基于OPC技術的過程控制仿真實驗設計

蓋文東, 張 婧, 趙偉志

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島 266590)

基于OPC技術的過程控制仿真實驗設計

蓋文東, 張 婧, 趙偉志

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島 266590)

針對現有的過程控制實物實驗裝置在教學使用過程中存在的問題,設計了基于OPC通信技術的過程控制仿真實驗。該仿真實驗利用KingACT軟件實現典型工藝過程的閉環控制仿真,并通過OPC技術與KingView組態軟件進行實時通信,實現了對典型工藝過程的監控。以雙容水箱液位控制工藝過程為例,說明了設計仿真實驗的具體過程。應用結果表明：該仿真實驗便于學生進行二次開發和開展創新研究。

過程控制； 動態仿真； 實驗教學； OPC技術

過程控制是一門理論性和實踐性緊密結合的自動化專業核心課程,具有工程實踐性強的特點[1]。實驗是學生掌握過程控制理論知識、提升解決實際問題能力的重要實踐教學環節,是培養創新型、復合型人才的重要手段。

1 過程控制仿真實驗方案

目前高校使用的過程控制實驗裝置主要有天煌教儀的THKGK系列、華晟高科的A3000系列、求是教儀的NPCT系列等[2],它們均采用PLC作為控制器。這些實驗裝置包括了幾種典型的工藝對象,如雙容/三容水箱系統、鍋爐系統、加熱爐系統等,反映了實際工業生產領域過程控制設備的基本特征。這些實物實驗裝置在教學實踐過程中主要存在以下2個問題:

(1) 設備采購費用較高,例如NPCT系列過程控制實驗裝置的單價在10萬元以上,而且每套實驗裝置每次僅能供幾名學生進行實驗,而我校自動化專業的學生人數在150人左右,現有設備難以滿足學生完成不同類型實驗的需要,特別是不能滿足課程設計和畢業設計階段的實驗需要；

(2) 根據所購置的模塊,實驗裝置只能完成若干固定類型的實驗,學生難以在其基礎上進行二次開發或者自主設計、完成一些創新性實驗。

軟件仿真技術[3]的快速發展為解決這些問題提供了有效的方法。文獻[4]采用LabVIEW和Matlab設計了過程控制虛擬仿真平臺,實現了典型過程控制對象的自動控制、動態顯示和仿真分析；文獻[5]利用OPC(OLE for process control)技術將Matlab仿真軟件與過程控制實驗裝置相結合,開發了實時監控軟件,以便于學生開展創新性研究；文獻[6]借助OPC技術，將Matlab仿真軟件與KingView組態軟件相結合,實現水箱對象和直流電動機的控制與組態運行。在實際工業過程中,PLC是最為常用的控制器,它與Matlab在編程、調試方式上有較大差別。

本文基于OPC技術,利用亞控公司的KingACT邏輯控制軟件(即軟PLC)與KingView組態王軟件,針對某典型工藝對象設計了過程控制仿真實驗,為學生提供軟件環境下的實驗平臺,有助于培養創新型專業技術人才。

OPC是一個開放的接口標準[7-8],它位于數據源和數據使用者之間,為工業控制提供了一種標準的數據訪問機制,可用于被控設備之間的通信和數據傳遞。

過程控制仿真實驗系統的設計思路為:利用亞控公司的KingACT軟件實現工藝對象的數學模型和具體的控制算法,通過OPC接口與OPC服務器連接；利用KingView組態軟件建立工藝對象的監控界面,亦通過OPC接口與OPC服務器連接,以讀取和顯示對象仿真軟件KingACT輸出的數據,并通過修改對象仿真軟件KingACT中的控制器參數或給定值來改變控制效果。該過程控制仿真實驗系統方案如圖1所示。

圖1 過程控制仿真實驗方案

圖1中的仿真實驗監控界面通過KingView組態軟件實現；擾動模型、執行器、測量變送器和被控對象模型均由KingACT軟件中的功能塊(FBD)編程語言編寫；控制器由KingACT軟件中的梯形圖(ladder diagram,LD)編程語言編寫。FBD編程語言和LD編程語言與常用的PLC編程語言在編程、調試方法方面非常相似。另外,KingView組態軟件和KingACT對象仿真軟件均運行在同一臺計算機上,這為學生完成實驗提供了便利。

2 過程控制仿真實驗設計

根據前述系統方案,以雙容水箱液位控制這一典型的工藝過程為例,說明該仿真實驗的具體設計過程。

2.1 仿真變量定義

如圖1所示,整個仿真實驗系統是通過OPC服務器進行通信的,因此,需要定義相應的變量以便完成數據交互。雙容水箱液位控制仿真變量如表1所示。

表1 雙容水箱液位控制仿真變量表

表1中所定義的變量均是在KingACT軟件中定義的全局變量,其中變量“pid輸出”為圖1中的控制器輸出,變量“水箱2液位”為圖1中的被控對象輸出。另外,變量“TI”和“TD”為TIME類型,其取值滿足六十進制,例如若變量“TI”取值為70 s,則TI=t#1m10 s,即1 min 10 s。

2.2 被控對象仿真模型建立

根據圖1所示,應建立包括執行器、測量變送器、擾動模型和被控對象在內的仿真模型。為了簡化編程且不失一般性,這里只建立了被控對象雙容水箱的數學模型,其傳遞函數為

(1)

