基于Matlab與PLC的實時控制系統(tǒng)

1、基于Mat 1 a b與P L C得實時控制系統(tǒng)基于Ma t lab得S 7-2 0 0 PL C溫度實時控制系統(tǒng)，結(jié)合Matlab強大得計算能力與靈 活得編程方法，解決了 PLC控制系統(tǒng)得局限性。該系統(tǒng)在上位機M at lab得Sim ul in k中實現(xiàn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，下位機S 7-2 0 0 P LC則負(fù)責(zé)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣與輸出，上下位機間數(shù)據(jù)通信通過OPC技術(shù)實現(xiàn)，并利用M at la b GUI進(jìn)行監(jiān)控；研究了系統(tǒng)得實現(xiàn)機制與過程，并對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，取得了良好得控制效果、Maflab Simulin k在控制系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛得應(yīng)用。Matl a b語言工程計算

2、力強大，程序設(shè)計流程靈活，可實現(xiàn)復(fù)雜得控制算法。但不能與現(xiàn)場工控設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，致使很多先進(jìn)控制算法仍然只就是停留在純數(shù)字仿真階段。而常見得可編程序邏輯控制器(programm able logic c o nt r o 1 1 er,PLC )在控制過程中往往不能運行復(fù)雜得先進(jìn)控制算法，或就是勉強運行導(dǎo)致控制器反應(yīng)實時性降低，制約了先進(jìn)控制算法在PLC上得應(yīng)用、為了解決此問題，本文以基于 Matlab與s720 0得溫度實時控制系統(tǒng)為例，將Matlab S imulink直接應(yīng)用于實時控制現(xiàn)場系統(tǒng)、該系統(tǒng)得PL C進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣與輸出，在Matlab上實現(xiàn)控制算法，通過O PC技術(shù)實

3、現(xiàn)Mat 1 ab與PLC間得數(shù)據(jù)傳送，并利用Matlab內(nèi)置得GUI實現(xiàn)上位機監(jiān) 控界面。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試 ，取得了較好得控制效果。本文研究為有效提高控制系統(tǒng)得效率 與控制水平開辟一條新路、1 OPC接口技術(shù)opt(OLE for Pr oces s C ont r o 1 )規(guī)范就是在微軟倡導(dǎo)下由OPC基金會所建立得硬件與軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，它基于微軟現(xiàn)有得 OLE、組件又象模 CO M與分布式組件對象模D技術(shù)、OPC規(guī)范得引入，提供了一種在數(shù)據(jù)源與客戶端之間進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)猛ㄐ艡C制。OPC標(biāo)準(zhǔn)中得軟件體系結(jié)構(gòu)為客戶視 /服務(wù)器模式，每個支持OPC接口標(biāo)準(zhǔn)得硬件廠商為其 設(shè)備開發(fā)一個O PC服

4、務(wù)器，提供必要得 OPC數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)子接口 ，主要負(fù)責(zé)從硬件設(shè)備得到 數(shù)據(jù)并存人數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；支持OPC接口得應(yīng)用軟件作為 OPC客戶，通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)與 O P C服務(wù)器得數(shù)據(jù)交互，從而讀寫硬件設(shè)備得信息。OPC服務(wù)器由3類對象組成，包括服務(wù)器、組與數(shù)據(jù)項。OPC得應(yīng)用架構(gòu)及層次對象 得關(guān)系如圖1所示。0 PC服務(wù)器對象擁有服務(wù)器得所有信息，同時也就是組對象得容器。組對象OPC項擁有本組得所有信息，同時包含并在邏輯上組織了OPC數(shù)據(jù)項、而OPC數(shù)據(jù)項OPC客戶潴8J OPC標(biāo)懵接口就是服務(wù)器定義得對象，包括值、品質(zhì)、時間戳 3個基本屬性。OPC客戶對設(shè)備寄存器得操 作都就是通過數(shù)據(jù)項來完

