基于OPC的Matlab与WinCC的无缝集成.doc

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1、文章编号:1008- 0570(2007)11- 1- 0297- 03基于的与的无缝集成OPCMa tla bWin CCTh e In te g ra tio n o f Ma tla b a n d Win CC Ba s e d o n OPC(1.江汉大学;2.华南理工大学)李相育 1钱宇 2LI XIANGYU QIAN YU摘要: 为 了 实 现 产 品 开 发 过 程 实 时 控 制 及 实 时 数 据 的 获 取 , 采 用 WinCC 作 为 产 品 开 发 装 置 Kilo- Plant 的 控 制 系 统 , 它 提 供 了适 合 于 工 业 的 图 形 、消 息 、归

2、 档 、报 表 、过 程 监 控 及 报 警 功 能 , 但 在 实 时 数 据 校 正 及 实 时 曲 线 绘 制 等 方 面 的 功 能 有 待 改 善 。基 于 此 , 提 出 了 利 用 OPC 技 术 实 现 Matlab 与 WinCC 的 无 缝 集 成 问 题 , 充 分 利 用 Matlab 在 数 据 校 正 , 回 归 分 析 , 实 时 曲 线 绘 制等 方 面 的 功 能 , 实 现 产 品 开 发 过 程 中 实 时 数 据 的 有 效 处 理 。关键词:OPC 技术; WinCC 软件; Matlab 软件; 系统集成中图分类号:TP399文献标识码:AAbstr

3、 act: For implementing the real- time process control and acquiring real- time data during the process of product development, theWinCC is used as the control system for Kilo- Plant. WinCC provides strong function in many aspects, such as image, message,archives, report, process monitoring, and alar

4、m function, but it is deficient in real- time data emendation and real- time curve creation. For this, the Matlab software and WinCC is integrated seamlessly, then the strong functions of Matlab, such as data emendation, curve creation, data regression analysis, can be used to deal with the real- ti

5、me data of product development process in Kilo- Plant.Key wor ds:OPC, WinCC, Matlab, System integr ation技术 创 新1OPC (Ole for Pr ocess Contr ol) 产生的背景工业过程控制领域用到大量的现场设备和智能仪表, 应用 程序需要不断地和这些设备进行数据交互。传统的方式是通过开发设备专有驱动程序来实现对数据的访问。这就带来如耗费 大量重复性的劳动, 不同设备供应商的驱动程序之间的不一致,硬件性能不能得到广泛支持, 驱动程序不能适应升级后的硬件 以及发生存取冲突等诸多问

6、题。解决上述问题的关键在于一个统一的接口标准。正是基于这种需要产生了 OPC 标准, 该标准 为过程控制和工厂自动化提供了真正的即插即用的软件技术,使得过程控制和工厂自动化的每一 系 统 、每 一 设 备 、一 驱 动 器 能够自由地连接和通信。有了这样一个标准, 使得系统与设备之间, 包括从车 间级到 M IS(管理信息系统) 和更远距离, 完 全 无缝地真正开放和方便地进行企业级的通信成为可能。越来越多的硬件制造商和软件开发商为其产品提供 OPC 支持, OPC 事 实上已成为新一代工业过程控制软件接口标准。2 OPC 技术特点OPC 是以微软公司的 OLE/COM 和 DCOM 机制作为

7、应用程 序的通信标准, 采用客户- 服务器结构。OPC 作为硬件和软件之 间的一个中间接口, 使不同的客户软件能够访问任意的数据源。 开发商可以开发一个高度优化的、可重用的 OPC 服务器访问底 层的硬件, 并将数据以 OPC 接口方式提供任何的具有 OPC 接 口的客户端软件。OPC 规范 要 求 硬 件 销 售 商 提 供 他 们 所 发 布 的 每 一 种 新 设 备和协议的 OPC 服务器, 为设备提供 基本的协议接口, 并且具 有 OLE/ COM 连接, 一般用来完成数据采集、通信规约等预处理功能的前置处理部分设计成 OPC 服务器。这样任何符合 OPC的客户都能以标准的方式 访

