畢業(yè)設(shè)計論文基于SIEMENS S7300 PLC 和OPC server技術(shù)的MATLAB在線單容水箱液位控制設(shè)計PLC監(jiān)控程序設(shè)計

1、南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)院（系）： 電子與電氣工程系 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師 ： 完成日期 2010 年 5 月 南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于siemens s7-300 plc 和opc server技術(shù)的matlab在線單容水箱液位控制設(shè)計-plc監(jiān)控程序設(shè)計matlab online tank level control system design based on siemens s7-300 plc and opc server technology-plc program design 總 計： 21 頁表 格： 0 個插 圖： 0

2、幅南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）基于siemens s7-300 plc 和opc server技術(shù)的matlab在線單容水箱液位控制設(shè)計-plc監(jiān)控程序設(shè)計matlab online tank level control system design based on siemens s7-300 plc and opc server technology-plc program design學(xué) 院（系） ： 電子與電氣工程系 專 業(yè) ： 自動化 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 96106036 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 評 閱 教 師 ： 完 成 日 期 ： 南陽理工

3、學(xué)院 nanyang institute of technology基于siemens s7-300 plc 和opc技術(shù)的matlab在線單容水箱液位控制設(shè)計-plc監(jiān)控程序設(shè)計自動化專業(yè) 劉朋防摘 要matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析和計算處理功能，是控制算法設(shè)計的有力工具，但是通常局限于離線仿真控制研究，難以和實時對象結(jié)合起來。wincc+plc控制系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。把matlab用于實時控制具有控制算法研究的直接現(xiàn)實意義，但其關(guān)鍵技術(shù)就是實現(xiàn)wincc和matlab的實時通訊。本文闡述了開放式標(biāo)準(zhǔn)接口opc技術(shù)，以wincc +plc控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序設(shè)計為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了基于op

4、c技術(shù)實現(xiàn)wincc與matlab之間的實時通訊的實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了matlab和wincc +plc控制系統(tǒng)的無縫鏈接。關(guān)鍵詞opc技術(shù)；matlab；wincc；無縫鏈接matlab online tank level control design based on siemens s7-300 plc and opc server technologyplc program designautomation specialty liu peng-fangabstract: the matlab has powerful numencal analyis and calculatio fun

5、ction, which is a powerful tool for the control algorithm design, but it is usually confined to off-line simulation control study,so it is hard to combine with real-time object.wincc +plc control system is a typical real-time control system. the matlab for real-time control has direct practical sign

6、ificance for research the control algorithm, and the key is to realiz the real-time communication between wincc and matlab. the open type standard interface opc technology is set forth in the issue, based on the design of the monitoring program of wincc +plc control system,introduces the implementat

7、ion scheme of realizing real-time communication between wincc and matlab based on the opc technology in detail, realized the seamlessly links between matlab and wincc + plc control system.key words:opc technology; mtalab; wincc; seamlessly links目 錄1 引言11.1 課題研究背景、意義和目的11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義和目的11.2 課

8、題主要研究的問題12 必備基礎(chǔ)知識22.1 opc 體系結(jié)構(gòu)22.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型32.3 dcom配置32.6 本地安全策略設(shè)置83 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及配置83.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理83.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)83.1.2 系統(tǒng)原理83.2 硬件配置93.2.1 智能儀表93.2.2 變頻器93.2.3 s7-300plc93.2.4 檢測裝置103.2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)103.2.6 水泵103.3 軟件配置104 控制系統(tǒng)plc程序設(shè)計及wincc實時監(jiān)控104.1 plc程序設(shè)計104.1.1 控制流程104.1.2 軟件設(shè)計104.2 wincc簡介114.2.1 wincc組態(tài)軟件的概況1