5、成 ，但OPC數(shù)據(jù)項并不提供對外接口 ，客戶不能直接對其進(jìn)行操作， 所有得操作都就是通過組對象來進(jìn)行得、一數(shù)據(jù)組OH： B 一|數(shù)據(jù)組 1 1圖1 OPC得應(yīng)用架構(gòu)及基本結(jié)構(gòu)圖2基于Ma t l a b與S7 200溫度實時控制系統(tǒng)得實現(xiàn)2。1溫度實時控制系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)得設(shè)計綜合了 Matlab語言強大得計算能力與 PLC高抗干擾性能等優(yōu)點，并通過 Matlab內(nèi)置得圖形用戶界面G UI實現(xiàn)系統(tǒng)得監(jiān)控。這樣控制算法可以在 Matlab得S i m uli n k中進(jìn)行仿真調(diào)試，進(jìn)而連接被控制對象實現(xiàn)溫度得實時控制，從而極大簡化了控制系統(tǒng)得設(shè)計流程、提高了設(shè)計效率。該控制系統(tǒng)由上位機、S7-2

6、 0 0 PLC以及溫度控制對象三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示、上位機主要完成基于Ma t 1 ab得溫度控制算法與控制系統(tǒng)監(jiān)控界面,S 7-200 PLC配置EM2 3 5實現(xiàn)溫度實時信號得輸入與控制信號得輸出，溫度控制對象包括脈寬調(diào)制電路、由ADS9 0組成得溫度檢測電路、加熱器等。上位機MatlabSi mu li n k仿真模型中得實時信號通過OPC通信技術(shù)與S 7200 PLC中采樣、控制信號進(jìn)行通信。Matla b GUI則通過編制M文件得形式實現(xiàn)與Matlab Sim u l i nk仿真模型中控制參上位機Matlab SirnuUnkMallab GUI數(shù)得鏈接，從而在監(jiān)控

7、界面上控制及監(jiān)測PLC s720 0得狀態(tài)，采集對應(yīng)得溫度響應(yīng)曲線。S7-200Pl£ D/A 脈寬調(diào)A/DEM235 制電路圖2溫度實時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2。2基于OPC技術(shù)得 Matlab與S7 20 0數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)2、2. 1通信原理Matl a b7. 0集成了 OPC Tool bo x,它就是一個 OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件，通過O P C Toolbox可以連接任何一個 OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)對連接服務(wù)器數(shù)據(jù)得讀或?qū)?、基?OP C技術(shù)得M a tlab與PLC S7 200通信原理圖如圖3所示 ：參照M atlab中得OP C T oolb o x 對象*II型，以s 7-

8、200 OPC Server為OPC服務(wù)器，Mat 1 a b為客戶端，建立O PC通信得流 程，實現(xiàn)Matl ab在實際工業(yè)控制系統(tǒng)中得應(yīng)用。2.2。2 PC Access 與 s7 200得連接PC Ac cess就是西門子 S7 200得專用OP C服務(wù)器，支持OPC Data Access(DA)3 . 。規(guī)范，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)得 OPC客戶端通信 淇服務(wù)器ID為“S7 2 00.OPCServer o在PC A c c ess中可以為監(jiān)控得 PLC定義屬性、通信協(xié)議創(chuàng)建客戶端訪問得數(shù)據(jù)項(I t em)及數(shù)據(jù) 地址等。本系統(tǒng)中需要通過O PC通信得數(shù)據(jù)項有2個，即we r ldu(溫度

9、過程值)、kongzhi(控 制量)。圖3 O PC通信原理2、2. 3 建立 Mat lab與 PC Access 得連接運行P C Acc ess中得相關(guān)項目后，在Matlab命令窗口編寫運行如下M文件程序?qū)?現(xiàn)M a tlab與PCAccess得通信oc 1 ccl e ar all;hos t l n f o =opcserver i n f o(' l o calh o st');al 1 Sc r vers=h o stI n f o。Serve r ID ;%確定該主機上可用得IDda=opcda(' 1 o c al h o s t' ,'

