基于Matlab及PLC的實時控制系統(tǒng)

1、-. z.基于Matlab與PLC的實時控制系統(tǒng)基于Matlab的S7-200 PLC溫度實時控制系統(tǒng),結合Matlab強大的計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Matlab的Simulink中實現(xiàn)單神經(jīng)元自適應PID控制算法,下位機S7-200 PLC則負責進展實時數(shù)據(jù)采樣和輸出,上下位機間數(shù)據(jù)通信通過OPC技術實現(xiàn),并利用Matlab GUI進展監(jiān)控;研究了系統(tǒng)的實現(xiàn)機制與過程,并對該控制系統(tǒng)進展了測試,取得了良好的控制效果。Maflab Simulink在控制系統(tǒng)領域得到了廣泛的應用。Matlab語言工程計算力強大，程序設計流程靈活，可實現(xiàn)復雜的控制算法

2、。但不能與現(xiàn)場工控設備直接進展數(shù)據(jù)通信，致使很多先進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行復雜的先進控制算法，或是勉強運行導致控制器反響實時性降低，制約了先進控制算法在PLC上的應用。為了解決此問題，本文以基于Matlab與s7200的溫度實時控制系統(tǒng)為例，將Matlab Simulink直接應用于實時控制現(xiàn)場系統(tǒng)。該系統(tǒng)的PLC進展實時數(shù)據(jù)采樣和輸出，在Matlab上實現(xiàn)控制算法，通過OPC技術實現(xiàn)Matlab與PLC間的數(shù)據(jù)傳送，并利用Matlab內(nèi)置的GUI實現(xiàn)上位機監(jiān)

3、控界面。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試，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 opt(OLE for Process Control)規(guī)*是在微軟倡導下由OPC基金會所建立的硬件和軟件接口標準，它基于微軟現(xiàn)有的OLE、組件對象模和分布式組件對象模D技術。OPC規(guī)*的引入，提供了一種在數(shù)據(jù)源與客戶端之間進展實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艡C制。OPC標準中的軟件體系構造為客戶視效勞器模式，每個支持OPC接口標準的硬件廠商為其設備開發(fā)一個OPC效勞器，提供必要的OPC數(shù)據(jù)訪問標準子接口，主要負責從硬件設備得到數(shù)據(jù)并存人數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；支持OPC接口的應用軟件作為OPC客

4、戶，通過OPC標準接口實現(xiàn)與OPC效勞器的數(shù)據(jù)交互，從而讀寫硬件設備的信息。 OPC效勞器由3類對象組成，包括效勞器、組和數(shù)據(jù)項。OPC的應用架構及層次對象的關系如圖1所示。0PC效勞器對象擁有效勞器的所有信息，同時也是組對象的容器。組對象OPC項擁有本組的所有信息，同時包含并在邏輯上組織了OPC數(shù)據(jù)項。而OPC數(shù)據(jù)項是效勞器定義的對象，包括值、品質(zhì)、時間戳3個根本屬性。OPC客戶對設備存放器的操作都是通過數(shù)據(jù)項來完成，但OPC數(shù)據(jù)項并不提供對外接口，客戶不能直接對其進展操作，所有的操作都是通過組對象來進展的。圖1 OPC的應用架構及根本構造圖2 基于Matlab與S7200溫度實時控制系統(tǒng)的

5、實現(xiàn)21 溫度實時控制系統(tǒng)的構造本系統(tǒng)的設計綜合了Matlab語言強大的計算能力和PLC高抗干擾性能等優(yōu)點，并通過Matlab內(nèi)置的圖形用戶界面GUI實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。這樣控制算法可以在Matlab的Simulink中進展仿真調(diào)試，進而連接被控制對象實現(xiàn)溫度的實時控制，從而極大簡化了控制系統(tǒng)的設計流程、提高了設計效率。該控制系統(tǒng)由上位機、S7200 PLC以及溫度控制對象三局部組成，系統(tǒng)構造圖如圖2所示。上位機主要完成基于Matlab的溫度控制算法和控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，S7200 PLC配置EM235實現(xiàn)溫度實時信號的輸入與控制信號的輸出，溫度控制對象包括脈寬調(diào)制電路、由ADS90組成的溫度檢測電

