Связь Matlab и Simatic S7 по OPC

Для повышения качества регулирования основных технологических параметров требуется применение новых перспективных подходов и разработка в рамках этих подходов более совершенных методов по настройке САР. Эти новые подходы к настройке САР должны отвечать требованиям универсальности, а также быть достаточно простыми по принципам организации и функционирования для эффективного внедрения в различные сферы промышленности. Один из таких подходов к решению задачи настройки САР будет описан в данной статье.

Ключом к успешной настройке регулятора в САР является наличие исчерпывающей информации об объекте управления необходимой для создания его математической модели. Однако в подавляющем большинстве случаев получить подобную информацию о структуре и параметрах ОУ  чисто аналитическими методами не представляется возможным.

В последних версиях программного обеспечения компании MathSoft (Matlab v7.0  и выше) появился ряд новых компонентов заметно упрощающих процедуру идентификации ОУ. Данные приложения позволяют получать доступ к данным контроллера в режиме реального времени, как для их чтения, так и с возможностью записи в память контроллера.

Процесс обмена данными между программируемым логическим контроллером (ПЛК) и персональным компьютером (ПК) осуществляется при помощи технологии ОРС. OPC (OLE для управления процессом) представляет собой универсальный программный интерфейс, который может использоваться на устройствах, поставляемых различными производителями. В качестве промышленного стандарта OPC описывает обмен данными для различных приложений в условиях промышленного производства. Работая на своем ПК, пользователь может наблюдать, вызывать и обрабатывать данные и события, происходящие в системах автоматизации. OPC-интерфейс является частью программного обеспечения, работающего на ПК, и является платформой для систем операторского управления и визуализации или других приложений. OPC-интерфейс базируется на модели «клиент/сервер». Один компонент предоставляет свои сервисы другому компоненту через интерфейсы. Другой компонент использует эти сервисы. Схематично связь между ПЛК и приложением Matlab на ПК можно изобразить на рисунке 1.

Рассмотрим более подробно процесс совместной работы ПЛК и Matlab на конкретном примере идентификации ОУ, математическая модель которого была реализована в контроллере Simatic S7-300  фирмы Siemens. Структура передачи и обработки информации между персональным компьютером и контроллером изображена на рисунке 2.

Для организации доступа к данным контроллера необходимо на рабочей станции оператора либо программаторе, подключенном к контроллеру, в актуальный проект САР добавить OPC сервер и OPC клиент. Произвести необходимые настройки параметров связи и выбрать интересующие нас данные для анализа. Затем в меню Start  программы Matlab выбираем приложение OPC toolbox. Далее аналогичным способом, как и в проекте САР, производим настройку ОРС клиента Matlab. Выбираем из списка тэгов, ранее прописанных в ОРС клиенте рабочей станции, интересующие нас параметры и проверяем актуальность отображаемой в окне настройки OPC toolbox информации. Система передачи данных между контроллером и рабочей средой Matlab настроена.

Следует  сразу же отметить что при использовании программы MATLAB версии R2009 Portable пропадает необходимость инсталлировать данный продукт на компьютер, так как данная версия программы работает с любого портативного  USB накопителя объемом памяти от 2 Гб. ОРС сервер и ОРС клиент для настройки связи с контроллером так же является частью программного обеспечения для программирования контроллеров и по умолчанию будет установлена на рабочей станции. В связи с чем пропадает необходимость вмешательства в работу операционной системы операторской станции, что весьма существенно принимая во внимание  тот факт, что настройка может производится на объекте, находящемся в  непрерывной эксплуатации.

Затем запускаем приложение Simulink и при помощи стандартных блоков создаем модель САР и производим конфигурацию параметров приема и передачи данных с ОРС сервером. В качестве ПИД-регулятора используем контроллер Simatic S7-300, а ОУ моделируем на базе этого же контроллера при помощи стандартных блоков из библиотеки среды программирования SIMATIC Step7.

Рис 3 Модель САР в Matlab Simulink

Далее производим моделирование с фиксированным шагом 0.1 секунда, так как процесс обновления данных ОРС сервера составляет 100мс. В результате чего в рабочей области получаем массивы входных и выходных параметров ОУ. Затем запускаем стандартное приложение Matlab Identification System. Выбираем в качестве исходной информации данные полученные ранее в результате моделирования и производим процесс идентификации. Для проверки достоверности полученных результатов создаем блок с параметрами предложенными Matlab Identification System в математической модели исследуемой САР и выводим из работы модель ОУ реализованной в контроллере Simatic, и повторяем процедуру моделирования описанную ранее. В результате проделанных операций получаем для сравнения два графика работы ОУ в САР: график работы модели ОУ реализованной в контроллере Simatic и график работы модели ОУ с параметрами полученными в результате идентификации.

По данным графикам изображенным на рисунке 5 можно сделать вывод о довольно точном расчете параметров в ходе идентификации, что позволяет говорить о применимости данного метода. Так же следует обратить внимание на тот факт, что процедура идентификации проводилась в замкнутой системе, следовательно пропадает необходимость разрывать обратную связь и останавливать действующий объект для проведения специализированных тестов. При использовании данного метода обработки информации в Matlab Simulink  предоставляется возможность моделирования не только штатных режимов работы исполнительных механизмов в составе САР, но и различных аварийных ситуаций, что весьма опасно при  использовании реального объекта из-за угрозы поломки исполнительных механизмов и появлению различных внештатных ситуаций. В добавление ко всему выше сказанному использование в математической модели данных работы реального ПИД-регулятора получаемых из контроллера в режиме реального времени сводит к минимуму ошибку в расчетах по сравнению с применением обобщенной модели регулятора в Matlab по причине расхождений в алгоритмах реализации ПИД регулирования у различных производителей.

Выводы: изложенный метод идентификации объектов управления на основе использования технологии ОРС позволяет производить необходимые расчеты без вмешательства в технологический процесс, что позволяет сэкономить: трудозатраты на процесс настройки САР; энергоресурсы за счет отсутствия необходимости вмешательства в технологический процесс. Позволяет производить моделирование работы САР на основе данных получаемых из контроллера в режиме реального времени, что сводит к минимуму ошибку в расчетах. Главным достоинством данного метода можно считать его простоту, наглядность и точность, так как все расчеты производятся с использованием стандартных приложений Matlab.

PDF версия документа: Matlab vs Simatic