組態(tài)軟件和OPC技術(shù)在化工過程仿真中的應(yīng)用研究

孟磊，鄒志云，任夫健，王志甄，于洪偉，蓋希杰

(防化研究院，北京 102205)

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組態(tài)軟件和OPC技術(shù)在化工過程仿真中的應(yīng)用研究

孟磊，鄒志云，任夫健，王志甄，于洪偉，蓋希杰

(防化研究院，北京 102205)

摘要：研究了工業(yè)界流行的過程控制中的對象連接與嵌入技術(shù)(OPC)。以1套雙容水箱液位系統(tǒng)為仿真實(shí)例，提出前臺利用組態(tài)軟件KingVIEW設(shè)計(jì)界面友好交互方便的監(jiān)控界面，后臺利用KingACT實(shí)現(xiàn)被控對象模型和集成串級PID控制算法的控制器，KingVIEW與KingACT利用OPC接口傳輸數(shù)據(jù)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行結(jié)果表明了該結(jié)構(gòu)的有效性。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件OPC技術(shù)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

過程仿真系統(tǒng)在化工過程控制領(lǐng)域有著廣泛的需求與應(yīng)用。傳統(tǒng)的實(shí)物/半實(shí)物仿真系統(tǒng)屬于硬件仿真，接近工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際，操作方式與現(xiàn)場有著極大的相似性，但物理系統(tǒng)制作復(fù)雜，成本較高且一旦定型難以改動，造成二次開發(fā)困難；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件仿真技術(shù)為化工過程仿真提供了便捷有效的手段，如基于Matlab/Simulink的數(shù)字仿真通過數(shù)學(xué)工具分析解決實(shí)際問題，建模能力強(qiáng)，但在界面設(shè)計(jì)方面明顯遜色于組態(tài)軟件[1-2]。

以某雙容水箱液位控制工藝過程為仿真實(shí)例，筆者提出了介于物理對象仿真和純仿真語言之間的一種仿真實(shí)驗(yàn)方法： 前臺利用組態(tài)軟件KingVIEW設(shè)計(jì)界面友好交互方便的人機(jī)界面，后臺利用KingACT模擬實(shí)際被控對象、實(shí)現(xiàn)串級PID控制算法，KingVIEW與KingACT利用過程控制中的對象連接與嵌入技術(shù)OPC(object linking embedding for process control)傳輸共享數(shù)據(jù)。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1OPC技術(shù)

OPC是由一些世界上著名的自動化系統(tǒng)和硬件、軟件公司和微軟公司(Microsoft)緊密合作而建立的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它采用典型的Client/Server(C/S)模式[2]： 1個(gè)OPC客戶端可連接多個(gè)OPC服務(wù)器，多個(gè)OPC客戶端可連接1個(gè)OPC服務(wù)器。

OPC服務(wù)器由三類對象組成[2]： 服務(wù)器(server)、組(group)、項(xiàng)(item)。服務(wù)器對象維護(hù)OPC服務(wù)器的所有信息，也是組對象的容器，可動態(tài)創(chuàng)建或釋放組對象。組對象維護(hù)自身信息，并提供包容、管理項(xiàng)對象的機(jī)制，其提供了客戶組織數(shù)據(jù)的一種方法，是應(yīng)用程序組織數(shù)據(jù)的一個(gè)單位，客戶可對之進(jìn)行讀寫，還可設(shè)置客戶端的數(shù)據(jù)更新速率，當(dāng)服務(wù)器緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，OPC將向客戶發(fā)出通知，客戶得到通知后再進(jìn)行必要的處理，而無需浪費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行查詢。項(xiàng)對象是讀寫數(shù)據(jù)的最小邏輯單位，通常指向設(shè)備的1個(gè)寄存器單元，可看做是數(shù)據(jù)的地址，OPC客戶端對設(shè)備寄存器的操作都是通過項(xiàng)對象完成的，通過定義項(xiàng)對象，OPC協(xié)議盡可能地隱藏了設(shè)備的特殊信息，也使OPC服務(wù)器的通用性大幅增強(qiáng)。三類對象的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　OPC服務(wù)器三類對象組織結(jié)構(gòu)示意

OPC協(xié)議解決了不同廠商品牌的軟件與硬件、軟件與軟件之間由于數(shù)據(jù)格式不一致等問題造成的通信障礙，為基于Windows的各類應(yīng)用軟件和現(xiàn)場過程控制設(shè)備間搭起了橋梁。軟件方面，目前幾乎所有的工控組態(tài)軟件、高級編程語言都支持OPC標(biāo)準(zhǔn)；硬件方面，幾乎所有的PLC也都集成了OPC協(xié)議[1-2]。

1.2組態(tài)軟件

組態(tài)軟件是用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，大幅縮短系統(tǒng)集成的時(shí)間，提高集成效率[3]。

