基于OPC与组态技术的自动控制实验教学仿真平台开发

胡开明，傅志坚，葛远香

（东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000）

组态具有友好的人机交互界面和强大的通信功能，已广泛应用于控制系统的实时监控中；但是它的数据处理能力较弱，计算能力差，难以实现复杂控制策略［1－2］，同时组态软件过于依赖硬件设备，给自动化实验教学带来了较大的经济压力。本文以自动控制中的过程控制与运动控制系统作为对象，采用Matlab进行后台控制策略运算和数据处理，通过OPC（ole for process control）接口技术将数据传送到组态监控，进行数据交换，在组态界面上实现多层次可视化的人机交互环境，以实现组态的模拟仿真，这样既能发挥组态软件具有的组态方便、监控功能完善和动画效果显示等优点，又能减少对硬件的依托，在实际实验教学中有着重要的应用背景。

1 控制系统的Matlab与组态的OPC接口

1.1 Matlab与组态的OPC接口

OPC即把OLE应用于工业控制领域。OPC是一个开放的接口标准，是OPC基金会倡导和建立的一套标准的OLE／DCOM接口协议，采用客户／服务器体系，其目标是在客户和服务器之间建立一种通信和数据交换的工业标准机制。OPC作为一种数据交换的主要方法为所有的供货商接受、采用和执行，最终解决了终端用户对多种供货商产品之间的互操作问题［3］。设计中以组态软件和Matlab分布作为服务器和客户，以OPC技术实现二者间的数据交换，在 Matlab中经过控制策略仿真与计算，并把计算结果回传给组态软件后进行显示［4－5］。其结构框图如图1所示。

图1 组态与Matlab间OPC数据交换结构框图

本自动控制实验教学仿真平台采用Matlab7.1，其内有为OPC提供的专门接口程序，通过创建和配置OPC对象，读写和记录数据，并借助于 Matlab OPC Toolbox实现Matlab客户端与组态王服务器端之间的数据通信［6－7］。在 Matlab7.1中，定义 OPC 客户端口进行分布式COM环境设计，按Matlab读OPC服务器的数据，并在Matlab中定义的数据，读取OPC服务器的数据程序，显示程序调用函数，将数据写入组态软件OPC服务器，以GUI（图形用户界面）方式实现数据交换。

1.2 控制系统OPC接口

现在的自动化专业中主要是按照运动控制和过程控制2个方向展开课程教学。液位控制系统和直流电机双闭环调速系统分别是这2个方向的必修内容，无论是理论教学和实践教学中都是核心内容，对实验的改造也就成为自动化专业的热点。

1.2.1 液位系统策略

根据THJ－3型过程控制实验台建立的双容水箱的上下水箱模型分别为：

采用串级控制，下水箱作为主控制器，采用PI算法；上水箱作为副控制器，采用P控制［8］。通过对控制器的参数进行整定，得主调节器的比例系数Kp＝6，积分系数Ti＝500s，微分系数Td＝0s，副调节器比例系数Kc＝5。基于Matlab与OPC接口技术的水箱液位系统的连接如图2所示。

图2 液位系统Matlab的OPC接口图

1.2.2 直流电机双闭环调速系统

（1）直流电机双闭环调速系统的系统参数的测试数据分别为：

① 直流电机：额定电压Un＝220V、额定电流In＝136A、额定转速Nn＝1 500r／min、电机系数Ce＝0.132 V／（r·min），允许过载倍数λ＝1.5；

② 晶闸管装置放大系数Ks＝30；

③ 回路总电阻R＝3.3Ω；

④ 时间常数：电池时间常数Tl＝0.03s，机电时间常数Tm＝0.18s；

⑤ 电流反馈系数β＝0.05V／A；

⑥ 转速反馈系数α＝0.007（V·r－1·min－1）。

（2）直流电机双闭环调速系统的设计指标分别为：

① 静态指标：无静差；

② 动态指标：电流超调量σi≤5%；

③ 空载起动到额定转速时转速超调量σn≤10%。

采用PID控制器设计转速、电流控制，结合性能指标要求，设计PI型电流调节器的传递函数为转速调节器采用PI调节器，传递函数［9］为

基于Matlab与OPC接口技术的直流电机双闭环控制系统的连接如图3所示。

图3 直流电机双闭环调速系统的Matlab的OPC接口图

2 组态调试

采用KingView5.3组态软件进行监控设计，在组态王软件中定义液位高度、电压、电流反馈、给定值等信号。组建控制系统的画面设计、报表数据等功能［10－11］。在组态王中定义与Matlab中的OPC接口技术中相一致的变量名，在OPC Read与OPC Write中添加相应的模块信息，这样就能建立组态王与Matlab之间的通信。双容水箱液位串级控制系统、直流电机双闭环调速系统的组态调试运行界面分别如图4和图5所示。

图4 水箱液位系统组态运行界面图

图5 直流电机双闭环调速系统组态运行界面图

从图中4可以形象地看出液位系统的水位的实时变化。在组态界面上可以改变设定值和控制参数，系统的稳态误差为零，调节时间ts＝1 048s，超调量б＝16.3%，与Matlab仿真数据一致，能够实时记录系统的变化曲线与相应的数据，直观便利。

从图5中可以直观地看出系统的结构组成，以及改变电压给定值和施加干扰信号时的输出数据的实时变化曲线，从曲线中可以看出系统控制效果良好，满足设计要求。

3 结论

本文采用OPC接口技术实现了Matlab与组态王之间的数据交换，在Matlab中对典型的控制系统的策略进行分析和计算，在组态环境中进行多层次可视化的监控和人机交互［12］，这种设计既能实现组态方便、监控功能完善和动画效果显示等优点，又能体现控制策略与实现途径，还能减少对硬件的依托，既为学生提供自动控制的真实的生产场景，又满足了实践教学的要求，同时节约了成本，在实际实验教学中有着重要的应用背景。

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