8、问 服 务 器 。OPC 规 范 要 求 每 一 个SCADA 软件供应商提供符合 OPC 标准的客户,客户负责创建服务器的对象以及访问 OPC 服务器暴露给客户的标准接口函数进行数据访问。这样不管现场设备以何种形式存在,客户都以统一的方式去访问, 从而实现系统的开放性, 易于实现与其他系统的接口。OPC 提供了 OPC 规范两套接口方案, 即 COM 接口 和自动化。COM 接口效率高, 通过该接口, 客户能够发挥 OPC 服务器的最佳性能; 自 动 化 接 口 使 解 释 性 语 言 和 宏 语 言 访 问 OPC 服务器成为可能。然 而 自 动 化 客 户 运 行 时 需 进 行 类 型

9、 检 查, 这一点则大大牺牲了程序的运行速度, 但却可以简化客户应 用程序的实现。OPC 技 术 对 工 业 控 制 系 统 影 响 和 应 用 是 基 础 性 和 革 命 性 的, 在企业的信息集成, 包括现场设备与监控系统之间、监控系 统内部各组件之间、监控系统与企业管理系统之间、以及监控系 统与 Internet 之间的信息集成, OPC 作为连接件, 按一套标准的 COM 对象、方法和属性, 提供了方便的信息流通和交换。无论是 管理系统还是控制系统, 无论是 PLC 上还是 DCS, 或者是 FCS, 都可以通过 OPC 快速可靠地彼此交换信息。换句话说, OPC 是整个企业网络的数据

10、接口规范,所以, OPC 提升了控制系统的功能, 增强了网络的功能, 提高了企业管理的水平。3 基于 OPC 的 Matlab 与 WinCC 的集成3.1 Kilo- Plant 产品开发装置一般来说, 产品设计和过程开发分为若干个阶段:产品性能 分析、产品结构和组成的设计、实验室小剂量试验、中试生产、批量生产、商业化生产。精细化学品和专用化学品需求量不大但附李相育: 讲师博士加值高, 产量有些以公斤为数量级,所涉及的生产流程较为复基金项目: 国家杰出青年科学基金(202225620);国家自然科学基金重点项目(20536020)杂。为了发现和解决产品开发和制造过程中的关键技术问题,缩短产品

11、开发周期, 提高产品的产率, 本课题组构建了一套公斤图 1 Kilo- Plant 的基本结构图图 2 产品开发控制平台 WinCC表 1 OPC 存取变量列表图 3 Matalb 环境产品开发过程实时趋势线绘制界面软 件 天 地中 文 核 心 期 刊 微 计 算 机 信 息 ( 测 控 自 动 化 ) 2007 年 第 23 卷 第 11-1 期级实验室流程装置- Kilo- Plant。它由一系列各具功能的小型操作单元装配而成, 既可以研究过程 放 大 问 题 , 又 可 以 小 批 量 生 产。图 1 为 Kilo- Plant 的基本结构图。WinCC(Windows Control

12、Center)是 SIEMENS 公司推 出 的 基于 Windows 平台的 HMI(Human Machine Interface)系统, 它提供 了适合于工业的图形、消息、归档、报表、过程监控及报警功能, 目前已经广泛地应用于 世 界 范 围 内 工 业 控 制 的 各 个 领 域 。 在 Kilo- Plant 中, 为了实现产品开发过程的实时控制及实时数据的 获取, 我们采用 Simense WinCC 作为 Kilo- Plant 的控制系统, 控 制 系 统 界 面 如 图 2 所 示 。 WinCC 提 供 了 对 OPC (Ole Process工具包, 利用此工具包, Ma

13、tlab 可以实现与 OPC 服务器的连接并 读 取 OPC 服 务 器 中 的 相 应 变 量 的 值 。 基 于 此 ,我 们 利 用Matlab 中 的 OPC 工 具 包 来 实 现 Matlab 与 WinCC 的 OPC 服 务器的连接, 这样 Matlab 就可以存取产品开发过程中的实时变量 值, 对实时数据进行校正, 并绘制产品开发过程中指定变量的实时趋势线,以便于操作人员随时了解产品开发过程中操作条件的 变 化 。 以 下 给 出 了 在 Matlab 软 件 中 利 用 OPC 技 术 读 取WinCC控制平台中实时变量 QI10 的代码。Control) 技术的支持, 通

