基于Matlab與PLC的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

1、基于Matlab與PLC的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)基于Matlab的S7-200 PLC溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),結(jié)合Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力和靈活的編程方法,解決了PLC控制系統(tǒng)的局限性。該系統(tǒng)在上位機(jī)Matlab的Simulink中實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,下位機(jī)S7-200 PLC則負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣和輸出,上下位機(jī)間數(shù)據(jù)通信通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn),并利用Matlab GUI進(jìn)行監(jiān)控;研究了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制與過程,并對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試,取得了良好的控制效果。Maflab Simulink在控制系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Matlab語言工程計(jì)算力強(qiáng)大，程序設(shè)計(jì)流程靈活，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。但不能與

2、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)控制算法仍然只是停留在純數(shù)字仿真階段。而常見的可編程序邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)在控制過程中往往不能運(yùn)行復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，或是勉強(qiáng)運(yùn)行導(dǎo)致控制器反應(yīng)實(shí)時(shí)性降低，制約了先進(jìn)控制算法在PLC上的應(yīng)用。為了解決此問題，本文以基于Matlab與s7200的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)為例，將Matlab Simulink直接應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場系統(tǒng)。該系統(tǒng)的PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣和輸出，在Matlab上實(shí)現(xiàn)控制算法，通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab與PLC間的數(shù)據(jù)傳送，并利用Matlab內(nèi)置的GUI實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控界面。該

3、系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測試，取得了較好的控制效果。本文研究為有效提高控制系統(tǒng)的效率與控制水平開辟一條新路。1 OPC接口技術(shù)    opt(OLE for Process Control)規(guī)范是在微軟倡導(dǎo)下由OPC基金會(huì)所建立的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，它基于微軟現(xiàn)有的OLE、組件對(duì)象模COM和分布式組件對(duì)象模DCOM技術(shù)。OPC規(guī)范的引入，提供了一種在數(shù)據(jù)源與客戶端之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)制。OPC標(biāo)準(zhǔn)中的軟件體系結(jié)構(gòu)為客戶視服務(wù)器模式，每個(gè)支持OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的硬件廠商為其設(shè)備開發(fā)一個(gè)OPC服務(wù)器，提供必要的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)

4、；支持OPC接口的應(yīng)用軟件作為OPC客戶，通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，從而讀寫硬件設(shè)備的信息。    OPC服務(wù)器由3類對(duì)象組成，包括服務(wù)器、組和數(shù)據(jù)項(xiàng)。OPC的應(yīng)用架構(gòu)及層次對(duì)象的關(guān)系如圖1所示。0PC服務(wù)器對(duì)象擁有服務(wù)器的所有信息，同時(shí)也是組對(duì)象的容器。組對(duì)象OPC項(xiàng)擁有本組的所有信息，同時(shí)包含并在邏輯上組織了OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)。而OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)是服務(wù)器定義的對(duì)象，包括值、品質(zhì)、時(shí)間戳3個(gè)基本屬性。OPC客戶對(duì)設(shè)備寄存器的操作都是通過數(shù)據(jù)項(xiàng)來完成，但OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)并不提供對(duì)外接口，客戶不能直接對(duì)其進(jìn)行操作，所有的操作都是通過組對(duì)象來進(jìn)行的。圖1 OP

5、C的應(yīng)用架構(gòu)及基本結(jié)構(gòu)圖2 基于Matlab與S7200溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)    21 溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合了Matlab語言強(qiáng)大的計(jì)算能力和PLC高抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)，并通過Matlab內(nèi)置的圖形用戶界面GUI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。這樣控制算法可以在Matlab的Simulink中進(jìn)行仿真調(diào)試，進(jìn)而連接被控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制，從而極大簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、提高了設(shè)計(jì)效率。該控制系統(tǒng)由上位機(jī)、S7200 PLC以及溫度控制對(duì)象三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。上位機(jī)主要完成基于Matlab的溫

