智能算法在S7-300 PLC中的研究与应用.pdf

8 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 6年第 2期 智能算法在 S 7 3 0 0 P L C 中的研究与应 用 金鹏， 李晶 辽宁工程职业学院 ， 辽宁 铁岭 1 1 2 0 0 8 摘要 针对智能控制算法在 P L C中难于实现的缺点 ， 基于 O P C技术将 MA T L A B和 P L C有机结 合 ， 设计了一个在线 P I D参数 自整定 的控制 系统。MA T L A B从 O P C服务器 实时获取过程对象数 据， 通过智能算法的运算处理， 产生P I D参数修正值， 在线返回修正 P L C程序中的 P I D参数。系统 实际运行效果证明该设计有效提高了控制 系统的性能 ， 为复杂的智能算法在 P L C控制 中的广泛应 用提 供 了借鉴 。 关键词 O P C技术 ； 可编程序控制器； MA T L A B； 智能算法 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 6 0 2 0 0 8 0 0 4 Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f i n t e l l i g e nt a l g o r i t h m i n s 7-3 0 0 PLC J 1 N P e n g， L I J i n g L i a o n i n g E n g i n e e r i n g V o c a t i o n a l C o l l e g e ， L i a o n i n g T i d i n g 1 1 2 0 0 8， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e d i s a d v a n t a g e t h a t t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l a l g o r i t h m i s d i f fi c u l t t o r e a l i z e i n PLC，b a s e d o n t h e OPC t e c h n o l o g y，t he MATL AB a n d PLC a r e c o mbi n e d t o g e t h e r t o d e s i g n a n o nl i n e PI D p a r a me t e r s e l f t un i ng c o n t r o l s y s t e m ． MATLAB p r o c e e d e d t h e r e a r t i me p r o c e s s d a t a f r o m t h e OPC s e r v e r ，t h r o u g h t h e c a l c u l a t i o n o f i nt e l l i g e nt a l g o r i t h m p r o c e s s i n g，r e s u l t a mo di fie d v a l u e， t h e n r e t u r n e d t h e mo d i fi e d v a l u e t o O P C s e rve r o n l i n e ．T h e a c t u a l o p e r a t i o n r e s u l t o f t h e s y s t e m p r o v e d t h a t t h e d e s i g n c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e p e rfo r ma n c e o f t h e c o n t r o l s y s t e m ，a n d r e f e r e n e e i s p r o v i d e d f o r c o mp l e x i n t e l l i g e n t a l g o r i t h m a p p l y i ng i n P LC c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds OPC t e c hn o l o g y；P LC；MATL AB；i n t e l l i g e n t a l g o r i t h m 0 引言 P L C具有编程简单、 可靠性高、 性价 比高 、 抗干 扰性强且适应各种恶劣的工作环境 ， 被广泛应用于 工业过程控制系统 中⋯。P L C支持梯形 图编程 ， 并 且 S 73 0 0 ／ 4 0 0 P L C自带 P I D模块 ， 这些都为控制 器编程与调试提供很 多便利 。但 随着工业生产 工艺的不断复杂化及对控 制精度要求 的不断提高 ， 普通 P I D控制不能满足生产需求 。近年来 ， 智能算 法与 P I D控制结合并应用于工业过程控制成为热 门 话题 ， 但 P L C只能简单编程成为其 自身的硬伤。