9、14.2.2 wincc組態(tài)軟件的主要功能和組件124.3 wincc監(jiān)控畫面的組建124.3.1 建立wincc變量124.3.2 建立wincc組態(tài)監(jiān)控畫面135 matlab在線控制135.1 matlab基礎(chǔ)135.1.1 matlab簡介135.1.2 matlab安裝145.1.3 opc工具的安裝145.2 matlab與wincc通訊的建立145.2.1 通訊流程145.2.2 建立通訊155.3 建立simlink實時控制工作空間185.4 實時控制效果195.4.1 階躍響應(yīng)控制效果195.4.2 加入擾動時的響應(yīng)曲線20結(jié)束語21參考文獻(xiàn)21附錄22附錄a22附錄b23致

10、謝261 引言1.1 課題研究背景、意義和目的1.1.1 研究背景在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。在石油工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類流體液位高度進(jìn)行監(jiān)測和控制，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，他對控制調(diào)節(jié)器要求極高1。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)復(fù)雜程度的不斷增加，工業(yè)自動化集成程度逐漸提高。在一個工廠解決方案中，往往包含了很多對不同制造廠商的儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，以及不同應(yīng)用設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)意義上的通過設(shè)備驅(qū)動和現(xiàn)場設(shè)備通訊的方式，出現(xiàn)了很多局限性。opc 技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決

11、了多種設(shè)備和應(yīng)用程序之間的靈活通訊2。opc（ole for process control）是用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一個技術(shù)規(guī)范和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是由一些世界上著名的自動化系統(tǒng)和硬件、軟件公司和microsoft(微軟)緊密合作而建立的。o 代表ole(object linking and embedding, 對象鏈接和嵌入)，p (process 過程)，c (control 控制)。opc 是專為在現(xiàn)場設(shè)備、自控應(yīng)用、企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間實現(xiàn)系統(tǒng)無縫集成而設(shè)計的接口規(guī)范3。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，pid控制器問世至今已有70多年歷史，它

12、以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為液位控制的主要技術(shù)之一。1.1.2 研究意義和目的matlab和simulink在控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，matlab擁有強(qiáng)大的工程計算能力，易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而simulink擁有極強(qiáng)的仿真能力和數(shù)據(jù)顯示能力但因為matlab只停留在純數(shù)字仿真上，無法驗證算法的有效性，大量的先進(jìn)算法都只在理論和純數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上實現(xiàn)如果能通過matlab的simulink直接實時控制現(xiàn)場設(shè)備，則可以使研究人員直觀觀測控制效果，易于進(jìn)行控制算法的設(shè)計和控制效果的分析，提高研控工作效率本研究結(jié)合南陽理工學(xué)院工業(yè)過程控制實驗室的建設(shè)進(jìn)行，提出了以opc

13、技術(shù)為平臺，建立matlab與plc的實時過程控制系統(tǒng)1.2 課題主要研究的問題wincc是在生產(chǎn)過程和過程自動化解決可視化和控制任務(wù)的人機(jī)接口(hmi)軟件，可以開發(fā)在管理級別上的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它具有高度的實用性，組態(tài)靈活，可生成復(fù)雜友好的交互式圖形界面。但是它的數(shù)據(jù)處理能力較弱，不易實現(xiàn)復(fù)雜控制算法。而matlab作為著名的科學(xué)工程計算軟件包，進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的效率很高，可以很容易實現(xiàn)復(fù)雜控制算法，并且能夠方便地構(gòu)造復(fù)雜控制系統(tǒng)的模型對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。如果將它的數(shù)學(xué)建模與仿真功能和組態(tài)軟件wincc的人機(jī)交互以及控制功能相結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu) 勢，則可以在實驗室構(gòu)造一種方便、實用的控制平臺。該

14、平臺能夠在驗證算法準(zhǔn)確性及控制系統(tǒng)有效性的測試階段，取代實際系統(tǒng)的控制對象進(jìn)行仿真測試，不僅減少測試費(fèi)用，降低了直接作用于真實環(huán)境的風(fēng)險，而且可以建立多種有指導(dǎo)意義的對象模型，模擬更多的運(yùn)行環(huán)境，能安全、方便、快速地驗證控制算法和系統(tǒng)的可行性，更全面真實地反映算法在實際生產(chǎn)過程中的運(yùn)行效果，從而得到有指導(dǎo)意義的算法改進(jìn)策略和在線參數(shù)調(diào)整方法。而且，在控制算法和控制系統(tǒng)真正投入實際工業(yè)過程之前，在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行測試和考核，可以避免實際工業(yè)過程的大量保障工作，在控制平臺的建立過程中，matlab與wincc的通信是首要解決的問題。opc技術(shù)是windows應(yīng)用程序問數(shù)據(jù)交換的主流技術(shù)，通過opc

