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1  引言

    在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的PID控制策略已經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的工藝精度要求和質(zhì)量要求。同時(shí)，各主要DCS控制系統(tǒng)提供商都沒(méi)有及時(shí)推出經(jīng)濟(jì)有效的、有著復(fù)雜控制算法的新產(chǎn)品。這一矛盾促使各生產(chǎn)廠家和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員積極探求折中的設(shè)計(jì)方案。本文就是在這樣的背景下，結(jié)合實(shí)際控制項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了基于DDE機(jī)理的WinCC和Matlab的網(wǎng)絡(luò)通訊。

    WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是西門(mén)子公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物。其重要特性之一是全面開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)集成商可用WinCC作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放接口開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件。同時(shí)WinCC還提供多種PLC的驅(qū)動(dòng)軟件，使不同廠家的PLC與上位機(jī)的連接變得簡(jiǎn)單方便。正因如此，WinCC一直是工業(yè)控制領(lǐng)域最常用的組態(tài)軟件之一。

    Matlab是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境[1]。同時(shí)，自由開(kāi)放的ToolBox（工具箱）結(jié)構(gòu)，極大地方便了不同學(xué)科的使用者開(kāi)發(fā)出求解特定學(xué)科問(wèn)題的新算法、新工具，從而使Matlab本身得到了豐富和補(bǔ)充。由于Matlab具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域的重要工具。

    WinCC在工業(yè)控制領(lǐng)域的通用性和Matlab在數(shù)值計(jì)算、控制策略上的優(yōu)越性的統(tǒng)一，無(wú)疑會(huì)給復(fù)雜高級(jí)控制算法在工業(yè)控制中的實(shí)際應(yīng)用提供一條新的有效途徑。同時(shí)，在提高控制精度，滿足用戶工藝要求的基礎(chǔ)上，大大降低了生產(chǎn)成本。

2  WinCC、Matlab通訊功能

(1)  WinCC通訊功能

    WinCC作為工業(yè)控制組態(tài)軟件提供了多種控制網(wǎng)絡(luò)的通訊方式，主要包括：MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)、OPC等[6]。各種通訊方式因硬件支持程度、通訊速率和連接站點(diǎn)多少的不同而有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

    WinCC作為運(yùn)行在Windows平臺(tái)上的軟件，同樣支持著多種軟件間的通訊方式，其中以O(shè)PC和DDE最為普遍。

    OPC（用于過(guò)程控制的OLE）由OPC基金會(huì)定義，主要適用于不同制造商的通訊產(chǎn)品和應(yīng)用程序之間的通訊，它描述了一個(gè)統(tǒng)一的、獨(dú)立于制造商以及基于Windows OLE（對(duì)象鏈接和嵌入）、COM（組件對(duì)象模塊）和DCOM（分布式組件對(duì)象模塊）技術(shù)的軟件界面。WinCC全面支持OPC通訊，它可以作為OPC服務(wù)器或OPC客戶機(jī)與其他應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WinCC的OPC通訊脫離了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的限制，通訊質(zhì)量可靠。

    DDE是一種Windows平臺(tái)下的通訊方式。由于多數(shù)軟件都支持DDE通訊，所以DDE通訊已經(jīng)成為WinCC和其他軟件最主要的通訊方式。

(2)  Matlab通訊功能

    Matlab作為Windows平臺(tái)下最主要的數(shù)值計(jì)算軟件之一[3]，它支持幾乎所有的Windows應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享方式，例如剪貼板數(shù)據(jù)共享、DDE、OLE和DLLs（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈接庫(kù)）等。同時(shí)，Matlab還支持多種計(jì)算機(jī)間的通訊協(xié)議，如TCP/IP、RS-232等等。除此以外，Matlab對(duì)C語(yǔ)言的全方位支持，也為用戶使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)符合實(shí)際需要的數(shù)據(jù)共享、通訊方式提供了方便。

    就硬件支持而言，Matlab只支持部分板卡，而且與多數(shù)PLC無(wú)法進(jìn)行直接通訊，這些不足限制了Matlab在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3  DDE通訊機(jī)理

3.1  DDE簡(jiǎn)介

    Windows的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，簡(jiǎn)稱(chēng)為DDE）技術(shù)，是隨著Windows操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)[4]。Windows允許用戶進(jìn)行多窗口、多任務(wù)、多進(jìn)程并行工作，這就產(chǎn)生了在各個(gè)應(yīng)用程序之間動(dòng)態(tài)地交換數(shù)據(jù)信息的DDE技術(shù)。在Windows環(huán)境下，DDE是進(jìn)程間通訊（InterProcess Communication, 簡(jiǎn)稱(chēng)為IPC）的有效方法，進(jìn)程間通訊包括進(jìn)程之間和同步事件之間的數(shù)據(jù)傳遞，DDE使用共享內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換以及使用DDE協(xié)議獲得傳遞數(shù)據(jù)的同步[5]。

