基于OPC技術(shù)的智能液位控制系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

馬陽，雷彥華，包妍

(沈陽工程學院自動化學院，遼寧沈陽110136)

組態(tài)王功能強大、運行穩(wěn)定且使用方便，能提供良好的人機界面和通訊功能，但其編程環(huán)境較弱，很難實現(xiàn)復雜的控制算法.而Matlab是一種計算功能強大的科學計算語言，能設(shè)計先進、復雜的控制算法.本方案利用組態(tài)王強大的數(shù)據(jù)采集功能和良好的人機界面，開發(fā)服務(wù)器端畫面，并結(jié)合Matlab環(huán)境編程的便利性，采用可靠的OPC接口建立組態(tài)王和Matlab之間的數(shù)據(jù)通訊，在客戶端環(huán)境中編寫控制算法，最終實現(xiàn)對水箱液位的智能控制［1］.此方案應(yīng)用到GK04型過程控制實驗裝置中，為高校教學提供了新的高級算法仿真實驗平臺.

1 液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“JSB-GK04”型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，上位機由組態(tài)王開發(fā)了良好的人機界面和通訊功能，可實現(xiàn)單回路控制，串級控制等多種控制形式.基于OPC技術(shù)的智能液位仿真實驗平臺是在原有實驗裝置之上進行的二次開發(fā)，利用OPC技術(shù)建立組態(tài)王與Matlab的數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)對過程控制裝置的模糊智能控制.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

系統(tǒng)以組態(tài)王為主控平臺，以GK04型過程控制實驗裝置為對象，實現(xiàn)水箱液位的動態(tài)顯示、下位機PLC的實時數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置.上位機與PLC通過PPI方式進行數(shù)據(jù)通訊，組態(tài)王與Matlab之間利用OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，由Matlab來完成水箱液位模糊控制算法的計算任務(wù)［2］.

圖1 智能液位監(jiān)控系統(tǒng)

2 組態(tài)王與Matlab的通訊

Matlab 7.0以上版本中一般都集成了OPC工具箱，通過這個OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件，可以實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間的互相訪問.通過該OPC工具箱可與任何一個OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)對所連接OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)的寫或讀［3］.打開OPC工具箱，在Matlab指令空間中輸入opctool可進行OPC的配置，在本例中把西門子的OPC Server添加為客戶，將Matlab設(shè)為本地服務(wù)器，再將PLC的模擬量輸入輸出變量分別添加到MATLABOPC工作組中.

Matlab提供了OPC Toolbox作為控制人員進行外部過程變量交互的工具箱，利用FuzzyToolbox實現(xiàn)模糊控制的仿真，兩者結(jié)合起來可實現(xiàn)對雙容水箱水位的實時模糊控制［4］，步驟為

1)配置OPC Configrealtime，選擇OPC服務(wù)器localhost/OPC.SimaticNET.1;

2)應(yīng)用OPC Read模塊，讀取SP值和PV值，采用Synchronous模式，采樣時間選擇1.0 s;

3)應(yīng)用OPCW rite模塊，輸出PID調(diào)節(jié)器Kp，Ki和Kd的修正值，采用Synchronous模式，采樣時間選擇1.0 s;

4)運行Fuzzy命令，將上述模糊控制邏輯在FIS Edite工具中實現(xiàn)，并輸出模糊控制邏輯fuzzy PID至Matlab的Workspace;

5)在Matlab的Simulink中調(diào)用Fuzzy Logic Controller w ith Rule viewer，其fismatrix參數(shù)設(shè)為fuzzy PID，刷新周期為1.0 s.

3 雙容水箱液位模糊控制實現(xiàn)

液位控制是工業(yè)控制中一個重要問題，雙容水箱液位對象具有大時滯、時變、非線性的特性，這使液位控制較為困難.目前，大多數(shù)的常規(guī)PID液位控制系統(tǒng)的控制性能并不理想.過程控制實驗雙容水箱采用常規(guī)PID控制器的響應(yīng)速度快，但過渡時間較長，達到20 min左右，抗干擾能力較差.模糊控制對非線性或不確定性對象具有良好的控制效果，控制超調(diào)較小，調(diào)節(jié)速度較快抗干擾性以及魯棒性方面都較好.

3.1 模糊自適應(yīng)PID控制原理

如圖2所示，模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差和誤差變化作為輸入，可以滿足不同時刻的和對PID參數(shù)自整定的要求.利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了模糊自適應(yīng)PID控制器［5］.

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器

將系統(tǒng)誤差e和誤差ec變化率變化范圍定義為模糊集上的論域.根據(jù)實際情況，語言變量論域與語言值集合設(shè)為:

e和ec的隸屬度函數(shù)如圖3所示.

圖3 e和ec的隸屬函數(shù)

輸出分別是kp、ki、kd，語言變量論域與語言值集合設(shè)為

根據(jù)實驗雙容水箱對象的特性，一般可以應(yīng)用經(jīng)驗歸納法建立kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表，如表1所示.

表1 k p，k i，k d的模糊規(guī)則表

3.2 運行效果分析

圖4為雙容水箱液位采用普通PID控制的運行曲線，圖5為雙容水箱液位采用模糊控制的實際運行曲線.通過對比兩條仿真曲線發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，過渡時間較長并有一定震蕩狀態(tài)出現(xiàn);模糊PID控制的響應(yīng)曲線在抑制超調(diào)、加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度方面有較好的控制效果;模糊Smith控制效果最好，調(diào)節(jié)時間短且無超調(diào)及震蕩.

圖4 雙容水箱液位PID控制運行曲線

圖5 雙容水箱液位模糊控制運行曲線

4 結(jié)語

該設(shè)計是在原有過程控制實驗裝置之上進行的二次開發(fā)，增強了監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，實現(xiàn)了雙容水箱液位的模糊控制，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能.該系統(tǒng)界面友好，易于實現(xiàn)復雜的控制算法，并采用OPC技術(shù)建立兩者間的數(shù)據(jù)交換，簡單而且方便.系統(tǒng)有較強的通用性，用戶只需通過修改Matlab控制程序，就可利用監(jiān)控系統(tǒng)驗證不同控制算法，研究不同控制對象，使現(xiàn)有的實驗設(shè)備與實驗算法平臺配套，利用現(xiàn)有設(shè)備資源，做到資源共享，節(jié)約了成本，也為過程控制實驗高級算法的實現(xiàn)提供了新方案.

［1］ 胡開明，傅志堅，葛遠香.基于與組態(tài)技術(shù)的自動控制實驗教學仿真平臺開發(fā)［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30(6):51－53.

［2］ 鄭華，呂偉珍.基于組態(tài)王和MATLAB的雙容水箱液位控制［J］.中國農(nóng)機化，2012，24(12):82－83.

［3］ 王樹東，畢作文，王紅波，等.OPC技術(shù)下PLC與MATLAB相結(jié)合的實時模糊控制系統(tǒng)［J］.電氣自動化，2011，33(5):12－14.

［4］ 呂俊.基于OPC的PLC在線PID模糊自整定系統(tǒng)［J］.輕工機械，2013，31(2):36－39.

［5］ 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.