15、技術(shù)可以將matlab和wincc很好地結(jié)合起來4。本課題主要解決的問題是：使用opc技術(shù)將matlab與現(xiàn)場過程設(shè)備連接，實現(xiàn)matlab仿真在現(xiàn)場設(shè)備的實時控制。通過matlab的simulink實時讀取數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。利用matlab在工程計算方面的強(qiáng)大能力和組態(tài)軟件在現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)方面的優(yōu)勢，使matlab仿真不再只局限于傳統(tǒng)的離線計算和純數(shù)字的仿真，而易于在實際系統(tǒng)上實現(xiàn)先進(jìn)算法。2 必備基礎(chǔ)知識2.1 opc 體系結(jié)構(gòu)opc以ole、com（組件對象模型component object model）和dcom（分布式組件對象模型）技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器（clien

16、t/server）模式，定義了一套適于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等功能的接口，便于不同供應(yīng)商的軟硬件實現(xiàn)“即插即用”的連接與系統(tǒng)集成。作為工業(yè)控制系統(tǒng)的一種核心數(shù)據(jù)交換技術(shù)，opc標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，并且其功能還在不斷豐富發(fā)展之中。opc適合于應(yīng)用在很短時間內(nèi)更新大量過程數(shù)據(jù)的工業(yè)場合。opc接口可以適用在數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)和管理控制臺之間，從數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)（dcs）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒壍目蛻魬?yīng)用，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，還可以實現(xiàn)plc、dcs、fcs（fieldbus control system）等不同類型控制系統(tǒng)和設(shè)備的集成。甚至只要在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

17、上建立了opc規(guī)范，opc客戶就可以與實時和歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。opc接口還可以通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為opc客戶端的應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接，opc是具有高度柔性的接口標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽不同系統(tǒng)之間的差異，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，所以可以應(yīng)用于多種場合。opc客戶機(jī)是訪問過程數(shù)據(jù)、消息和opc服務(wù)器歸檔的應(yīng)用程序，而opc服務(wù)器則是處理過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和訪問這些數(shù)據(jù)的接口之間的中間設(shè)備，它提供給不同制造商的應(yīng)用程序一個標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，它有三層接口，依次呈包含關(guān)系。opc server：opc啟動服務(wù)器，獲得其他對象和服務(wù)的起始類，并用于

18、返回opc group類對象；opc group：存儲由若干opc item組成的group信息，并用于返回opc item類對象。opc item：存儲具體item的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值等信息。圖1為opc體系結(jié)構(gòu)5。opc serveropc clientvisual c+visual basic、exceljava appletinternet exploreropc groupopc group驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件：plc、dcs、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系等item itemitem itemitemitemitem通用接口自動化接口圖 1 opc 的體系結(jié)構(gòu)2.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型利用階躍響應(yīng)法實驗測

19、得控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為： （2-1）由式（2-1）知系統(tǒng)為一階慣性環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié)組成2.3 dcom配置opc服務(wù)器和opc client服務(wù)器都要進(jìn)行設(shè)置。一定要配置正確，否則會出現(xiàn)“找不到服務(wù)器”或“服務(wù)器拒絕訪問”的錯誤。（1）開始-運(yùn)行-輸入：dcomcnfg 打開組建服務(wù)窗口，如圖2。圖 2 組件服務(wù)窗口圖進(jìn)入我的電腦屬性的總體默認(rèn)屬性頁面，將“在這臺計算機(jī)上啟用分布式com”打上勾，將默認(rèn)身份級別改為“無”，如圖3所示。圖 3 我的電腦屬性對話框（2）打開屬性對話框-切換到“com安全”屬性頁，分別編輯“編輯默認(rèn)值（e）”、“編輯默認(rèn)值（d）”、“編輯限制（l）”、“編輯限制（i）

