基于PCS7和Simulink的過程控制虛擬仿真實驗平臺開發

雷振伍, 吳秀冰, 孫德輝, 李　超

(北方工業大學 電氣與控制工程學院, 北京　100144)

?

基于PCS7和Simulink的過程控制虛擬仿真實驗平臺開發

雷振伍, 吳秀冰, 孫德輝, 李超

(北方工業大學 電氣與控制工程學院, 北京100144)

為了解決過程控制實驗DCS硬件成本高、學生的實驗效率低等問題,提出一種基于PCS7和Simulink的虛擬實驗平臺開發方案。該方案利用Simulink提供的子系統搭建實際工業對象模型,在PCS7中組態過程控制算法,通過OPC通信進行實時仿真。以雙容水箱液位控制實驗為例,介紹了整個實驗平臺的搭建過程。實際教學效果表明,該實驗平臺減少了硬件成本,激發了學生的實驗興趣,提高了實驗效率。

過程控制； PCS7； Simulink； OPC

過程控制屬于工業自動控制領域的重要分支,是銜接了自動控制原理和現代控制理論的自動化專業課程。做好該課程實驗教學,對提高學生的專業技能、理論水平、實踐能力和創新精神具有非常重要的作用[1-3]。在工業過程控制中,DCS(distributed control system)具有舉足輕重的作用,控制算法的部署往往基于DCS平臺[4]。目前,高校主要使用兩種方式進行過程控制實驗教學。

一種是采用購買或自主研發的過程控制實驗裝置[5-6],雖然在一定程度上能夠還原真實工業生產場景,但各部分器件價格均較高,如果學生實驗誤操作,也會縮短實驗裝置的使用壽命、降低實驗效率。

另一種是利用Simulink建模和控制算法仿真的優勢[7-8],對工業對象進行單純的控制算法仿真驗證,缺少了實際DCS系統應用,不利于學生對工業控制整體結構的認識,容易使實驗教學與實際應用脫節。

為了彌補以上不足,本文提出基于PCS7和Simulink的虛擬仿真實驗平臺,通過OPC(OLE for process control)通信方式,建立PCS7控制系統與Simulink模型系統的連接,使用軟PLC技術實現過程控制算法的仿真研究[9-10]。該虛擬實驗平臺對實驗教學有3方面貢獻:(1)可以使學生深入了解DCS系統,掌握過程控制算法在實際DCS中的部署過程、工業過程控制中控制器和被控對象的具體結構；(2)通過使用該虛擬實驗平臺進行必要的仿真演練,加深學生對教學內容的理解,可有效防止實際實驗中的因誤操作引發的設備損壞事故；(3)通過在PC機中安裝相應的軟件和簡單的配置就可以實現本虛擬實驗平臺的搭建,學生可以隨時隨地進行仿真學習,解決了實驗設備數量不足的問題。

1　虛擬實驗平臺實現

1.1SIMATIC PCS7 DCS控制系統

SIMATIC PCS7是集DCS與PLC技術功能特點于一身過程控制系統,它既有DCS系統的分散控制、操作管理、通信等功能,又有SIMATIC 7系列PLC的通用性[11]。PCS7由工程師站(ES)、操作員站(OS)、自動化站(AS)和通信網絡組成。ES站算法庫集成了連續PID控制、分程控制、比值控制以及先進控制(APC)等諸多控制策略,用戶可以根據實際被控對象選擇不同的控制策略；OS站運行WinCC人機界面,進行實時數據采集、歸檔、趨勢顯示及報警等,通過OS站編譯可在畫面中自動生成控制器的獨立操作面板,可以方便地進行控制參數調節；AS站采集現場數據并存儲,有實現先進過程控制的功能塊程序,可以實時進行優化運算并輸出控制量來驅動現場設備[12]。

