CN104049621A - 一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，在可编程控制器上编程，产生用于辨识的激励信号-伪随机多位式信号PRMS；然后充分利用上位机WinCC和下位机可编程控制器的特点，高速采集输入、输出数据（采集周期可达5ms），这样保证了能有充分的数据用于系统辨识。为了实现WinCC的高速数据采集，首先在可编程控制器将连续采集的信号数据依次存储在数据块中，然后在上位机WinCC中建立多个外部变量对应数据块中的全部过程变量，通过“多个变量读取同一信号数据的连续值”来间接实现上位机WinCC高速数据采集。本发明为工业现场进行系统辨识提供了一种简单、可靠、低成本的方法。

Description

一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法

技术领域

本发明涉及一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法。 

背景技术

上位机WinCC+下位机可编程控制器（PLC）是工业现场监控系统的主要形式。PLC多用来实现开关量的控制、模拟量的输入输出及逻辑运算功能，但很少用来进行系统辨识研究。一方面是因为用于系统辨识的激励信号要求很高,必须具有较丰富的变化，能够持续的激励被辨识过程的所有模态，利用可编程控制器发生激励信号不易实现；另一方面，进行系统辨识时，对输入、输出数据要能高速采集，以便获取大量丰富的数据。但是WinCC最小刷新周期只有250ms，数据归档周期最小为500ms，远远大于PLC的采样周期，若不进行开发，则不能够实现对数据的高速采集与保存。目前，进行系统辨识的实验研究时多选用数据采集卡、DSP等高速采集模块，并配合LABVIEW等便于发生激励信号的上位机软件使用，但这样无疑增加了硬件成本，并且不能和原有的控制系统实现很好的融合。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种简单、可靠、低成本的基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，在不改变原有监控系统硬件结构的情况下，充分利用上位机WinCC和下位机PLC的特点，实现激励信号的发生及高速采集输入输出数据。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，包括以下步骤：

1）发生激励信号PRMS：给种子赋初值，即初始化R(0)=0，设置保持时间T；利用公式R(n+1) = [R(n) * a + b] mod c，每隔时间T计算得到一个激励信号R(n+1)；其中，mod表示求余数；a,b均为质数；c为常数；

2）在可编程控制器中建立两个全局数据块DB1和DB2，分别在两个全局数据块DB1和DB2中建立一个整型过程变量和一个长度为N的浮点型数组过程变量，两个全局数据块DB1和DB2中的浮点型数组过程变量分别用来存储待辨识物理系统的激励信号PRMS和输出信号，两个整型过程变量分别用来存储最新存入的激励信号PRMS的位置编号和输出信号的位置编号；可编程控制器每隔时间T1将激励信号PRMS和输出信号分别依次存储到全局数据块DB1和DB2中，每一次存储时，更新激励信号PRMS的位置编号、输出信号的位置编号、激励信号PRMS和输出信号；其中，Tl≥lms；

3）在上位机WinCC软件的变量表中建立2N个浮点型外部变量，其中前N个浮点型外部变量与全局数据块DB1中的长度为N的浮点型数组过程变量包含的N个浮点型过程变量一一对应，后N个浮点型外部变量与全局数据块DB2中的长度为N的浮点型数组过程变量包含的N个浮点型过程变量一一对应；同时建立两个整型外部变量，分别将两个整型外部变量与两个全局数据块中的整型过程变量对应；这样，上位机WinCC通过自身的外部变量与上述可编程控制器的过程变量建立的映射关系，每隔时间T2对外部变量刷新一次，实现上位机和下位机数据的实时通讯；T2≥250ms；

4）分别读取并保存全局数据块DB1和全局数据块DB2中的数据；每隔时间T2，分别将可编程控制器中两个全局数据块的2N个浮点型数据读取到上位机中；其中，T2≥250ms。

所述步骤3）中，WinCC软件通过调用GetTagFloat（）函数，将可编程控制器中两个全局数据块的2N个浮点型数据读取到WinCC中，并把GetTagFloat（）函数的返回值赋给上位机脚本中建立好的浮点型数组变量。

