李 欣，雷菊陽

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

水箱在高層建筑、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等供水系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。水箱的密閉性使其在使用過程中無污染，因此在工業(yè)生產(chǎn)生活中能夠廣泛使用。在高層小區(qū)內(nèi)，水箱的使用避免了高層用戶用水困難的情況，但由于水箱的密閉不通透性，使得在水箱在進(jìn)水和排水過程中容易出現(xiàn)溢水和缺水現(xiàn)象。這種情況的出現(xiàn)將在很大程度上造成水箱水位過高和水位過低，從而影響正常的生產(chǎn)生活。為了避免這些情況的發(fā)生，使水箱內(nèi)的水位控制在一定的范圍，利用MATLAB控制系統(tǒng)與WinCC監(jiān)視系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵的開度對水箱水位進(jìn)行控制，具有良好的實用性[1]。自動控制系統(tǒng)能使生產(chǎn)更安全，方便高層建筑的工作人員操作和控制[2]。

1運(yùn)行環(huán)境

1.1 用于過程控制的OLE協(xié)議技術(shù)

用于過程控制的OLE(OLE for process control，OPC)是應(yīng)用程序和過程控制應(yīng)用之間的標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議[3]。OPC是由標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口進(jìn)行設(shè)計的，而它的過程控制是一種客戶端/服務(wù)器模式[4]。OPC分為定制接口和自動化接口兩種。為了使傳遞過程統(tǒng)一、高效，OPC協(xié)議統(tǒng)一了接口函數(shù)，使客戶端的訪問方式不根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的變化而變化[5]。因此，運(yùn)用OPC協(xié)議技術(shù)，可以有效地組態(tài)系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳遞；同時，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，節(jié)省生產(chǎn)時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性，方便軟硬件的運(yùn)行[6]。

1.2 視窗控制中心組態(tài)軟件

視窗控制中心(windows control center，WinCC)是工控過程中運(yùn)用較廣且具有較高性價比的一款人機(jī)界面組態(tài)軟件[6]。WinCC通過與OPC服務(wù)器的通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳遞。WinCC提供三個OPC服務(wù)器，使外部程序與WinCC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞[7]：OPC_DA Server對工控過程的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，OPC_HDA Server對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，OPC A&E Server對報警信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互[8]。因此，利用OPC_DA_Server的數(shù)據(jù)交互優(yōu)勢與其他控制軟件相結(jié)合的方法，可以滿足對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的設(shè)計要求[9]。

1.3 矩陣實驗室軟件

矩陣實驗室(matrix laboratory，MATLAB)是集編程環(huán)境、圖形處理、功能強(qiáng)大的工具箱、程序接口和應(yīng)用軟件開發(fā)為一體的應(yīng)用軟件[10]。作為一款專門為數(shù)值計算開發(fā)的軟件，MATLAB在數(shù)字計算領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢，如使用人數(shù)較多、現(xiàn)有的資料比較完善等，其在控制系統(tǒng)仿真方面的技術(shù)也很成熟[11]。

MATLAB7.0以上的版本中有OPC工具箱。在MATLAB命令窗口的命令行輸入“opctool”，對服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，可實現(xiàn)與OPC服務(wù)器的連接；通過讀取和控制OPC服務(wù)器中的對應(yīng)變量的值，來進(jìn)行程序的開發(fā)。因此，MATLAB可以讀取系統(tǒng)開發(fā)過程中的實時變量值，并對其進(jìn)行控制，生成實時控制圖；在客戶端繪制變量的實時趨勢圖，使操作員能隨時了解開發(fā)過程中控制狀態(tài)的變化[7]。

2 WinCC與MATLAB之間的連接

水箱液位監(jiān)控運(yùn)用WinCC和MATLAB，實現(xiàn)對水箱液面變化的控制。MATLAB與WinCC組態(tài)軟件通OPC協(xié)議進(jìn)行通信，并完成數(shù)據(jù)交換?？刂七^程原理如圖1所示。

