現(xiàn)場總線FF的PID控制算法應(yīng)用研究

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展使得控制系統(tǒng)在由封閉走向開放的進程中邁進了一大步。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)開始進入封閉的DCS系統(tǒng)，成為過程控制的發(fā)展方向。FF(基金會現(xiàn)場總線)現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字、串行、雙向通信網(wǎng)絡(luò)，同時也是一種專門針對過程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用而設(shè)計的現(xiàn)場總線，所以其在設(shè)計之初就充分考慮了過程自動化領(lǐng)域的一些特點，比如總線、供電、本質(zhì)安全，以及較高的實時性要求等。我國在FF總線技術(shù)研究以及符合FF協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)方面己經(jīng)取得了長足的進步，如中科院沈陽自動化研究所研制出了各種基金會現(xiàn)場總線產(chǎn)品，例如壓力變送器、溫度變送器，以及主機接口卡和通信棧軟件等。在DCS時代，先進控制已被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟效益。先進控制與現(xiàn)場總線的結(jié)合是本文討論的主題?，F(xiàn)場總線的采用提供了控制策略的更好的實現(xiàn)手段。

　　本文以在中科院沈陽自動化研究所設(shè)計的基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化測控實驗平臺上，設(shè)計了雙容水箱的液位反饋控制回路，并結(jié)合具體被控對象提出了將PID控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)的可行性方案，既在OPC服務(wù)器MicroCyber.FFServer.1的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于OPC技術(shù)的PID控制算法。實驗表明，該方案控制效果更好的發(fā)揮了現(xiàn)場總線與PID控制的技術(shù)優(yōu)勢，取得了預(yù)期的控制效果。

　　2 基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化平臺

　　本系統(tǒng)包括兩個部分：FF現(xiàn)場總線部分和現(xiàn)場控制模型部分，如圖1。FF現(xiàn)場總線包括低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線HSE。低速現(xiàn)場總線H1的速率為31.25kbps，可用于溫度、液位及流量等控制場合，信號類型為電壓信號;高速現(xiàn)場總線HSE的速率為100Mbps，一般用于高級控制、遠程輸入/輸出和高速工廠自動化等場合。現(xiàn)場控制模型可以利用實驗室的原有設(shè)備，從而節(jié)約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號到現(xiàn)場總線信號變送器轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場總線。　　

　　圖1 系統(tǒng)軟件運行關(guān)系

　　以單回路液位控制為例，上位機中軟件的運行情況：

　　(1)HSE Init接口軟件, 選擇H1網(wǎng)段，HSE接口程序可以與以太網(wǎng)段內(nèi)的HSE設(shè)備，以及LD設(shè)備下的H1網(wǎng)段設(shè)備進行交互，向組態(tài)等上層軟件提供數(shù)據(jù)訪問接口;

　　(2)運行組態(tài)程序FF-Configurator組態(tài)軟件，刷新網(wǎng)段獲取系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備列表和功能塊列表，刷新網(wǎng)段后，建立應(yīng)用完成功能塊組態(tài)，功能塊間的連線表示通過現(xiàn)場總線通信的信號連接，如圖2所示;

　　(3)FF H1和FF HSE OPC服務(wù)器, 每秒鐘刷新一次，實現(xiàn)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報警等功能;

　　(4)設(shè)計SiaView監(jiān)控軟件，新建一個工程，在對象中選擇PID拖到視圖中，與OPC連接后經(jīng)過編輯可得到一個PID功能塊操作面板。

　　從組態(tài)軟件的工程窗口的設(shè)備中選擇IF-AI1功能塊、IF-PID功能塊和FI-AO1功能塊拖拽到應(yīng)用視圖中連接配置成一個PID控制回路，見圖2。將功能塊連接,建立功能塊之間的聯(lián)系，使功能塊之間能夠進行參數(shù)值的傳遞并需下載組態(tài)信息到現(xiàn)場設(shè)備。要使液位控制回路正確運行需要修改功能塊的參數(shù)值，雙擊IF-PID功能塊，打開塊的參數(shù)窗口，將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數(shù)修改成AUTO模式，讀取功能塊參數(shù)，從而實現(xiàn)單回路的液位控制自動正常的運行。如果想要實現(xiàn)將先進控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)的方案，只需將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數(shù)修改成MAN模式，具體設(shè)置如圖3所示，然后通過OPC技術(shù)實現(xiàn)過程變量和控制變量的通訊?！　?/p>

　　圖2 應(yīng)用窗口中配置的PID組態(tài)策略　　

　　圖3 實現(xiàn)先進控制算法時的IF-PID功能塊參數(shù)表

　　3 基于OPC的PID控制方案

　　實現(xiàn)基于FF現(xiàn)場總線的先進控制算法，要先以實現(xiàn)常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，包含先進控制算法的軟件通過OPC接口來讀寫硬件設(shè)備的信息(作為OPC客戶)，通過OPC服務(wù)器訪問過程數(shù)據(jù)，可以克服異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的差異。