14、过 OPC 服务器,外部程序可以实现与WinCC 控制系统的数据交互,实现产品开发过程的实时控制。WinCC 提 供 了 三 个 OPC 服 务 器 :OPC_DA Server、OPC_HDAServer、OPC A&E Server. 通过 OPC_DA_Server, 我们可以获取产 品开发过程中的实时数据, 并实时改变产品开发过程中相关控 制变量的值, 完成对产品开发过程的有效控制。技Dim OPC_Server As New OPCServerDim OPC_Groups As OPCGroups Dim OPC_Group As OPCGroup Dim OPC_Item As O

15、PCItemOPC_Server.Connect “MainServer”, “Set OPC_Groups = OPC_Server.OPCGroupsSet OPC_Group = OPC_Groups.Add(WinCC)Set OPC_Item = OPC_Group.OPCItems.AddItem(“QI10”, 1) Dim Source As Integer, Value As Variant, Quality As Variant,TimeStamp As VariantSource = 1OPC_Item.Read Source, Value, Quality, TimeS

16、tampOpc_Read = ValueOPC_Server.Disconnect术创新通过 OPC_HDA Server, 可以获取某一时间区段产品开发过程的历史数据, 不过这些数据已经根据一定的规则进行了压缩 处理, 与实际的实时数据已经存在一定的偏差。通过 OPC A&E Server, 可以获取产品开发过程中的相关警报信息。表 1 给出了通过 WinCC OPC 服务器可以获取的产品开发 过程主要实时变量列表, 包括测量变量、控制变量。3.2 Matlab 与 WinCC 的互连Matlab 是 MathWorks 提供的一个专用软件,通过以上代码, 则可以在 Matlab 中读取产品

17、开发过程中实 时 变 量 QI10 的 值 , 经 过 数 据 校 正 后 , 则 可 以 绘 制 出 一 定 时它在数据回归分析、矩阵处理, 数据校正, 实时曲线绘制等众多方面都具有强大的功能。另一方面, 在 Matlab7.0 及以上版本中, 提出了 OPC间区间内的 QI10 的实时趋势线,便于操作人员观察产品开发过程中反应条件的变化。图 3 给出了在 Matlab 中通过实时获取产品开发过程的实时数据并绘制实时趋势线的界面。基于 OPC 技术, 实时获取产品开发过程中压力, 温度, pH 值, 转速, 进料速 度等数据, 然后在 Matlab 中利用相关函数实时绘制各个变量的 实时趋势

18、线。在以上过程中, 基于 OPC 技术, 实现了 Matlab 与 WinCC 的(400042(400716重庆重庆科技学院机械工程学院)喻晓莉重庆北碚西南大学计算机学院)杨国才(College of mechanical engineer ing, Chongqing Univer sity ofscience and technology, Chongqing, China,400042)Yu XiaoLi(College of Computer ,Southwest Univer sity,BeiBei ChongQing400716,China)Yang GuoCai无缝集成,充分利

19、用 Matlab 在数据处理及曲线绘制方面 的 功通讯地址:(400042重庆重庆科技学院机械工程学院)喻晓莉(收稿日期:2007.8.23)(修稿日期:2007.10.25)能, 来实现产品开发过程中实时数据的有效处理, 方便了操作人员及时了解产品开发过程中反应条件的变化情况。(上接第 291 页)3Min - Hong Hart. et a1. Inspection of 2 - d objects using pattern matching methodJ. Pattern Recognition, 1989, 22(5): 567- 575.4席志红, 刘利彬, 许新利. SUSAN

20、 角点检测算法改进. 工程科技. 2006, 33(9): 29- 32.5HUTTENLOCHER D P, KLANDERMAN G A, RUCKLIDGE W. J. Comparing images using the Hausdorff distanceJ. IEEE Trans- action and Pattern Analysis, Machine Intelligence, l993, l5 (9):850- 863.作者简介:张钰( 1970- ) , 女( 汉族) , 河北医科大学计算机教研室 副教授, 从事计算机教学和研究。Biogr aphy:Zhang Yu (1

21、970 - ), Female (Han ethnic), Departmant总结4异构系统的信 息 集 成 , 是 目 前 一 个 研 究 的 热 点 , 本 文 探 讨了如何利用 OPC 技术实现 WinCC 与 Matlab 软件 的无缝集成,这对于研究基于 OPC 的异构系统的信息集成,系统的强大功能具有一定的意义。充分发挥不同论文创新点: 通过采用 OPC 技术实现 Matlab 与 WinCC 的有 效 集 成, 充 分 利 用 Matlab 强 大 的 数 据 处 理 和 分 析 功 能 实 现 WinCC 中实时数据的有效分析。项目经济效益:20 万元. 参考文献1姚晓峰,