10、; S7 2 0 0。OPC S erve r ' );%s7-2 0 0 OPC Sev e r為PC Access得OP C服務(wù)器ID con n e c t(da); %連接 OP C服務(wù)器grp = add g r oup(da,' groupl' ).%增加組wendu=ad d it e m (g r p/ Mi croWin.Ne w PLc、wendu'); % 增加數(shù)據(jù)項與 PC A c c e ss中溫度設(shè)定關(guān)聯(lián)。kon g zh i= a d d i tem(grp,'Micr o W i n.NewP Lc.kongzhi'

11、;);2。 3基于Sim u lin k得單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法得實現(xiàn)2.3.1單神經(jīng)元自適應(yīng)P ID算法常規(guī)PID控制器對運行工況適應(yīng)性差，參數(shù)得整定往往難以保證系統(tǒng)優(yōu)良得控制性能，然而具有自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力得單神經(jīng)元算法所構(gòu)成得單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且能適應(yīng)環(huán)境得變化，具備較強得魯棒性。單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器就是通過加權(quán)系數(shù)得調(diào)整來實現(xiàn)自適應(yīng)，自組織功能得，可以通過不同得學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào)整權(quán)系數(shù)，從而構(gòu)成不同得控制算法。本系統(tǒng)按有監(jiān)督得H eb b學(xué)習(xí)規(guī)則來實現(xiàn)權(quán)系數(shù)得調(diào)整。對于增量型神經(jīng)元pID控制系統(tǒng)：3u(k)+K2 嗎(&)為(幻(I)i 1明=嗎"

12、;)/4 i%(G) 1(2)式中:K為神經(jīng)元的比例系數(shù);町(k) ,叫").明作)為校系數(shù),其學(xué)習(xí)規(guī)則為w2 ( fe + 1) = w2 ( A) + Tfie(k)x2(k)it(k)w3 (ft +1) =w3(i) +k) x3 (A) u (&)(3)式中;巧巧= A2e(l)即需現(xiàn)瑞2 .3、2基于S im u l i nk得溫度實時控制系統(tǒng)得實現(xiàn)圖4中OP C Re ad模塊、OPC write模塊分別與 PC Acces s中得數(shù)據(jù)項 wendu(溫 度過程值卜kon gzhi (控制量)鏈接,負(fù)責(zé)現(xiàn)場溫度過程信號得讀入與控制量得輸出。由于神經(jīng)元自適應(yīng)PID

13、控制器不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，若簡單地應(yīng)用 Si mu link將無法對其進(jìn)行仿真，此時應(yīng)引入S函數(shù)。根據(jù)式(1)一式(3 )，基于Delta學(xué)習(xí)規(guī)則得神經(jīng)元自適應(yīng)P ID 控制器得S函數(shù)模塊d s jyp id程序編寫如下：fu n c t i o n s y s,xO =nu(t,x,u,f 1 ag,np,ni,nd,?K , w l,w2,w 3 )1 f f lag=2sys(1)=x(1)+ni 水 u (1)木 u(1);sys (2)=X (2)+np 球 U(2 )木17(1);sys(3)=x(3)+n d 水 U( 3 )水 U(1);e 1 seif flag 2=

14、3s ys=K*(x(1)*u(1)+ x (2) * u( 2 )+x(3) * U(3)/(ab s (x (1)+a b s( x (2)+a bs (x(3);elsei f fla g =0sys=O ,3,l,3,1,1;x O=w 1 ,w2,w3; elses y s= 口； endOPC % ritcSyuc);kon 群 hiOPC Mite圖4單神經(jīng)元PID得Simuli n k系統(tǒng)模型2。4系統(tǒng)監(jiān)控界面得設(shè)計Matlab GUI就是由各種圖形構(gòu)建得用戶界面，它既能嵌入己有得仿真程序，又能把仿真后得圖形化結(jié)果以人機交互得動態(tài)方式直觀呈現(xiàn)，對于熟悉Mafla b而不想編寫大

