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1、INTELLIGENCE科 技 天 地MATLAB 和 LabVIEW 混合编程在 PLC 控制系统中的应用重庆市 重庆邮电大学 自动化学院荣涛冯辉宗徐洋PLC 就是以嵌入式 CPU 为核心 , 配以输入、输出等模块 , 可以方便地用于工业控制领域的装置, 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置, 它虽然可以在线编程调试1.但是工业现场的环境特点决定了在调试程序时将会大大降低它的调试速度和准确性 , 尤其是利用传统的 PID 控制算法 , 比例、积分、微分环节的系数很多的时候是凭经验所得。本文通过 MATLAB 强大的数值分析能力对 PLC 在线调试时 PID 算法可精确的进
2、行数值分析, 同时利用 LabVIEW 的可视化操作界面和数据检测功能与调试员进行实时的人机交互。因此, 如何能快速、高效、准确地选定这几个值是本文的切入点。一、MATLAB 和 LabVIEW 软件简介MATLAB 是 Mathworks 公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件, 它集数值运算、矩阵运算、信号处理和图形显示为一身. 它强大的数值分析、计算和绘图功能 , 拥有强大的控制算法工具箱, 可完成复杂控制系统的设计、计算、分析和仿的灵敏度。2 逆功率保护实现程序跳闸作为程序停机方式, 数百兆瓦机组汽机与电气之间的联锁方式为汽机跳闸后, 发变组保护检测到逆功率后动作于解列灭磁。而国内
3、的某些汽机主汽门关闭, 由其辅助接点直接启动主开关跳闸解列, 很可能在主汽门未关严时发电机跳闸 , 导致严重的超速甚至飞车情况发生。为增加可靠性 , 逆功率保护设计为双套 , 其软硬件及定值完全相同。逆功率保护设长短两个不同时限的出口, 短时限延时 2s , 与主汽门关闭信号组成与逻辑动作出口 ; 长时限延时 10s, 检测到逆功率时直接出口。这样做可以防止发电机并列或失步时发生误动。3 主变压器无载调压保护国内变压器通常没有此保护, 但是国外的某些厂商如西门子却坚持其配置的必要性。 该保护是用变压器无载调压分接头的辅助接点的闭合与开断状态 , 来反应调压分接头是否到位。调到位时保护接点断开,
4、 不到位时接点闭合。国内一直沿用测量变压器绕组直阻的方法检查分接头是否到位, 这种方式太多依赖人为的因素 , 而且检查工作繁琐容易造成意外 , 所以配置变压器无载调压保护的做法值得肯定。三、继电保护软硬件的差异1 国外发电机变压器数字化继电保护的软件功能模块划分国外先进发电机采用数字式保护系统, 在其装置的软硬件构成上, 与国产装置有着很大的不同。数字式保护的发展趋势之一, 就是硬件的标准化、模块化, 主要功能由软件来实现。数字式保护的软件从功能上分为三大部分 - - 人机界面程序、系统控制程序和保护功能程序。传统的模拟式保护装置必须采用专门设计的滤过器来得到所需的正序、负序和零序分量 , 数
5、字式保护则可以由软件的计算完成上述功能。 使用对称分量法的运算可以很容易地将测量值分解为各序分量的矩阵方程, 然后再用于不同保护功能的计算中。例如采用对称分量法的矩阵计算, 可以实现变压器差动保护的各侧电流相位和幅值的软匹配, 而不必改变 CT 的接线组别或增加辅助变流器来匹配变压器的接线组别。2 软硬件跳闸矩阵国外发电机所有的保护功能均可通过修改定值的方式关闭, 即软件跳闸矩阵的作用 。 这样在进行电压、电流量注入试验时, 每种保护都可以单独测试其功能。硬件跳闸矩阵是一个纵横排列的跳令分配器 , 纵列是来自保护的跳闸命令 , 横列是跳闸输出。 输入列和输出列之间可以通过插杆的插入与否自由地编
6、排, 对应每列与每排都有带保持的动作指示灯。这种软硬结合的跳闸矩阵方式简洁方便, 各保护的跳闸出口可任意组合 , 而不需要改变硬接线 。 与国内常用的压板方式相比 , 体积虽小却具有更高的灵活性。3 自检功能的实现继电保护进入数字化时代, 给运行维护工作带来的根本性的变化: 以验证性试验代替了传统的预防性试验。这是建立在数字式保护具有全面的装置自检功能基础上的, 其中对硬件输出继电器的在线检查较难实现, 因为运行中无法以实际的动作来测试出口继电器的完好性。 国外电机的数字保护采用特殊设计的比较器电路和软件逻辑, 很好地解决了这一问题。参考文献1 贾钢 :对大机组继电保护配置的几点认识广东电力,