6、度控制算法和控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，S7200 PLC配置EM235實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)信號(hào)的輸入與控制信號(hào)的輸出，溫度控制對(duì)象包括脈寬調(diào)制電路、由ADS90組成的溫度檢測電路、加熱器等。上位機(jī)Matlab Simulink仿真模型中的實(shí)時(shí)信號(hào)通過OPC通信技術(shù)與S7200 PLC中采樣、控制信號(hào)進(jìn)行通信。Matlab GUI則通過編制M文件的形式實(shí)現(xiàn)與Matlab Simulink仿真模型中控制參數(shù)的鏈接，從而在監(jiān)控界面上控制及監(jiān)測PLC s7200的狀態(tài)，采集對(duì)應(yīng)的溫度響應(yīng)曲線。圖2 溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 22基于OPC技術(shù)的Matlab與S7-200數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)  &#

7、160; 221通信原理    Matlab70集成了OPC Toolbox，它是一個(gè)OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件，通過OPC Toolbox可以連接任何一個(gè)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接服務(wù)器數(shù)據(jù)的讀或?qū)??；贠PC技術(shù)的Matlab與PLC S7200通信原理圖如圖3所示：參照Matlab中的OPCToolbox對(duì)象模型，以s7200 OPC Server為OPC服務(wù)器，Matlab為客戶端，建立OPC通信的流程，實(shí)現(xiàn)Matlab在實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。222 PC Access與s7200的連接    PC Access

8、是西門子S7200的專用OPC服務(wù)器，支持OPC Data Access(DA)30規(guī)范，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶端通信，其服務(wù)器ID為“S7200OPCServer”。在PC Access中可以為監(jiān)控的PLC定義屬性、通信協(xié)議，創(chuàng)建客戶端訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)及數(shù)據(jù)地址等。本系統(tǒng)中需要通過OPC通信的數(shù)據(jù)項(xiàng)有2個(gè)，即werldu(溫度過程值)、kongzhi(控制量)。圖3 OPC通信原理  223建立Matlab與PC Access的連接    運(yùn)行PC Access中的相關(guān)項(xiàng)目后，在Matlab命令窗口編寫運(yùn)行如下M文件程序?qū)崿F(xiàn)Mat

9、lab與PCAccess的通信o    clc    clear all；    hostlnfo=opcserverinfo(localhost)；    allServers=hostInfoServerID；確定該主機(jī)上可用的ID    da=opcda(localhost，S7200OPCServer)；s7200 OPC Sever為PC Access的OPC服務(wù)器ID connect(da)；連接OPC服務(wù)器  &

10、#160; grp=addgroup(da，groupl)增加組    wendu=additem(grp，MicroWinNewPLcwendu)；增加數(shù)據(jù)項(xiàng)與PC Access中溫度設(shè)定關(guān)聯(lián)。    kongzhi=additem(grp，MicroWinNewPLckongzhi)；    23基于Simulink的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的實(shí)現(xiàn)    231單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法    常規(guī)PID控制器對(duì)運(yùn)行工況適應(yīng)

11、性差，參數(shù)的整定往往難以保證系統(tǒng)優(yōu)良的控制性能，然而具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元算法所構(gòu)成的單神經(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)境的變化，具備較強(qiáng)的魯棒性。    單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器是通過加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，自組織功能的，可以通過不同的學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào)整權(quán)系數(shù)，從而構(gòu)成不同的控制算法。    本系統(tǒng)按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)權(quán)系數(shù)的調(diào)整。對(duì)于增量型神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)： 232基于Simulink的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)    圖4中OPC Read模塊、OPC

12、write模塊分別與PC Access中的數(shù)據(jù)項(xiàng)wendu(溫度過程值)、kongzhi(控制量)鏈接，負(fù)責(zé)現(xiàn)場溫度過程信號(hào)的讀入和控制量的輸出。由于神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，若簡單地應(yīng)用Simulink將無法對(duì)其進(jìn)行仿真，此時(shí)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)則的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的S函數(shù)模塊dsjypid程序編寫如下：    functionsys，xO=nu(t，x，u，flag，np，ni，nd，K，wl，w2，w3)if flag=2sys(1)=x(1)+ni水u(1)木u(1)；sys

