OPC技术下PLC与MATLAB相结合的实时模糊控制系统.pdf

电 气 自 动 化 2 0 1 1 年 第 3 3 卷第 5 期 j 十 算机技术及其应甩 C omp u t e r T e c h n o lo g y＆ Ap plic a t io n OP C技术下 P L C与 MA T L A B相结合的实时模糊控制系统 1 ． 摘要 王树东 - 毕作文 王红波 孟静静 兰州理工大学 电气与信息工程学院， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．甘肃省工业过程先进控制重点实验室， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 可编程控制器 P L C 具有可靠性、 易操作性和灵活性等优点， 在当今工业控制领域的使用越来越广泛， 但是它受编程语言的限 制， 无法实现一些智能控制算法； MA T L A B是一种高级矩阵语言， 在工程计算方面具有无可比拟的优异性能， 尤其它的工具箱 和 S i m uli n k仿真环境 ， 可以针对控制系统进行建模、 仿真和分析等工作。下面结合污水处理控制系统中对提升泵频率控制的 研究， 详细论述 P L C结合 M A T L A B实现智能控制的方法。 关键词 O P C技术MA T L A B P L C 数据交换模糊控制 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 1 0 5 0 0 1 2 0 3 Re a l t i me a n d F u z z y Co n t r o l Sy s t e m wi t h t h e Co mb i n a t i o n O f PL C a n d MATL AB u n d e r t h e OPC Te c h n o lo g y Wa n g S h u d o n g ， B i Z u o w e n 1 , 2 Wa n g H o n g b o Me n g J i n g j i n g 1 ．C o l l e g e o fE l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g， L a n z h o u U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0， C h i n a ； 2 ．K e y L a b o r a t o r y o f G a n s u A d v a n c e d C o n t r o l _厂 0 r I n d u s t r i a l P r o c e s s e s ， Lan z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t P r o g r a mm a b l e L o g i c C o n t r o l l e r P L C w i t h r e l i a b i l i t y ， e a s e a n d fl e x i b i l i t y ， e t c ． ， i n t o d a y ’S fi e l d o f i n d u s t ri a l c o n t r o l m o r e w i d e l y u s e d - b u t i t i s l i mi t e d b y t h e p r o gra mmi n g l a n g u a g e，c a n n o t a c h i e v e a n u mb e r o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l alg o r i t h m ；MAT L AB i s a k i n d s o f h i s h l e v e l m a t r i x l a n g u a g e c o m p u t i n g i n e n gin e e ri n g e x c e l l e n c e w i t h u n p a r a l l e l e d p e r f o r m a n c e ，p a r t i c u l a r l y i n i t s t o o l b o x a n d S i m u l i n k s i mu l a t i o n e n v i ron me n t ，y o u c a n c o n t r o l t h e s y s t e m f o r m o d e l i n g，s i mu l a t i o n a n d an a l y s i s w o r k ．