引言

以杏鮑菇為代表的珍稀食用菌工廠化栽培，是最具現代農業特征的產業化生產方式，將工業化的技術手段引入菌草栽培領域，在相對可控的環境和設施條件下實施高效率的機械化、自動化作業，是實現食用菌規?；?、集約化的重要途徑。杏鮑菇的生長繁殖過程是一個高級的物質生命運動過程，在不同生長期，溫度作為杏鮑菇栽培環境中最重要的影響因素，除了對杏鮑菇生長起到促進或抑制的作用外，對其他影響因子\\( 如濕度、光照度以及 CO2濃度等\\) 也有很大影響。溫度系統具有時滯、非線性等特點，經典 PID算法難以達到理想的控制效果，而模糊控制算法與PLC 的有機結合則是一種有效的解決途徑。

PLC 的全稱為可編程控制器，專為在工業控制環境下應用而設計，具有使用方便、編程簡單、可靠性強等優點; 但由于編程語言的限制，很難實現復雜的控制算法。MATLAB 擁有功能強大的模塊集和工具箱，用戶可直接使用工具箱學習而不用自己編寫代碼，用于解決特定課題和數學建模問題，但結果常限于數字仿真。所以，本文以寧夏南部山區杏鮑菇菇棚溫度自調節系統為背景，以 PC ACCESS 軟件為 OPC服務器，將 PLC 采集到的實時數據通過數據交換傳給Simulink，進行模糊 PID 算法處理，再將運算結果傳送給下位機 PLC，由 PLC 的輸出模塊輸出控制信號，從而實現將模糊控制算法用于過程控制，并通過仿真結果表明控制器的有效性。系統的數據交換結構如圖 1所示?！緢D1】


1 OPC 技術

OPC 是一個通用的工業標準，是開發 OPC 服務器與 OPC 客戶軟件之間數據傳輸的規范，并已形成一個體系，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，常用于過程控制和制造業自動化系統。OPC 作為微軟公司的對象鏈接和嵌入技術應用于過程控制領域，為工業自動化軟件面向對象的開發提供一項統一的標準，解決了應用軟件與各種設備驅動程序之間的通信問題。它把硬件廠商和應用軟件開發商分離開來，為基于 Windows 的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁，大大提高了雙方的工作效率。

應用程序與 OPC 服務器之間必須有 OPC 接口，OPC 規范提供了兩套標準接口: Custom 標準接口和OLE 自動化標準接口，通常在系統設計中采用 OLE 自動化標準接口。OLE 自動化標準接口定義了以下 3層接口，依次呈包含關系。OPC Server\\( 服務器\\) : OPC啟動服務器，獲得其他對象和服務的起始類，并用于返回 OPC Group 類對象。OPC Group\\( 組\\) : 存儲由若干 OPC Item 組成的 Group 信息，并返回 OPC Item 類對象。OPC Item\\( 數據項\\) : 存儲具體 Item 的定義、數據值、狀態值等信息。3 層接口的層次關系如圖 2 所示?！緢D2】


2 菇棚溫度控制系統的設計

2． 1 菇棚的溫度控制原理

寧夏南部山區杏鮑菇生產基地采用大棚式培養方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調對菇棚溫度進行調節。由于溫度控制系統具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適。本文對菇棚的溫度進行了控制設計，最終采用模糊 PID 控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在 14 ～17℃的范圍之內。菇棚溫度控制系統的原理如圖 3 所示?！緢D3】


圖 3 中，虛線框內的部分在工業控制環境中大多由 PLC 等控制設備完成，而這些設備很難實現模糊PID 的控制功能。因此，將虛線框部分在 Simulink 中實現，把在 Simulink 中創建的模糊 PID 控制器直接應用到現場設備中。菇棚實時溫度控制系統原理圖如圖 4 所示?！緢D4】


圖 4 中，該系統以 PC ACCESS 軟件作為 OPC 服務器，用 MATLAB/OPC 工具箱中的 OPC Write 模塊和OPC Ｒead 模塊與 Simulink 進行數據交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給 S7－200PLC 的模擬量輸入模塊 EM231，經過 A/D 轉換后得出溫度值; PCACCESS 軟件從 PLC 中讀取溫度值，通過 OPC Ｒead 模塊傳送給 Simulink; 在 Simulink 中與設定的溫度值進行比較后，進行模糊 PID 計算，將結果通過 OPC Write 模塊傳送給 PC ACCESS 軟件，經 PC ACCESS 軟件寫入到PLC 中，計算分析得出數字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經 D / A 轉換為電信號送給溫控裝置\\( 空調\\) ，實現對菇棚溫度的模糊 PID 控制。

2． 2 模糊 PID 控制系統

2． 2． 1 模糊 PID 控制器的設計

菇棚的溫度控制系統是一個復雜的非線性系統，很難建立精確的數學模型，而常規的 PID 控制則需建立被控對象的精確數學模型，對被控過程的適應性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應能力有限，可能存在穩態誤差，引起振蕩。因此，本文針對 PID 控制和模糊控制的各自特點，將兩者結合起來，設計了模糊 PID控制器，可以利用模糊控制規則對 PID 參數進行在線修改，從而實現對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在 14 ～17℃的范圍之內。