文 献[ 3 4 ] 利用 MA T L A B对控制模型进行模糊控制 ， 将模糊查询表离线导人 P L C的数据寄存器 中， 通过 收稿 日期 2 0 1 51 23 1 基金 项 目 辽 宁省 教 育 厅 2 0 1 2年 科 学 研 究 一 般 项 目 L 2 0 1 2 4 9 7 作者简介 金鹏 1 9 8 2 ， 男， 辽宁省铁岭市人， 讲师， 主要从事智 能控制器设计方向的研究。 查表得到 P I D参数修正值 ， 计算后将 当前的 P I D参 数送到 F B 4 1 F B 4 1是连续 P I D控制模 块 对应 的 D B 4 1数据块中。这种方法成功将模糊 P I D算法应 用于 P L C， 但整个控制过程并不是实时在线的 ， 并且 只限于模糊算法。 O P C技术 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 以 Wi n d o w s平 台 中 的 C O M／ D C O M、 O L E技 术为基础 ， 采 用 C l i e n t ／ S e r v e r 模 型 ， 是不同的现场设备与应用程序 之间 的软件 接 口协 议 ， O P C服务器向 O P C客户端发送控制指令和测量 数据。MA T L A B与 Wi n C C都支持 O P C通信协 议 ， 将 Wi n C C设计成 O P C S e rve r ， MA T L A B设计为 O P C C l i e n t ， 即可实现 Wi n C C与 M A T L A B的数据交换 ； 实 际控制时 Wi n C C将 P L C采集的测量值通过数据交 换传给 M A T L A B进行运算处理， M A T L A B再将运算 结果反传给 Win C C ， 进而控制 P L C 。 1 系统总体设计思想 M A T L A B适用 于各种复杂控 制算法 的建模 仿 2 0 1 6年第 2期 工业仪表与自动化装置 8 1 真， 具有强大的计算编程能力。该文设计思想是利 用 O P C数据交换技术将 M A T L A B ／ S i m u l i n k运算处 理后的P I D的参数修正值 △ 、 △ K、 △ 实时在线 传给 Wi n C C， Wi n C C再控制 P L C完成 P I D参数的 自 适应调 节。下 面 以电锅 炉 温控 系 统 为例 来说 明 O P C技术在智能控制系统中的应用 ， 硬件结构如 图 1所示 图 1 系统硬件结构框图 温度传感器将采集到的温度数据送人温度变送 器 ， 由变送器输 出单极性模拟电流信号传送给 P L C 的模拟量输入模块 ， 再 由 s 73 0 0 P L C将信号传送 给上位机。在上位机 中， M A T L A B ／ S i m u l i n k根据实 际温度信号与设定温度信号的差值通过控制算法运 算处理 ， 生成 P I D 的参 数修 正 值 △ 、 A K 、 A K d 。 Wi n C C将 P I D 的参数 修 正值 寄存 到 P L C对 应 的 D B 4 1数据块中， 完成 P L C中的 P I D参数 自适应调 节。最后 ， P L C输出直流 电流信号作为调功单元 的 控制信号， 改变加热器输出电压的大小， 进而达到调 节加热器功率 的目的。 2 温 度控 制算法 由于模糊 P I D控制具有控制精度高、 反应速度 快、 稳态误差小、 抗干扰能力强并且不需具体的控制 模 型 等 优 点 ， 被 广 泛 应 用 在 工 业 过 程 控 制 领 域 ] 。但模糊 P I D控制也有其 自身不可克服的 缺点， 主要体现在其算法并不具备全局寻优性， 算法 中的隶属度函数和模糊规则 由工作人员或专家经验 总结 而 成 ， 主 观性 很 强。利 用 改 进 的 遗 传 算 法 A G A 对模糊控制器参数全局寻优， 使模糊 P I D控 制器具备 自学习、 自组织及 自校正功能 。A G A具 体优化过程如下 1 编码 对于隶属 函数 和模糊规则的编码 ， 选取十进制 的编码形式 ， 其优点是编码 的长度短小 ， 节省了内存 空间 ， 提高了搜索速度。 ①隶属度函数的编码 寻优前的隶属函数图形为三角形， 如图2所示。 将三角形的 3个顶点横坐标设为待优化量， 即对 { I ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 } 进行编码， 其中一 3 1 2 3 ％ 3 。因此 ， 对于 2个输入量 e ， e c 、 3个输出 量 ， ， k 的隶属度函数的编码串长度为 5 5 图2 隶属度函数示意图 ②控制规则的编码 对模糊控制规则编码 时， 为了将模糊规则表 中 的模糊变量数字化， 模糊语言变量 N B 、 N M、 N S 、 Z O 、 P S 、 P M、 P B分别用 1 ， 2， 3 ， 4 ， 5， 6 ， 7代表。这样每个 模糊规则表编码串长度为 7 7 4 9位 ， 3个模糊规 则表的编码串的长度为 3 4 91 4 7位 。 综上 ， 待 寻优 的联合 编码 串长度为 2 51 4 7 1 7 2位。 2 适应度函数 的选取 对于动态 的过程控制系统来说 ， 性能 的优越主 要体现在系统具有 良好 的跟踪性能 ， 较短的上升时 间， 较小的超调量等性能指标。