[实用新型]基于OPC及S7-300 PLC模块的半实物过程控制实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种过程控制教学实验装置，尤其涉及一种基于OPC技术并采用西门子S7-300 PLC的具有多种控制功能的半实物过程控制实验装置，属于教学设备领域。

背景技术

过程控制一般是指对连续性生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制，它是现代工业自动化系统的核心内容之一。过程控制原理是自动化类专业学生一门重要的专业课，其目的是使相关专业的学生获得过程控制原理及其应用的理论知识及实践技能，其中控制算法的设计及优化是其中的重要内容。传统的过程控制装置一般采用专用硬件实现调节器或使用组态软件中的PID算法实现类似的调节功能。若需实现更为复杂的神经网络控制、多变量解耦控制等则相当的困难。MATLAB软件是一种功能强大、使用灵活的，内置各种丰富的控制工具箱，也可由用户自行设计相关的优化控制算法来增强控制效果。MATLAB/SIMULINK被广泛应用于科学计算、数学建模与仿真，运算效率很高且可方便地实现各种复杂控制算法；但由于现场工控设备的数据通信标准并不统一，使得MATLAB/SIMULINK难于与现场工控设备进行直接数据通信，致使很多先进控制算法仍然只能停留在纯数字仿真阶段。人们在设计新的控制系统及控制算法的过程中，常常须借助SIMULINK完成建模和仿真，直至达到满意的仿真结果。但基于SIMULINK的纯数字仿真往往难于精确模拟实际的控制对象，在上述过程中，常常需要对对象模型作些假设和近似，也会忽略实际对象系统中可能存在的部分扰动和噪声，因而造成仿真与实际应用效果有较大出入。

在工业控制领域，PLC凭借通用性强，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单等优势，得到了广泛的应用。西门子可编程控制器PLC在国内有着很高的市场占有率，其中又可细分成S7-200、S7-300及S7-400三个系列。S7-200主要用于各种小型的电气控制系统中，偏重于逻辑控制；S7 300主要用于稍大系统，可实现较为复杂的工艺控制等；而S7 400：主要用于大型控制系统，主要特长是实现冗余控制，相对价格较高。虽然S7-300可独立实现PID控制，但S7-300也有存储容量小，处理速度慢的缺点，通过PLC的梯形图语言实现复杂的控制算法非常困难，从而一定程度上制约了先进控制算法在PLC上的应用。

OPC(OLE for Process Control)技术是一种通用的工业化标准，它的出现改善了各仪器接口不统一而无法互联的问题。西门子S7-300 PLC的标准通信接口是多点接口MPI(Multi Point Interface)和分布式外设接口DP(Decentralized Periphery)，分别使用MPI协议和Profibus协议。但是这2种协议都不公开，使得该系列PLC与PC机的实时通信变得困难。随着OPC技术的广泛应用，S7-300目前已可借助WINCC组态软件构成OPC服务器，而MATLAB7.0也提供了OPC工具箱，支持读写OPC数据。WINCC中提供了三种OPC服务器，即OPC DA Server、OPC HAD Server、OPC AE Server，通过这三个OPC服务器，我们即可访问PLC中的实时数据，历史数据及报警信息。

由于现有教学设备中存在的储多上述缺陷，亟需开发一种基于OPC技术，结构紧凑、灵活直观的具备多种控制仿真功能的半实物过程控制实验装置，该装置可利用MATLAB/SIMULINK实现各种自定义的复杂控制算法，并采用S7-300 PLC构成现场接口。该装置不仅适用于帮助学生理解过程控制的被控对象、控制手段、实现方法及优化算法，还可以促进学生对自动控制原理课程的理解和掌握，从而全面提高学生的理论与技能水平，增强其实际动手能力和工程应用能力。而半实物仿真则可获得更真实的控制效果，借助SIMULINK环境，将会极大地提高控制系统的设计效率，同时也便于将主要的精力放在控制效果的分析以及控制算法的研究及改善上，增强教学和学习的效果。

发明内容