組態軟件和OPC技術在化工過程仿真中的應用研究

孟磊，鄒志云，任夫健，王志甄，于洪偉，蓋希杰

(防化研究院，北京 102205)

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組態軟件和OPC技術在化工過程仿真中的應用研究

孟磊，鄒志云，任夫健，王志甄，于洪偉，蓋希杰

(防化研究院，北京 102205)

摘要：研究了工業界流行的過程控制中的對象連接與嵌入技術(OPC)。以1套雙容水箱液位系統為仿真實例，提出前臺利用組態軟件KingVIEW設計界面友好交互方便的監控界面，后臺利用KingACT實現被控對象模型和集成串級PID控制算法的控制器，KingVIEW與KingACT利用OPC接口傳輸數據的仿真系統結構。運行結果表明了該結構的有效性。

關鍵詞：組態軟件OPC技術仿真系統數據采集

過程仿真系統在化工過程控制領域有著廣泛的需求與應用。傳統的實物/半實物仿真系統屬于硬件仿真，接近工業現場實際，操作方式與現場有著極大的相似性，但物理系統制作復雜，成本較高且一旦定型難以改動，造成二次開發困難；隨著計算機技術的發展，軟件仿真技術為化工過程仿真提供了便捷有效的手段，如基于Matlab/Simulink的數字仿真通過數學工具分析解決實際問題，建模能力強，但在界面設計方面明顯遜色于組態軟件[1-2]。

以某雙容水箱液位控制工藝過程為仿真實例，筆者提出了介于物理對象仿真和純仿真語言之間的一種仿真實驗方法： 前臺利用組態軟件KingVIEW設計界面友好交互方便的人機界面，后臺利用KingACT模擬實際被控對象、實現串級PID控制算法，KingVIEW與KingACT利用過程控制中的對象連接與嵌入技術OPC(object linking embedding for process control)傳輸共享數據。

1系統架構

1.1OPC技術

OPC是由一些世界上著名的自動化系統和硬件、軟件公司和微軟公司(Microsoft)緊密合作而建立的一個工業標準。它采用典型的Client/Server(C/S)模式[2]： 1個OPC客戶端可連接多個OPC服務器，多個OPC客戶端可連接1個OPC服務器。

OPC服務器由三類對象組成[2]： 服務器(server)、組(group)、項(item)。服務器對象維護OPC服務器的所有信息，也是組對象的容器，可動態創建或釋放組對象。組對象維護自身信息，并提供包容、管理項對象的機制，其提供了客戶組織數據的一種方法，是應用程序組織數據的一個單位，客戶可對之進行讀寫，還可設置客戶端的數據更新速率，當服務器緩沖區內數據發生改變時，OPC將向客戶發出通知，客戶得到通知后再進行必要的處理，而無需浪費大量的時間進行查詢。項對象是讀寫數據的最小邏輯單位，通常指向設備的1個寄存器單元，可看做是數據的地址，OPC客戶端對設備寄存器的操作都是通過項對象完成的，通過定義項對象，OPC協議盡可能地隱藏了設備的特殊信息，也使OPC服務器的通用性大幅增強。三類對象的組織結構如圖1所示。

圖1　OPC服務器三類對象組織結構示意

OPC協議解決了不同廠商品牌的軟件與硬件、軟件與軟件之間由于數據格式不一致等問題造成的通信障礙，為基于Windows的各類應用軟件和現場過程控制設備間搭起了橋梁。軟件方面，目前幾乎所有的工控組態軟件、高級編程語言都支持OPC標準；硬件方面，幾乎所有的PLC也都集成了OPC協議[1-2]。

1.2組態軟件

組態軟件是用于工業現場數據采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，大幅縮短系統集成的時間，提高集成效率[3]。

以KingVIEW為例，組態軟件一般包括[3]： 工程管理器、開發系統、運行系統、實時數據庫、I/O驅動程序、控制策略生成器以及各種數據服務及擴展組件等，其中實時數據庫是系統的核心。