以KingVIEW為例，組態(tài)軟件一般包括[3]： 工程管理器、開發(fā)系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、I/O驅(qū)動程序、控制策略生成器以及各種數(shù)據(jù)服務(wù)及擴(kuò)展組件等，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心。

除了便捷的圖形組態(tài)編程方式外，一般組態(tài)軟件還可以通過腳本語言編程來擴(kuò)充其功能[2]，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯。當(dāng)某些控制和計(jì)算任務(wù)通過常規(guī)組態(tài)方法難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過使用腳本語言，能夠增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，解決其常規(guī)組態(tài)方法難以解決的問題。用腳本語言編寫的程序段可由事件驅(qū)動或周期執(zhí)行，與對象密切相關(guān)。

1.3軟PLC

雖然腳本語言能夠完成一定的控制功能，但其功能還不夠強(qiáng)大，而且不太直觀方便，對于習(xí)慣了梯形圖或FBD圖編程的工程師略有不便。為此許多組態(tài)軟件廠商開發(fā)了基于PC的控制策略編輯和生成組件[2-4]，即軟PLC。采用復(fù)合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化編程，提供包括變量、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯功能、程序控制、常規(guī)功能、控制回路、數(shù)字點(diǎn)處理等基本運(yùn)算塊，內(nèi)置常規(guī)PID、比值控制、開關(guān)控制、斜坡控制等豐富的控制算法。

KingACT即是一種典型的軟PLC產(chǎn)品，它包含以下部分：

1) KingACT開發(fā)系統(tǒng)。開發(fā)系統(tǒng)用于控制策略生成，遵循IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)。支持梯形圖LD和功能塊FBD兩種編程方式，幾乎無縫銜接傳統(tǒng)PLC硬件的開發(fā)方式。

2) KingACT運(yùn)行系統(tǒng)。開發(fā)編譯好的工程在系統(tǒng)中運(yùn)行，并通過運(yùn)行系統(tǒng)完成工程啟?？刂?、運(yùn)行及掃描周期的設(shè)定、通信端口的配置及安全性等功能。

3) OPC服務(wù)器。作為1個(gè)獨(dú)立的程序，從KingACT工程中讀取變量信息，訪問對應(yīng)的KingACT運(yùn)行系統(tǒng)中的變量，其所有變量提供給外部客戶端訪問。

1.4仿真系統(tǒng)架構(gòu)

利用組態(tài)軟件KingVIEW和軟PLC組件KingACT搭建的仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　基于KingVIEW與KingACT的仿真系統(tǒng)示意

仿真具體步驟： 分析和建立對象模型；啟動KingACT開發(fā)環(huán)境，建立仿真工程，進(jìn)行對象、控制器策略組態(tài)；啟動KingACT運(yùn)行環(huán)境，裝入仿真工程并運(yùn)行；啟動KingACT OPC服務(wù)器，進(jìn)入實(shí)時(shí)通信狀態(tài)；啟動KingVIEW進(jìn)入圖形開發(fā)環(huán)境，在組態(tài)王開發(fā)環(huán)境中建立工程、設(shè)備配置和定義變量，并進(jìn)行圖形界面組態(tài)和變量的動態(tài)連接；啟動KingVIEW運(yùn)行系統(tǒng)，裝入仿真工程并運(yùn)行；在線修改參數(shù)、查驗(yàn)分析結(jié)果。

2仿真實(shí)例

以1套雙容水箱系統(tǒng)[2]為仿真對象，系統(tǒng)包括2個(gè)橫截面積分別為S1和S2的水箱T1和T2，兩水箱之間有橫截面積為SF1的閥門CV1，T2接有橫截面積為SF2的閥門CV2，如圖3所示。

圖3　雙容水箱系統(tǒng)示意

2.1分析建立對象模型

雙容水箱系統(tǒng)由水泵供水，設(shè)水泵控制電壓范圍為0～10V，水泵出水量與控制電壓之間傳遞函數(shù)為

(1)

式中：qVi——流入水箱的體積流量，L/s；Up——水泵控制電壓，V；水泵的參數(shù)可近似為τd=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1L/(V·s)。

以水泵輸入作為系統(tǒng)輸入，水箱2液位作為系統(tǒng)輸出，則系統(tǒng)為單輸入單輸出的二階慣性系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)線性或可以線性化，則可推出系統(tǒng)微分方程如下：

(2)

式中：qV1——通過CV1的體積流量，L/s；qV0——通過CV2的體積流量，L/s。

設(shè)閥門CV1和CV2的流量與閥門開度μ呈線性關(guān)系，則水箱流量：

(3)