1.2實驗平臺結構

實驗平臺結構如圖1所示。利用該實驗平臺,可以開發多種被控對象的實驗和相應的控制策略。PCS7、WinAC、Simulink等軟件皆安裝在一臺PC機上。PCS7系統AS站采用WinAC(軟PLC),是可實現處理用戶程序的軟件；WinLC是WinAC的CPU控制器,可利用計算機強大的硬件資源,具有較高運算速率和超大任務執行能力；OS站使用WinCC作為監控系統,使用SIMATIC NET組態PCS7 OPC Server與第三方軟件進行通信。由于系統的全部功能在一臺PC機上實現,故采用PC internal(Local)內部接口進行通信連接。在PCS7系統中,可以開發諸如單回路控制、串級控制、比值控制、分程控制等經典控制策略,也可以開發模糊控制,模型預測等先進控制策略。

實驗平臺仿真對象模型由Simulink進行搭建,Simulink是Matlab的重要組件,它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境,只需要通過簡單、直觀的拖拽操作,就可構造出復雜的系統。Simulink具有仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點,在Simulink系統中開發了雙容水箱、干燥器、反應釜等工業對象模型。

本文重點介紹雙容水箱實驗平臺的搭建過程,主要包括Simulink模型建立、PCS7控制策略設計以及OPC通信實現。

圖1　虛擬實驗平臺結構

2　雙容水箱模型

在北方工業大學自主研發的雙容水箱實驗平臺中,水箱高度為30 cm,水箱液位由超聲波液位計檢測,水槽中的水經過直流調速水泵流向水箱1,經管道和手操閥(V2)間接影響水箱2的液位。根據物料平衡方程可推導出水箱2液位(h2)與上水流量(u)的動態關系,根據圖2結構可得:

圖2　雙容水箱結構

(1)

(2)

式中A1、A2分別為水箱1和水箱2的橫截面積,R1、R2分別為水箱1和水箱2的線性化水阻,h1、h2分別為水箱1和水箱2的液位高度,Ku為閥門流量特性系數。

整理式(1)和式(2),可分別得到:

式中T1=A1R1,T2=A2R2，T1、T2分別為水箱1和水箱2的時間常數,r=R2/R1,兩式消除h1可得

(5)

由式(5)可知水箱2液位與上水流量之間的傳遞函數為

(6)

該系統為典型的二階系統。T1和T2的大小決定了系統反應的快慢,通過對實驗室實際雙容水箱平臺的直流調速水泵進行階躍測試,采集液位數據,使用Matlab系統辨識工具箱,辨識出雙容水箱對象模型傳遞函數,并根據傳遞函數在Simulink中搭建對象模型。傳遞函數如式(7)所示:

(7)

3　PCS7 控制策略設計

設計單回路PID控制策略對水箱液位進行控制,控制規律為PI,控制器作用為正作用,被控變量為水箱液位,操作變量為水泵轉速,控制結構如圖3所示。

圖3　控制結構圖

PID控制算法由PCS7(版本為PCS7 V7.2SP1)基本庫中連續PID控制塊CTRL_PID(FB61)構成,模擬量輸入/輸出信號分別由模塊CH_AI(FC275)/CH_AO(FC276)進行處理。CFC仿真程序結構如圖4所示。在圖4實線框里的Simulink模型代替了虛線框里實際水箱對象,控制算法與Simulink仿真模型通過OPC進行數據交換。

圖4　CFC仿真程序結構圖

4　OPC 通信組態

OPC是基于C/S架構的一種通信方式[13-14]。將PCS7端作為OPC Server,將Simulink端作為OPC Client,從而實現二者之間的數據交換。該實驗平臺使用SIMATIC NET來組態PCS7 OPC Server,使用Simulink OPC Toolbox來組態Simulink OPC Client。

4.1SIMATIC NET OPC Server組態

在本系統中采用軟PLC技術,只需組態PC站。PC站在硬件上是一臺實現SIMATIC通信、控制功能的PC機[15],在軟件中使用一個虛擬的站點來配置,采用類似PLC站點配置方式對其進行組態。分別在2、3、4插槽中插入WinLC RTX、WinCC Appl和 OPC Server。在SCE(station configuration editor)里的配置要與SIMATIC Manager PC站組態一致,SCE的站名要與PC站的站名一致。PC站組態完畢之后,需配置三者之間的網絡連接,三者間的通信連接采用的是PC internal(Local)內部接口。建立網絡連接編譯后要下載到WinLC中。

