基于OPC與組態(tài)技術的自動控制實驗教學仿真平臺開發(fā)

胡開明，傅志堅，葛遠香

（東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 撫州 344000）

組態(tài)具有友好的人機交互界面和強大的通信功能，已廣泛應用于控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控中；但是它的數據處理能力較弱，計算能力差，難以實現(xiàn)復雜控制策略［1－2］，同時組態(tài)軟件過于依賴硬件設備，給自動化實驗教學帶來了較大的經濟壓力。本文以自動控制中的過程控制與運動控制系統(tǒng)作為對象，采用Matlab進行后臺控制策略運算和數據處理，通過OPC（ole for process control）接口技術將數據傳送到組態(tài)監(jiān)控，進行數據交換，在組態(tài)界面上實現(xiàn)多層次可視化的人機交互環(huán)境，以實現(xiàn)組態(tài)的模擬仿真，這樣既能發(fā)揮組態(tài)軟件具有的組態(tài)方便、監(jiān)控功能完善和動畫效果顯示等優(yōu)點，又能減少對硬件的依托，在實際實驗教學中有著重要的應用背景。

1 控制系統(tǒng)的Matlab與組態(tài)的OPC接口

1.1 Matlab與組態(tài)的OPC接口

OPC即把OLE應用于工業(yè)控制領域。OPC是一個開放的接口標準，是OPC基金會倡導和建立的一套標準的OLE／DCOM接口協(xié)議，采用客戶／服務器體系，其目標是在客戶和服務器之間建立一種通信和數據交換的工業(yè)標準機制。OPC作為一種數據交換的主要方法為所有的供貨商接受、采用和執(zhí)行，最終解決了終端用戶對多種供貨商產品之間的互操作問題［3］。設計中以組態(tài)軟件和Matlab分布作為服務器和客戶，以OPC技術實現(xiàn)二者間的數據交換，在 Matlab中經過控制策略仿真與計算，并把計算結果回傳給組態(tài)軟件后進行顯示［4－5］。其結構框圖如圖1所示。

圖1 組態(tài)與Matlab間OPC數據交換結構框圖

本自動控制實驗教學仿真平臺采用Matlab7.1，其內有為OPC提供的專門接口程序，通過創(chuàng)建和配置OPC對象，讀寫和記錄數據，并借助于 Matlab OPC Toolbox實現(xiàn)Matlab客戶端與組態(tài)王服務器端之間的數據通信［6－7］。在 Matlab7.1中，定義 OPC 客戶端口進行分布式COM環(huán)境設計，按Matlab讀OPC服務器的數據，并在Matlab中定義的數據，讀取OPC服務器的數據程序，顯示程序調用函數，將數據寫入組態(tài)軟件OPC服務器，以GUI（圖形用戶界面）方式實現(xiàn)數據交換。

1.2 控制系統(tǒng)OPC接口

現(xiàn)在的自動化專業(yè)中主要是按照運動控制和過程控制2個方向展開課程教學。液位控制系統(tǒng)和直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)分別是這2個方向的必修內容，無論是理論教學和實踐教學中都是核心內容，對實驗的改造也就成為自動化專業(yè)的熱點。

1.2.1 液位系統(tǒng)策略

根據THJ－3型過程控制實驗臺建立的雙容水箱的上下水箱模型分別為：

采用串級控制，下水箱作為主控制器，采用PI算法；上水箱作為副控制器，采用P控制［8］。通過對控制器的參數進行整定，得主調節(jié)器的比例系數Kp＝6，積分系數Ti＝500s，微分系數Td＝0s，副調節(jié)器比例系數Kc＝5。基于Matlab與OPC接口技術的水箱液位系統(tǒng)的連接如圖2所示。

圖2 液位系統(tǒng)Matlab的OPC接口圖

1.2.2 直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

（1）直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的系統(tǒng)參數的測試數據分別為：

① 直流電機：額定電壓Un＝220V、額定電流In＝136A、額定轉速Nn＝1 500r／min、電機系數Ce＝0.132 V／（r·min），允許過載倍數λ＝1.5；