式中，s為復變量。

圖2中,LAG1為表示一階慣性環節的功能塊。除此之外,KingACT軟件還提供了純滯后功能塊PLAG、積分功能塊INTE等[9],以滿足建立更為復雜的被控對象仿真模型需要。另外,圖2中所使用的變量均定義在表1中。

2.3 控制器仿真模型建立

通過KingACT提供的梯形圖編程語言,建立控制器的仿真模型。這里不僅可以完成各種順序邏輯控制,還可以完成連續控制。利用梯形圖編程語言所建立的控制仿真模型如圖3所示。

圖2 基于功能塊的雙容水箱對象模型

圖3 基于梯形圖的PID控制器

圖3中既包含順序邏輯控制,又包含PID連續控制。當變量“開關”閉合時,PID模塊才完成相應的計算并得到“pid輸出”,否則計算結果保持初值不變。在PID模塊的屬性窗口中將比例系數、積分時間常數、微分時間常數分別設置為表1中定義的變量KP、TI和TD。

2.4 監控界面設計

建立監控界面的目的是建立形象化的物理對象、模擬工藝流程顯示、跟蹤歷史趨勢和便于人員操作,完成對工藝對象的監控。

通過KingView組態軟件[10-12]建立雙容水箱液位

控制的監控界面。在開始進行監控界面的設計之前,首先需要啟動KingACT中的OPC服務器。然后在建立監控界面的數據詞典時,需將連接設備選為KingACT OPC服務器,這樣在KingACT中定義的所有變量對KingView組態軟件均是可見的。

建立監控界面分為兩步:(1)設計靜態圖形界面,主要包括圖形對象繪制、工藝流程表示、實時趨勢和操縱按鈕等圖形對象放置等；(2)完成動態數據鏈接和動態鏈接,即建立圖形界面上的字符串和圖形對象與數據詞典中變量的對應關系。

被控對象仿真模型與控制器仿真模型構成閉環仿真系統。當仿真啟動后,控制器輸出、液位高度等變量發生變化,通過OPC接口,將引起實時數據庫(即數據詞典)中對應變量的變化,從而使監控界面上的數據點值發生變化,而且進行過動畫鏈接的圖形對象也將產生相應的動畫效果。

所建立的雙容水箱液位控制的動態監控界面如圖4所示。

圖4 雙容水箱液位控制監控界面

圖4中設定的液位、擾動、比例系數、積分時間和微分時間均可以在線修改。圖中的實時曲線是當系統加入5%擾動時,兩個水箱的液位和控制器輸出的實時響應曲線。

2.5 功能特點與應用分析

本文設計的基于OPC技術的過程控制仿真實驗,有效彌補了現有過程控制實驗裝置在實驗教學中的不足,其優勢體現在以下兩方面。

(1) 實驗組織經濟、方便,無需硬件設備投資。學生將實驗軟件安裝在實驗室或個人的電腦上即可完成全部實驗過程,無需其他硬件設備投資,不受設備條件、實驗室空間、學生人數和實驗時間的限制。

(2) 可擴展性強,便于學生進行二次開發和創新研究。學生可以在該仿真實驗的基礎,針對不同的生產工藝過程,建立合適的對象仿真模型和控制器仿真模型,完成控制實驗,這有利于開展課程設計、畢業設計等自主性較強的創新性教學環節。

該雙容水箱液位控制仿真實驗已經在過程控制與儀表課程實驗、課程設計和畢業設計等教學環節得到應用。利用該仿真實驗,學生通過修改監控界面上的PID控制參數,水箱動態畫面和實時趨勢曲線會將控制效果直觀、清晰地顯示出來,有利于學生理解PID控制器的物理概念、積累PID參數整定經驗。學生在該仿真實驗的基礎上,在課程設計和畢業設計期間,自行開發了路口交通燈控制、多層電梯控制、加熱爐溫度控制、鍋爐控制等仿真實驗。應用結果表明,該仿真實驗是對現有過程控制實驗裝置的有益補充,為學生開展課程設計和畢業設計提供了有利條件,并能夠有效地幫助學生開展自主實驗設計。

3 結束語

基于OPC技術的過程控制軟件仿真實驗組織經濟、方便,便于學生進行二次開發和創新研究,有助于提高學生分析問題和解決問題的實踐能力。基于OPC技術,將在過程控制實驗中開發出更多的虛擬仿真實驗,滿足實驗教學的需要。

References)

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[5] 鄧曉剛,陳衛紅,楊明輝.過程控制實驗裝置實時監控軟件開發[J].實驗科學與技術,2014,12(6):57-59.

[6] 胡開明,傅志堅,葛遠香.基于OPC與組態技術的自動控制實驗教學仿真平臺開發[J].實驗技術與管理,2013,30(6):50-53.

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Design of process control simulation experiment based on OPC technique

Gai Wendong, Zhang Jing, Zhao Weizhi

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Aiming at the problem of the process control experimental devices during the experimental teaching,the process control simulation experiment based on OPC technique is designed. In this simulation experiment,the closed-loop control simulation of the typical productive process is realized by the KingACT software,then it communicates with the KingView configuration software through the OPC technique,and the monitoring to the productive process is finished. The application effect shows that it is able to help the students finish the secondary development and innovation research.

process control; dynamic simulation; experimental teaching; OPC technique

2015- 02- 10

山東科技大學自動化學院名校工程建設項目(MX-JXGG-5)；山東科技大學人才引進科研啟動基金項目(2014RCJJ053)資助

蓋文東(1982—),男,山東淄博,博士,講師,主要研究方向為控制理論及其應用.

E-mail：gwd2011@sdust.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2015)10- 0132- 04