圖1 控制過程原理圖

2.1 S7-300的硬件組態(tài)

為了實現(xiàn)水箱中的水能循環(huán)流動，使WinCC與可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)之間完成通信連接，需要對S7-300 PLC進(jìn)行硬件組態(tài)。由于本試驗為模擬仿真試驗，因此選用信息傳遞接口(message passing interface,MPI)接口進(jìn)行WinCC與PLC的通信。新建TEST項目，插入SIMATIC 300站，MPI地址為2，導(dǎo)軌選擇RACK-300下的Rail，電源模塊型號選用PS 307 5A以滿足所有模塊使用，中央處理器選擇CPU 314，信號模塊選擇數(shù)字量模塊DI16/DO16x24V/0.5A和模擬量模塊AI4/A04x14/12Bit。

在S7程序塊內(nèi)，采用LAD梯形圖編寫組織程序塊OB1、OB35和OB100。OB35的主要作用為：當(dāng)進(jìn)水泵1和排水泵2接通以后，OB1直接調(diào)用該組織塊內(nèi)的程序，并完成循環(huán)中斷為1 000 ms進(jìn)水速度的操作。OB100組織塊程序的主要作用是設(shè)定水箱總液位為100 m3、水箱控制液位為97 m3。在進(jìn)水泵1打開之后，使水箱實時液位值不超過總液位值100 m3。通過控制器調(diào)節(jié)，最后使水箱液位穩(wěn)定在控制液位97 m3左右。

打開仿真軟件，將程序段下載到仿真軟件PLCSIM，程序塊和SIMATIC 300下載到仿真器；然后點擊運(yùn)行，實現(xiàn)液體流動。

2.2 WinCC V7.3的組態(tài)過程

WinCC的組態(tài)過程包括新建項目、組態(tài)變量、組態(tài)畫面和運(yùn)行項目[6]。新建MyFirstProject項目，在變量管理下添加驅(qū)動程序SIMATIC S7 Protocol Suite，選擇MPI通道單元，修改MPI系統(tǒng)參數(shù)中的邏輯設(shè)備名稱采用PLCSIM.MPI.1。在MPI通道單元下建立邏輯連接S7-300，在該邏輯連接下對外部變量進(jìn)行設(shè)置，建立M00、M01、MW2、MW4和MW6五個外部變量。M00控制泵1的開關(guān)，M01控制泵2的開關(guān)，MW2為總液位，MW4為實時液位，MW6為控制液位。為了在組態(tài)畫面中顯示當(dāng)前時間，用同樣的方法添加系統(tǒng)驅(qū)動程序System Info、連接MyPLC、變量Time。

打開圖形編輯器，新建畫面并對外部變量進(jìn)行設(shè)置，使各個外部變量與相對應(yīng)的畫面在項目運(yùn)行之后能夠成功連接。組態(tài)軟件WinCC運(yùn)行之后，打開泵1按鈕。當(dāng)泵1工作、泵2不工作時，水箱處于進(jìn)水狀態(tài)；當(dāng)水箱中的實時液體達(dá)到設(shè)定值時，泵2工作，泵1不工作，以實現(xiàn)排水狀態(tài)；當(dāng)水箱中的液位超過控制液位時，報警器開始報警。

2.3 MATLAB的組態(tài)過程

在采用MATLAB建立OPC Server的通信之前，為了防止OPC服務(wù)組件未注冊成功，需要重新安裝OPC Core Components Redistributable (x64)，在MATLAB命令行輸入opcregister(‘install’)，重啟計算機(jī)，完成注冊。

2.4 MATLAB與WinCC之間的通信連接

以WinCC作為OPC的Server端，MATLAB作為OPC的Client端，Server作為數(shù)據(jù)的提供方，Client作為數(shù)據(jù)的訪問方。將Server端與Client端通過OPC協(xié)議接口建立聯(lián)系，則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送[12]。

WinCC作為OPC的Server端，需要在變量管理下添加OPC.chn驅(qū)動程序。右擊OPC Groups(OPCHN Unit #1)進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)，在OPC條目管理器下選擇OPCServer.WinCC.1。點擊瀏覽器完成項目的添加，將建立的外部變量添加到OPC Groups下，并建立OPCServer.WinCC.1連接[13]。