除了便捷的圖形組態編程方式外，一般組態軟件還可以通過腳本語言編程來擴充其功能[2]，實現較為復雜的邏輯。當某些控制和計算任務通過常規組態方法難以實現時，通過使用腳本語言，能夠增強整個系統的靈活性，解決其常規組態方法難以解決的問題。用腳本語言編寫的程序段可由事件驅動或周期執行，與對象密切相關。

1.3軟PLC

雖然腳本語言能夠完成一定的控制功能，但其功能還不夠強大，而且不太直觀方便，對于習慣了梯形圖或FBD圖編程的工程師略有不便。為此許多組態軟件廠商開發了基于PC的控制策略編輯和生成組件[2-4]，即軟PLC。采用復合IEC 61131-3標準的圖形化編程，提供包括變量、數學運算、邏輯功能、程序控制、常規功能、控制回路、數字點處理等基本運算塊，內置常規PID、比值控制、開關控制、斜坡控制等豐富的控制算法。

KingACT即是一種典型的軟PLC產品，它包含以下部分：

1) KingACT開發系統。開發系統用于控制策略生成，遵循IEC 1131-3標準。支持梯形圖LD和功能塊FBD兩種編程方式，幾乎無縫銜接傳統PLC硬件的開發方式。

2) KingACT運行系統。開發編譯好的工程在系統中運行，并通過運行系統完成工程啟停控制、運行及掃描周期的設定、通信端口的配置及安全性等功能。

3) OPC服務器。作為1個獨立的程序，從KingACT工程中讀取變量信息，訪問對應的KingACT運行系統中的變量，其所有變量提供給外部客戶端訪問。

1.4仿真系統架構

利用組態軟件KingVIEW和軟PLC組件KingACT搭建的仿真系統如圖2所示。

圖2　基于KingVIEW與KingACT的仿真系統示意

仿真具體步驟： 分析和建立對象模型；啟動KingACT開發環境，建立仿真工程，進行對象、控制器策略組態；啟動KingACT運行環境，裝入仿真工程并運行；啟動KingACT OPC服務器，進入實時通信狀態；啟動KingVIEW進入圖形開發環境，在組態王開發環境中建立工程、設備配置和定義變量，并進行圖形界面組態和變量的動態連接；啟動KingVIEW運行系統，裝入仿真工程并運行；在線修改參數、查驗分析結果。

2仿真實例

以1套雙容水箱系統[2]為仿真對象，系統包括2個橫截面積分別為S1和S2的水箱T1和T2，兩水箱之間有橫截面積為SF1的閥門CV1，T2接有橫截面積為SF2的閥門CV2，如圖3所示。

圖3　雙容水箱系統示意

2.1分析建立對象模型

雙容水箱系統由水泵供水，設水泵控制電壓范圍為0～10V，水泵出水量與控制電壓之間傳遞函數為

(1)

式中：qVi——流入水箱的體積流量，L/s；Up——水泵控制電壓，V；水泵的參數可近似為τd=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1L/(V·s)。

以水泵輸入作為系統輸入，水箱2液位作為系統輸出，則系統為單輸入單輸出的二階慣性系統。假設系統線性或可以線性化，則可推出系統微分方程如下：

(2)

式中：qV1——通過CV1的體積流量，L/s；qV0——通過CV2的體積流量，L/s。

設閥門CV1和CV2的流量與閥門開度μ呈線性關系，則水箱流量：

(3)

式中：μ1——閥門CV1的開度；μ2——閥門CV2的開度；g——重力加速度，m/s2。

根據以上各式即可在KingACT中建立雙容水箱對象模型。

1) 建立雙容水箱變量表，該變量表覆蓋了式(1)～式(3)建模過程中用到的各個參數。

2) 搭建雙容水箱對象模型的功能塊，該過程中用到了純滯后模塊(PLAG)、一階慣性濾波模塊(LAG1)、積分模塊(INTE)等標準功能塊，平方根函數(SQRT)、選擇器函數(SEL)、限幅函數(LIMIT)等以及加、減、乘、除等操作符。