SIMATIC NET OPCServer的主要任務是將實際的工程變量開放到OPC Server中來,以便其他的OPC Server或Client來進行變量的讀寫操作,雙容水箱液位中的所有過程變量在本實例中都是通過DB塊來定義,在CFC中編程所用到的地址實為DB塊中所對應的地址。首先,通過SIMATIC NET提供的OPC Scout生成OPC組(Group),打開OPC Scout,通過“New group”來添加新組,修改刷新速率時間；其次,定義OPC的條目(Item),在已添加組上彈出“OPC Navigator”(OPC瀏覽器)設置連接協議,找到DB塊中水箱液位變量和調速水泵變量,設置相應的數據類型、數據地址和數據長度。最后可以在“Quality”欄中看到通信質量的好壞。

4.2Simulink OPC client組態

在Simulink中提供了OPC Toolbox工具箱,該工具箱本身集成了OPC通信協議,可以在Simulink中直接使用。工具箱中包含通信子模塊,其中OPC Config real-Time模塊用來配置通信,可以設置需要連接的OPC服務器。服務器可以選擇本地服務器,也可以選擇遠程服務器。本實驗平臺在一臺PC機上實現,故選擇本地服務器,服務器名為OPC.SIMATIC NET。OPC Read和OPC Write模塊用于數據讀寫操作,單擊可進行數據條目的連接。OPC Read用來讀取PCS7控制器輸出對應的DB數據塊變量,對應地址為DB1.DBD4；OPC Write用來寫入PCS7水箱液位對應的DB數據塊變量,對應的地址為DB1.DBD0。PCS7與Simulink通信結構如圖5所示。

4.3CFC與Simulink程序

打開CFC編輯器,依據圖4結構編輯CFC控制程序。將FB61、FC275和FC276拖拽到CFC編輯區,連接相應管腳。打開Simulink,根據公式7建立水

圖5　PCS7與Simulink連接示意圖

箱對象模型,并配置OPC服務器,設置OPC Read和OPC Write所要連接的變量,CFC算法程序與Simulink模型程序如圖6所示。

圖6　CFC 和Simulink程序

5　仿真實驗

算法程序設計和通信設置完成后,可以進入實驗的調試階段。先啟動Simulink模型,將仿真時間設置為inf(不受限制),之后將CFC算法程序下載到WinLC(軟PLC)中,激活WinCC,至此實驗平臺開始運行。

雙容水箱單回路控制系統WinCC監控畫面如圖7所示,包括水箱動態顯示圖、PID參數調節面板、液位實時動態趨勢圖。在WinCC監控畫面中畫出工藝圖和管道儀表流程圖(P&ID),PID控制器的位號為LIC1001。工藝流程圖可以顯示實際水箱各個部件的分布、結構以及動態顯示水箱的液位變化,管道儀表流程圖(P&ID)可以清晰描述PID控制回路結構,使學生了解傳感器和控制器在實際系統中的分布。通過PID面板可以設置控制器手動或自動運行,PID參數可以根據經驗方法進行調節,學生在實驗過程中可以充分理解比例、積分、微分對控制系統的作用。該控制系統也可以使用PCS7自帶的PID Tuner參數調節工具進行參數的方便設置,為用戶帶來實際的方便。水箱液位實時動態趨勢圖具有實時趨勢顯示和查詢歷史趨勢的功能,方便用戶觀察實時或歷史的水箱液位過程變化。虛擬實驗平臺在功能上和實際控制系統功能完全一致,可以提供學生諸多實驗的仿真練習。

6　結語

使用PCS7和Simulink建立的過程控制虛擬實驗平臺,能使學生掌握過程控制與DCS系統的基本原理、技術和方法,比較全面地掌握相關知識。該實驗平臺使用了常用于工業的OPC通信技術,與實際工程相結合,綜合性較強。

圖7　WinCC 監控畫面

本文所述虛擬實驗平臺雖然解決了實際實驗硬件成本高、學生學習效率低等問題,但該平臺屬于使用OPC通信,松散地將PCS7和Simulink進行了簡單的集成,二者仍各成一體。因此,筆者擬對該系統進行改進,采用RTW技術將Simulink模型無縫集成到PCS7中,使整個虛擬實驗平臺完全基于PCS7系統,提高系統的集成度。

References)

[1] 艾紅.自動化專業過程控制方向教學與實踐探討[J].實驗技術與管理,2014,31(6):219-222.