20、”等4個選項，如圖4所示。圖 4 com屬性對話框以上4個選項分別添加“everyone”、“interactive”、“network”“system”等4個用戶，并勾選上所有權(quán)限選項，如圖5。（請注意是4個用戶，如果少了一個有可能出現(xiàn)找不到服務(wù)器的情況）圖 5 訪問權(quán)限對話框（3）在opc服務(wù)器上，還要回到“組件服務(wù)”界面，打開dcom配置，如圖6，找到注冊的opc服務(wù)器的名稱：opcenum、opcserver. wincc選項，分別打開它們的屬性對話框進(jìn)行編輯。圖 6 dcom對話框打開屬性切換到“安全”屬性頁面，分別編輯下面3個選項，如圖7。圖 7 opcenum/opcserver

21、. wincc屬性“安全”對話框以上3個選項分別添加everyone，interactive，network，system四個用戶，并勾選上所有權(quán)限選項，如圖8。（請注意是3個用戶，如果少了一個有可能出現(xiàn)找不到服務(wù)器的情況）圖 8 啟動權(quán)限對話框啟用交互式用戶，選擇“交互式用戶”，如圖9。圖 9 啟動交互式用戶（注：有時做好dcom配置后，需要重新啟動電腦才起作用。所以為了安全起見，建議最好重新啟動一下電腦，再做下一步）。2.6 本地安全策略設(shè)置（1）opc 服務(wù)器和opc clicent都要進(jìn)行設(shè)置：打開“控制面板”-“管理工具”-選擇“本地安全策略”。（2）打開“安全選項”-“網(wǎng)絡(luò)訪問”-

22、本地賬戶的共享和安全模式-屬性。（3）選擇“經(jīng)典-本地用戶以自己的身份驗證”。（這一步不能忘，否則在連接opc服務(wù)器時會出現(xiàn)“拒絕訪問”錯誤提示！）3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及配置3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)matlab與plc的遠(yuǎn)程實時過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。系統(tǒng)以悌字號過程控制設(shè)備中的水箱為控制對象，西門子s7-300plc對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以組態(tài)軟件wincc為數(shù)據(jù)總控平臺，作為opc服務(wù)器以matlab做為opc客戶端，進(jìn)行算法設(shè)計、實時控制和控制結(jié)果分析等，wincc與s7-300通過mpi通訊6,。 matlabwinccs7-300plc悌字號過程設(shè)備opc

23、數(shù)據(jù)交換mpiai/aodi/do數(shù)據(jù)采集過程設(shè)備圖10 matlab和plc遠(yuǎn)程實時過程控制系統(tǒng)示意圖3.1.2 系統(tǒng)原理在此系統(tǒng)中要求給定值即液位設(shè)定值為300mm，控制器為matlab及plc，matlab主要實現(xiàn)的是pid參數(shù)的控制，plc主要是實現(xiàn)信息采集及模/數(shù)、數(shù)/模的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)的液位變送器將標(biāo)準(zhǔn)的電信號（420ma）輸入給模擬量輸入模塊（sm331），經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后得到與液位成比例的數(shù)字量，然后進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換（fc105），通過wincc寫入到simulink中，在matlab的simulink中與液位設(shè)定值（階躍輸入為300）比較，并按某種控制規(guī)律（pid控制算法）對誤差值進(jìn)

24、行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給plc經(jīng)過標(biāo)度反變換（fc106）后，輸入到模擬量輸出模塊（sm332），經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘査徒o智能調(diào)節(jié)閥，用來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度7，通過它控制流入水箱的流量，實現(xiàn)對液位的閉環(huán)控制。系統(tǒng)的工作原理圖如圖11。給定值控制器執(zhí)行器液位變送器控制對象圖11 控制系統(tǒng)工作原理圖輸出值3.2 硬件配置實驗使用“悌”字號過程控制綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺，該實驗臺是由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監(jiān)控pc機(jī)三部分組成。3.2.1 智能儀表采用廈門宇電儀表有限公司生產(chǎn)的ai系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表ai818，它是pid控制型的智能儀表，輸出為420ma dc信號。