3.2  DDE通訊機(jī)理

    Windows的DDE機(jī)制是基于Windows的消息機(jī)制[2]。兩個(gè)Windows應(yīng)用程序通過(guò)相互之間傳遞DDE消息進(jìn)行DDE會(huì)話（Conversation），從而完成數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、應(yīng)答、傳輸。這兩個(gè)應(yīng)用程序分別稱(chēng)為服務(wù)器（Server）和客戶（Client）。服務(wù)器是數(shù)據(jù)的提供者，客戶是數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和接受者，當(dāng)然，服務(wù)器和客戶之間數(shù)據(jù)的傳輸并不是單向的，而是以應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)的。

    DDE會(huì)話由客戶程序啟動(dòng)。客戶程序把一條消息（WM_DDE_INITIATE）傳播給當(dāng)前運(yùn)行的所有Windows程序。這條消息指明了客戶程序所需要的一般數(shù)據(jù)，主要包括：應(yīng)用程序名（Application）、主題名（Topic）和項(xiàng)目名（Item）。擁有這些數(shù)據(jù)的DDE服務(wù)器可以響應(yīng)這條被傳播的消息。此時(shí)，DDE會(huì)話就開(kāi)始了。
 
    由于在每個(gè)主題中，DDE服務(wù)器可以支持一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，所以在客戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)同時(shí)指明應(yīng)用程序名、主題名和項(xiàng)目名。應(yīng)用程序、主題、項(xiàng)目是DDE中三個(gè)最基本的概念。

    DDE有三種會(huì)話方式，別為冷鏈接（Cold Link）、熱鏈接（Hot Link）和溫鏈接（Warm Link）[4]。

(1)  冷鏈接

    由客戶程序傳播一條啟動(dòng)觸發(fā)消息來(lái)開(kāi)始冷鏈接，則服務(wù)器程序向客戶程序提供一次數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶還需要服務(wù)器提供更多次的數(shù)據(jù)時(shí)，客戶程序必須重新傳播啟動(dòng)觸發(fā)消息。

(2)  熱鏈接

    服務(wù)器程序已經(jīng)被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，在冷鏈接中，如果客戶不傳播啟動(dòng)觸發(fā)消息，則變化了的數(shù)據(jù)不會(huì)傳給客戶；在熱鏈接中，服務(wù)器會(huì)自動(dòng)將變化了的數(shù)據(jù)傳送給客戶。

(3)  溫鏈接

    溫鏈接綜合了熱鏈接和冷鏈接的特點(diǎn)，客戶只希望被通知數(shù)據(jù)是否發(fā)生了變化而不一定要立刻得到新的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)客戶知道數(shù)據(jù)發(fā)生了變化并需要獲得它時(shí)，再啟動(dòng)與冷鏈接相同的會(huì)話。

4  WinCC與Matlab的DDE網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置及應(yīng)用實(shí)例

(1)  WinCC下網(wǎng)絡(luò)DDE服務(wù)器的設(shè)置

    首先，啟動(dòng)WinCC的DDE服務(wù)器。DDE服務(wù)器（Ddeserv.exe）一般位于WinCC的安裝路徑上。在啟動(dòng)程序中添加應(yīng)用程序“\Siemens\WinCC\bin\Ddeserv.exe”，啟動(dòng)參數(shù)為“/v /nohold /noconfirm”。然后激活該項(xiàng)目，在激活過(guò)程中，會(huì)自動(dòng)彈出DDE服務(wù)器的對(duì)話框，從該對(duì)話框中的變量列表（Tag list）選擇想要共享的變量即可。

(2)  網(wǎng)絡(luò)DDE（NetDDE）服務(wù)的設(shè)置

    在DDE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊中，服務(wù)器和客戶機(jī)都必須啟動(dòng)其N(xiāo)etDDE服務(wù)。具體做法是：在控制面板中啟動(dòng)“服務(wù)”，找到“Network DDE”項(xiàng)，雙擊打開(kāi)。如果WinCC安裝的是多用戶系統(tǒng)，則設(shè)置啟動(dòng)類(lèi)型為“手動(dòng)”，在激活項(xiàng)目時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)該服務(wù)；如果安裝的是單用戶系統(tǒng)，則設(shè)置啟動(dòng)類(lèi)型為“自動(dòng)”，在每次開(kāi)機(jī)時(shí)都會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。

(3)  DDE共享的建立

    操作系統(tǒng)的默認(rèn)DDE共享一般只有Chat、CLPBK和Hearts，有必要給WinCC新建一個(gè)DDE共享服務(wù)。在“運(yùn)行”對(duì)話框中輸入“DDEShare.exe”，打開(kāi)DDE共享窗口，選擇進(jìn)入“DDE共享”子窗口，添加共享。設(shè)定共享名（例如“WinCCPro”），應(yīng)用程序名靜態(tài)欄設(shè)為“WinCC”，設(shè)定主題名（例如“Project”）。退回到主窗口后把新建的WinCCPro共享設(shè)為“信任共享”。這樣，一個(gè)新的WinCC的網(wǎng)絡(luò)DDE共享就建立好了。
完成以上三步之后，WinCC作為DDE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器就可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)提供了。