式中：μ1——閥門CV1的開度；μ2——閥門CV2的開度；g——重力加速度，m/s2。

根據(jù)以上各式即可在KingACT中建立雙容水箱對象模型。

1) 建立雙容水箱變量表，該變量表覆蓋了式(1)～式(3)建模過程中用到的各個(gè)參數(shù)。

2) 搭建雙容水箱對象模型的功能塊，該過程中用到了純滯后模塊(PLAG)、一階慣性濾波模塊(LAG1)、積分模塊(INTE)等標(biāo)準(zhǔn)功能塊，平方根函數(shù)(SQRT)、選擇器函數(shù)(SEL)、限幅函數(shù)(LIMIT)等以及加、減、乘、除等操作符。

2.2串級控制器設(shè)計(jì)

針對該雙容水箱液位系統(tǒng)，采用串級控制策略設(shè)計(jì)控制器。串級控制對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；能改善對象的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率；對負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)如圖4所示。

在KingACT中，使用2個(gè)PID標(biāo)準(zhǔn)功能塊，將其配置為圖5結(jié)構(gòu)所示，即可方便快捷地構(gòu)成串級控制器。

2.3KingACT OPC服務(wù)器配置

1) 建立好對象模型、設(shè)計(jì)好控制器后，必須通過“開始菜單—KingACT運(yùn)行系統(tǒng)”載入編譯好的工程。

圖4　雙容水箱串級控制系統(tǒng)示意

圖5　基于功能塊的串級PID控制器

2) 啟動KingACT運(yùn)行系統(tǒng)后，即可配置KingACT OPC服務(wù)器。KingACT OPC服務(wù)器是1個(gè)獨(dú)立的程序，能夠從現(xiàn)有的KingACT工程中讀取變量信息，訪問對應(yīng)的KingACT運(yùn)行系統(tǒng)中的變量(本地、以太網(wǎng)、串口)，作為OPC服務(wù)器與其他軟硬件通信，共享上文模型中的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.4監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

在KingVIEW中，通過各種組件可以方便建立形象化的物理對象、模擬工藝流程、跟蹤歷史趨勢，便于人員培訓(xùn)和操作，完成對工藝對象的監(jiān)控。

組態(tài)監(jiān)控界面時(shí)，首先需建立數(shù)據(jù)詞典，此時(shí)KingVIEW作為OPC客戶端，需將各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過KingACT OPC服務(wù)器與KingACT中定義的對應(yīng)變量鏈接；然后繪制靜態(tài)的水箱、調(diào)節(jié)器、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和一些輔助按鈕；最后將靜態(tài)界面與數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接，即建立圖形界面上字符串和圖形對象等元素與數(shù)據(jù)詞典中變量的對應(yīng)關(guān)系。

3結(jié)束語

文中介紹了OPC標(biāo)準(zhǔn)，提出基于OPC通信的組態(tài)軟件與軟PLC結(jié)合設(shè)計(jì)化工過程仿真系統(tǒng)。

充分利用工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)貼近工藝過程實(shí)際的人機(jī)界面，利用軟PLC與PLC硬件類似的梯形圖或功能塊編程方式實(shí)現(xiàn)被控對象模型和所需的各種控制策略的控制器。

與傳統(tǒng)的硬件仿真相比，該方法需要一個(gè)建立模型的過程，有利于了解和掌握工藝過程模型化的方法，可以很清楚地觀測到模型內(nèi)部的變量變化關(guān)系和趨勢，提高模型的透明化程度，突出模型的物理意義，還可以方便快捷地構(gòu)造出比物理仿真設(shè)備更為復(fù)雜的模型，完成更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。與基于Matlab的數(shù)字仿真相比，該方法更貼近仿真實(shí)際以及工業(yè)應(yīng)用，它可以借助于組態(tài)軟件豐富的圖形功能，構(gòu)造形象化的現(xiàn)場設(shè)備和控制環(huán)境，有利于仿真與現(xiàn)場實(shí)際的結(jié)合，避免兩者脫節(jié)。

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Application Research of Configuration Software and OPC Technique in Chemical Process Simulation

Meng Lei, Zou Zhiyun, Ren Fujian, Wang Zhizhen, Yu Hongwei, Gai Xijie

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstracts： Widely used object linking and embedding for process control (OPC) technique in industry for process control is studied. A simulation system structure is designed, in which configuration software KingVIEW is used to design a user-friendly monitoring interface in foreground and KingACT is used to simulate controlled device and controller integrated with cascade PID algorithm in background, with data transmission realization between KingVIEW and KingACT with OPC as interface. The effectiveness of this simulation structure is proved by running effects.

Key words:configuration software; object linking and embedding for process control technique; simulation system; data acquisition

作者簡介：孟磊(1990—)，男，河南開封人，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)為防化研究院在讀碩士研究生，主要從事清潔生產(chǎn)與過程控制方面的研究工作。

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0032-04

稿件收到日期： 2015-12-16，修改稿收到日期： 2016-03-01。