25、3.2.2 變頻器采用西門子mm440變頻器 功率為0.37kw,頻率0650hz。3.2.3 s7-300plc電源模塊： ps307（5a）書出電流為5a；輸出電壓為24vdc；防短路和開路保護(hù)。cpu模塊： cpu315-2dp帶有128kb的集成式ram，最大模擬量i/o總數(shù)為1024 個。模擬量輸入模塊：sm331 ai 4xo/420ma；為一通道4輸入點(diǎn)；精度為15位。模擬量輸出模塊：sm332 ao 4x12位；4通道x4輸出；精度為12位；每個輸出通道可編程為：電壓輸出/電流輸出。網(wǎng)卡：西門子cp5611專用通訊網(wǎng)卡支持mpi，profibus 和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，用于連接pl

26、c 與wincc 或者plc之間互聯(lián)8。3.2.4 檢測裝置壓力傳感器：kyb380傳感器 量程為0150kpa；精度為0.25；采用二線制傳輸方式，工作時需要提供24v直流電源，輸出420ma dc。液位變送器：kyb3803變送器 量程為06kpa，精度為0.25；采用二線制傳輸方式，工作時需要提供24v直流電源，輸出420ma dc。3.2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：qs智能型電動調(diào)節(jié)閥 公稱直徑為20mm,行程為16mm；具有精度高，技術(shù)先進(jìn)，體積小、重量輕，推動力大、控制單元與電動執(zhí)行一體化、可用性高、操作方便等

27、優(yōu)點(diǎn)；電源單相220v，控制信號為420ma dc或15v，輸出為420ma dc的閥位信號，使用和校正非常方便。3.2.6 水泵水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為20cq12p 功率為0.37kw，流量3m3/h,揚(yáng)程為12米。3.3 軟件配置系統(tǒng)所用到的軟件主要有：matlab 7.6，step7 v5.1編程軟件，wincc v5.2監(jiān)控軟件等。4 控制系統(tǒng)plc程序設(shè)計及wincc實時監(jiān)控4.1 plc程序設(shè)計4.1.1軟件設(shè)計液位的控制程序中需要采集過程值并需要把整型轉(zhuǎn)換成以工程單位表示的介于下限和上限之間的實型值，因此需要功能塊fc105轉(zhuǎn)換；pid的運(yùn)算輸出需要進(jìn)行把工程單位表

28、示且標(biāo)定于下限和上限的實型值轉(zhuǎn)換成整型值，因此需要功能塊fc106轉(zhuǎn)換。在組織塊ob1中進(jìn)行啟動和停止的控制而液位的采集、輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存放在中斷服務(wù)程序ob35中。ob35每100ms掃描一次，即每100ms給電動調(diào)節(jié)閥一個輸出信號。plc程序流程如圖12。程序介紹見附錄1。4.1.2 控制流程由plc作為控制器，調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓力液位變送器作為檢測裝置等來構(gòu)成一個單回路的恒液位控制系統(tǒng)。設(shè)備首次使用前進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以保證其精確度，變送器的最大載荷力不應(yīng)超過滿量程的120。系統(tǒng)選擇水箱作為被測對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門f1-1、f1-2、f1-3全開，將下水箱出水閥

