０引言

可視化界面軟件是在生產(chǎn)過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的人機接口軟件［１］。它具有高度的實用性和組態(tài)靈活性，可開發(fā)生成友好的交互式圖形界面。但是它的數(shù)據(jù)運算能力較弱，不易實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制算法。比如ＤＣＳ系統(tǒng)中的組態(tài)軟件，虛擬儀器軟件ＬａｂＶＩＥＷ［２］等。而在數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)方面有突出優(yōu)勢計算機編程語言如ＭＡＴ－ＬＡＢ，Ｃ，Ｃ＋＋等，由于其編程方便、使用靈活、易于移植、便于模塊化處理的特性，成為工程技術(shù)人員開發(fā)實現(xiàn)復(fù)雜算法不可或缺的實現(xiàn)工具。尤其是ＭＡＴＬＡＢ語言，針對不同的工程應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)有相應(yīng)的工具箱，這不僅能夠方便地進行算法的設(shè)計與實現(xiàn)，而且能極大地縮短開發(fā)周期。但是這些開發(fā)語言不能與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備直接進行數(shù)據(jù)交換，而且在界面設(shè)計方面也明顯遜色于組態(tài)軟件。如何在可視化界面系統(tǒng)中，綜合采用先進智能算法，使整個系統(tǒng)滿足生產(chǎn)過程的目標(biāo)要求，從而提高界面監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理性能，是界面監(jiān)控系統(tǒng)亟待改善和提高的課題。ＯＰＣ通訊技術(shù)的出現(xiàn)為解決該問題開辟了一條有效的途徑［３］。

１開放性的ＯＰＣ接口協(xié)議

ＯＰＣ（ＯｂｊｅｃｔＬｉｎｋｉｎｇａｎｄＥｍｂｅｄｄｉｎｇｆｏｒＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）技術(shù)即過程控制中的對象連接和嵌入技術(shù)［４］，它為基于Ｗｉｎ－ｄｏｗｓ的應(yīng)用軟件和現(xiàn)場過程控制架起了橋梁［５］。作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ＯＰＣ技術(shù)，不僅解決了不同軟件和硬件之間的通訊障礙，而且也很好地解決了不同軟件之間由于數(shù)據(jù)格式不一致而帶來的通訊問題［６］。ＯＰＣ采用典型的客戶機／服務(wù)器模式：一個ＯＰＣ客戶程序可以連接一個或多個不同的ＯＰＣ服務(wù)器程序，同時多個不同的ＯＰＣ客戶程序也可以連接到同一個ＯＰＣ服務(wù)器程序上，結(jié)構(gòu)模型如圖１所示。ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器主要包括服務(wù)器對象、組對象和項對象。ＯＰＣ服務(wù)器對象負(fù)責(zé)維護相關(guān)服務(wù)器的信息，并作為ＯＰＣ組對象的包容器，可以動態(tài)地創(chuàng)建或釋放組對象；組對象除了維護自身相關(guān)的信息外，要提供包容和組織ＯＰＣ項對象的機制；ＯＰＣ項對象則需維護ＯＰＣ服務(wù)器中與數(shù)據(jù)有關(guān)的信息，但它并不是實際數(shù)據(jù)源，僅是指向數(shù)據(jù)源的連接。服務(wù)器對象、組對象和項對象之間的組織關(guān)系如圖２所示。基于ＯＰＣ通訊的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是由世界上領(lǐng)先的自動化軟、硬件廠商連同微軟公司通力開發(fā)的，它使工業(yè)控制無論是在硬件還是軟件方面都有了統(tǒng)一的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［７］。在軟件方面，目前幾乎國內(nèi)外所有流行的組態(tài)軟件都支持ＯＰＣ數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。而且主流的計算機編程語言，都支持ＯＰＣ通訊協(xié)議。值得提出的是當(dāng)今最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一ＭＡＴＬＡＢ在其７．０以上版本中還專門集成了ＯＰＣ工具箱。硬件方面，當(dāng)前幾乎所有的ＰＬＣ及其他工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備都支持ＯＰＣ數(shù)據(jù)通訊協(xié)議［８］。

２系統(tǒng)構(gòu)架

當(dāng)前，在工業(yè)ＤＣＳ系統(tǒng)中，對現(xiàn)場生產(chǎn)過程的控制，多數(shù)是由在監(jiān)控室中的工程技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合工程經(jīng)驗來完成的。這種控制方式對操作員的經(jīng)驗有過高的依賴性。盡管在某些先進的ＤＣＳ系統(tǒng)中對一些參數(shù)的控制采用了諸如ＰＬＣ等硬件來實現(xiàn)，這也從一定程度上提高了控制效果，但是過于復(fù)雜的控制算法就難以實現(xiàn)了。基于ＯＰＣ通訊技術(shù)，設(shè)計了ＤＣＳ系統(tǒng)的復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)方法。該ＤＣＳ監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了算法軟件的運算優(yōu)勢，實現(xiàn)對工業(yè)過程的復(fù)雜、智能控制，同時也不需對原ＤＣＳ系統(tǒng)進行大的改變，控制效果也遠優(yōu)于傳統(tǒng)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。系統(tǒng)運行后，ＤＣＳ實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)按照一定的采樣頻率從生產(chǎn)現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一方面通過組態(tài)軟件顯示在系統(tǒng)的監(jiān)控界面上；另一方面，被存儲到ＤＣＳ系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫中，以備以后的查閱使用。而后臺的控制算法應(yīng)用程序一旦被ＤＣＳ監(jiān)控系統(tǒng)喚醒，后臺控制程序?qū)凑帐孪仍O(shè)定的周期通過ＯＰＣ數(shù)據(jù)交換通道讀取實時采集而來的數(shù)據(jù)，然后結(jié)合數(shù)據(jù)信息并調(diào)用相應(yīng)后臺算法，計算出控制器當(dāng)前和接下來一段時間內(nèi)應(yīng)采取的控制量，并將該控制量及時地通過ＯＰＣ數(shù)據(jù)交互通道傳遞到ＤＣＳ實時數(shù)據(jù)平臺，并由該平臺向工業(yè)現(xiàn)場控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令。從而完成一次控制動作。后臺控制算法按照一定的周期，反復(fù)如此，直到接收到ＤＣＳ實時數(shù)據(jù)平臺發(fā)出停止指令為止。