I n t h i s p a p e r ，w i t h the e x a mp l e o f the f r e q u e n c y c o n t r o l o f l i f t p u mp i n s e w a g e c o n t r o l s y s t e m ，d i s c u s s e d i n d e t a i l w i t h MAT L AB an d P L C i n t e l l i g e n t c o n t r o l me t h od s ． Ke y wO r d s O P C T e c h n o l o g y MA T L AB P L C Da t a e x c h a n g e F u z z y C o n t r o l 0 引 言 工控机与 P L C相结合的控制系统是现代工控领域常见的监 控系统结构。随着工业过程控制要求的提高以及先进智能控制 算法的不断涌现 ， 模糊算法、 神经网络算法、 遗传算法等复杂控制 器取代传统的控制器已成为工业过程控制的发展趋势。但是 由 于下位机 P L C编程语言的局限性 ， 使其不能胜任复杂的控制算 法 ， 导致智能控制算法不能很好的应用到 P L C的控制系统中。 MA T L A B可以实现模糊控制、 神经网络等复杂的智能控制算 法 ， 还配备有各种各样的工具箱， 可以解决许多特定的课题和数 学建模问题_ l 】 。如果将 P L C采集到的实时数据通过数据交换传 给 MA T L A B进行计算处理， 再将运算处理结果传送给下位机 P L C， 由P L C输出模块输出控制信号， 实现过程控制， 这样极有利 于先进智能算法控制系统的设计与实现。因此 ， 将 M A T L A B与 P L C相结合， 实现两者的优势互补是当今 自控领域研究的热门 话 题。 有些文献提出了 M A T L A B与 P L C之间的通讯技术， 即利用 D D E或 O P C技术来实现两者之间的数据通讯， 但是并没有详细 的论述经过 P L C采集过来的数据是如何在 MA T L A B里经过算法 处理的⋯； 而有些文献提出 MA T L A B与组态软件相结合 的控制 平台， 两者之间利用 O P C的方法进行数据交换 ， 但是 P L C跟组态 王的数据交换也是通过 O P C来实现的， 那么利用这种方法实现 P L C与 MA T L A B之间的数据交换要经过两重的 O P C协议 ， 系统 收稿 日期 2 0 1 1 0 l一 0 5 1 2 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 的实时性会因此而受到影响 ； 还有些文献提出的 MA 1 1 ．A B与 P L C 结合的控制平台， 解决了需经过两重 O P C协议的难题 ， 但是 也没有详细论述 P L C送入 MA T L A B中的数据是如何经过 自适应 P I D算法来处理的 J 。基于以上问题， 本文结合一个实例来详细 论述 P L C与 MA T L A B是如何通过 O P C进行数据交换的， 以及送 入 M A T L A B中的数据是如何经过S i mul i n k中模糊控制器的处理， 然后将处理过的数据又送回到 P L C的。本 系统结构 图如图 1 所示 图 1 数 据交换结构 图 1 OP C技术 O P C是 O b j e c t L i n k i n g a n d E m b e d d i n g O L E f o r P r o c e s s C o n t r o 1 的缩写， 它是以微软公司 C O M和 D C O M技术为基础， 创建的 j 十算机技术及其应肛 Co mpu t e r r e c h n o lo g y＆ Ap p l ic a t io n s 电气 自动化 2 o l 1 年第 3 3卷 第 5期 一 种应用于 自动化领域的软件接 口标准。O P C采用开放式的数 据交互， 能使不同公司的软硬件组成一个有机的整体， 传输可靠 ， 速度快， 适于大批量数据交换， 已经成为工控行业新的通信标准 ， 广泛应用在工控行业的各个领域。 在使用 O P C的过程 中， 总是包括 O P C服务器与 O P C客户 ， O P C服务器是数据的供应方， 负责为 O P C客户提供所需的数据； O P C客户是数据的使用方， 处理 O P C服务器提供的数据。O P C 服务器一般并不知道它的客户来源。由 O P C客户根据需要 ， 接 通或断开与 O P C服务器的链接。O P C数据存取服务器主要由服 务器对象 S e r v e r 、 组对象 G r o u p 和数据项对象 I t e m 3类对象 组成。3类对象的层次关系图如图 2所示 叵 矗 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 矗 叠 鑫 图 2 OP C服务器 3种对象层次关系图 实现 O P C D A过程数据访问必须遵循下列步骤 第一 ， O P C客户要能够连接到 D A服务器上， 并建立 O P C组 G r o u p 和 O P C数据项 I t e m ； 第二， 客户通过对其建立的G r o u p和 I t e m进行访问实现对过 程数据的访问， 客户可以选择设备或缓冲区作为其访 问的数据 源。客户的过程数据访问包括过程数据的读取、 更新、 订阅、 写入 等等。 第三， 完成通知， 当服务器响应客户的过程数据访问请求， 并 处理完毕时通知客户。 