6、路、加熱器等。上位機Matlab Simulink仿真模型中的實時信號通過OPC通信技術與S7200 PLC中采樣、控制信號進展通信。Matlab GUI則通過編制M文件的形式實現(xiàn)與Matlab Simulink仿真模型中控制參數(shù)的，從而在監(jiān)控界面上控制及監(jiān)測PLC s7200的狀態(tài)，采集對應的溫度響應曲線。圖2 溫度實時控制系統(tǒng)構造圖22基于OPC技術的Matlab與S7-200數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)221通信原理 Matlab70集成了OPC Toolbo*，它是一個OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問軟件，通過OPC Toolbo*可以連接任何一個OPC數(shù)據(jù)效勞器，實現(xiàn)對連接效勞器數(shù)據(jù)的讀或?qū)??；贠PC技術的M

7、atlab與PLC S7200通信原理圖如圖3所示：參照Matlab中的OPCToolbo*對象模型，以s7200 OPC Server為OPC效勞器，Matlab為客戶端，建立OPC通信的流程，實現(xiàn)Matlab在實際工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用。222 PC Access與s7200的連接 PC Access是西門子S7200的專用OPC效勞器，支持OPC Data Access(DA)30規(guī)*，可以與任何標準的OPC客戶端通信，其效勞器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)立客戶端訪問的數(shù)據(jù)項(Item)及數(shù)據(jù)地址等。本系統(tǒng)中需要通過OP

8、C通信的數(shù)據(jù)項有2個，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的連接運行PC Access中的相關工程后，在Matlab命令窗口編寫運行如下M文件程序?qū)崿F(xiàn)Matlab與PCAccess的通信o clc clear all； hostlnfo=opcserverinfo(localhost)； allServers=hostInfoServerID；確定該主機上可用的ID da=opcda(localhost，S7200OPCServer)；s7200 OPC Sever為PC Access的OPC效勞器ID conn

9、ect(da)；連接OPC效勞器 grp=addgroup(da，groupl)增加組 wendu=additem(grp，MicroWinNewPLcwendu)；增加數(shù)據(jù)項與PC Access中溫度設定關聯(lián)。 kongzhi=additem(grp，MicroWinNewPLckongzhi)；23基于Simulink的單神經(jīng)元自適應PID算法的實現(xiàn)231單神經(jīng)元自適應PID算法常規(guī)PID控制器對運行工況適應性差，參數(shù)的整定往往難以保證系統(tǒng)優(yōu)良的控制性能，然而具有自學習和自適應能力的單神經(jīng)元算法所構成的單神經(jīng)元自適應PID控制器，不但構造簡單，而且能適應環(huán)境的變化，具備較強的魯棒性。單神經(jīng)

10、元自適應控制器是通過加權系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應，自組織功能的，可以通過不同的學習規(guī)則調(diào)整權系數(shù)，從而構成不同的控制算法。本系統(tǒng)按有監(jiān)視的Hebb學習規(guī)則來實現(xiàn)權系數(shù)的調(diào)整。對于增量型神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)：232基于Simulink的溫度實時控制系統(tǒng)的實現(xiàn)圖4中OPC Read模塊、OPC write模塊分別與PC Access中的數(shù)據(jù)項wendu(溫度過程值)、kongzhi(控制量)，負責現(xiàn)場溫度過程信號的讀入和控制量的輸出。由于神經(jīng)元自適應PID控制器不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，假設簡單地應用Simulink將無法對其進展仿真，此時應引入S函數(shù)。根據(jù)式(1)一式(3)，基于Delta學習規(guī)