T1和T2满足如下关系式:T1*M=T2，Tl<T2；M为T2时间内可编程控制器采集到的数据的个数；M<N-1。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在不改变原有监控系统硬件结构的情况下，充分利用了上位机WinCC和下位机PLC的特点，实现了激励信号的发生及高速采集输入输出数据，为工业现场进行系统辨识提供了一种简单、可靠、低成本的方法；不但在可编程控制器上实现了广泛应用于系统辨识的激励信号PRMS的产生，还实现了系统的高速数据采集，采集周期可达5ms，可以满足大部分系统辨识的数据采集要求；本发明充分利用了上位机WinCC和下位机PLC的特点,最大限度地使用了系统本身的功能，通过调整可编程控制器存放数据到数据块的周期和WinCC中全局脚本的触发周期,可以使WinCC采集数据的周期由原来的最短500ms降为5ms,并通过编写程序实现了数据存储和显示；该方法不但可以应用在S7-300/400PLC上，还可以应用在S7-1500PLC上，并且不需要对采集数据进行圆整，读取的是精确的现场实时数据，同时该方法不需要额外的软硬件支持,便可实现上位机WinCC软件和可编程序控制器间的数据高速采集、存储和显示。

附图说明

图1为为可编程控制器发生激励信号原理图；

图2为高速数据采集流程图；

图3为可编程序控制器中数据连续存储流程图；

图4为上位机WinCC中高速数据存储流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明发生激励信号PRMS的具体步骤：

1.给种子赋初值并设置保持时间。加入伪随机信号触发开关，伪随机信号触发开关的上升沿，然后给种子赋初值0及设置保持时间T=300ms。

2.设置二分频。加入两个接通延时定时器TON1和TON2，定时时间分别为T/2；然后设置定时器TON1和TON2的关系：TON1先接通延时T/2后，再接通TON2，TON2接通后断开TON1，使得TON1重新计时。

3.设置每隔保持时间T触发随机数的递推计算。为了保证自信号触发开始每隔T时间触发一次伪随机数的计算过程，加入接通延时定时器TON2的下降沿；然后按照“线性同余法”的递推公式R(n+1) = [R(n) * a + b] mod c进行编程，将每次计算得到的伪随机数即激励信号PRMS，作为系统辨识的输入信号；a=3373,b=1,c=1000。

如图2所示，高速采集输入、输出信号数据的具体步骤：

1.在可编程序控制器中,建立循环中断组织块OB30,设置其循环中断周期为5ms。建立数据块DB1和DB2, DB1用来存储用于系统辨识的输入信号PRMS, DB2用来存储系统的输出信号。在数据块DB1中建立一个浮点型数组过程变量val[0.59]和一个整型过程变量a, 在数据块DB2中建立一个浮点型数组过程变量val1[0.59]和一个整型过程变量b，其中浮点型数组过程变量用来存储信号数据,整型过程变量用来存储最新存入数据的位置编号.编写程序如图3所示,先根据上位机传来的控制信号判断是否需要开启高速通讯功能, 若开启则分别将数据连续存入数据块DB1和DB2中,最后更新数据位置编号变量。

2.在上位机软件WinCC的变量表中,建立外部变量：120个浮点型变量（a0到a59与b0到b59）和两个整型过程变量x与y，将a0到a59与数据块DB1浮点型数组过程变量的val[0]到val[59]进行变量连接，将上位机变量x与数据块DB1的变量a进行连接，将b0到b59与数据块DB2浮点型数组过程变量中的val1[0]到val1[59]进行变量连接，将上位机变量y与数据块DB2中的变量b进行连接,形成一一对应。这样，上位机WinCC通过自身的外部变量与下位机PLC的过程变量建立的映射关系，每隔一定时间T2对外部变量刷新一次，实现上、下位机数据的实时通讯；T2≥250ms。在上位机WinCC中应用C脚本编程，通过调用GetTagFloat（）函数，将可编程控制器中两个全局数据块的全部数据一次读取到WinCC中，并把GetTagFloat（）函数的返回值赋给C脚本中建立的浮点型数组变量。

