基于DCS與MATLAB的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

1引言

　　目前，分散控制系統(tǒng)(DCS)已廣泛用于石油、化工、電力、冶金等工業(yè)控制領(lǐng)域。在DCS的實(shí)際工程應(yīng)用中，通常需要根據(jù)不同的控制對(duì)象設(shè)計(jì)出具體的控制方案，然后在DCS上通過控制組態(tài)的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但是由于實(shí)際工程的限制，新設(shè)計(jì)出的控制策略與算法很難有機(jī)會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。因此，有必要設(shè)計(jì)出被控對(duì)象的仿真模型供DCS測(cè)試時(shí)使用。

　　近年來，出現(xiàn)了MATLAB這種功能強(qiáng)大并在控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的軟件，使用它可以很方便地為各種被控對(duì)象建立仿真模型。如能將DCS和MATLAB兩者相連，由DCS完成控制運(yùn)算功能，MATLAB提供被控對(duì)象的仿真模型。將充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能為科研人員開發(fā)新的控制策略和算法給予極大的幫助。

　　本文以履帶車輛傳動(dòng)系統(tǒng)為例，基于國(guó)電智深的EDPF-NT系統(tǒng)和MATLAB建立車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。在此平臺(tái)上，在EDPF-NT系統(tǒng)中開發(fā)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)電控模擬器，控制傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。使用MATLAB構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)模型，模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。該平臺(tái)可以方便的模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的換檔過程，為優(yōu)化換擋策略，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的整體性能提供較好的仿真環(huán)境。仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1仿真平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

　　2仿真平臺(tái)硬件組成

　　在構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)時(shí)，首先要解決硬件的設(shè)計(jì)問題。它主要由EDPF-NT系統(tǒng)的工程師站、DPU卡、COM卡、I/O卡和上位機(jī)組成。工程師站的功能是進(jìn)行組態(tài)及設(shè)計(jì)控制方案，而上位機(jī)主要是運(yùn)行傳動(dòng)系統(tǒng)MATLAB模型和數(shù)據(jù)通信程序。

　　3仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

　　在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)構(gòu)建過程中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的通信是重點(diǎn)研究的內(nèi)容，主要解決EDPF-NT系統(tǒng)與MATLAB的數(shù)據(jù)通信。出于安全性的考慮，EDPF-NT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)只允許讀取而不允許寫入，所以EDPF-NT系統(tǒng)與MATLAB模型的數(shù)據(jù)通信要分三部分實(shí)現(xiàn)，首先是在工程師站讀取EDPF-NT系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)，其次是MATLAB模型讀取送至上位機(jī)的EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)，最后是在上位機(jī)中將MATLAB模型運(yùn)行后的數(shù)據(jù)通過COM卡送入EDPF-NT系統(tǒng)。

　　3.1EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取

　　EDPF-NT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以特定的格式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，不能直接讀寫。國(guó)電智深為了方便用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的使用，提供了可以被VC、VB等軟件調(diào)用的NTClient.dll文件，用戶可以通過NTClient.dll提供的函數(shù)來讀取EDPF-NT系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文采用VB開發(fā)了讀取EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用Winsock控件將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的程序。此程序分為三部分：

　　1）聲明NTClient.dll提供的函數(shù)；

　　2）讀取EDPF-NT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

　　3）發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

　　3.2MATLAB對(duì)EDPF-NT數(shù)據(jù)的調(diào)用

　　作為當(dāng)前最流行的仿真軟件，MATLAB在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中起著重要作用。但是MATLAB本身不提供底層通信接口，必須使用其它方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信。所以由EDPF-NT系統(tǒng)工程師站送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)首先使用VB編寫的程序接收，接下來通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的調(diào)用。

　　在不同的程序間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)需要選擇合適的通信接口，為此引入工控行業(yè)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)OPC(OLEforProcessContro1)技術(shù)。OPC技術(shù)試圖按照標(biāo)準(zhǔn)的方法解決不同程序、設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換問題，它采用服務(wù)器/客戶端模式，只要提供了具有統(tǒng)一OPC接口的服務(wù)器，即可按照一致的OPC客戶端接口訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