11、則的神經(jīng)元自適應PID控制器的S函數(shù)模塊dsjypid程序編寫如下：functionsys，*O=nu(t，*，u，flag，np，ni，nd，K，wl，w2，w3)if flag=2sys(1)=*(1)+ni水u(1)木u(1)；sys(2)=*(2)+np球U(2)木U(1)；sys(3)=*(3)+nd水U(3)水U(1)；elseif flag 2=3sys=K*(*(1)*u(1)+*(2)*u(2)+*(3)*U(3)(abs(*(1)+abs(*(2)+abs(*(3)；elseifflag=0sys=0，3，l，3，1，1；*O=w1，w2，w3；elsesys=；end圖4

12、 單神經(jīng)元PID的Simulink系統(tǒng)模型24 系統(tǒng)監(jiān)控界面的設計 Matlab GUI是由各種圖形構建的用戶界面，它既能嵌入己有的仿真程序，又能把仿真后的圖形化結果以人機交互的動態(tài)方式直觀呈現(xiàn)，對于熟悉Maflab而不想編寫大量VC代碼的科研人員來講，Maflab GUI無疑是一個最正確選擇。Matlab GUI監(jiān)控界面的實現(xiàn)包括監(jiān)控界面的組態(tài)和對應組件M文件程序的編寫。本系統(tǒng)上位機采用Matlab-GUI設計監(jiān)控界面,實現(xiàn)在Manab GUI界面上控制及監(jiān)測PLC s7200的狀態(tài)，采集對應的溫度響應曲線。系統(tǒng)監(jiān)控設計界面如圖5所示。在監(jiān)控界面中我們設置了假設干個控制按鈕實現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動

13、、暫停繼續(xù)、停頓、曲線繪制以及控制參數(shù)輸入確定等；設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，輸入確認后回調(diào)函數(shù)程序首先將輸人參數(shù)文本框中的字符串進展轉換并賦值給各對應中問變量，然后將中間變量與S-function模塊中的相關變量進展，以實現(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)控界面設計圖圖5中SV、PV分別為溫度的設定值和實時過程值，wi(i=1，2，3)為系統(tǒng)初始權系數(shù)；np，ni，nd，K分別為神經(jīng)元的比例學習速率、積分學習速率、微分學習速率和神經(jīng)元比例系數(shù)。25溫度實

14、時控制系統(tǒng)的測試我們以單神經(jīng)元自適應PID算法為例對上述溫度實時控制系統(tǒng)進展TN試。圖6中兩曲線分別為s7200白帶的PID控制、單神經(jīng)元自適應PID控制的溫度動態(tài)過程曲線。在S7200端是用WINCC監(jiān)控顯示。測試結果說明：采用PID控制算法，系統(tǒng)P=42I=42 rain，D=01min時，溫度設定值從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PID控制系統(tǒng)，該控制器中神經(jīng)元權值(i=1，2，3)初始值分別設定為42，01，02。選取np=l 500，ni005，nd=05，K=60，

15、測試結果可知溫度設定值從30階躍到44，系統(tǒng)溫度峰值為446，系統(tǒng)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論。從圖6中2種控制算法實現(xiàn)的溫度控制動態(tài)過程可知，采用單神經(jīng)元PID算法有很好的響應快速性，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上比擬容易實現(xiàn)，所以本方案的控制可以進一步擴展更為復雜控制算法。從圖6與圖7中可以看出：采用單神經(jīng)元PID控制時，S7200端測試的溫度曲線與GUI監(jiān)控界面溫度曲線完全一樣，檢測的溫度實時值一致，說明MaIlab GUI、PC Access、S7200 PLC 3者間的通信良好，表達了控制系統(tǒng)通過OPC技術實現(xiàn)了實時控制。圖6 S7200端測試的溫度動態(tài)過程曲線圖7 GUI客戶端測試的溫度動態(tài)過程曲線3 結論 Matlab和Simulink具有強大的計算能力和靈活的編程設計，但不能與現(xiàn)場工控設備直接數(shù)據(jù)通信；而常用的小型