盖文东, 张 婧, 赵伟志

(山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590)

基于OPC技术的过程控制仿真实验设计

盖文东, 张 婧, 赵伟志

(山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590)

针对现有的过程控制实物实验装置在教学使用过程中存在的问题,设计了基于OPC通信技术的过程控制仿真实验。该仿真实验利用KingACT软件实现典型工艺过程的闭环控制仿真,并通过OPC技术与KingView组态软件进行实时通信,实现了对典型工艺过程的监控。以双容水箱液位控制工艺过程为例,说明了设计仿真实验的具体过程。应用结果表明：该仿真实验便于学生进行二次开发和开展创新研究。

过程控制； 动态仿真； 实验教学； OPC技术

过程控制是一门理论性和实践性紧密结合的自动化专业核心课程,具有工程实践性强的特点[1]。实验是学生掌握过程控制理论知识、提升解决实际问题能力的重要实践教学环节,是培养创新型、复合型人才的重要手段。

1 过程控制仿真实验方案

目前高校使用的过程控制实验装置主要有天煌教仪的THKGK系列、华晟高科的A3000系列、求是教仪的NPCT系列等[2],它们均采用PLC作为控制器。这些实验装置包括了几种典型的工艺对象,如双容/三容水箱系统、锅炉系统、加热炉系统等,反映了实际工业生产领域过程控制设备的基本特征。这些实物实验装置在教学实践过程中主要存在以下2个问题:

(1) 设备采购费用较高,例如NPCT系列过程控制实验装置的单价在10万元以上,而且每套实验装置每次仅能供几名学生进行实验,而我校自动化专业的学生人数在150人左右,现有设备难以满足学生完成不同类型实验的需要,特别是不能满足课程设计和毕业设计阶段的实验需要；

(2) 根据所购置的模块,实验装置只能完成若干固定类型的实验,学生难以在其基础上进行二次开发或者自主设计、完成一些创新性实验。

软件仿真技术[3]的快速发展为解决这些问题提供了有效的方法。文献[4]采用LabVIEW和Matlab设计了过程控制虚拟仿真平台,实现了典型过程控制对象的自动控制、动态显示和仿真分析；文献[5]利用OPC(OLE for process control)技术将Matlab仿真软件与过程控制实验装置相结合,开发了实时监控软件,以便于学生开展创新性研究；文献[6]借助OPC技术，将Matlab仿真软件与KingView组态软件相结合,实现水箱对象和直流电动机的控制与组态运行。在实际工业过程中,PLC是最为常用的控制器,它与Matlab在编程、调试方式上有较大差别。

本文基于OPC技术,利用亚控公司的KingACT逻辑控制软件(即软PLC)与KingView组态王软件,针对某典型工艺对象设计了过程控制仿真实验,为学生提供软件环境下的实验平台,有助于培养创新型专业技术人才。

OPC是一个开放的接口标准[7-8],它位于数据源和数据使用者之间,为工业控制提供了一种标准的数据访问机制,可用于被控设备之间的通信和数据传递。

过程控制仿真实验系统的设计思路为:利用亚控公司的KingACT软件实现工艺对象的数学模型和具体的控制算法,通过OPC接口与OPC服务器连接；利用KingView组态软件建立工艺对象的监控界面,亦通过OPC接口与OPC服务器连接,以读取和显示对象仿真软件KingACT输出的数据,并通过修改对象仿真软件KingACT中的控制器参数或给定值来改变控制效果。该过程控制仿真实验系统方案如图1所示。

图1 过程控制仿真实验方案

图1中的仿真实验监控界面通过KingView组态软件实现；扰动模型、执行器、测量变送器和被控对象模型均由KingACT软件中的功能块(FBD)编程语言编写；控制器由KingACT软件中的梯形图(ladder diagram,LD)编程语言编写。FBD编程语言和LD编程语言与常用的PLC编程语言在编程、调试方法方面非常相似。另外,KingView组态软件和KingACT对象仿真软件均运行在同一台计算机上,这为学生完成实验提供了便利。

