基于OPC技術(shù)的過程控制仿真實(shí)驗設(shè)計

蓋文東, 張 婧, 趙偉志

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

基于OPC技術(shù)的過程控制仿真實(shí)驗設(shè)計

蓋文東, 張 婧, 趙偉志

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

針對現(xiàn)有的過程控制實(shí)物實(shí)驗裝置在教學(xué)使用過程中存在的問題,設(shè)計了基于OPC通信技術(shù)的過程控制仿真實(shí)驗。該仿真實(shí)驗利用KingACT軟件實(shí)現(xiàn)典型工藝過程的閉環(huán)控制仿真,并通過OPC技術(shù)與KingView組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時通信,實(shí)現(xiàn)了對典型工藝過程的監(jiān)控。以雙容水箱液位控制工藝過程為例,說明了設(shè)計仿真實(shí)驗的具體過程。應(yīng)用結(jié)果表明：該仿真實(shí)驗便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和開展創(chuàng)新研究。

過程控制； 動態(tài)仿真； 實(shí)驗教學(xué)； OPC技術(shù)

過程控制是一門理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的自動化專業(yè)核心課程,具有工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。實(shí)驗是學(xué)生掌握過程控制理論知識、提升解決實(shí)際問題能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),是培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的重要手段。

1 過程控制仿真實(shí)驗方案

目前高校使用的過程控制實(shí)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(shí)驗裝置包括了幾種典型的工藝對象,如雙容/三容水箱系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、加熱爐系統(tǒng)等,反映了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域過程控制設(shè)備的基本特征。這些實(shí)物實(shí)驗裝置在教學(xué)實(shí)踐過程中主要存在以下2個問題:

(1) 設(shè)備采購費(fèi)用較高,例如NPCT系列過程控制實(shí)驗裝置的單價在10萬元以上,而且每套實(shí)驗裝置每次僅能供幾名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗,而我校自動化專業(yè)的學(xué)生人數(shù)在150人左右,現(xiàn)有設(shè)備難以滿足學(xué)生完成不同類型實(shí)驗的需要,特別是不能滿足課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計階段的實(shí)驗需要；

(2) 根據(jù)所購置的模塊,實(shí)驗裝置只能完成若干固定類型的實(shí)驗,學(xué)生難以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)或者自主設(shè)計、完成一些創(chuàng)新性實(shí)驗。

軟件仿真技術(shù)[3]的快速發(fā)展為解決這些問題提供了有效的方法。文獻(xiàn)[4]采用LabVIEW和Matlab設(shè)計了過程控制虛擬仿真平臺,實(shí)現(xiàn)了典型過程控制對象的自動控制、動態(tài)顯示和仿真分析；文獻(xiàn)[5]利用OPC(OLE for process control)技術(shù)將Matlab仿真軟件與過程控制實(shí)驗裝置相結(jié)合,開發(fā)了實(shí)時監(jiān)控軟件,以便于學(xué)生開展創(chuàng)新性研究；文獻(xiàn)[6]借助OPC技術(shù)，將Matlab仿真軟件與KingView組態(tài)軟件相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)水箱對象和直流電動機(jī)的控制與組態(tài)運(yùn)行。在實(shí)際工業(yè)過程中,PLC是最為常用的控制器,它與Matlab在編程、調(diào)試方式上有較大差別。

本文基于OPC技術(shù),利用亞控公司的KingACT邏輯控制軟件(即軟PLC)與KingView組態(tài)王軟件,針對某典型工藝對象設(shè)計了過程控制仿真實(shí)驗,為學(xué)生提供軟件環(huán)境下的實(shí)驗平臺,有助于培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才。

OPC是一個開放的接口標(biāo)準(zhǔn)[7-8],它位于數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)使用者之間,為工業(yè)控制提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制,可用于被控設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)傳遞。

過程控制仿真實(shí)驗系統(tǒng)的設(shè)計思路為:利用亞控公司的KingACT軟件實(shí)現(xiàn)工藝對象的數(shù)學(xué)模型和具體的控制算法,通過OPC接口與OPC服務(wù)器連接；利用KingView組態(tài)軟件建立工藝對象的監(jiān)控界面,亦通過OPC接口與OPC服務(wù)器連接,以讀取和顯示對象仿真軟件KingACT輸出的數(shù)據(jù),并通過修改對象仿真軟件KingACT中的控制器參數(shù)或給定值來改變控制效果。該過程控制仿真實(shí)驗系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 過程控制仿真實(shí)驗方案

圖1中的仿真實(shí)驗監(jiān)控界面通過KingView組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)；擾動模型、執(zhí)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(diào)試方法方面非常相似。另外,KingView組態(tài)軟件和KingACT對象仿真軟件均運(yùn)行在同一臺計算機(jī)上,這為學(xué)生完成實(shí)驗提供了便利。

