基于組態(tài)王、EXCEL和MATLAB的液位控制仿真平臺研究

楊揚，朱文玉，趙法瑞

（中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院，山東東營257061）

在計算機技術飛速發(fā)展的今天，PC機作為上位機在工業(yè)過程監(jiān)控平臺中的應用越來越廣泛。監(jiān)控平臺軟件有著動畫效果、組態(tài)方便和強監(jiān)控能力的特點[1-4]，如組態(tài)王軟件，雖然可以提供強大的人機界面和通訊功能，但是其計算能力差、難以完成復雜控制算法的缺點也不能忽視[5-8]。目前，系統(tǒng)工程師在生產設計時越來越傾向于使用智能控制算法，如：PID控制算法、人工神經網絡算法、遺傳算法等先進控制算法。而MATLAB中的Simulink仿真軟件，具有方便的圖形界面和對控制工具軟件包的支持，可以對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析[9]。本文通過Simulink工具箱可以實現(xiàn)復雜控制系統(tǒng)的建模、對仿真模型的參數(shù)進行在線修改、可以模擬實際生產過程中的干擾和模型變化，并可以立刻得出修改后的仿真結果。結合兩種軟件各自的優(yōu)點，組態(tài)王建立監(jiān)控軟件平臺，在監(jiān)控界面上可以進行動態(tài)工藝圖顯示PLC參數(shù)修改、實時數(shù)據(jù)采集，而MATLAB作為后臺控制軟件，可以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)設計、參數(shù)修改、曲線繪制等功能。

選取雙容水箱為控制對象，組態(tài)王和MATLAB軟件借助DDE協(xié)議分別實現(xiàn)與EXCEL作為中間服務器的數(shù)據(jù)交換。本文提出了通過Simulink仿真軟件中的workspace工作空間與EXCEL進行數(shù)據(jù)通訊，組態(tài)王界面借助DDE通訊協(xié)議可以實時修改EXCEL表格中的對應參數(shù)，同時EXCEL表中的數(shù)據(jù)及時反饋到workspace工作空間，從而影響模型中的輸入變量的參數(shù)。

1 基于組態(tài)王的雙容水箱液位監(jiān)控界面構建

結合現(xiàn)場雙容水箱的布局和外觀，利用組態(tài)王的繪圖工具箱，建立形象的主監(jiān)控界面，實現(xiàn)整個液位控制流程的實時監(jiān)控，如圖1所示。首先，在組態(tài)王工程窗口新建工程，命名為雙容水箱液位控制系統(tǒng)主控界面，根據(jù)控制系統(tǒng)實際要求，在監(jiān)控界面主要有3個水箱，分別為儲水箱、上水箱、下水箱。每個水箱內有液位變送器、在儲水箱和上水箱進水口安裝一個電動調節(jié)閥、除此以外還有水泵一個。組態(tài)王監(jiān)控界面可以實現(xiàn)整個圖形界面的設計、I/O設備配置、動畫連接生成、系統(tǒng)運行與調試[10-11]。文中建立的雙容水箱監(jiān)控界面，可以通過命令窗口設定和模塊拖動的方式設置下水箱液位值sp、3個PID參數(shù)值Ki、Kp和Kd，組態(tài)王界面完成這4個參數(shù)的修改，通過DDE通訊與MATLAB的workspace工作空間互聯(lián)，從而實現(xiàn)模型中參數(shù)的修改，曲線發(fā)生相應變化。

組態(tài)王界面中實時顯示上水箱液位和下水箱液位變化曲線，其中圖片中曲線①為下水箱液位設定值，曲線②為下水箱液位變化曲線、曲線③為上水箱液位變化曲線。該曲線與Simulink仿真曲線一致。

2 DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術）實現(xiàn)組態(tài)王與MATLAB通訊

DDE交換數(shù)據(jù)的方法主要分3種：由客戶申請數(shù)據(jù)、服務器發(fā)送數(shù)據(jù)稱為冷鏈；服務器的數(shù)據(jù)有變化時，服務器通知客戶，客戶再來取數(shù)據(jù)稱為溫鏈；服務器數(shù)據(jù)變化時，直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給可出，由客戶進行處理數(shù)據(jù)稱為熱鏈[12-13]。MATLAB提供的DDE功能可以與EXCEL進行實時的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，而組態(tài)王也可以通過DDE方式與其他應用軟件進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了組態(tài)王通過MATLAB實現(xiàn)復雜控制的功能。

圖1 雙容水箱液位系統(tǒng)主控界面

2.1 組態(tài)王DDE通訊設置

2.1.1 DDE設備連接

在雙容水箱液位控制系統(tǒng)主控界面的工程界面尋找設備DDE，打開DDE點擊新建，設備驅動選擇DDE，進行下一步，給要安裝的DDE設備指定的連接對象名設為Excel，服務程序名為Excel，話題名為sheet1，選擇標準的Windows項目數(shù)據(jù)交換形式。這樣就完成了組態(tài)王與MATLAB的通訊。如圖2所示。

圖2 組態(tài)王中DDE設置

2.1.2 組態(tài)王構建數(shù)據(jù)庫變量

根據(jù)需要建立內存變量和IO變量，配置變量的類型和各種屬性，并將IO變量與相應的IO設備寄存器連接。打開新建的工程，在工程瀏覽器界面，點擊新建就能建立新的變量。例如下水箱液位，變量名：下水箱液位，變量類型選擇：I/O實數(shù)，連接設備選擇：Excel，項目名:r2c3，表示將組態(tài)王下水箱液位值存入EXCEL表中的第2行第3列。除下水箱液位外還設置變量有：上水箱液位、sv（下水箱液位設定值）、KP、Ki、Kd、pv（上水箱液位設定值）其他變量設置類似，如圖3所示。