　　3.1 OPC服務(wù)器

　　選用中科院沈陽自動化研究所提供了OPC服務(wù)器MicroCyber.FFServer.1，服務(wù)器的地址空間由服務(wù)器可讀寫的所有數(shù)據(jù)項組成，可以根據(jù)需要得到數(shù)據(jù)項的全稱對其進行相關(guān)操作。圖4為OPC服務(wù)器的地址空間圖。使用OPC技術(shù)實現(xiàn)用VB6.0編寫的客戶端程序與OPC服務(wù)器的通訊，服務(wù)器中液位的實時值IF-PID-PV.VALUE，以及自定義變量如液位設(shè)定值IF-PID-SP.VALUE，然后進行算法控制，得到控制量，將控制量寫入OPC服務(wù)器的項FI-PID-OUT.VALUE，從而控制受控系統(tǒng)。　　

　　圖4 OPC服務(wù)器的地址空間圖

　　3.2 OPC自動化接口標(biāo)準(zhǔn)

　　(1)自動化接口

　　OPC基金會為方便用戶在各種環(huán)境下軟件開發(fā)，為數(shù)據(jù)訪問規(guī)范提供兩類接口：自動化接口和定制接口。基于定制接口的開發(fā)，需要用到較深的COM/DCOM知識，比較晦澀難懂，而運用自動化接口則有以下優(yōu)點：客戶程序可以很容易地應(yīng)用接口，而無需了解接口的詳細內(nèi)部機理;可以運用事件觸發(fā)機制;可以生成一個通用的動態(tài)鏈接庫(DLL)或控件供所有客戶端應(yīng)用程序使用。

　　(2)自動化接口的通信機制

　　OPC客戶程序通過封裝的OPC自動化接口動態(tài)鏈接庫訪問OPC服務(wù)器，如圖5所示。該動態(tài)連接庫將OPC服務(wù)器的定制接口翻譯成OPC客戶程序希望的自動化接口，以供客戶程序調(diào)用。OPC客戶程序和動態(tài)鏈接庫是進程內(nèi)的通信，而動態(tài)鏈接庫和OPC服務(wù)器的通信則基于COM/DCOM，既可以是進程內(nèi)或本地的連接，又可以是遠程連接。封裝的動態(tài)鏈接庫解決了定制接口的解釋和二者的通信，從而大大簡化了OPC客戶程序的開發(fā)?！　?/p>

　　圖5 OPC客戶程序與服務(wù)器的通迅

　　(3)自動化對象模型

　　OPC客戶程序的開發(fā)關(guān)鍵在于搞清該動態(tài)鏈接庫的封裝結(jié)構(gòu)，也即自動化接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可以用圖6所示的自動化對象模型表示。它主要由六類對象組成：

　　OPCServer：OPC服務(wù)器的一個實例。只有創(chuàng)建了OPCServer對象以后才能獲得OPC服務(wù)器的信息，它包括OPCGroups的搜索以及OPCBrowser對象的創(chuàng)建;

　　OPCGroups：能夠自動搜集到OPCServer范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的所有的OPCGroup對象;

　　OPCGroup：OPCGroup對象的一個實例。它包含所有的狀態(tài)信息，并且為OPCGroup中所涉及的OPC- Items提供必要的服務(wù);

　　OPCItems：能夠自動搜集到OPCServer范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的對應(yīng)相應(yīng)的OPCGroup中的所有的OPCItem對象;　　

　　

　　圖7 實現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序

　　該單回路控制過程為自衡非振蕩，具有相互影響的雙容過程。其數(shù)學(xué)模型可用如下傳遞函數(shù)描述：

　　G( s) =

　　式中, Kp, Tp，τ為過程的增益、時間常數(shù)和時滯。式中的各參數(shù)可根據(jù)階躍響應(yīng)曲線用圖解法求得。下面給出確定傳遞函數(shù)的參數(shù)的方法：設(shè)圖7中的控制量為q，測量值為y(∞),新的穩(wěn)態(tài)值為設(shè)定值,增益K可由輸入輸出的穩(wěn)態(tài)值直接算出，而Tp，τ則可以用作圖法確定。為了能夠隨時調(diào)用在OPC服務(wù)器上采集的測量值y并繪制出相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，這里把選擇的數(shù)據(jù)存放在指定的數(shù)據(jù)庫中(采用SQL2000數(shù)據(jù)庫)。同時也是為了在進行算法的仿真的時候，既可以從歷史數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)，也可隨著數(shù)據(jù)的采集，可以不斷刷新數(shù)據(jù)，進行算法的優(yōu)化，如圖8所示?！　?/p>

　　圖8 SQL server 數(shù)據(jù)庫中存取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)

　　通過FF現(xiàn)場總線的過程控制實驗系統(tǒng)的設(shè)計過程，論述OPC技術(shù)，目的是希望通過VB去開發(fā)OPC自動化接口的客戶應(yīng)用程序，實現(xiàn)PID控制算法到OPC 客戶應(yīng)用程序的應(yīng)用編程，方便用戶的使用和系統(tǒng)的維護和升級，同時研究SQL Server 2000的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于歷史數(shù)據(jù)的存取以及算法的仿真。如何實現(xiàn)更加復(fù)雜的先進控制算法，可以使用OLE自動化技術(shù)來實現(xiàn)VB與Matlab混合編程，即用VB編寫OPC客戶端程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而利用Matlab進行先進控制算法的編寫，從而對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，是下一步研究的重點。