MATLAB作為OPC的Client端，需要添加客戶機(jī)、組對象和項對象。在MATLAB命令行輸入opctool，進(jìn)入OPC服務(wù)器。右擊OPC Network添加localhost，點擊OPCServer.WinCC.1創(chuàng)建客戶端，添加客戶端所需組對象和項對象并對變量進(jìn)行設(shè)置，確保MATLAB與WinCC之間通信的成功連接。在組對象Group_1下添加OPC服務(wù)器變量，即M00、M01、MW2、MW4和MW6五個項對象。

3 液位控制模型及結(jié)果

MATLAB通過比例積分微分(proportation integral derivative,PID)運(yùn)算，實現(xiàn)對水箱液位的實時控制，即在該控制過程中控制器選用PID控制器。經(jīng)過計算，該水箱被控對象的模型為一個比例環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)相結(jié)合。PID控制可以通過比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)相結(jié)合，對傳遞函數(shù)進(jìn)行控制。同時，PID控制具有原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點[14]，通過控制Kp、Ti和Td三個參數(shù)來調(diào)節(jié)整個控制系統(tǒng)。PID控制過程如圖2所示。

圖2 PID控制過程圖

MATLAB通過OPC讀取WinCC服務(wù)器中變量的變化值，在MATLAB上編寫控制程序，通過OPC Server將改變變量傳遞到WinCC客戶端，并由監(jiān)視過程顯示。MATLAB控制結(jié)果如圖3所示。

圖3 MATLAB控制結(jié)果圖

3.1 試驗結(jié)果

由圖3可知，通過PID控制后的水箱液位值達(dá)到預(yù)期要求，即實時液位不超過控制液位。當(dāng)水箱中的液位超過液位控制量時，WinCC組態(tài)軟件中的報警畫面會出現(xiàn)提示。WinCC通過OPC將外部變量的變化值傳遞給MATLAB服務(wù)器；MATLAB通過PID控制，對變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將液位控制在一定的范圍。通過WinCC組態(tài)軟件中的趨勢圖，可以實時觀察液位的控制過程。其過程圖與MATLAB實時液位控制圖相一致。

3.2 試驗分析

為了使該控制過程達(dá)到預(yù)期效果，在控制過程中需要對PID參數(shù)進(jìn)行整定。當(dāng)系統(tǒng)因響應(yīng)速度過快而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差時，通過減小比例系數(shù)Kp的值、增大積分時間Ti或者增大微分時間Td來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減小系統(tǒng)的超調(diào)量。在試湊的過程中，遵循先比例、后積分、再微分的整定步驟。按照該參數(shù)整定方法，調(diào)整Kp、Ti和Td，使液位控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的調(diào)節(jié)效果，并使水箱液位最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)，通過OPC技術(shù)結(jié)合MATLAB與WinCC，既發(fā)揮了MATLAB強(qiáng)大的控制能力，又發(fā)揮了WinCC的可視化、報警畫面和數(shù)據(jù)歸檔的優(yōu)點，使得對水箱液位的實時控制過程更清晰明了。在該控制過程中，WinCC變量管理器從自動化系統(tǒng)采集過程值的周期時間為250 ms，保存到歸檔數(shù)據(jù)需要500 ms，因此能更及時地將WinCC采集到的數(shù)據(jù)傳遞到MATLAB中，并能將控制變量快速反饋到水箱液位。

仿真試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)充分利用了MATLAB、WinCC和S7-300 PLC的各自長處，極大地提升了水箱液位的控制效果，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，使水箱的液位控制達(dá)到理想的效果。由于控制對象模型的建立使該試驗不僅僅局限于實物的研究，對象的虛擬化更便于各層次的研究人員的研究工作和系統(tǒng)的安全調(diào)試。水箱液位實時監(jiān)控系統(tǒng)是自動化控制系統(tǒng)，能有效節(jié)省人力和財力，保證生產(chǎn)作業(yè)更安全、高效，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很高的實用價值。