22、徐慧朴. 基于 LABVIEW 和 OPC 技术的蒸馏 CAN 总 线控制系统J. 微计算机信息,2006,2- 2:117- 119.2苏妹, 王忠民. OPC 数据访问服务器的研究与实现J. 微计算 机信息,2006,3- 1:11- 13.3赵红洲, 潘西明. 基于 OPC 协议的数据集成实现与应用J.微计算机信息,2006,9- 1:29- 31.4胡海江, 金朝晖, 杨新照,等. 基于 OPC 技术的 FF 总线远程监 控J. 微计算机信息,2006,1- 1:4- 5.作者简介: 李相育(1977- ), 男, 湖北大冶人, 江汉大学讲师, 博士,主要从事计算机应用集成, Web

23、服务技术等方面研究.Biogr aphy:LI Xiangyu (1977 - ), Male, Born in Daye, Hubei Province, Jianhan University, Prelector, Major, Research area: computer application integration, web service technology.技术 创 新of Computer,Hebei Medical University,ResearchareaisComputer teaching and studing.(河北医科大学计算机教研室)张钰 林 巍李海瑛(

24、Depar tment of Computer , Hebei Medical Univer sity)Zhang Yu LinWei Li Haiying通讯地址: (050031河北石家庄市建 华南 大 街 309 号河 北 医科大学临床学院计算机教研室)张钰(收稿日期:2007.8.13)(修稿日期:2007.10.15)武汉广州江汉大学数学与计算机科学学院)李相育华南理工大学化工与能源学院)钱宇(430056(510640(School of Mathematics and computer science,Univer sity, Wuhan, 430056)Li XiangyuJ

25、ianHan(School of Chemical Engineer ing, South China Univer sity ofTechnology, Guangzhou, 510640 )Qian Yu通讯地址: (430056武汉 武汉市经济技术开发区江 汉 大 学数据与计算机科学学院)李相育(收稿日期:2007.8.13)(修稿日期:2007.10.15)(上接第 280 页)Biogr aphy:Yu Xiao - Li (1971 - ),Female,Chongqing person,College of mechanical engineering,Chongqing Uni

26、versity ofscience and technology, Engineer, Lecturer, Master, is engagedin the automatic control theory and the application, the computer application research.YANG Guo - cai (1962 - ),Male, Chongqing person, Professor, Master s degree student teacher, Doctor, is engaged in the virtual reality, the s

27、oftware engineering, thecomputer network research.中文核心期刊 E I 数据源微计算机信息杂志 旬刊( 每十天) 出版发行! 邮局订阅号: 82- 946测控自动化专题( 微计算机信息) 每月 1 号出版嵌入式与 S O C专题 ( 微计算机信息) 每月 11 号出版管控一体化 专题 ( 微计算机信息) 每月 21 号出版每年发表: 国家自然科学基金、国家 863 计 划 、国 家 973 计 划 、国 家 十 五 规 划 , 国 防 科 研 预 研 基 金 资 助 的 文 章 约 2500 篇, 充 分 展 现 科 研 教 学, 部 队 信

28、息 化 的 成 果 , 大 型 工 程 项 目 竞 标成果, 200 个广告承载工程项目买主货比三家的选购空间。 适合所有大学、省市图书馆订阅收藏.为读者、作者、广告客户 三个上帝全方位服务 ! 增强您的社会竞争能力, 是我们努力 方向!集精英之大作, 成就天下志士。集精英之智慧, 造就一人大成!每期刊登 70 篇技术实用文章 /268 页; 年刊登 2500 篇 论文, 大 16 开。出版发行 36 册 / 年, 10 元 / 册, 360 元 / 年。通信地址: 北京海淀区皂君庙 14 号鑫雅苑 6 号楼 601 室 微计算机信息编辑部收 邮政编码: 100081电话: 010- 62132436 , 62192616 传 真: 010- 62192616E- m a il:e ditora utoc ontrol.c om .c n中国自控网网站: www.a u to c o n tro l.c o m.c n 通用网址: 自控网