29、門f1-4開至一定開度，其余閥門均關(guān)閉。系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（a/d轉(zhuǎn)換）從piw294讀入現(xiàn)場數(shù)據(jù)標(biāo)度變換（fc105）開始simulink中進(jìn)行pid運(yùn)算寫入matlab的simulink中標(biāo)度反變換（fc106）結(jié)束寫回plc中注：1、 輸入通道為piw2942、 輸出通道為pqw3043、 圖中虛線框中為matlab應(yīng)用程序4、 plc程序放在ob35組織塊中，ob35運(yùn)行方式為循環(huán)掃描。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（d/a轉(zhuǎn)換）從pqw304輸出現(xiàn)場數(shù)據(jù)實物結(jié)構(gòu)圖如圖13。圖12 plc程序流程圖4.2 wincc簡介4.2.1 wincc組態(tài)軟件的概況 wincc中的opc符合opc基金會的opc規(guī)范。

30、wincc可作為opc服務(wù)器和opc客戶機(jī)。在作為opc 客戶機(jī)操作時，wincc將訪問其它應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。當(dāng)wincc用作opc 服務(wù)器時，wincc數(shù)據(jù)將對其他應(yīng)用程序可用?？梢酝ㄟ^wincc opcda服務(wù)器訪問wincc變量，通過wincc opchda服務(wù)器訪問歸檔系統(tǒng)，通過wincc opca&e服務(wù)器訪問消息系統(tǒng)9。并且通過opc的方式，wincc還可以與更多的第三方控制器進(jìn)行通訊。適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。wincc 最引人注目之處還是其廣泛的應(yīng)用范圍。獨(dú)立于工藝技術(shù)和行業(yè)的基本系統(tǒng)設(shè)計，模塊化的結(jié)構(gòu)，以及靈活的擴(kuò)展方式，使其不但可以用于機(jī)械工程中的單用戶應(yīng)用，而且還

31、可以用于復(fù)雜的多用戶解決方案。4.2.2 wincc組態(tài)軟件的主要功能和組件 wincc的主要功能如下10：包括強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口、支持所有主要plc系統(tǒng)的通訊通道、與制作執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源管理無縫連接。組態(tài)軟件wincc是很多應(yīng)用程序的核心，包括九大部件：變量管理器、圖形編輯器、報警記錄、變量歸檔、報表編輯器、全局腳本、文本庫、用戶管理器、交叉引用表等九大部分。圖13 系統(tǒng)實物結(jié)構(gòu)圖4.3 wincc監(jiān)控畫面的組建4.3.1 建立wincc變量（1）添加驅(qū)動程序： 打開wincc選中“變量管理”并右擊選擇“添加新的驅(qū)動程序”,然后選擇“simatic s7 protocol suite.chn”

32、，然后點(diǎn)擊“打開”即可添加新的驅(qū)動程序。（2）建立驅(qū)動連接：在“simatic s7 protocol suite”的下拉菜單中右擊“mpi”選擇“新驅(qū)動程序的連接”點(diǎn)擊“newconnection”即可建立新的驅(qū)動連接。（3）添加變量：在“newconnection”右側(cè)空白處點(diǎn)擊右鍵選擇“新建變量”或者右擊“newconnection”選擇“新建變量”即可添加變量。在出現(xiàn)的變量屬性對話框中進(jìn)行變量的設(shè)置，系統(tǒng)中加入的兩個變量分別為：yewei1和yeweixie，兩個變量的數(shù)據(jù)類型均選擇為無符號32位浮點(diǎn)型，存儲地址選擇“位存儲”，yewei1的存儲地址為 md80，yeweixie的存儲

33、地址為md90。4.3.2 建立wincc組態(tài)監(jiān)控畫面（1）點(diǎn)擊wincc主界面中的“圖形編輯器 ”在右側(cè)空白處點(diǎn)擊右鍵選擇“新建畫面”或者右擊“圖形編輯器”選擇“新建畫面”即可建立自己所需要的監(jiān)控畫面。（2）在圖形編輯區(qū)中建立如圖14畫面（具體建立方法及步驟參見西門子wincc v6.0精通手冊）。圖 14 wincc監(jiān)控畫面5 matlab在線控制5.1 matlab基礎(chǔ)5.1.1 matlab簡介matlab是矩陣實驗室（matrix laboratory）的簡稱，是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境