2.2串級控制器設計

針對該雙容水箱液位系統，采用串級控制策略設計控制器。串級控制對二次干擾有很強的克服能力；能改善對象的動態特性，提高系統工作頻率；對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。雙容水箱液位串級控制系統如圖4所示。

在KingACT中，使用2個PID標準功能塊，將其配置為圖5結構所示，即可方便快捷地構成串級控制器。

2.3KingACT OPC服務器配置

1) 建立好對象模型、設計好控制器后，必須通過“開始菜單—KingACT運行系統”載入編譯好的工程。

圖4　雙容水箱串級控制系統示意

圖5　基于功能塊的串級PID控制器

2) 啟動KingACT運行系統后，即可配置KingACT OPC服務器。KingACT OPC服務器是1個獨立的程序，能夠從現有的KingACT工程中讀取變量信息，訪問對應的KingACT運行系統中的變量(本地、以太網、串口)，作為OPC服務器與其他軟硬件通信，共享上文模型中的數據點。

2.4監控界面設計

在KingVIEW中，通過各種組件可以方便建立形象化的物理對象、模擬工藝流程、跟蹤歷史趨勢，便于人員培訓和操作，完成對工藝對象的監控。

組態監控界面時，首先需建立數據詞典，此時KingVIEW作為OPC客戶端，需將各個數據點通過KingACT OPC服務器與KingACT中定義的對應變量鏈接；然后繪制靜態的水箱、調節器、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和一些輔助按鈕；最后將靜態界面與數據動態鏈接，即建立圖形界面上字符串和圖形對象等元素與數據詞典中變量的對應關系。

3結束語

文中介紹了OPC標準，提出基于OPC通信的組態軟件與軟PLC結合設計化工過程仿真系統。

充分利用工控組態軟件設計貼近工藝過程實際的人機界面，利用軟PLC與PLC硬件類似的梯形圖或功能塊編程方式實現被控對象模型和所需的各種控制策略的控制器。

與傳統的硬件仿真相比，該方法需要一個建立模型的過程，有利于了解和掌握工藝過程模型化的方法，可以很清楚地觀測到模型內部的變量變化關系和趨勢，提高模型的透明化程度，突出模型的物理意義，還可以方便快捷地構造出比物理仿真設備更為復雜的模型，完成更為復雜的控制系統實驗。與基于Matlab的數字仿真相比，該方法更貼近仿真實際以及工業應用，它可以借助于組態軟件豐富的圖形功能，構造形象化的現場設備和控制環境，有利于仿真與現場實際的結合，避免兩者脫節。

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Application Research of Configuration Software and OPC Technique in Chemical Process Simulation

Meng Lei, Zou Zhiyun, Ren Fujian, Wang Zhizhen, Yu Hongwei, Gai Xijie

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205, China)

Abstracts： Widely used object linking and embedding for process control (OPC) technique in industry for process control is studied. A simulation system structure is designed, in which configuration software KingVIEW is used to design a user-friendly monitoring interface in foreground and KingACT is used to simulate controlled device and controller integrated with cascade PID algorithm in background, with data transmission realization between KingVIEW and KingACT with OPC as interface. The effectiveness of this simulation structure is proved by running effects.

Key words:configuration software; object linking and embedding for process control technique; simulation system; data acquisition

作者簡介：孟磊(1990—)，男，河南開封人，2013年畢業于西安交通大學自動化專業，現為防化研究院在讀碩士研究生，主要從事清潔生產與過程控制方面的研究工作。

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0032-04

稿件收到日期： 2015-12-16，修改稿收到日期： 2016-03-01。