2 MA T L A B与 P L C之 间的数据 交换 2 ． 1 oP C工具箱 Ma t h Wo r k s 公 司推 出的 MA T L A B 7 ． 0以上 版 本 中 ， 集 成 了 O P C工具箱 ， 它是一个 O P C客户端数据访问软件， 提供 了一种服 务器和客户端互访的通信机制， 通过该 O P C工具箱可以连接任 何一个 O P C数据服务器 ， 实现对连接的 O P C服务器数 据的读 或 写。 在 M A T L A B指令 空 间中输 入 “ o p c t o o l ” ， 即可打 开 O P C工 具 箱进行 O P C的配置， 在本例中将 MA T L A B设为本地服务器， 然后 把“ R s l i n x O P C S e rve r ” 添加为客户， 分别将 P L C的模拟量输入和 模拟量输出 的变量添加到 M A T L A B O P C的工作组 中。 2 ． 2 MAT L AB与 P L C之间通讯 MA T L A B与 P L C之间实现 O P C通讯的具体步骤如下所示 1 在 M A T L A B的工作空间输入命令“ o p c r e g i s t e r ” ， 安装 O P C基金会核心组件 。 2 在 MA T L A B中输 入 “ o p c s e r v e r i n f o ” ， 用 来获 取计算 机上 可以用的主机名和 s e rve r I D。 3 编写 m文件， 部分程序如下所示 d a o p c d a ‘ l o c a l h o s t ’ ， ‘ C o D e S y s ． O P C ． 0 2’ ； ／ ／ 建立 O P C数据访问对象模型 c o n n e c t d a ； ／ ／ 连接到服务器 g r ip a d d g r o u p d a ； ／ ／ 建立组对象模型 i t e ml a d d i t e m g r p ， ’ [ p l c ] t e m p l ’ ； ／ ／ 建立数据项模型 r r e a d i t e m1 ； ／ ／ 读 i t e ml 数据结构 ， 并把值赋给 d a t a d a t ar ． v a l u e i t e m 2a d d i t e m g r p ， ’ [ p l c ] t e m p 2 ’ ； w r i t e i t e r r ／ 2 ， 0 ； ／ ／ 向 i t e m 2中写人数据 0 d i s c o n n e c t d a ； ／ ／ 断开 O P C连接 d e l e t d a ； ／ ／ 删除 O P C数据访 问对象 3 模糊控 制器 设计 污水处理工艺过程中， 污水经过格栅处理之后进入配水计量 井， 然后用提升泵将水送到一定高度 ， 配水计量井 中的液位要求 稳定在一个设定值下 ， 所以提升泵要用变频器来控制， 当实际液 位超过设定值时， 提升泵的频率要加大， 相应扬升的水量就增多； 当实际液位低于设定值时， 提升泵的频率相应的减小 ， 扬升的水 量减少 ， 依此来控制液位的稳定。 通过对控制系统的分析 ， 本系统的控制算法采用两输入一输 出的模糊控制算法， 偏差 E和偏差变化率 E C作为该模糊控制器 的两个输入 ， 偏差 为设定液位值和实际液位值的差值； 变频器 大小论域 U为模糊控制器的输出。E和 E C的模糊论域均为{一 2 ， 一1 ， 0， 1 ， 2} ， 隶属度函数形状均采用三角形； U的模糊论域为 { 0 ． 1 ， 0 ． 2， 0 ． 3 ， 0 ． 4 ， 0 ． 5 } ， 隶属度函数采用高斯型。 通过对液位的偏差和偏差率大小变化时， 变频器的输出大小 的分析 ， 以及专家和工程技术人员的操作经验， 建立模糊控制规 则表如表 1 所示。在 MA T L A B中输入“ f u z z y t o o l ” ， 打开模糊工具 箱， 根据模糊控制规则表 ， 设置模糊控制器。 表 1 提升泵频 率模 糊控制规则表 4 控 制 系统 的设计 4 ． 1 硬件系统设计 甘肃省永昌县污水处理控制系统分为三个 P L C控制站， 分 别为粗格栅间及提升泵房现场控制站、 变配电室现场控制站、 污 泥浓缩脱水机房现场控制站， 均采用 A B B系列 P L C ， 各个控制站 和上位机之间的通讯方式为工业 以太 网。其 中第一个控制站 C P U采用 P M 5 8 1 ， 模拟量模块采用模拟量输入／ 输出模块 A X 5 2 2， 它具有 8路可设置的模拟量输入和 8路可设置的模拟量输出。 配水计量井中有三台提升泵， 其中两台直接启停 ， 一台采用变频 器控制。根据对硬件系统的分析和用户对控制系统的要求， 设计 相应的系统硬件结构图如图3所示。 E l e c t r i c a l A u t o ma t io n 1 3 电 气自 动 化 2 O l 1 年 第3 3 卷第5 期 j 十算机技术及其应甩 Co mp u r T e c h n o l o ．q y＆Ap p li c a t io n s f ． l ● l ’ f 谰 I■ l i ⋯ 飚 l 霜 皂 -_霸 毫 士 ■ ■ 鳆 { 图 4 s i mu l i n k中系统模块连接图 4 ． 