15、量 VC代碼得科研人員來講,Mafla b GU I無疑就是一個最佳選擇。Ma t lab GUI監(jiān)控界面得實現(xiàn)包括監(jiān)控界面得組態(tài)與對應(yīng)組件M文件程序得編寫。本系統(tǒng)上位機采用 Mat 1 abGU I設(shè)計監(jiān)控界面，實現(xiàn)在M an ab G U I界面上控 制及監(jiān)測PLC s 72 0 0得狀態(tài)，采集對應(yīng)得溫度響應(yīng)曲線。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計界面如圖 5所示、在監(jiān)控界面中我們設(shè)置了若干個控制按鈕實現(xiàn)控制系統(tǒng)得啟動、暫停/繼續(xù)、停止、曲線繪制以及控制參數(shù)輸入確定等；設(shè)置了溫度曲線顯示功能區(qū)與控制參數(shù)區(qū)以方便用戶得控制與 監(jiān)視。監(jiān)控界面中控制參數(shù)輸入采用文本控件，輸入確認(rèn)后回調(diào)函數(shù)程序首先將輸人參數(shù)文本框中得

16、字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換并賦值給各對應(yīng)中問變量，然后將中間變量與S-function模塊中得 相關(guān)變量進(jìn)行鏈接，以實現(xiàn)參數(shù)得輸入；繪制曲線得回調(diào)函數(shù)程序編寫則包涵加載數(shù)據(jù)、繪制 曲線及溫度過程值得測定與顯示。圖5控制系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計圖圖5中SV、PV分別為溫度得設(shè)定值與實時過程值,w i (i =1,2, 3 )為系統(tǒng)初始權(quán)系數(shù);np,ni,nd,K分別為神經(jīng)元得比例學(xué)習(xí)速率、積分學(xué)習(xí)速率、微分學(xué)習(xí)速率與神經(jīng)元比例系 數(shù)。2 .5溫度實時控制系統(tǒng)得測試我們以單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法為例對上述溫度實時控制系統(tǒng)進(jìn)行TN試。圖 6中兩曲線分別為S7-2 0 0白帶得PID控制、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制得溫度動

17、態(tài)過程曲線。在S 72 0 0端就是用 WINCC監(jiān)控顯示。測試結(jié)果表明：采用PI D控制算法，系統(tǒng)P=4.2.I =4。2 rain ,D=0.1min時,溫度設(shè) 定值從30c階躍到44C,系統(tǒng)溫度峰值為 44.5C,系統(tǒng)溫度穩(wěn)定值為4 398C,超調(diào)量f =4、2%,tp=20 8 s;采用基于 Matlab與S7-200得單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制系統(tǒng)，該控制器中 神經(jīng)元權(quán)值(i= 1 ,2,3)初始值分別設(shè)定為 4.2,0.1,0、2。選取 n p= 1 5 0 0,ni0。05,nd= 0. 5 ,K=6 0，測試結(jié)果可知溫度設(shè)定值從30c階躍到4 4c ，系統(tǒng)溫度峰值為 44。6C

18、 ,系統(tǒng)溫度穩(wěn)定值為43、97C,超調(diào)量f=5%,tp=57 8 ;圖7為基于M atl a b與S7-200得單神經(jīng)元自適應(yīng)P I D 算法，Matlab G UI客戶端監(jiān)控測試得曲線。由上述圖可得如下結(jié)論、從圖 6中2種控制算法實現(xiàn)得溫度控制動態(tài)過程可知，采用單神經(jīng)元P I D算法有很好得響應(yīng)快速性，系統(tǒng)控制效果良好，本測試以單神經(jīng)元P ID算法為 例，由于算法在Pc上比較容易實現(xiàn)，所以本方案得控制可以進(jìn)一步擴展更為復(fù)雜控制算法。從圖6與圖7中可以瞧出：采用單神經(jīng)元PID控制時，S7 20 0端測試得溫度曲線與 GUI 監(jiān)控界面溫度曲線完全相同，檢測得溫度實時值一致，表明MaI 1 ab GUI、PC Acce ss、S7 -200 PLC 3者間得通信良好，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)通過O PC技術(shù)實現(xiàn)了實時控制。圖6 S 7 2 00端測試得溫度動態(tài)過程曲線PV 41.965 64038%3432300 20 40 60 B0 100 E20 140 160 130 20050464442圖7 GUI客戶端測試得溫度動態(tài)過程曲線3結(jié)論Matla b與S i m ulink具有強大得計算