基于上述分析，將菇棚溫度作為研究對象，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中 E 為設定溫度值與實際溫度值的差值。PID 控制器的 3 個參數 KP、KI、KD作為輸出。設輸入變量 E、EC 和輸出變量的 KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} = { 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} ，誤差E 和誤差變化率 EC 的論域為{ －30，－20，－10，0，10，20，30} ，KP的論域為{ －0． 3，－0． 2，－0． 1，0，0． 1，0． 2，0 ． 3 } ，KI的論域為{ － 0． 06，－ 0． 04，－ 0． 02，0，0 ． 0 2 ，0． 04，0． 06} ，KD的論域為{ －3，－2，－1，0，1，2，3} 。為了論域的覆蓋率和調整方便，均采用三角形隸屬函數。根據對系統運行的分析和工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，得出\ue0baKP、\ue0baKI、\ue0baKD的模糊控制規則表，如表1 所示。利用 Simulink 工具箱，建立系統的模糊 PID 控制器的模型，如圖 5 所示?！颈? 圖5】



2． 2． 2 系統的仿真菇棚溫度的傳遞函數采用【1】


其中，α 為慣性環節時間常數，α = 10． 3s / ℃ ; k = 0． 023; τ =10s，為純滯后時間。

設定菇棚溫度值為 15℃，常規 PID 控制器的仿真結果如圖 6 所示，模糊 PID 控制器的仿真結果如圖 7所示。結果表明，菇棚溫度控制系統采用模糊 PID 控制器具有超調小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統的要求?！緢D6-7】


3 Simulink 與 S7－200 PLC 數據交換的實現

PC ACCESS 軟件是專用于 S7 － 200 PLC 的 OPC服務器軟件，它向作為客戶機的 MATLAB/OPC 客戶端提供數據信息。在菇棚溫度控制系統中，模糊 PID控制器 的 輸 出 值 和 反 饋 值 就 是 Simulink 與 S7 －200PLC 進行交換的數據。實現數據交換的具體步驟如下:

1\\) 打開軟件 PC ACCESS V1． 0 SP4，在“MicroWin\\( USB\\) ”下，單擊右鍵設置“PC/PG”接口，本文選用“PC/PPI \\( cable \\) ”。 然 后，右 鍵 單 擊 “MicroWin\\( USB\\) ”進入“新 PLC”，添加監控 S7－200PLC，本文默認名稱為“NewPLC”。右鍵單擊所添加的新 PLC 的名稱，進 入“New Item”添 加 變 量，本 文 為 輸 出 值“wendu1”和反饋值“wendu2”，設置完成，如圖 8 所示。PC ACCESS 軟件自帶 OPC 客戶測試端，客戶可以將創建的條目拖入測設中心進行測試，觀察通信質量，如圖 9 所示。測試后的通信質量為“好”?！緢D略】

2\\) 打開 MATLAB，在工作空間輸入命令“opctool”后，將彈出 OPC Tool 工具箱的窗口，在該窗口的 MAT-LAB OPC Clients 對話框下單擊右鍵，進入“Add Client”添加客戶端，用戶名默認“localhost”，Server ID 選擇“S7200． OPCServer”; 與 PC ACCESS 軟件連接成功后，在“S7200． OPCServer”中添加組和項，把在 PC ACCESS軟件中創建的兩個變量“wendu1”和“wendu2”添加到項中，操作完成后結果如圖 10 所示?！緢D略】

3\\) 新建 Simulink 文件，導入模糊 PID 控制器模型，調用 OPC Write 模塊、OPC Ｒead 模塊和 OPC Configura-tion 模塊，設置 OPC Write 模塊和 OPC Ｒead 模塊的屬性，把 OPC 工作組中的變量“wendu1”添加到 OPCWrite 模塊中，把變量“wendu2”添加到 OPC Ｒead 模塊中，設置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖 11 所示。這樣，基于 Simulink 和 S7－200PLC 的模糊 PID 實時溫度控制系統的設計就完成了?！緢D11】


4 結論

針對工業現場中 PLC 難以實現復雜控制算法這一問題，采用 OPC 技術將 Simulink 與 PLC 連接實現數據交換，解決了 Simulink 僅用于數字仿真的缺點，完成了對寧夏南部山區杏鮑菇菇棚溫度控制系統的設計。仿真結果表明，采用模糊 PID 控制器較常規 PID控制器具有更好的動態適應性和良好的抗干擾能力，對溫度的控制效果更好，設計方案可行。

雖然 PLC 在工業控制中應用廣泛、可靠性強，但是由于自身編程語言的限制，難以實現諸如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法等復雜的智能算法，而MATLAB 擁有強大的運算功能和豐富的工具箱，能仿真實現各類算法。因此，采用 OPC 技術將二者結合，能將復雜的算法直接應用到現場 PLC 中，具有良好的實用性。

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