圖3 組態(tài)王自定義變量

圖4 EXCEL中間數(shù)據(jù)庫

2.2 EXCEL文件的新建與設置

新建一個EXCEL文件“data.xls”，在EXCEL里完成相應的設置，如圖4所示。選中第一行第二列r1c2:在其中寫入：下水箱液位設定。用同樣方法可以完成其他輸出量在data.xls中的設置。Excel與組態(tài)王通過DDE通訊能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸。通過組態(tài)王中對變量的DDE設置，每個變量對應Excel中某一單元格，只要在組態(tài)王設置與EXCEL軟件互聯(lián)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)變量的同步變化。

2.3 MATLAB的DDE通訊

MATLAB作為客戶應用程序，它支持文本格式的數(shù)據(jù)傳遞，可以使用MATLAB中的DDE客戶端所提供的函數(shù)與服務器應用程序進行數(shù)據(jù)通訊[14]，MATLAB的DDE客戶包含7個函數(shù)，分別是：ddeinit是建立與服務器的的對話，建立成功則該函數(shù)返回一個通道信號；ddereq向服務器索要數(shù)據(jù)，返回值是存有數(shù)據(jù)的矩陣；ddepoke向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)；ddeadv和ddeunadv的功能是建立熱鏈的請求和刪除請求；ddexec發(fā)出執(zhí)行命令給服務器應用程序；ddeerm終止與服務器之間的DDE會話[15]。本文主要用到的函數(shù)為 ddeinit、ddereq、ddepoke 3種，下面是MATLAB進行DDE通訊的步驟：

1）雙容水箱串級PID控制模型搭建

文中采用PID串級控制，分主控制器和副控制器，主控制器的PID參數(shù)可以通過m文件中的set_param函數(shù)寫入Simulink模型中進行修改，如圖5所示。

圖5 雙容水箱串級控制模型

2）編寫實現(xiàn)DDE功能的M文件

在MATLAB中編寫Simulink模型與EXCEL進行數(shù)據(jù)通訊的m文件，如圖6所示。編程思路是在m文件中定義4個變量，分別為下水箱液位設定值、比例常數(shù)設定值、積分常數(shù)設定值、微分常數(shù)設定值，而函數(shù)set_parm可以修改PID模型中的KP、Ki、Kd、參數(shù)。本文用到的函數(shù)ddeinit建立與組態(tài)王的對話，建立成功則該函數(shù)返回一個通道信號[16]。用if，else語句來檢測對話有沒有建立成功，若建立成功，用ddereq函數(shù)從Excel中讀入數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)送入SIMULIK仿真模型中，經過模型運算之后再把數(shù)據(jù)返回傳入Excel，最后送還給組態(tài)王監(jiān)控畫面中。例如”sv=ddereq（channel，‘r2c2’）”，把 Excel中第二行第二列的數(shù)據(jù)讀給sv送入Simulink仿真模型，經過運算之后通過To Workspace把數(shù)據(jù)送回工作空間，再經過ddepoke從工作空間向Excel返回數(shù)據(jù)，MATLAB把返回值送給Excel，Excel再通過DDE通訊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇M態(tài)王監(jiān)視界面中。

圖6 m文件編程

3 運行過程及調試

1）打開組態(tài)王工程：雙容水箱監(jiān)控平臺，進入組態(tài)王運行環(huán)境；即在工程瀏覽器界面找到VIEW，單擊切換到運行狀態(tài)。設定下水箱液位控制參數(shù)（設定下水箱液位比例參數(shù)P=0.45，積分參數(shù)I=0.0045，微分參數(shù)D=5，設定液位值為15）。

2）打開“data.xls”這個 Excel，對通訊的數(shù)據(jù)進行更新。

3）打開MATLAB，打開SIMULINK文件和M文件，運行M文件。

4）將輸入信號改為單位階躍信號后，觀察經過模型運算后示波器的情況，下水箱液位如圖7示波器Scope1所示，上水箱液位如示波器Scope2所示。

5）輸入信號為實際設定值時，將上水箱液位、下水箱液位和設定值顯示在同一畫面中，如圖8所示。

圖7 示波器

圖8 示波器Scope3

4 結 論

文中通過組態(tài)王和MATLAB軟件自主開發(fā)雙容水箱液位控制仿真實驗平臺，提出了使用MATLAB的workspace工作空間與EXCEL數(shù)據(jù)庫進行互聯(lián)。組態(tài)王和MATLAB分別實現(xiàn)雙容水箱監(jiān)控系統(tǒng)的界面搭建和串級模型的搭建。利用DDE通訊訪問EXCEL數(shù)據(jù)庫，同時在組態(tài)王界面進行參數(shù)設置時可進行EXCEL數(shù)據(jù)庫的實時修改，而EXCEL同時與Simulink雙容水箱模型互聯(lián)，繼而修改水箱模型參數(shù)，進行不同參數(shù)下模型的分析。結論證明，利用組態(tài)王軟件進行參數(shù)修改后，組態(tài)王界面的示波器顯示結果與MATLAB模型仿真波形一直，實現(xiàn)了3者的互聯(lián)。仿真實驗平臺的搭建具有圖形界面動態(tài)效果逼真、操作性強等優(yōu)點，對進一步的控制類教學和工作實踐有著重要的意義。

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