这样，下位机PLC通过多个过程变量存储同一信号数据的连续值，上位机WinCC通过多个外部变量一次读取多个过程变量的值，即“多个变量读取同一信号数据的连续值”，实现了上位机WinCC由原来的每次读取单个值变为现在的每次读取多个值，从而间接实现了高速数据采集。上位机每隔250ms可采集到50个数据,即每5ms采集一个数据。

上位机WinCC保存数据时，通过比较本次位置编号变量值A(数据块中建立的整型过程变量)和上次数据解包得到的并已存在上位机中的位置编号变量值B,可以得出两次采集时间间隔内的有效数据的位置区间。如果A大于B,则在上位机中只存储解包后数组中第B到第A个数据；如果A小于B,则在上位机中只存储第B到第N-1个、第1到第A个数据。建立不同的文本文件,同一信号数据以追加的方式保存在同一文件中。

在WinCC中组态数据显示画面,添加函数功能控件,调用SetProp（）函数设置函数功能控件的标题、横纵坐标范围、线条颜色。通过修改“dataX”、“dataY”属性,将获得的数据用描点连线的方式在控件中显示出来。

T1和T2满足如下关系式:T1*M=T2,Tl≥lms,T2≥250ms,Tl<T2，M<N-1。其中,T1为可编程序控制器采集数据存放到数据块的周期,T2为WinCC上位机软件全局脚本的触发周期，M为T2时间内PLC所采集到的新数据的个数,N为数据块中用于存储信号数据的浮点型数组过程变量的长度，T1、M、T2，N均为整数。 

Claims (3)

1.一种基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）发生激励信号PRMS：给种子赋初值，即初始化R(0)=0，设置保持时间T；利用公式R(n+1) = [R(n) * a + b] mod c，每隔时间T计算得到一个激励信号R(n+1)；其中，mod表示求余数；a,b均为质数；c为常数；

2）在可编程控制器中建立两个全局数据块DB1和DB2，分别在两个全局数据块DB1和DB2中建立一个整型过程变量和一个长度为N的浮点型数组过程变量，两个全局数据块DB1和DB2中的浮点型数组过程变量分别用来存储待辨识物理系统的激励信号PRMS和输出信号，两个整型过程变量分别用来存储最新存入的激励信号PRMS的位置编号和输出信号的位置编号；可编程控制器每隔时间T1将激励信号PRMS和输出信号分别依次存储到全局数据块DB1和DB2中，每一次存储时，更新激励信号PRMS的位置编号、输出信号的位置编号、激励信号PRMS和输出信号；其中，Tl≥lms；

3）在上位机WinCC软件的变量表中建立2N个浮点型外部变量，其中前N个浮点型外部变量与全局数据块DB1中的长度为N的浮点型数组过程变量包含的N个浮点型过程变量一一对应，后N个浮点型外部变量与全局数据块DB2中的长度为N的浮点型数组过程变量包含的N个浮点型过程变量一一对应；同时建立两个整型外部变量，分别将两个整型外部变量与两个全局数据块中的整型过程变量对应；这样，上位机WinCC通过自身的外部变量与上述可编程控制器的过程变量建立的映射关系，每隔时间T2对外部变量刷新一次，实现上位机和下位机数据的实时通讯；T2≥250ms；

4）分别读取并保存全局数据块DB1和全局数据块DB2中的数据；每隔时间T2，分别将可编程控制器中两个全局数据块的2N个浮点型数据读取到上位机中；其中，T2≥250ms。

2.根据权利要求1所述的基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，其特征在于，所述步骤3）中，WinCC软件通过调用GetTagFloat（）函数，将可编程控制器中两个全局数据块的2N个浮点型数据读取到WinCC中，并把GetTagFloat（）函数的返回值赋给上位机脚本中建立好的浮点型数组变量。

3.根据权利要求1或2所述的基于上位机和可编程控制器的系统辨识方法，其特征在于，T1和T2满足如下关系式:T1*M=T2，Tl<T2；M为T2时间内可编程控制器采集到的数据的个数；M<N-1。