2 软件系统设计 三台提升泵 的启停 ， 通过传统 的控制方式 即可实现， 即在 P L C程序下设定比较语句， 根据实际液位与设定液位的比较来决 定启动或停止哪 台提升泵 。三 台提升泵 中有一 台带变频 器 ， 所 以 本系统的关键是对变频器频率大小的控制。即如何将上文中在 MA T L A B环境下设置好的模糊控制器与 P L C结合起来， 实现模 糊实时控制系统。 在 MA T L A B中新建一个 s i mu l i n k环境， 将设置好的模糊控制 器导入到 M A T L A B工作空间， 然后在新建的S i m u l i n k环境中添加 一 个模糊控制模块， 双击打开设置， 填入上面设置好的模糊控制 器的名称， 模糊控制器就与 MA T L A B空间中的模糊控制规则正 常连接。然后加入 O P C设置模块、 O P C r e a d模块和 O P C w r i t e 模 块。O P C设置模块的作用是将 MA T L A B设为服务器， 添加 C o D e S y s ． O P C ． 0 2为客户端。把 P L C模拟量输入模块采集来的液位值 变量与 O P C r e a d连接， 模拟量输出模块的变量与 O P C w r i t e连 接。然后加入“ s c o p e ” 、 合并、 微分等其它模块 ， 并将 O P C模块、 模 糊控制器和其它模块连接起来， 连接完毕如图 4所示 ， 将仿真时 间设为无穷大“ i n f ” 。 至此， 一个基于 s i m u l i n k环境下 MA T L A B和 P L C相结合的 模糊实时控制系统就设计完毕了。将 P L C拨到运行状态， S i m u l i n k环境 中点击 运行 按键 ， 系 统就 开始 正 常运 行 了。打 开 “ s c o p e 2 ” 和“ s e o p e l ” ， 可以看到实际液位跟踪设定液位的实时监 测图和变频器输出值大小的实时监测图。如图5和图6所示。 上位组态软件采用组态 王 。组态 王对 于开发 人员来 说易 于 实现一些复杂的功能； 对于用户来说操作简单， 可以方便的查看 和管理生产过程。在本系统中， 监控系统实现了数据和状态显 示、 设备启停控制、 报表管理查询等功能， 主要由系统监控总图、 格栅机及提升泵房、 脱水机房、 历史报表等监控页面组成， 各个监 控画面可以很容易的来回切换 ， 让用户很方便的实时操作。 0 ． 4 一 ， 、 、 r ， ⋯ I ＼ t f f／ 1 O s 图 5实际液位跟踪设定液位的实时监测图 t ／ 1 o s 图 6 变频器输出大小 实时监测图 5 结束语 本文通过对 P L C与 M A T L A B两者的优缺点分析， 提出将基 于 MA T L A B的智能控制器 应用 到 P L C控 制系统 中 ， 并介绍 了如 何在 MA T L A B下使用 O P C技术来实现 MA T I _ B与 P L c之间的 数据交换。在 MA T L A B下设计了一个两输入一输出的模糊控制 器 ， 然后把模糊控制器用到一个用 P L C来控制提升泵频率的实 际系统中， 并介绍了系统的硬件实现和软件实现的方法。经过现 场实际操作运行和观察， 该模糊控制系统具有 良好的实时性、 快 速性和准确性， 能够精确控制配水计量井的液位。 参考文献 [ 1 ]张昆 ， 段其昌 ， 张从力．MA T L A B与 P L C之 间的通讯技术 [ J ] ．自动 化技术与应用 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 2 5 4 5 5 ． [ 2 ]徐建 国， 钟伟民 ， 童昱 ， 皮道映． 基于 MA T L A B 7 ． 0和组态王 的先进过 程控制算法实测平台[ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 6 S 1 5 4 25 4 4 ． [ 3 ]李志强， 石红瑞． 基于O P C的 M A T L A B与B R P L C的控制平台E J ] ． 控制工程 ， 2 0 0 6 5 1 3 21 3 5 ． [ 4 ]祝 磊 ， 雷建 军 ， 王桂荣 ， 顾 德英 ． R S V i e w 3 2和 MA T L A B之 间的 通讯 [ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 3 ， 1 9 2 5 8 - 5 9 ． [ 5 ]柴兆森． 基于工业以太网和 O P C技术的异构系统集成研究[ O] ． 兰 州 兰州理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ]石辛民， 郝整清． 模糊控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 8 ． 【 作者简介】 王树东， 1 9 6 5 一 ， 男， 汉族， 教授； 主要从事计算机 自 动控 制技术、 智能检测技术的教学与应用研究工作。 毕作文 1 9 8 3一 。 男， 汉族 ， 研 究生； 研 究方向 主要从事智能控制技术及检测技 术的研 究。