1  引言

    在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的PID控制策略已經(jīng)無法滿足日益提高的工藝精度要求和質(zhì)量要求。同時，各主要DCS控制系統(tǒng)提供商都沒有及時推出經(jīng)濟有效的、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)計人員積極探求折中的設(shè)計方案。本文就是在這樣的背景下，結(jié)合實際控制項目，設(shè)計了基于DDE機理的WinCC和Matlab的網(wǎng)絡(luò)通訊。

    WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡稱，是西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物。其重要特性之一是全面開放的體系結(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)集成商可用WinCC作為其系統(tǒng)擴展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。同時WinCC還提供多種PLC的驅(qū)動軟件，使不同廠家的PLC與上位機的連接變得簡單方便。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)值計算軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便、界面友好的用戶環(huán)境[1]。同時，自由開放的ToolBox（工具箱）結(jié)構(gòu)，極大地方便了不同學(xué)科的使用者開發(fā)出求解特定學(xué)科問題的新算法、新工具，從而使Matlab本身得到了豐富和補充。由于Matlab具有如此多的優(yōu)點，它已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(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)值計算、控制策略上的優(yōu)越性的統(tǒng)一，無疑會給復(fù)雜高級控制算法在工業(yè)控制中的實際應(yīng)用提供一條新的有效途徑。同時，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多少的不同而有不同的優(yōu)缺點和適用范圍。

    WinCC作為運行在Windows平臺上的軟件，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（用于過程控制的OLE）由OPC基金會定義，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，它描述了一個統(tǒng)一的、獨立于制造商以及基于Windows OLE（對象鏈接和嵌入）、COM（組件對象模塊）和DCOM（分布式組件對象模塊）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平臺下最主要的數(shù)值計算軟件之一[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（動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接庫）等。同時，Matlab還支持多種計算機間的通訊協(xié)議，如TCP/IP、RS-232等等。除此以外，Matlab對C語言的全方位支持，也為用戶使用C語言開發(fā)符合實際需要的數(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通訊機理

3.1  DDE簡介

    Windows的動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，簡稱為DDE）技術(shù)，是隨著Windows操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的一門新技術(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)生了在各個應(yīng)用程序之間動態(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, 簡稱為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)存來實現(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通訊機理

    Windows的DDE機制是基于Windows的消息機制[2]。兩個Windows應(yīng)用程序通過相互之間傳遞DDE消息進(jìn)行DDE會話（Conversation），從而完成數(shù)據(jù)的請求、應(yīng)答、傳輸。這兩個應(yīng)用程序分別稱為服務(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)答的方式實現(xiàn)雙向流動的。

    DDE會話由客戶程序啟動。客戶程序把一條消息（WM_DDE_INITIATE）傳播給當(dāng)前運行的所有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，DDE會話就開始了。
 
    由于在每個主題中，DDE服務(wù)器可以支持一個或多個數(shù)據(jù)項，所以在客戶請求數(shù)據(jù)時應(yīng)同時指明應(yīng)用程序名、主題名和項目名。應(yīng)用程序、主題、項目是DDE中三個最基本的概念。

    DDE有三種會話方式，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觸發(fā)消息來開始冷鏈接，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，客戶程序必須重新傳播啟動觸發(fā)消息。

(2)  熱鏈接

    服務(wù)器程序已經(jīng)被訪問的數(shù)據(jù)可能會隨著時間的推移而發(fā)生變化，在冷鏈接中，如果客戶不傳播啟動觸發(fā)消息，則變化了的數(shù)據(jù)不會傳給客戶；在熱鏈接中，服務(wù)器會自動將變化了的數(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，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，再啟動與冷鏈接相同的會話。

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

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

    首先，啟動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。在啟動程序中添加應(yīng)用程序“\Siemens\WinCC\bin\Ddeserv.exe”，啟動參數(shù)為“/v /nohold /noconfirm”。然后激活該項目，在激活過程中，會自動彈出DDE服務(wù)器的對話框，從該對話框中的變量列表（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)器和客戶機都必須啟動其NetDDE服務(wù)。具體做法是：在控制面板中啟動“服務(wù)”，找到“Network DDE”項，雙擊打開。如果WinCC安裝的是多用戶系統(tǒng)，則設(shè)置啟動類型為“手動”，在激活項目時會自動啟動該服務(wù)；如果安裝的是單用戶系統(tǒng)，則設(shè)置啟動類型為“自動”，在每次開機時都會自動啟動。

(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DDE共享服務(wù)。在“運行”對話框中輸入“DDEShare.exe”，打開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)用程序請求數(shù)據(jù)；
ddeterm():在Matlab與服務(wù)器應(yīng)用程序之間終止DDE會話；
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M文件，再在Command Window下運行該M文件，就可以和WinCC的DDE服務(wù)器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(5)  使用實例

    在某造紙廠流送部DCS中，下層模塊采用的是西門子的S7-300系列PLC，上層組態(tài)軟件采用西門子的WinCC 5.0。PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、濾波、標(biāo)度變換和PID運算，WinCC主要實現(xiàn)各控制回路的PID參數(shù)的設(shè)置、以及各過程量的趨勢顯示、打印、報表等等。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)上實現(xiàn)高級過程控制算法。從節(jié)約成本和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性綜合考慮，放棄了WinCC和Matlab運行在同一臺計算機上的方案，采用單機運行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M文件：
channel = ddeinit('\\server\ndde$', 'WinCCPro');
%和局域網(wǎng)內(nèi)名為server的計算機下的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M文件在Command Window下運行，即可得到變量LT-010的值，并顯示出來。當(dāng)變量LT-010的值發(fā)生變化時，Matlab會自動讀取新值給變量h，同時也顯示出來。照這個步驟，就可以把WinCC的DDE服務(wù)器上所需要的過程值和Matlab下的變量建立鏈接。這樣就可以利用Matlab自帶的強大的數(shù)據(jù)分析和控制策略來實現(xiàn)各種高級過程控制，從而優(yōu)化各PID的協(xié)同工作。通過高級算法得到的下層PID參數(shù)用以下語句就可以回傳到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)行以下語句即可：
ddeunadv(channel, tag);
%釋放已建立的advisory link；
ddeterm(channel);
%結(jié)束本次DDE會話。

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通訊機制的特點，提出了兩者數(shù)據(jù)共享的新方法。

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

(3)  通過在造紙廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用，驗證了本通訊方法的有效性。同時Matlab下的高級算法通過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)。