过程控制实验装置实时监控软件开发

邓晓刚，陈卫红，杨明辉

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

过程控制实验装置实时监控软件开发

邓晓刚，陈卫红，杨明辉

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

针对现有过程控制实验装置系统存在实时数据难以保存、复杂控制算法难以实现等问题，设计并开发了基于Matlab软件和OPC(OLE for process control) 通信技术的实时监控软件。该软件通过OPC技术与过程控制实验装置集散控制系统进行通信，实时采集装置的运行数据，利用Matlab软件GUIDE工具开发GUI界面，实现数据的实时显示、保存和控制算法编程。该监控软件为学生充分挖掘实验装置功能和开展创新性研究提供了技术平台。

过程控制实验装置；监控软件；Matlab软件；OPC通信

过程控制实验装置在高校自动化类专业学生培养过程中具有重要意义，是其学习自动控制原理、计算机控制与过程控制等专业课程的基本实验条件[1-2]。过程控制实验室中常见的工艺对象有双容/三容水箱系统、加热炉系统、锅炉系统，这些对象是工业过程设备的缩型，具有代表性和典型性，能够反映现场工业过程设备的基本特征[3-4]。

虽然，现有的过程控制实验装置可以很好地还原工业情景，为专业课程实验提供有利条件，但往往存在二次开发过程中实时数据难以利用、复杂控制算法难以实现等问题，不利于开展课程设计、综合实践等学生独立自主性较高的创新性环节。为此，本文设计并开发了基于Matlab软件和OPC (OLE for process control)通信技术的实时监控软件，为学生进行过程控制实验装置的深入分析和二次功能开发提供了实验平台，有助于创新性专业人才培养。

1 过程控制综合实验装置

中国石油大学自动化专业过程控制实验室经过多年的发展和建设，已形成较为完整的综合过程控制实验装置体系。该体系由8套北京华晟A3000过程控制系统、8套青岛金博士GK06过程控制实验装置和浙大中控SUPCON 集散控制系统(distributed control system,DCS)组成，其中，前两者用于工艺装置对象模拟，后者用于工业控制系统教学。

A3000过程控制系统包括三个实验水箱、一个锅炉、一个强制换热器、两个水泵、一个电动调节阀和储水箱；GK06过程控制实验装置包括两个方形水箱、四个空心球形水箱、两个变频泵、一个电动调节阀和储水箱构成；SUPCON DCS系统组成采用浙大中控自动化有限公司推出的SUPCON JX-300XP系统，包括工程师站、操作站、控制站和通信网络，是应用较为广泛的国产DCS系统，实验室现有的监控软件采用其配套上位机软件Advantrol Pro。

上述综合实验装置在自动化专业课程实验教学过程中发挥了很大作用，然而，仍然存在一些需要解决的问题：

1)DCS上位机配套监控软件可以方便地监控实验装置的运行情况，但学生难以采集装置的实时运行数据，实验中依靠图形拷贝等方式保存结果，不利于深入地控制系统性能分析和二次功能开发。

2)上述装置可以很好地完成基本的实验教学任务，但在课程设计、综合实践等自主性和创新性较强的实践教学环节中的功能略显不足，无法与学生常用的软件(如Matlab)融合，难以实现复杂的和先进的控制算法。因此，需要开发一个学生可以开展自主编程和算法创新研究的软件平台。

2 通信技术的实验装置监控软件

2.1 监控软件开发思路

为解决上述问题，我们提出使用Matlab软件和OPC通信技术，开发一个过程控制实验装置监控软件。该软件基于学生熟悉的Matlab软件环境，可以将装置运行过程中的实时测量数据保存为Matlab数据文件格式，此外，开发图形用户接口(graphical user interface，GUI)为学生进行装置功能二次开发和实现先进控制算法提供平台。

该系统的设计思路如图1所示，实验室SUPCON DCS系统与A3000、GK06实验装置构成一个完整的控制系统。首先，在上位机上安装SUPCON DCS系统提供的OPC服务器(OPC server)，用于采集装置实时运行数据；然后，在Matlab环境中利用OPC通信技术读取OPC Server的数据；最后，设计Matlab GUI界面，实时显示并保存装置测量数据，构建监控软件平台。