(4)  Matlab對(duì)DDE的支持

    Matlab支持DDE的熱鏈接和溫鏈接。作為客戶端，Matlab提供了有關(guān)DDE的一些基本函數(shù)：
ddeadv():與服務(wù)器應(yīng)用程序之間建立溫鏈接（在Matlab下名為advisory link）；
ddeexec():發(fā)出執(zhí)行命令給服務(wù)器應(yīng)用程序；
ddeinit():初始化Matlab與服務(wù)器應(yīng)用程序之間的DDE會(huì)話；
ddepoke():Matlab發(fā)送數(shù)據(jù)給DDE服務(wù)器應(yīng)用程序；
ddereq():從服務(wù)器應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)；
ddeterm():在Matlab與服務(wù)器應(yīng)用程序之間終止DDE會(huì)話；
ddeunadv():在Matlab與服務(wù)器應(yīng)用程序之間釋放溫鏈接。

    應(yīng)用上面的基本函數(shù)，編寫(xiě)M文件，再在Command Window下運(yùn)行該M文件，就可以和WinCC的DDE服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(5)  使用實(shí)例

    在某造紙廠流送部DCS中，下層模塊采用的是西門(mén)子的S7-300系列PLC，上層組態(tài)軟件采用西門(mén)子的WinCC 5.0。PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、濾波、標(biāo)度變換和PID運(yùn)算，WinCC主要實(shí)現(xiàn)各控制回路的PID參數(shù)的設(shè)置、以及各過(guò)程量的趨勢(shì)顯示、打印、報(bào)表等等。為了優(yōu)化工藝、提高控制精度，要求各PID回路能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)作，即在PID控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高級(jí)過(guò)程控制算法。從節(jié)約成本和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性綜合考慮，放棄了WinCC和Matlab運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的方案，采用單機(jī)運(yùn)行Matlab離散設(shè)定WinCC下的各PID參數(shù)的方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照本文上述的步驟設(shè)定好WinCC的DDE服務(wù)器，在Matlab下編寫(xiě)M文件：
channel = ddeinit('\\server\ndde$', 'WinCCPro');
%和局域網(wǎng)內(nèi)名為server的計(jì)算機(jī)下的WinCCPro網(wǎng)絡(luò)DDE服務(wù)器進(jìn)行通訊初始化；
tag = 'LT-010';
%指定要訪問(wèn)的目標(biāo)為變量LT-010；
ddereq(channel, tag, h);
%從服務(wù)器上獲得變量LT-010的當(dāng)前值，并把該值賦給Matlab下的變量h；
ddeadv(channel, tag, ‘disp(h)’, 'h');
%把服務(wù)器上的LT-010和變量h之間建立advisory link，并顯示當(dāng)前h的值；
……

    把這個(gè)M文件在Command Window下運(yùn)行，即可得到變量LT-010的值，并顯示出來(lái)。當(dāng)變量LT-010的值發(fā)生變化時(shí)，Matlab會(huì)自動(dòng)讀取新值給變量h，同時(shí)也顯示出來(lái)。照這個(gè)步驟，就可以把WinCC的DDE服務(wù)器上所需要的過(guò)程值和Matlab下的變量建立鏈接。這樣就可以利用Matlab自帶的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)過(guò)程控制，從而優(yōu)化各PID的協(xié)同工作。通過(guò)高級(jí)算法得到的下層PID參數(shù)用以下語(yǔ)句就可以回傳到WinCC里：
……

ddepoke(channel, ‘Gain’, pset,);
%把Matlab下的變量pset賦給WinCC下的變量Gain；
……

要結(jié)束WinCC和Matlab的DDE通訊，只需再執(zhí)行以下語(yǔ)句即可：
ddeunadv(channel, tag);
%釋放已建立的advisory link；
ddeterm(channel);
%結(jié)束本次DDE會(huì)話。

5  結(jié)論

(1)  在總結(jié)WinCC和Matlab通訊功能的基礎(chǔ)上，分析了DDE通訊機(jī)制的特點(diǎn)，提出了兩者數(shù)據(jù)共享的新方法。

(2)  WinCC和Matlab數(shù)據(jù)共享功能的實(shí)現(xiàn)，突破了硬件支持不力對(duì)Matlab實(shí)際應(yīng)用的限制。

(3)  通過(guò)在造紙廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用，驗(yàn)證了本通訊方法的有效性。同時(shí)Matlab下的高級(jí)算法通過(guò)WinCC在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，極大地提高了控制精度和工藝質(zhì)量，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。