2 過程控制仿真實(shí)驗設(shè)計

根據(jù)前述系統(tǒng)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(shí)驗的具體設(shè)計過程。

2.1 仿真變量定義

如圖1所示,整個仿真實(shí)驗系統(tǒng)是通過OPC服務(wù)器進(jìn)行通信的,因此,需要定義相應(yīng)的變量以便完成數(shù)據(jù)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(jìn)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(jù)圖1所示,應(yīng)建立包括執(zhí)行器、測量變送器、擾動模型和被控對象在內(nèi)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(shù)學(xué)模型,其傳遞函數(shù)為

(1)

式中，s為復(fù)變量。

圖2中,LAG1為表示一階慣性環(huán)節(jié)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(fù)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(xù)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(xù)控制。當(dāng)變量“開關(guān)”閉合時,PID模塊才完成相應(yīng)的計算并得到“pid輸出”,否則計算結(jié)果保持初值不變。在PID模塊的屬性窗口中將比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)分別設(shè)置為表1中定義的變量KP、TI和TD。

2.4 監(jiān)控界面設(shè)計

建立監(jiān)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(jiān)控。

通過KingView組態(tài)軟件[10-12]建立雙容水箱液位

控制的監(jiān)控界面。在開始進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計之前,首先需要啟動KingACT中的OPC服務(wù)器。然后在建立監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)詞典時,需將連接設(shè)備選為KingACT OPC服務(wù)器,這樣在KingACT中定義的所有變量對KingView組態(tài)軟件均是可見的。

建立監(jiān)控界面分為兩步:(1)設(shè)計靜態(tài)圖形界面,主要包括圖形對象繪制、工藝流程表示、實(shí)時趨勢和操縱按鈕等圖形對象放置等；(2)完成動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接和動態(tài)鏈接,即建立圖形界面上的字符串和圖形對象與數(shù)據(jù)詞典中變量的對應(yīng)關(guān)系。

被控對象仿真模型與控制器仿真模型構(gòu)成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。當(dāng)仿真啟動后,控制器輸出、液位高度等變量發(fā)生變化,通過OPC接口,將引起實(shí)時數(shù)據(jù)庫(即數(shù)據(jù)詞典)中對應(yīng)變量的變化,從而使監(jiān)控界面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)值發(fā)生變化,而且進(jìn)行過動畫鏈接的圖形對象也將產(chǎn)生相應(yīng)的動畫效果。

所建立的雙容水箱液位控制的動態(tài)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 雙容水箱液位控制監(jiān)控界面

圖4中設(shè)定的液位、擾動、比例系數(shù)、積分時間和微分時間均可以在線修改。圖中的實(shí)時曲線是當(dāng)系統(tǒng)加入5%擾動時,兩個水箱的液位和控制器輸出的實(shí)時響應(yīng)曲線。

2.5 功能特點(diǎn)與應(yīng)用分析

本文設(shè)計的基于OPC技術(shù)的過程控制仿真實(shí)驗,有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有過程控制實(shí)驗裝置在實(shí)驗教學(xué)中的不足,其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下兩方面。

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

(2) 可擴(kuò)展性強(qiáng),便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和創(chuàng)新研究。學(xué)生可以在該仿真實(shí)驗的基礎(chǔ),針對不同的生產(chǎn)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(shí)驗,這有利于開展課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等自主性較強(qiáng)的創(chuàng)新性教學(xué)環(huán)節(jié)。

該雙容水箱液位控制仿真實(shí)驗已經(jīng)在過程控制與儀表課程實(shí)驗、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用。利用該仿真實(shí)驗,學(xué)生通過修改監(jiān)控界面上的PID控制參數(shù),水箱動態(tài)畫面和實(shí)時趨勢曲線會將控制效果直觀、清晰地顯示出來,有利于學(xué)生理解PID控制器的物理概念、積累PID參數(shù)整定經(jīng)驗。學(xué)生在該仿真實(shí)驗的基礎(chǔ)上,在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計期間,自行開發(fā)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(shí)驗。應(yīng)用結(jié)果表明,該仿真實(shí)驗是對現(xiàn)有過程控制實(shí)驗裝置的有益補(bǔ)充,為學(xué)生開展課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計提供了有利條件,并能夠有效地幫助學(xué)生開展自主實(shí)驗設(shè)計。

3 結(jié)束語

基于OPC技術(shù)的過程控制軟件仿真實(shí)驗組織經(jīng)濟(jì)、方便,便于學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和創(chuàng)新研究,有助于提高學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)踐能力?；贠PC技術(shù),將在過程控制實(shí)驗中開發(fā)出更多的虛擬仿真實(shí)驗,滿足實(shí)驗教學(xué)的需要。

References)

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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(xué)自動化學(xué)院名校工程建設(shè)項目(MX-JXGG-5)；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)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(yīng)用.

E-mail：gwd2011@sdust.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2015)10- 0132- 04