图1 监控软件设计思路图

2.2 Matlab环境下的OPC通信技术

OPC是一个工业数据通信标准，它建立了Windows应用程序与现场控制设备之间的数据桥梁。在OPC出现以前，应用软件的开发商都必须编写专用的接口函数存取现场数据信息。由于现场设备种类多、数据通信规范不一致，用户和软件开发商往往需要耗费很大精力设计数据通信模块，因此，迫切需要一种可靠的、统一的标准数据通信规范。基于这种需求，人们建立了OPC标准，以微软公司对象连接与嵌入(object linking and embedding，OLE)技术作为基础，为工业控制系统提供了一种标准的数据访问机制，提高了系统开放性和互操作性[5-6]。

OPC采用客户端—服务器模式，一般由硬件生产商或者第三方厂家开发提供OPC服务器，软件开发商只需开发符合OPC标准的客户端，即可访问不同厂商的硬件，为工业应用程序开发提供了极大便利。

SUPCON DCS系统提供了OPC服务器软件，安装后可以将DCS实时数据以OPC位号的形式提供给客户端进行访问。该服务器交互性能好，通信速度快，可以同时与多个OPC客户端程序进行连接。

Matlab软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，可用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算，已经在我国高校教学、科研中得到广泛应用。Matlab 提供的OPC Tool可以实现对OPC Server的数据访问[7]。

基于Matlab OPC Tool工具箱的OPC Server访问格式如下：

……

2.3 基于Matlab GUIDE的GUI界面开发

GUI界面是包含图形对象(如窗口、图标、菜单和文本)的人机交互图形界面。Matlab 为用户开发GUI图形界面提供了一个方便高效的集成开发环境GUIDE，能够非常直观地让用户生成GUI界面，大大减少了开发程序源码的工作量[8]。

使用GUIDE创建GUI 时，GUI界面保存为一个FIG资源文件，同时自动生成对应的M文件。FIG文件包含对GUI组件的完整描述，而M文件包含控制GUI的代码和组件的回调代码[9]。

依据软件开发的一般原则，开发Matlab GUI界面的过程包括三个步骤：(1)明确系统主要功能，构思软件模块组成；(2)利用Matlab GUIDE制作用户操作界面以及其他菜单项目；(3)编写界面及其菜单里的每个功能的回调程序，并且逐项进行功能检测。

在Matlab GUI界面中，需要连续实时地采集OPC Server的数据，必须在Matlab中使用定时器函数Timer，其常用格式如下：

按照上述步骤，我们初步开发形成的Matlab GUI界面包括登录界面、开环特性测试平台、闭环控制算法测试平台。图2为系统登录界面，在该界面中输入设备编号，选择 “进入开环系统”或者“进入闭环系统”，后台程序将自动使用OPC通信连接OPC服务器上对应设备的监控变量，并进入后续操作界面。

图2 监控系统登录界面

以闭环控制算法测试平台为例，其界面如图3所示。图3中左侧为工艺流程示意简图，该图为实验室GK06装置的双容水箱控制系统示意图；图3中右上方为数据实时趋势曲线图，通过勾选上方的选择框，可以配置不同曲线显示效果。图3中右下方为控制器主要参数配置图，包括控制器设定值、测量值、阀位开度等显示和手动、自动设置。

此外，本软件的功能之一是可以实时保存实验装置运行曲线和数据，这是常规DCS监控系统所不具有的。在图3中右下方点击“图片快照”按钮，可以保存当前实时曲线效果图；点击“保存数据”按钮，可以将数据保存为Matlab软件可以识别的mat数据格式文件，对于学生进行后续的数据分析和处理具有很大帮助。

图3 闭环控制算法测试平台运行示意图

2.4 系统功能特点与应用分析

上文描述了基于Matlab软件和OPC通信技术开发实验室装置实时监控软件的主要流程。该软件有效拓展了实验室DCS监控系统的功能，弥补了传统监控软件的功能不足之处，其优势体现在以下三个方面：