34、，主要包括matlab和simulink兩大部分11。在最新的matlab版本中添加了工具箱opc toolbox，利用該工具箱可以方便地實現(xiàn)在matlab中獲取外部實時數(shù)據(jù)。5.1.2 matlab安裝因為控制系統(tǒng)要使用opc技術(shù)，所及matlab版本要求為7.0以上版本（低于此版本的matlab中無opc工具箱），網(wǎng)絡(luò)上很多7.0以上的版本但是有相當(dāng)一部分是下載了不可安裝或者安裝后無法運(yùn)行的。在系統(tǒng)中所使用的matlab版本為r2008a（即matlab7.6大小為3.76g），在安裝時參考matlab英文安裝說明。注意所有安裝和激活都是使用無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，在matlab安裝文件夾里的“cr

35、ack”文件夾里的“install.txt”中有版本的安裝序列號。最后激活使用時需要的一個文件也是“crack”文件夾中的，名字為“l(fā)icense_standalone.dat”，激活這一步一定要做，非常關(guān)鍵，否則無法運(yùn)行matlab。5.1.3 opc工具的安裝matlab安裝成功后，在安裝路徑下的如“d/program file/matlab/r2008a/” 找到“toolbox/opc/opc/private”并打開，找到名為“opc core components.2008redistributable 2.20.msi”安裝文件雙擊即可。對于初用opc者這一步驟非常重要，否則運(yùn)行o

36、pc tool時就會出現(xiàn)“找不到opc core components.2008redistributable 2.20.msi”的錯誤，無法使用opc。在opc使用的過程中會出現(xiàn)這樣一個問題：當(dāng)opc使用一次或者幾次后，再次打開使用時，matlab輸入命令界面會閃爍一下且電腦下方的任務(wù)欄也會出現(xiàn)opc tool（這說明opc tool正在運(yùn)行），但就是不會出現(xiàn)opc主界面，無法進(jìn)行建立通訊。解決方法為：右擊工具任務(wù)欄中“opc tool”選擇“最大化”即可，但對于win7系統(tǒng)則是把鼠標(biāo)放到工具任務(wù)欄“opc tool”上，等出現(xiàn)小的黑色“opc tool”頁面時右擊頁面選擇“最大化”即可。5

37、.2 matlab與wincc通訊的建立5.2.1 通訊流程wincc作為opc服務(wù)器，matlab作為opc客戶端，通過simulink仿真工作空間的“opc read”獲取現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)，在simulink中編寫相關(guān)控制算法，運(yùn)算后在經(jīng)過“opc write”再把運(yùn)算結(jié)果寫入到wincc變量中，通過wincc在把數(shù)據(jù)送入到plc中。通訊流程如圖15所示。創(chuàng)建opc數(shù)據(jù)訪問客戶端對象開始在opc客戶端對象添加組對象在opc客戶端對象添加項對象對wincc數(shù)據(jù)項進(jìn)行讀/寫操作完成？結(jié)束yn圖15 wincc與matlab通訊流程圖5.2.2 建立通訊運(yùn)行matlab后，單擊主頁面左下角的“sta

38、rt”然后按圖操作到“opc tool”，就打開了opc頁面，如圖16。圖16 運(yùn)行opc tool 然后右擊“opc network”選擇“add host”，然后點(diǎn)擊圖17中的“確定”即可把主機(jī)（系統(tǒng)中用“l(fā)ocalhost”）添加到opc頁面中。注意此時一定要讓wincc服務(wù)器處在“運(yùn)行（激活）”狀態(tài)，否則會出現(xiàn)“服務(wù)器沒有注冊類別”或者“找不到服務(wù)器”的錯誤提示。圖 17 添加主機(jī)“l(fā)ocalhost”然后再“l(fā)ocalhost”下拉菜單中選擇“opcserver.wincc”并右擊選擇“create client”來創(chuàng)建客戶端。如圖18。圖 18 創(chuàng)建客戶端 在已創(chuàng)建的“matlab