３系統(tǒng)仿真實驗設(shè)計

為檢驗以上系統(tǒng)構(gòu)架的可行性和控制的實時性，選擇廣泛應(yīng)用于礦山、碼頭、冶金和化工等行業(yè)的傳送帶配料系統(tǒng)為被控實驗對象。控制器通過接收來自上位機的設(shè)定流量數(shù)據(jù)作為給定量，與實際檢測到的流量進行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差來決定控制系統(tǒng)的輸出，即電流控制信號，進而控制電機的轉(zhuǎn)速，使物料流量穩(wěn)定在期望值上。基于以上的被控對象，采用力控組態(tài)軟件開發(fā)ＤＣＳ仿真系統(tǒng)并用ＭＡＴＬＡＢ設(shè)計相應(yīng)的控制算法，利用遠程網(wǎng)絡(luò)上的另一臺計算機上運行的ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真框圖來模擬現(xiàn)場工業(yè)過程。

３．１ＤＣＳ監(jiān)控界面的構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)架，原有ＤＣＳ系統(tǒng)不需要做大的改變和調(diào)整，只需要在后臺ＤＣＳ實時數(shù)據(jù)庫中增加對相關(guān)對象的控制量即可，為驗證系統(tǒng)構(gòu)架的可實現(xiàn)性，設(shè)計了如圖４所示的ＤＣＳ仿真界面。

３．２ＯＰＣ接口程序的設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)的后臺控制算法由ＭＡＴＡＬＢ編寫實現(xiàn)，并通過ＯＰＣ接口程序與ＤＣＳ交換實時數(shù)據(jù)。ＭＡＴＬＡＢ為ＯＰＣ提供了專門的接口函數(shù)，以方便創(chuàng)建和配置ＯＰＣ對象，并讀寫和記錄數(shù)據(jù)。下面給出了ＭＡＴＬＡＢ與三維力控組態(tài)進行數(shù)據(jù)通信的部分程序。３．２．１ＭＡＴＬＡＢ獲取實時數(shù)據(jù)ｄａ＝ｏｐｃｄａ（＇ｌｏｃａｌｈｏｓｔ＇，＇ＰＣＡｕｔｏ．ＯＰＣＳｅｒｖｅｒ＇）；ｃｏｎｎｅｃｔ（ｄａ）；％與ＯＰＣ本地服務(wù)端相連ｇｒｐ＝ａｄｄｇｒｏｕｐ（ｄａ）；％添加組ｉｔｍ＝ａｄｄｉｔｅｍ（ｇｒｐ，＇ｆｌａｇ．ＰＶ＇）；％把變量元素添加到組中；ｉｔｍ１＝ａｄｄｉｔｅｍ（ｇｒｐ，＇ｄｅｆ．ＰＶ＇）；ｉｔｍ２＝ａｄｄｉｔｅｍ（ｇｒｐ，＇ｏｕｔ．ＰＶ＇）；ｉｔｍ３＝ａｄｄｉｔｅｍ（ｇｒｐ，＇ｕ．ＰＶ＇）；ｗｈｉｌｅ（ｆｌａｇ＝＝１）ｒ＝ｒｅａｄ（ｉｔｍ１）；％讀取設(shè)定輸入值ｒｉｎ＝ｒ．Ｖａｌｕｅ；ｙ＝ｒｅａｄ（ｉｔｍ２）；圖５后臺模型ｓｉｍｕｌｉｎｋ框圖ｙｏｕｔ＝ｙ．Ｖａｌｕｅ；上述程序?qū)崿F(xiàn)了ＭＡＴＬＡＢ應(yīng)用程序?qū)Γ模茫酉到y(tǒng)的實時數(shù)據(jù)的讀取操作。后臺程序可以利用這些數(shù)據(jù)進行計算推導(dǎo)，得到下一控制周期應(yīng)該施加的控制量。３．２．２ＭＡＴＬＡＢ運算結(jié)果寫入力控實時數(shù)據(jù)庫ｇｒｐ＝ａｄｄｇｒｏｕｐ（ｄａ）；％創(chuàng)建項目組Ｉｔｍ３＝ａｄｄｉｔｅｍ（ｇｒｐ，＇ｕ．ＰＶ＇）；％把變量添加到組中…％計算控制量ｕ的值ｗｒｉｔｅ（ｉｔｍ３，ｕ）；％向力控實時數(shù)據(jù)庫寫數(shù)據(jù)通過上述程序的執(zhí)行，ＭＡＴＬＡＢ的運算結(jié)果ｕ將被寫入到力控的實時數(shù)據(jù)庫，并由組態(tài)軟件將控制作用發(fā)送到工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。