基于组态王、EXCEL和MATLAB的液位控制仿真平台研究

杨扬，朱文玉，赵法瑞

（中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院，山东东营257061）

在计算机技术飞速发展的今天，PC机作为上位机在工业过程监控平台中的应用越来越广泛。监控平台软件有着动画效果、组态方便和强监控能力的特点[1-4]，如组态王软件，虽然可以提供强大的人机界面和通讯功能，但是其计算能力差、难以完成复杂控制算法的缺点也不能忽视[5-8]。目前，系统工程师在生产设计时越来越倾向于使用智能控制算法，如：PID控制算法、人工神经网络算法、遗传算法等先进控制算法。而MATLAB中的Simulink仿真软件，具有方便的图形界面和对控制工具软件包的支持，可以对动态系统进行建模、仿真和分析[9]。本文通过Simulink工具箱可以实现复杂控制系统的建模、对仿真模型的参数进行在线修改、可以模拟实际生产过程中的干扰和模型变化，并可以立刻得出修改后的仿真结果。结合两种软件各自的优点，组态王建立监控软件平台，在监控界面上可以进行动态工艺图显示PLC参数修改、实时数据采集，而MATLAB作为后台控制软件，可以实现复杂系统设计、参数修改、曲线绘制等功能。

选取双容水箱为控制对象，组态王和MATLAB软件借助DDE协议分别实现与EXCEL作为中间服务器的数据交换。本文提出了通过Simulink仿真软件中的workspace工作空间与EXCEL进行数据通讯，组态王界面借助DDE通讯协议可以实时修改EXCEL表格中的对应参数，同时EXCEL表中的数据及时反馈到workspace工作空间，从而影响模型中的输入变量的参数。

1 基于组态王的双容水箱液位监控界面构建

结合现场双容水箱的布局和外观，利用组态王的绘图工具箱，建立形象的主监控界面，实现整个液位控制流程的实时监控，如图1所示。首先，在组态王工程窗口新建工程，命名为双容水箱液位控制系统主控界面，根据控制系统实际要求，在监控界面主要有3个水箱，分别为储水箱、上水箱、下水箱。每个水箱内有液位变送器、在储水箱和上水箱进水口安装一个电动调节阀、除此以外还有水泵一个。组态王监控界面可以实现整个图形界面的设计、I/O设备配置、动画连接生成、系统运行与调试[10-11]。文中建立的双容水箱监控界面，可以通过命令窗口设定和模块拖动的方式设置下水箱液位值sp、3个PID参数值Ki、Kp和Kd，组态王界面完成这4个参数的修改，通过DDE通讯与MATLAB的workspace工作空间互联，从而实现模型中参数的修改，曲线发生相应变化。

组态王界面中实时显示上水箱液位和下水箱液位变化曲线，其中图片中曲线①为下水箱液位设定值，曲线②为下水箱液位变化曲线、曲线③为上水箱液位变化曲线。该曲线与Simulink仿真曲线一致。

2 DDE（动态数据交换技术）实现组态王与MATLAB通讯

DDE交换数据的方法主要分3种：由客户申请数据、服务器发送数据称为冷链；服务器的数据有变化时，服务器通知客户，客户再来取数据称为温链；服务器数据变化时，直接把数据发送给可出，由客户进行处理数据称为热链[12-13]。MATLAB提供的DDE功能可以与EXCEL进行实时的动态数据交换，而组态王也可以通过DDE方式与其他应用软件进行数据交换，实现了组态王通过MATLAB实现复杂控制的功能。

图1 双容水箱液位系统主控界面

2.1 组态王DDE通讯设置

2.1.1 DDE设备连接

在双容水箱液位控制系统主控界面的工程界面寻找设备DDE，打开DDE点击新建，设备驱动选择DDE，进行下一步，给要安装的DDE设备指定的连接对象名设为Excel，服务程序名为Excel，话题名为sheet1，选择标准的Windows项目数据交换形式。这样就完成了组态王与MATLAB的通讯。如图2所示。

图2 组态王中DDE设置

2.1.2 组态王构建数据库变量

根据需要建立内存变量和IO变量，配置变量的类型和各种属性，并将IO变量与相应的IO设备寄存器连接。打开新建的工程，在工程浏览器界面，点击新建就能建立新的变量。例如下水箱液位，变量名：下水箱液位，变量类型选择：I/O实数，连接设备选择：Excel，项目名:r2c3，表示将组态王下水箱液位值存入EXCEL表中的第2行第3列。除下水箱液位外还设置变量有：上水箱液位、sv（下水箱液位设定值）、KP、Ki、Kd、pv（上水箱液位设定值）其他变量设置类似，如图3所示。