　　MATLAB可以作為ActiveX自動(dòng)化控制器，通過ActiveX自動(dòng)化控制器技術(shù)，用戶可以在MATLAB中，通過編寫M文件對(duì)ActiveX自動(dòng)化服務(wù)器進(jìn)行各種控制。利用VB開發(fā)使用OPC自動(dòng)化接口的OPCAxtiveX控件，在OPCAxtiveX控件中添加通信模塊，接收EDPF-NT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)賦給OPCAxtiveX控件的屬性值，通過MATLAB獲取OPCAxtiveX控件中對(duì)應(yīng)的屬性值，就可以實(shí)現(xiàn)在OPC技術(shù)下MATLAB對(duì)EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)用。

　　首先是建立OPCAxtiveX控件，并在內(nèi)部工作變量的初始化中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)。其次在OPCAxtiveX程序中添加網(wǎng)絡(luò)通信代碼，完成對(duì)EDPF-NT系統(tǒng)工程師站送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。最后將接收到的數(shù)據(jù)賦給ActiveX控件屬性值，生成OPCAxtiveX控件，并注冊(cè)。用于數(shù)據(jù)接收的OPCAxtiveX控件就可以被MATLAB來使用了。

　在MATLAB使用一個(gè)ActiveX組件前，必須要找到對(duì)象的名字，即ProglD，另外還要了解對(duì)象用到的方法、屬性和事件。利用這些信息，通過ActiveX客戶支持就可以在MATLAB中應(yīng)用這個(gè)對(duì)象。

　　利用actxcontrol函數(shù)來生成一個(gè)ActiveX組件，實(shí)現(xiàn)MATLAB和OPC之間的通信。

　　在圖形窗口中生成一個(gè)ActiveX組件語法為：

　　h=actxcontro1(progid[,position[,handle···[,callback{event1eventhander1；···event2eventhandler2；}]]]）

　　用get、set、invoke、propedit、release和delete等函數(shù)可以操作OPCAxtiveX控件,最終實(shí)現(xiàn)MATLAB對(duì)EDPF-NT數(shù)據(jù)的調(diào)用。

　　3.3EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入實(shí)現(xiàn)

　　在前文提到，出于安全性的考慮，EDPF-NT系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)只允許讀取，不能直接寫入。所以必須使用Modbus協(xié)議通過COM卡將MATLAB模型運(yùn)行后的數(shù)據(jù)送到EDPF-NT系統(tǒng)。在VB中使用ModbusMaster通信控件，可以方便的作為Master向Modbus的Slave（COM卡）發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　在向EDPF-NT系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要設(shè)置好相應(yīng)的通信參數(shù)，包括端口、波特率、響應(yīng)超時(shí)時(shí)間、數(shù)據(jù)位格式（RTU/ASCII）、校驗(yàn)方式、停止位以及和COM卡相關(guān)的從站地址和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)COM的物理起始地址。

　　MATLAB模型每次運(yùn)行結(jié)束后，就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)通過Modbus網(wǎng)絡(luò)送到EDPF-NT系統(tǒng)的COM卡，EDPF-NT系統(tǒng)將讀取送至COM卡的數(shù)據(jù)。

　　4數(shù)據(jù)通信測(cè)試

　　在軟硬件調(diào)試完成后，以手動(dòng)換檔為例來測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信是否準(zhǔn)確可靠。首先使平臺(tái)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在EDPF-NT系統(tǒng)開發(fā)的傳動(dòng)電控模擬器上進(jìn)行控制。電控模擬器操作界面如圖3所示。

圖3電控模擬器操作界面

　　EDPF-NT系統(tǒng)的控制信號(hào)可以迅速地發(fā)送給上位機(jī)中的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，控制模型的運(yùn)行，同時(shí)上位機(jī)又將模型運(yùn)行后得到的數(shù)據(jù)發(fā)回EDPF-NT系統(tǒng)，并在電控模擬器的界面上顯示。

　　測(cè)試時(shí)，在電控模擬器上進(jìn)行操作，從一檔逐次換到四檔。位于上位機(jī)中的傳動(dòng)系統(tǒng)模型接收換檔控制信號(hào)后，按照所給的檔位運(yùn)行，運(yùn)行后得到的傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

　　通過測(cè)試可以看到，仿真平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信迅速、準(zhǔn)確、可靠，能夠滿足仿真實(shí)驗(yàn)的要求。

　　5結(jié)論

　　本文針對(duì)基于國(guó)電智深EDPF-NT系統(tǒng)和MATLAB的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)中不同設(shè)備、軟件間數(shù)據(jù)不能共享的問題，提供了比較完善的解決方法，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，運(yùn)行表明整個(gè)仿真平臺(tái)運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)確迅速，為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的研究提供了的幫助。