2 过程控制仿真实验设计

根据前述系统方案,以双容水箱液位控制这一典型的工艺过程为例,说明该仿真实验的具体设计过程。

2.1 仿真变量定义

如图1所示,整个仿真实验系统是通过OPC服务器进行通信的,因此,需要定义相应的变量以便完成数据交互。双容水箱液位控制仿真变量如表1所示。

表1 双容水箱液位控制仿真变量表

表1中所定义的变量均是在KingACT软件中定义的全局变量,其中变量“pid输出”为图1中的控制器输出,变量“水箱2液位”为图1中的被控对象输出。另外,变量“TI”和“TD”为TIME类型,其取值满足六十进制,例如若变量“TI”取值为70 s,则TI=t#1m10 s,即1 min 10 s。

2.2 被控对象仿真模型建立

根据图1所示,应建立包括执行器、测量变送器、扰动模型和被控对象在内的仿真模型。为了简化编程且不失一般性,这里只建立了被控对象双容水箱的数学模型,其传递函数为

(1)

式中，s为复变量。

图2中,LAG1为表示一阶惯性环节的功能块。除此之外,KingACT软件还提供了纯滞后功能块PLAG、积分功能块INTE等[9],以满足建立更为复杂的被控对象仿真模型需要。另外,图2中所使用的变量均定义在表1中。

2.3 控制器仿真模型建立

通过KingACT提供的梯形图编程语言,建立控制器的仿真模型。这里不仅可以完成各种顺序逻辑控制,还可以完成连续控制。利用梯形图编程语言所建立的控制仿真模型如图3所示。

图2 基于功能块的双容水箱对象模型

图3 基于梯形图的PID控制器

图3中既包含顺序逻辑控制,又包含PID连续控制。当变量“开关”闭合时,PID模块才完成相应的计算并得到“pid输出”,否则计算结果保持初值不变。在PID模块的属性窗口中将比例系数、积分时间常数、微分时间常数分别设置为表1中定义的变量KP、TI和TD。

2.4 监控界面设计

建立监控界面的目的是建立形象化的物理对象、模拟工艺流程显示、跟踪历史趋势和便于人员操作,完成对工艺对象的监控。

通过KingView组态软件[10-12]建立双容水箱液位

控制的监控界面。在开始进行监控界面的设计之前,首先需要启动KingACT中的OPC服务器。然后在建立监控界面的数据词典时,需将连接设备选为KingACT OPC服务器,这样在KingACT中定义的所有变量对KingView组态软件均是可见的。

建立监控界面分为两步:(1)设计静态图形界面,主要包括图形对象绘制、工艺流程表示、实时趋势和操纵按钮等图形对象放置等；(2)完成动态数据链接和动态链接,即建立图形界面上的字符串和图形对象与数据词典中变量的对应关系。

被控对象仿真模型与控制器仿真模型构成闭环仿真系统。当仿真启动后,控制器输出、液位高度等变量发生变化,通过OPC接口,将引起实时数据库(即数据词典)中对应变量的变化,从而使监控界面上的数据点值发生变化,而且进行过动画链接的图形对象也将产生相应的动画效果。

所建立的双容水箱液位控制的动态监控界面如图4所示。

图4 双容水箱液位控制监控界面

图4中设定的液位、扰动、比例系数、积分时间和微分时间均可以在线修改。图中的实时曲线是当系统加入5%扰动时,两个水箱的液位和控制器输出的实时响应曲线。

2.5 功能特点与应用分析

本文设计的基于OPC技术的过程控制仿真实验,有效弥补了现有过程控制实验装置在实验教学中的不足,其优势体现在以下两方面。

(1) 实验组织经济、方便,无需硬件设备投资。学生将实验软件安装在实验室或个人的电脑上即可完成全部实验过程,无需其他硬件设备投资,不受设备条件、实验室空间、学生人数和实验时间的限制。