1)开发思路简洁实用

该软件使用Matlab软件开发上层人机交互界面，基于OPC通信技术完成对DCS系统运行数据的直接访问，思路简洁实用，为类似软件开发提供了技术参考。

2)实验装置运行数据的实时显示和保存

传统的DCS监控软件虽然可以很好地实时监视数据运行状态，但是在保存数据图像和数据文件方面的功能比较薄弱。本软件可以非常方便地把主要的图像和数据保存为Matlab 易于识别的文件，后续分析非常方便。

3)易于学生进行二次功能开发和复杂控制算法研究

Matlab软件具有在学生中普及广泛的优势，易于为学生接受。通过自行编制定时器函数Timer的调用函数，学生可以实现不同的功能，如数据采集、复杂控制算法、预测控制算法等，方便了后续的二次开发，有利于开展课程设计、综合实践等学生独立自主性较高的创新性环节。

该软件的基本版本已经在自动控制课程设计教学环节中得到应用。学生使用该软件采集实际装置实验数据，进行装置开环特性测试，从而建立装置的实验辨识模型。应用结果表明，该软件为学生开展课程设计提供了便利条件，能够有效地帮助学生进行实验装置功能的二次开发。

3 结束语

针对综合过程控制实验装置使用中的特点和问题，我们在Matlab环境下利用OPC通信技术开发了实验装置的实时监控软件。该软件实现DCS系统数据在Matlab平台下的实时通信、显示和保存，实现了实验装置功能的二次开发，有助于学生开展控制算法的测试和创新性研究。

[1]王华忠，程华，姚俊.基于Internet的过程控制远程实验系统开发[J].实验室研究与探索，2009，28(7)：72-74.

[2]张琳，尤一匡，刘雪东，等.过程装备控制实验装置的开发与应用[J].实验室研究与探索，2003，22(5)：98-100.

[3]王斌，余玲玲，包金明，等.过程控制实验装置远程监控的设计与实现[J].工业控制计算机，2010，23(7)：4-5.

[4]刘振东，梁秀满，朱翔.过程控制实验装置仿真软件的研制[J].河北理工大学学报：自然科学版，2008，30(3)：78-82.

[5]吴杰，汤伟.基于OPC和Matlab的模糊PID在DCS中的应用[J].计算机测量与控制，2010，18(10)：2275-2276.

[6]刘承倩.基于OPC技术的工业实时监控系统[J].自动化应用，2012(7)：49-51.

[7]李二超，李炜，李战明，等.基于OPC技术的网络控制系统仿真平台设计[J].实验技术与管理，2012,29(6):90-93.

[8]罗华飞.Matlab GUI设计学习手记[M].北京: 北京航空航天大学出版社，2011.

[9]褚丹雷，薛小龙，胡国清.基于Matlab-GUI界面的计算机控制系统设计及Simulink动态仿真[J].探测与控制学报，2002，24(1)：48-52.

Monitoring Software for Process Control Experiment Device

DENG Xiaogang, CHEN Weihong，YANG Minghui

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The present process control experiment device monitoring system has the problems that real-time running data is difficult to save and complex control algorithm is hard to implement. Aiming at these problems, real monitoring software is designed and built based on Matlab software and OPC (OLE for Process Control) communication technique. OPC technique is used to communicate with the distributed control system (DCS) system of process control experiment device and the running data are real-time collected. Then Matlab GUIDE tool is utilized to develop GUI interface for real-time data displaying, data saving and control algorithm programming. Lastly the monitoring software provides a platform for students to well develop the utilities of experiment device and perform the innovation studies.

process control experiment device; monitoring software; Matlab software; OPC communication

2014-01-03；修改日期: 2014-01-25

中国石油大学(华东)重点教改基金资助项目(SY-A201207)； 中国石油大学(华东)青年教师教改基金资助项目。

邓晓刚(1981-)，男，博士，副教授，主要从事工业过程控制技术研究与教学工作。

TP273

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.020