图3 组态王自定义变量

图4 EXCEL中间数据库

2.2 EXCEL文件的新建与设置

新建一个EXCEL文件“data.xls”，在EXCEL里完成相应的设置，如图4所示。选中第一行第二列r1c2:在其中写入：下水箱液位设定。用同样方法可以完成其他输出量在data.xls中的设置。Excel与组态王通过DDE通讯能够实现数据的同步传输。通过组态王中对变量的DDE设置，每个变量对应Excel中某一单元格，只要在组态王设置与EXCEL软件互联，即可实现数据变量的同步变化。

2.3 MATLAB的DDE通讯

MATLAB作为客户应用程序，它支持文本格式的数据传递，可以使用MATLAB中的DDE客户端所提供的函数与服务器应用程序进行数据通讯[14]，MATLAB的DDE客户包含7个函数，分别是：ddeinit是建立与服务器的的对话，建立成功则该函数返回一个通道信号；ddereq向服务器索要数据，返回值是存有数据的矩阵；ddepoke向服务器发送数据；ddeadv和ddeunadv的功能是建立热链的请求和删除请求；ddexec发出执行命令给服务器应用程序；ddeerm终止与服务器之间的DDE会话[15]。本文主要用到的函数为 ddeinit、ddereq、ddepoke 3种，下面是MATLAB进行DDE通讯的步骤：

1）双容水箱串级PID控制模型搭建

文中采用PID串级控制，分主控制器和副控制器，主控制器的PID参数可以通过m文件中的set_param函数写入Simulink模型中进行修改，如图5所示。

图5 双容水箱串级控制模型

2）编写实现DDE功能的M文件

在MATLAB中编写Simulink模型与EXCEL进行数据通讯的m文件，如图6所示。编程思路是在m文件中定义4个变量，分别为下水箱液位设定值、比例常数设定值、积分常数设定值、微分常数设定值，而函数set_parm可以修改PID模型中的KP、Ki、Kd、参数。本文用到的函数ddeinit建立与组态王的对话，建立成功则该函数返回一个通道信号[16]。用if，else语句来检测对话有没有建立成功，若建立成功，用ddereq函数从Excel中读入数据，再把数据送入SIMULIK仿真模型中，经过模型运算之后再把数据返回传入Excel，最后送还给组态王监控画面中。例如”sv=ddereq（channel，‘r2c2’）”，把 Excel中第二行第二列的数据读给sv送入Simulink仿真模型，经过运算之后通过To Workspace把数据送回工作空间，再经过ddepoke从工作空间向Excel返回数据，MATLAB把返回值送给Excel，Excel再通过DDE通讯把数据传输到组态王监视界面中。

图6 m文件编程

3 运行过程及调试

1）打开组态王工程：双容水箱监控平台，进入组态王运行环境；即在工程浏览器界面找到VIEW，单击切换到运行状态。设定下水箱液位控制参数（设定下水箱液位比例参数P=0.45，积分参数I=0.0045，微分参数D=5，设定液位值为15）。

2）打开“data.xls”这个 Excel，对通讯的数据进行更新。

3）打开MATLAB，打开SIMULINK文件和M文件，运行M文件。

4）将输入信号改为单位阶跃信号后，观察经过模型运算后示波器的情况，下水箱液位如图7示波器Scope1所示，上水箱液位如示波器Scope2所示。

5）输入信号为实际设定值时，将上水箱液位、下水箱液位和设定值显示在同一画面中，如图8所示。

图7 示波器

图8 示波器Scope3

4 结 论

文中通过组态王和MATLAB软件自主开发双容水箱液位控制仿真实验平台，提出了使用MATLAB的workspace工作空间与EXCEL数据库进行互联。组态王和MATLAB分别实现双容水箱监控系统的界面搭建和串级模型的搭建。利用DDE通讯访问EXCEL数据库，同时在组态王界面进行参数设置时可进行EXCEL数据库的实时修改，而EXCEL同时与Simulink双容水箱模型互联，继而修改水箱模型参数，进行不同参数下模型的分析。结论证明，利用组态王软件进行参数修改后，组态王界面的示波器显示结果与MATLAB模型仿真波形一直，实现了3者的互联。仿真实验平台的搭建具有图形界面动态效果逼真、操作性强等优点，对进一步的控制类教学和工作实践有着重要的意义。

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