13、(2)=X(2)+np球U(2)木U(1)；sys(3)=x(3)+nd水U(3)水U(1)；elseif flag 2=3sys=K*(x(1)*u(1)+x(2)*u(2)+x(3)*U(3)(abs(x(1)+abs(x(2)+abs(x(3)；elseifflag=0sys=0，3，l，3，1，1；xO=w1，w2，w3；elsesys=；end圖4 單神經(jīng)元PID的Simulink系統(tǒng)模型24 系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)    Matlab GUI是由各種圖形構(gòu)建的用戶界面，它既能嵌入己有的仿真程序，又能把仿真后的圖形化結(jié)果以人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)方式直觀呈現(xiàn)，對(duì)于熟悉

14、Maflab而不想編寫大量VC代碼的科研人員來講，Maflab GUI無疑是一個(gè)最佳選擇。Matlab GUI監(jiān)控界面的實(shí)現(xiàn)包括監(jiān)控界面的組態(tài)和對(duì)應(yīng)組件M文件程序的編寫。    本系統(tǒng)上位機(jī)采用Matlab-GUI設(shè)計(jì)監(jiān)控界面,實(shí)現(xiàn)在Manab GUI界面上控制及監(jiān)測PLC s7200的狀態(tài)，采集對(duì)應(yīng)的溫度響應(yīng)曲線。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)界面如圖5所示。在監(jiān)控界面中我們設(shè)置了若干個(gè)控制按鈕實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、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)和控制參數(shù)區(qū)以方便用戶的控制與監(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

15、先將輸人參數(shù)文本框中的字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換并賦值給各對(duì)應(yīng)中問變量，然后將中間變量與S-function模塊中的相關(guān)變量進(jìn)行鏈接，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入；繪制曲線的回調(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的測定與顯示。圖5 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖 圖5中SV、PV分別為溫度的設(shè)定值和實(shí)時(shí)過程值，wi(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)元的比例學(xué)習(xí)速率、積分學(xué)習(xí)速率、微分學(xué)習(xí)速率和神經(jīng)元比例系數(shù)。 25溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的測試    我們以單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法為例對(duì)上述溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行TN試。圖6中兩曲線分別為s

16、7200白帶的PID控制、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的溫度動(dòng)態(tài)過程曲線。在S7200端是用WINCC監(jiān)控顯示。    測試結(jié)果表明：采用PID控制算法，系統(tǒng)P=42I=42 rain，D=01min時(shí)，溫度設(shè)定值從30階躍到44，系統(tǒng)溫度峰值為445，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定值為43 98，超調(diào)量f=42，tp=208 s；采用基于Matlab與S7200的單神經(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42，01，02。選取np=l 500，ni005，nd=05，K=60，測試結(jié)果可知溫度設(shè)定值從30階躍到44，系統(tǒng)溫度峰值為446，系統(tǒng)

17、溫度穩(wěn)定值為4397，超調(diào)量f=5，tp=57 8；圖7為基于Matlab與S7200的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法，Matlab GUI客戶端監(jiān)控測試的曲線。    由上述圖可得如下結(jié)論。從圖6中2種控制算法實(shí)現(xiàn)的溫度控制動(dòng)態(tài)過程可知，采用單神經(jīng)元PID算法有很好的響應(yīng)快速性，系統(tǒng)控制效果良好，本測試以單神經(jīng)元PID算法為例，由于算法在Pc上比較容易實(shí)現(xiàn)，所以本方案的控制可以進(jìn)一步擴(kuò)展更為復(fù)雜控制算法。    從圖6與圖7中可以看出：采用單神經(jīng)元PID控制時(shí)，S7200端測試的溫度曲線與GUI監(jiān)控界面溫度曲線完全相同，檢測的溫度實(shí)時(shí)值一致，表明MaIlab GUI、PC Access、S7200 PLC 3者間的通信良好，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。圖6 S7200端測試的溫度動(dòng)態(tài)過程曲線圖7 GUI客戶端測試的溫度動(dòng)態(tài)過程曲線3 結(jié)論    Matlab和Simulink具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和