[2] 熊新民,李智強,孫麗君.過程控制課程綜合性實驗研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(11):331-333.

[3] 徐新成,朱建軍,趙春鋒,等.“卓越工程師教育培養計劃”工程訓練教學改革[J].實驗室研究與探索,2014,33(5):223-226.

[4] Chai Tianyou, Qin S Joe, Wang Hong. Optimal operational control for complex industrial processes[J].Annual Reviews in Control,2014,38:81-92.

[5] 洪雪梅,項雷軍,李平,等.利用組態軟件與網絡技術改造過程控制實驗室[J].實驗技術與管理,2014,31(5):146-149.

[6] 費慶,李保奎,王曉平,等.基于Simulink/xPC的過程控制綜合實驗平臺改造[J].實驗技術與管理,2011,28(11):286-289.

[7] 朱濤,周天沛,李紅,等.仿真和原型實現相結合的儀表自動化實驗系統開發[J].實驗技術與管理,2015,32(4):136-140.

[8] 李敏,鄒濤,楊馬英,等.過程控制系統綜合性實驗設計與教學實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(6):100-104.

[9] Ye Yin, Wang Jin, Wang Liqiang. Research and implementation of embedded soft PLC system[C]//Intelligent Networks and Intelligent Systems (ICINIS), International Conference on 2012 Fifth. Tianjin:166-169.

[10] 高興泉,王英輝,劉廣平.基于虛擬現實的雙容水箱動態仿真系統開發[J].實驗技術與管理,2013,30(1):97-100.

[11] 倪曉杰,馬彥霞,薄翠梅,等.基于PCS7的鍋爐控制系統的設計和實現[J].控制工程,2011(6):927-930.

[12] 史運濤,何安.基于SIMATIC PCS7的預測控制在2×2耦合四容水箱系統的控制實現[J].化工自動化及儀表,2014(8):887-890.

[13] Mahmoud M S, Sabih M, Elshafei M. Using OPC technology to support the study of advanced process control[J].ISA Transactions,2015,55:155-167.

[14] Mehta B R, Reddy Y J. Industrial Process Automation Systems: Design and Implementation[M]. Butterworth-Heinemann, 2015.

[15] 李艷,許合金.WINAC在造紙廢水處理控制系統中的應用[J].化工自動化及儀表,2011(10):1221-1223.

Development of virtual simulation experimental platform for process control based on PCS7 and Simulink

Lei Zhenwu, Wu Xiubing, Sun Dehui, Li Chao

(College of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In order to solve the problem of high cost and low efficiency in students experiments at actual platform for the Process Control course, a kind of virtual experimental platform is proposed based on PCS7 and Simulink. The actual plant model can be simulated by Simulink. The process control algorithm can be realized in PCS7 by the CFC programming method. The communication with PCS7 and Simulink can be implemented successfully via OPC. Taking the experiment of the double water tank level control as an example, the design process of the virtual experimental platforms is illuminated in details. The results show that the virtual simulation platform can reduce the cost of hardware, the interest of students experiments can be inspired, and the experimental efficiency will be improved largely.

process control; PCS; Simulink; OPC(OLE for process control)

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.034

2015- 05- 23

國家自然科學基金項目 (61174116) ；北京市教委資助項目(KM201310009005)

雷振伍(1977—),男,吉林樺甸,博士,講師,主要從事工業先進控制,制造執行系統(MES)方向的研究.

E-mail：leizhenwu@ncut.edu.cn

TP29

A

1002-4956(2016)1- 0135- 05