② 晶閘管裝置放大系數Ks＝30；

③ 回路總電阻R＝3.3Ω；

④ 時間常數：電池時間常數Tl＝0.03s，機電時間常數Tm＝0.18s；

⑤ 電流反饋系數β＝0.05V／A；

⑥ 轉速反饋系數α＝0.007（V·r－1·min－1）。

（2）直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計指標分別為：

① 靜態(tài)指標：無靜差；

② 動態(tài)指標：電流超調量σi≤5%；

③ 空載起動到額定轉速時轉速超調量σn≤10%。

采用PID控制器設計轉速、電流控制，結合性能指標要求，設計PI型電流調節(jié)器的傳遞函數為轉速調節(jié)器采用PI調節(jié)器，傳遞函數［9］為

基于Matlab與OPC接口技術的直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的連接如圖3所示。

圖3 直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的Matlab的OPC接口圖

2 組態(tài)調試

采用KingView5.3組態(tài)軟件進行監(jiān)控設計，在組態(tài)王軟件中定義液位高度、電壓、電流反饋、給定值等信號。組建控制系統(tǒng)的畫面設計、報表數據等功能［10－11］。在組態(tài)王中定義與Matlab中的OPC接口技術中相一致的變量名，在OPC Read與OPC Write中添加相應的模塊信息，這樣就能建立組態(tài)王與Matlab之間的通信。雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)、直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組態(tài)調試運行界面分別如圖4和圖5所示。

圖4 水箱液位系統(tǒng)組態(tài)運行界面圖

圖5 直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)組態(tài)運行界面圖

從圖中4可以形象地看出液位系統(tǒng)的水位的實時變化。在組態(tài)界面上可以改變設定值和控制參數，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，調節(jié)時間ts＝1 048s，超調量б＝16.3%，與Matlab仿真數據一致，能夠實時記錄系統(tǒng)的變化曲線與相應的數據，直觀便利。

從圖5中可以直觀地看出系統(tǒng)的結構組成，以及改變電壓給定值和施加干擾信號時的輸出數據的實時變化曲線，從曲線中可以看出系統(tǒng)控制效果良好，滿足設計要求。

3 結論

本文采用OPC接口技術實現(xiàn)了Matlab與組態(tài)王之間的數據交換，在Matlab中對典型的控制系統(tǒng)的策略進行分析和計算，在組態(tài)環(huán)境中進行多層次可視化的監(jiān)控和人機交互［12］，這種設計既能實現(xiàn)組態(tài)方便、監(jiān)控功能完善和動畫效果顯示等優(yōu)點，又能體現(xiàn)控制策略與實現(xiàn)途徑，還能減少對硬件的依托，既為學生提供自動控制的真實的生產場景，又滿足了實踐教學的要求，同時節(jié)約了成本，在實際實驗教學中有著重要的應用背景。

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［1］石瑩，洪悅，錢曉龍.MATLAB與組態(tài)軟件的數據交換技術［J］.儀器儀表學報，2003，24（4）：337－340.

［2］馮江濤.基于OPC的組態(tài)軟件和 MATLAB的通信實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008，24（1）：295－297.

［3］李安伏，崔亞量.基于OPC的Matlab與組態(tài)王的數據通信［J］.電力自動化設備，2007，27（7）：113－115.

［4］馬增良，蘭斌.OPC數據訪問服務器實現(xiàn)機制研究［J］.計算機工程與應用，2003（21）：65－67；

［5］楊智，陳幼平，周敬東.監(jiān)控組態(tài)軟件中基于OPC規(guī)范的數據接口研究與設計［J］.機械與電子，2005（3）：14－17.

［6］李二超，李煒，李戰(zhàn)明，等.基于OPC技術的網絡控制系統(tǒng)仿真平臺設計［J］.實驗技術與管理，2012，29（6）：90－93.

［7］吳明永，王國偉.基于OPC和MATLAB的鍋爐汽包水位智能控制系統(tǒng)［J］.計算機測量與控制，2010，18（10）：2296－2298.

［8］黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［9］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［10］董金波，任思璟.基于組態(tài)軟件的橋式起重機監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（6）：112－114，129.

［11］胡開明，錢敏，葛遠香.基于網絡控制與組態(tài)技術的過程控制實驗室的改造［J］.實驗室研究與探索，2011，30（7）：54－57.

［12］姜建芳，王軍旺，黃輝.基于西門子工業(yè)網絡的過程控制實驗系統(tǒng)［J］.實驗室研究與探索，2008，27（8）：250－252.