综合考虑这些性能 指标 ， 可 以用 目标函数来反映系统性能， 如式 1 l， ∑W 1 l e I } e c k l l A u k I 1 式中 e k 为 系统 误 差 ， e c k 为 系统 误 差微 分 ， k 为控制器的输 出， t s 为上升时间。W 、 W 、 W ， 为 权值 。 目标函数越小越好 ， 故式 1 即为最小 目标 函数 。 全局寻优时选取最小适应度函数的倒数为适应 度函数 ， 为了避免分母为 0 ， 设计适应度函数为 1 ／ 了 2 3 遗传算子 个体的选择、 交叉、 变异是遗传的3个阶段， 经 过 3个 阶段的寻优 ， 生成新的优化总群 。选择算子、 交叉算子 、 变异算子分别是这 3个阶段的度量值 。 个体被选 中的概率 即为选择算子 ， 根据适应度 比例法 ， 选择算子为 p 3 p ；『 _ ～ j ∑ 因此， 适应度越大的个体被选中的概率越大。 交叉过程是按一定的交叉概率 将 2个父代个 体按照某种方式替换重组生成新个体的过程。由于 联合编码 串的前 2 5位 是隶属 度 函数编码 ， 后 1 4 7 位为模糊规则编码 ， 为避免交叉过程中产生杂交后 8 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 6年第 2期 代 ， 交叉时将联合编码串分 为两部分 前 2 5个体平 分 5组 ， 组和组进行交叉互换 ， 后 1 4 7个体通过等位 基 因对比方式进行交叉互换 。为避免交叉过程产生 局部最优个体 ， 采用 自适应交叉 ， 交叉算子为 4 【 尸 r 2 ， f 式 中 为群体中的最大适应度 ； 为每代群体 中 的平均适应度 为交叉 的 2个个体 中较大的适应 度 ； P 1 0 ． 5 5 ； P 2 0 ． 7 5 。 变异的作用是对个体编码串上的某个或几个个 体进行变异 ， 生成新 的个体。变异和遗传类似 ， 变异 时将联合编码 串分为两部分 ； 对 前 2 5个体 、 后 1 4 7 个体分别变异 。变异算子为 P 』 5 { -厂 m 一 【 P ， f 式中 P 1 0 ． 0 5； P 2 0 ． 0 5 。 设初始种群 M 1 5 0 ， 进化代数 N1 0 0 ， 经 以上 步骤的 A G A优化 ， 图 3和表 1 分别为优化后 的隶属 度 函数和模糊规则。优化后的隶属度 函数不呈均匀 分布 ， 具有更高 的控制精确性及精细度 ； 优化后 的模 糊控制规则有 6条规则被替换为更好的规则。 图 3 A G A优化后的隶属度 函数 表 1 AG A优化 后的 模糊规则 EC NB NM NS Z0 P S PM PB NB PB PB PM PM PS Z0 Z0 N M 圆圆P M P s 国z 0 N s NS P M P M P Sl P S Z 0 NS NS Z 0 P M P M P S Z 0 MS NM NM P S P S Z 01 Z 0 NS NS NM NM P M P S Z 0 NS NM NM l NBl N B PM Z0 Z0 NM NM NM NB NB 3 温度控 制程序 设计 温控程序主要设计步骤为 1 将 Wi n C C设计成 O P C S e r v e r 。通 过 Wi n C C 的 S I M A T I C O P C S c o u t 选颈建立 O P C服务器 的数据 项 I t e ms ， 创建驱动程序并设置相关的参数 。 2 将 MA T L A B设计为 O P C C l i e n t 。 ①在 M A T L A B窗口用“ o p c r e g is t e r ” 命令注册并 安装 O P C相关插件。 ②在 S i m u l i n k空 间分别拖入 1 个 O P C C o n fi g u r a t i o n模块 ， 2个 O P C R e a d模块 ， 3个 O P C Wr i t e模 块。并分别在这 5个模块的 O P C C l i e n t s选项 中添 加 O P C S e rve r ． Wi n C C 。 ③2个 O P C R e a d模 块分别用于读取温度设定 值和反馈值 ， 设置模式 S y n c h r o n o u s D e v i c e ， 采样时 间 0 ． 8 S 。 ④3个 O P C Wr i t e模块 ，分别输 出 P I D修正参 数 △ 、 A K 、 A K d ， 设置模 式 S y n c h r o n o u s ， 采样 时间 0． 8 S 。 3 调 用 F u z z y ／ L o g i c C o n t r o l l e r模块 建 立 模 糊 P I D控制器。 基于 A G AF U Z Z Y P I D算法的温度实时控制 的 S i m u l i n k 框 图如图 4所示 。 图4 基于 A G AF U Z Z YP I D实时温度控制的S i m u l i n k框图 P I D初始参数 5 ． 6 2 、 0 ． 0 2 、 1 3 ． 4 3 ， 当 锅炉设定温度为 4 5 o C时， 图5是采用 F U Z Y YP I D 2 0 1 6年第 2 期 工业仪表与自动化装置 8 3 控制器时锅炉 的实际温度曲线 ， 图 6是采用 A G A F U Z Y Y P I D控制器时锅炉的实际温度 曲线。