(2) 可扩展性强,便于学生进行二次开发和创新研究。学生可以在该仿真实验的基础,针对不同的生产工艺过程,建立合适的对象仿真模型和控制器仿真模型,完成控制实验,这有利于开展课程设计、毕业设计等自主性较强的创新性教学环节。

该双容水箱液位控制仿真实验已经在过程控制与仪表课程实验、课程设计和毕业设计等教学环节得到应用。利用该仿真实验,学生通过修改监控界面上的PID控制参数,水箱动态画面和实时趋势曲线会将控制效果直观、清晰地显示出来,有利于学生理解PID控制器的物理概念、积累PID参数整定经验。学生在该仿真实验的基础上,在课程设计和毕业设计期间,自行开发了路口交通灯控制、多层电梯控制、加热炉温度控制、锅炉控制等仿真实验。应用结果表明,该仿真实验是对现有过程控制实验装置的有益补充,为学生开展课程设计和毕业设计提供了有利条件,并能够有效地帮助学生开展自主实验设计。

3 结束语

基于OPC技术的过程控制软件仿真实验组织经济、方便,便于学生进行二次开发和创新研究,有助于提高学生分析问题和解决问题的实践能力。基于OPC技术,将在过程控制实验中开发出更多的虚拟仿真实验,满足实验教学的需要。

References)

[1] 黄德先,王京春,金以慧.过程控制系统[M].北京:清华大学出版社,2011.

[2] 艾红.过程控制实验装置功能开发与应用[J].实验技术与管理,2013,30(8):50-53.

[3] 周雨阳,段玉生.现代教育技术促进实验教学创新[J].实验技术与管理,2010,27(11):337-339.

[4] 郭一楠,程健,陈颖.基于LabVIEW和Matlab的过程控制虚拟仿真平台研究[J].电气电子教学学报,2006,28(2):61-64.

[5] 邓晓刚,陈卫红,杨明辉.过程控制实验装置实时监控软件开发[J].实验科学与技术,2014,12(6):57-59.

[6] 胡开明,傅志坚,葛远香.基于OPC与组态技术的自动控制实验教学仿真平台开发[J].实验技术与管理,2013,30(6):50-53.

[7] 戚中奎,林果园,孙统风.OPC数据访问服务器的研究与实现[J].计算机工程与设计,2011,32(4):1517-1520.

[8] 蒋近,段斌.基于OPC技术的监控主站实时数据传输[J].电力自动化设备,2008,28(9):97-100.

[9] 北京亚控科技发展有限公司.KingACT1.5编程手册[M].北京:北京亚控科技发展有限公司.

[10] 穆亚辉.组态王软件实用技术[M].郑州:黄河水利出版社,2012.

[11] 吴永贵.基于工控组态软件即时对话框的实现[J].实验技术与管理,2012,29(5):147-150.

[12] 刘景华,王辛杰,吴则举.基于组态王的数据采集监控系统[J].青岛理工大学学报,2008,29(4):105-108.

Design of process control simulation experiment based on OPC technique

Gai Wendong, Zhang Jing, Zhao Weizhi

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Aiming at the problem of the process control experimental devices during the experimental teaching,the process control simulation experiment based on OPC technique is designed. In this simulation experiment,the closed-loop control simulation of the typical productive process is realized by the KingACT software,then it communicates with the KingView configuration software through the OPC technique,and the monitoring to the productive process is finished. The application effect shows that it is able to help the students finish the secondary development and innovation research.

process control; dynamic simulation; experimental teaching; OPC technique

2015- 02- 10

山东科技大学自动化学院名校工程建设项目(MX-JXGG-5)；山东科技大学人才引进科研启动基金项目(2014RCJJ053)资助

盖文东(1982—),男,山东淄博,博士,讲师,主要研究方向为控制理论及其应用.

E-mail：gwd2011@sdust.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2015)10- 0132- 04