39、 opc client”中進(jìn)行添加工作組和創(chuàng)建網(wǎng)路連接，方法為：右擊“l(fā)ocalhost/opcserver.wincc”選擇“add group”和“connect”如圖19。圖19添加opc工作組“yewei”在已創(chuàng)建的項目組中添加變量,右擊已經(jīng)創(chuàng)建的組“yeiwei”選擇“add item”在“add item”對話框中選擇要添加的wincc中的變量“yewei1”與“yeweixie”后點(diǎn)擊“add” 即可，如圖20：圖 20 添加opc項“yewei1”及“yeweixie”建立matlab與wincc的過程看似很簡單，但是這個過程中的每一步都很重要。因為初次接觸這方面，在做的過程中

40、，每一步都是探索，當(dāng)中也遇到一些難題，比如：我用opc read 從wincc變量中讀取數(shù)據(jù)成功后，再用同樣的方法使用opc write 向wincc中的變量寫數(shù)據(jù)時，想了很多辦法，做了很多次嘗試，怎么做都不通，最后經(jīng)過老師的指導(dǎo)才找到解決方法：寫的過程一定要與實際的plc相連接并且運(yùn)行plc,否則opc 的連接狀態(tài)會顯示：bad。5.3 建立simlink實時控制工作空間 右擊項目組“yewei”選擇“export to”中的“simullink opc read/write”，把所需變量添加到simulink仿真環(huán)境下，如圖21。也可以直接在simulink中使用“opc read/wri

41、te”建立圖 21 把變量導(dǎo)入simulink中在simulink仿真窗口中雙擊“opc read/write”對對象進(jìn)行屬性設(shè)置和進(jìn)行采樣時間設(shè)置，如圖22，本設(shè)計中采樣時間均設(shè)為0.01s。圖22 在simulink中設(shè)置變量屬性在simulink中建立工作空間，simulink仿真參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)置，仿真結(jié)束時間(stop time)設(shè)為“inf”（為了使系統(tǒng)運(yùn)行在無時間限制條件下而設(shè)置），simulink仿真算法設(shè)置為fixstep固定步長類型，并選擇odel(euler)算法12設(shè)定值為300,經(jīng)過調(diào)試，得到了一組效果比較理想的pid參數(shù)：kp=100，ti=0.1，td=1，如圖23

42、所示。圖 23 simulink工作空間搭建圖5.4 實時控制效果5.4.1 階躍響應(yīng)控制效果圖24中藍(lán)色直線為液位設(shè)定值300mm曲線，黑色線為實時液位監(jiān)控曲線。圖24 matlab實時控制曲線圖由上圖控制曲線可知，液位雖然有一定的超調(diào)，但是很快就能返回到設(shè)定值附近，最終基本穩(wěn)定到設(shè)定值。5.4.2 加入擾動時的響應(yīng)曲線所加擾動為：在原平衡的基礎(chǔ)上向水箱中加入一盆水，來影響水位，如圖25所示。圖25加入階躍擾動響應(yīng)曲線圖最終恢復(fù)平衡圖如圖26。圖26最終穩(wěn)定實時曲線圖以上二幅圖的時間長度均為1分鐘，有控制曲線圖可以看出，水位在很短的時間內(nèi)基本恢復(fù)到設(shè)定值。說明控制效果也是比較理想。結(jié)束語在opc技術(shù)、西門子工控產(chǎn)品plc和wincc組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，我們成功的使matlab方便地實現(xiàn)了實時控制現(xiàn)場過程設(shè)備，設(shè)計出了穩(wěn)定可靠的液位控制系統(tǒng)。雖然系統(tǒng)沒有直接用matlab語言編寫的控制算法進(jìn)行控制，但卻改變了以往matlab的純數(shù)字仿真研究方法。為控制研究人員通過simulink實時觀察和控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制算法的研究和控制結(jié)果的分析提供了一個平臺。 尚存在的問題：pid算法單一，有待改進(jìn)為先進(jìn)控制算法，比如pid自整定算法及模糊控制pid算法等；pid參數(shù)仍然不太理想，還需要調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到無超調(diào)量及和