可以 看出采用 A G AF U Z Z YP I D算法的控制系统上升 时间快 ， 稳态误差极小 ， 几乎无超调 ， 动静态性能 明 显优于 F U Z Z YP I D算法。 图5 基于F U Z Z YP I D算法电锅炉温度曲线 图6 基于 A G AF U Z Z YP I D算法电锅炉温度曲线 4 总结 在实际的工业工程控制中， 为获得较好的控制 效果 ， 设计控制器时往往考虑将复杂的控制算法 与 P I D相结合 ， 但只采用 P L C控制并不能达到 良好效 果 。O P C技术恰好弥补了 P L C M A T L A B的缺点 ， 将 两者 的优 点完 美结合 起 来。因此 ， 该 文所 探 讨 的 O P C技术在工业过程控制领 域具有重要 的实际意 义及现实的推广价值 。 参 考文献 [ 1 ] 蔡 自兴． 智能控制 [ M] ． 2版． 北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 廖常初． s 73 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 2版． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 强明辉， 何 晓． 基于 P L C模糊 自适应 P I D伺服控制系 统[ J ] ． 自动化与仪器仪表 ， 2 0 1 3 4 1 8 01 8 3 ． [ 4 ] 许其义， 李坤． 一种基于 P L C的模糊 自适应 P I D控制 器设计 [ J ] ． 电子技术 ， 2 0 0 9 ， 3 6 1 2 3 23 3 ． [ 5 ] 刘洪玮 ， 石红瑞． 基于遗传算法优化的汽车巡航模糊 控制策略[ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 1 0， 2 7 7 2 8 52 8 7 ． [ 6 ] 金鹏， 李晶． 基于智能算法的双平板导热系数测试仪 [ J ] ． 工业仪表与 自动化装置， 2 0 1 5 6 2 9 3 1 ． 上接第 7 9页 5 结论 该文提出的虚拟 P L C仿真实验平 台， 有效地解 决了在无 P L C硬件条件下进行 P L C实验的问题 ， 有 利于 P L C教学 的普及和推广。利用组态王 We b发 布功能 ， 将 P L C实验平 台与各个实验终端相联 ， 实 现了资源共享和教学之间的互动 ， 与时下最流行的 “ 慕课” 这一种在线课程开发模式非 常相似 ， 满足了 学生 自主学习和 自我学习的要求。 参考文献 [ 1 ] 张建刚， 郑萍． 基于 MC G S和 P L C的小车装卸料虚拟 系统设计[ J ] ． 成都纺织高等专科学校学报， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 21 5 ． [ 2 ] 陈海生， 郑萍全． 虚拟 P L C远程试验系统的研究与实 现[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 1 3 ， 3 4 3 2 8 3 0 ． [ 3 ] 李艳丽， 范蟠果， 许建社， 等． 计算机与三菱 P L C编程口 通信的应用研究[ J ] ． 测控技术， 2 0 0 6 ， 2 5 9 5 5 5 7 ． [ 4 ] 廖常初． F X系列 P L C编程及应用[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 王敏， 张宝华． 组态王在提升系统监控 We b发布中的 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] 应用[ J ] ． 山东煤炭科技， 2 0 1 3 4 1 4 21 4 3 ． 陈在平， 苗家森， 孙全胜， 等． 基于组态王的加热炉监 控系统[ J ] ． 化工 自动化及仪表， 2 0 1 2， 3 9 9 1 1 9 4 11 96． 郭西进， 任良才， 耿乙文， 等． P L C综合实训平台的设 计与实现[ J ] ． 实验室研究 与探索， 2 0 1 1 ， 3 0 6 1 6 2 1 6 5． 胡兆勇 ， 何汉武． 面向三菱 F X系列的虚拟 P L C创新实 验[ J ] ． 实验室研究与探索 ， 2 0 1 0 ， 2 9 1 0 2 7 0 2 7 3 ． 靳雷， 周永情． 基于三菱 自动化集成技术的 P L C仿真 实验平台开发[ J ] ． 实验技术与管理， 2 0 1 2 ， 2 9 4 1 0 5 1 07． 聂聪． 基于串口通信的工控组态软件系统的设计与 实现[ D ] ．武汉 华中科技大学， 2 0 1 2 ． 阳世荣． K e i l 与 V S P D软件仿真的智能仪表串口通信 调试方法[ J ] ． 单片机与嵌入式系统应用 ， 2 0 1 0 9 2 93 2． 贺威 ， 张连山， 吴忻生． 基于 I n t e me t 的远程过程控制 实验系统[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 7 ，1 4 s 1 1 1 51 1 7 ．