yùn)行結(jié)果

由圖7與圖8對(duì)比可以看出，Simulink仿真結(jié)果和組態(tài)監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線的結(jié)果一致，最終下水箱液位實(shí)際值為5，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，滿足控制精度要求。液位水位峰值為5.14，超調(diào)為2.8%，調(diào)節(jié)時(shí)間為3450s，均能較好的滿足控制要求，達(dá)到了預(yù)期效果。對(duì)比圖8和圖5，虛擬仿真運(yùn)行圖形、曲線數(shù)據(jù)與物理實(shí)物運(yùn)行基本一致，雙容水箱虛擬仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到了實(shí)物物理實(shí)驗(yàn)的效果。

從虛擬仿真運(yùn)行的監(jiān)控畫面同樣能夠清楚明了地觀察到水箱液位不斷變化過(guò)程中各過(guò)程變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并做好記錄。如果被控液位因水管堵漏超出了或者遠(yuǎn)低于假定的范圍，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警，并提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，增加實(shí)驗(yàn)的安全功能和人性化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真與物理實(shí)物實(shí)驗(yàn)的同質(zhì)等效。

3 結(jié)語(yǔ)

以組態(tài)軟件為基礎(chǔ)對(duì)控制系統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和開(kāi)發(fā)，著重討論了組態(tài)虛擬仿真平臺(tái)的搭建原理與設(shè)計(jì)過(guò)程。搭建好的仿真平臺(tái)以先進(jìn)的OPC通信技術(shù)為核心，既能發(fā)揮Matlab/Simulink中強(qiáng)大的控制算法分析與計(jì)算的作用，又能將組態(tài)軟件中特有的監(jiān)控、操作和顯示等功能用到實(shí)處[8]。采用雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為案例進(jìn)行仿真調(diào)試，并進(jìn)行了實(shí)物物理實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比比較。對(duì)比結(jié)果證明，組態(tài)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能優(yōu)良，控制精確，較好地驗(yàn)證了仿真平臺(tái)在過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)中的可行性和優(yōu)越性，為提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段與方法提供借鑒。