7、 1999 年 2 月2 王强 :发电机- 变压器组继电保护运行 800 天分析四川电力技术, 2000 年 12 月174真, 已广泛应用于控制系统的建模、仿真等方面 。 但 MATLAB 也有不足之处,例如界面开发能力较差,并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。LabVIEW 是 NI 公司推出的一种虚拟仪器软件开发平台 , 采用编译型图形化编程语言G 语言 。LabVIEW 使得过去烦琐、枯燥的软件开发变得简单、方便, 已经成功应用到虚拟仪器设计与开发、数据采集与处理、自动测量与测试及工业过程控制与自动化等各个领域. 在 LabVIEW 的编程过程中,编程者通过交互手段,以很
8、直观的方法建立前面板和框图程序便可完成编程过程, 但它在数值处理、分析和算法工具等方面的效率不高。综合二者的特点 , 实现优势互补 , 应用于控制系统中得到很好的效果。二、PID 控制算法由于 PID 调节器结构简单 , 各参数物理意义明确 , 在工程上易于实现。所以本文采用 PID 控制算法,方法采用 PID 数学模型连续域的离散化2。PID 调节器的时域数学模型为: 令 =t ( T 为采样周期 , 当采样周期非常小时可省略) 即=k=t; 则 u( t) =u( k) ; e( t) =e( k) ;由此可推倒出: 积分离散为:微分离散为:de( t) = e( k) - e( k- 1
9、)dtT所以上式可写为:(u0 为初值)而则:即 =u( k- 1) +ae( k) +be( k- 1) +ce( k- 2).(1)其中 a=kp+TKp+KpTd; b=Kp+2KpTd; c=KTd; Ki=TiTTTKpTi ; Kd=KpTd由( 1) 式可以看出当 c=0 是为 PI 调节器; 当 b=0, c=0 时为P 调节器; 当 c0, b0 时为 PID 调节器。难 点 : 对系数 a, b, c 值得选定 , 需要通过不断的实验和经验值才能选取最佳的控制组合, 这对工业现场需要快速的应变产生了挑战。三、系统的构建1 硬件平台PLC 选用的是日本欧姆龙公司 C200H
10、系列 PLC 中的 C200HE , 其中模拟量单元为 C200H- MAD01。 控制系统及模拟被控对象模板为自行设计的具有双输入双输出功能的仿真10板,控制对象的传递函数为:,LabVIEW 数据采集卡为s( 2s+1)NI 公司的 PCI- 6220。2 软件平台PLC 的 编 程 环 境 为 欧 姆 龙 公 司 的 编 程 软 件 CX- P( CX- Programmer) , MATLAB、LabVIEW。 3 仿真平台的实现INTELLIGENCE科 技 天 地信号源将工业现场各个控制对象的信号传输到 PLC 上 , 同时 PC 将编好的梯形图程序下载到 PLC 的控制系统中。P
11、LC运行程序并将反馈结果送到输入端, 这构成了整个的闭环控制系统。同时利用输入和反馈的信号, MATLAB 可分析出 PID 控制算法的系数最佳匹配值 , LabVIEW 可以利用数据采集卡将数据送到 PC 机进行实时的监视, 以期达到快速而准确的 PID 控制。四、混合编程的实现1 LabVIEW 和 MATLAB 的接口NI 公司提供了一种相对容易的调用 MATLAB 的方式 , 即MATLAB Script 的节点方式。如图所示的形式:MATLAB Script 节点使得用户即可以将 M 程序导入到流程图中, 又可以在流程图中根据 MATALB 程序的语法编辑 M 程序。选择该节点的操作
12、为:Functions Mathematics Script&Formulas Script Nodes MATLAB Script Nodes 在将该节点添加到流程图中后 , 就可以在节点中编制 MATALB 程序。如下图2 MATLAB和 LabVIEW 在PLC 控制系统中的实现 (框图程序和前面板的设计 )结合以上闭环系统离散化和数字 PID 增量式算法的原理 , 完成 PID 调节器的框 图程序和前面板设计见下图MATLAB 和 LabVIEW 混合编程前面板MATLAB 和 LabVIEW 混合编程框图程序五、结论本文结合 PLC 控制系统, 利用 MATLAB 强大的数据分析特点 , LabVIEW 的可视化操作界面和数据检测、采集 , 构建系统。从而使整个的系统达到从控制 , 数据分析 , 数据检测三位一体的功能。实际表明,该系统可以使 PLC 控制系统更快、更高效的运行。175