基于FF總線實(shí)現(xiàn)水箱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)矩陣控制

引言

ff現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)行控制系統(tǒng)相比，具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì):① 現(xiàn)場(chǎng)總線用數(shù)字信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號(hào)，測(cè)量精度高,抗干擾能力強(qiáng)；② 基于總線的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以對(duì)量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量和對(duì)環(huán)境影響的自動(dòng)補(bǔ)償;③ 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算和控制功能于一體,既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。④ 所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接通過一對(duì)傳輸線即現(xiàn)場(chǎng)總線連接，減少了連線的數(shù)量,易于安裝和維護(hù)，節(jié)省費(fèi)用、調(diào)試和維修成本。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)采用jbs2gk03 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置,并采用中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開發(fā)的ff h1 opc服務(wù)器microcyber. ffserver.1作為opc服務(wù)器。該服務(wù)器符合opc組織制訂的opc da 2.0規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。opc客戶端與服務(wù)器之間的通訊符合opc的自動(dòng)化接口規(guī)范要求，利用matlab 7.0支持opc規(guī)范的新功能，實(shí)現(xiàn)了用戶端與服務(wù)器端的通訊。動(dòng)態(tài)矩陣控制算法在客戶端通過matlab的m語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了矩陣計(jì)算語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、高效的優(yōu)勢(shì)。

控制原理

本實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)采用的jbs2gk03 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置,被控參數(shù)變量為液位、流量、溫度和壓力。該過程為自衡非振蕩, 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:

式中，kp, tp,τ分別為過程的增益、時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯。由上位機(jī)的opc服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取ff現(xiàn)場(chǎng)總線采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)顯示。

opc服務(wù)器microcyber .ffserver.1每秒鐘刷新一次,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報(bào)警等功能。opc客戶端與服務(wù)器之間的通訊符合opc的自動(dòng)化接口規(guī)范要求，利用matlab 7.0支持opc規(guī)范的新功能，實(shí)現(xiàn)用戶端與服務(wù)器的通訊。動(dòng)態(tài)矩陣控制算法通過matlab的m語(yǔ)言在監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)，利用其強(qiáng)大的計(jì)算與動(dòng)態(tài)顯示能力對(duì)水箱系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制。并將opc服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)保存在matlab的數(shù)組中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)繪制。本文采用的受控對(duì)象為device1.flow，組名為 device1。通過matlab編寫的客戶端與sql2000服務(wù)器的odbc連接，實(shí)時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互。從opc服務(wù)器讀取選項(xiàng)的值，并可以實(shí)時(shí)將選項(xiàng)的值插入到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中保存為歷史數(shù)據(jù)。需要時(shí)，可以通過選項(xiàng)隨時(shí)將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回調(diào)，進(jìn)行查詢、更新、刪除等操作，或者用于算法控制和繪制歷史曲線圖。從而可以實(shí)現(xiàn)opc服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器的分布式管理。本設(shè)計(jì)中采用的ncs-if105設(shè)備可以接收四個(gè)通道0~20ma模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成ff現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)。而ncs-ld105現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)則可用于各種采用ff h1現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的控制系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可將ff h1總線設(shè)備無(wú)縫集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，還可擴(kuò)展ff h1應(yīng)用。

程序?qū)崿F(xiàn)

客戶端與opc服務(wù)器通訊

首先，matlab客戶端應(yīng)先生成 opc服務(wù)器支持的 opc 對(duì)象。opc 數(shù)據(jù)訪問對(duì)象由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即一個(gè) opc 服務(wù)器對(duì)象具有一個(gè)作為子對(duì)象的 opc組集合對(duì)象(opc groups)。在這個(gè) opc組集合對(duì)象里可以添加多個(gè)opc組對(duì)象。各個(gè)opc組對(duì)象都具有一個(gè)作為子對(duì)象的opc標(biāo)簽集合對(duì)象,在這個(gè)標(biāo)簽集合對(duì)象里可以添加多個(gè) opc標(biāo)簽對(duì)象。

用matlab m文件編寫opc客戶端程序包含以下步驟：

(1)添加服務(wù)器的引用，創(chuàng)建 opc 服務(wù)器對(duì)象，并將客戶程序與服務(wù)器相連；

(2)連接創(chuàng)建的opc 服務(wù)器對(duì)象；

(3)通過瀏覽整個(gè)服務(wù)器中所有的項(xiàng)，添加組對(duì)象；

(4)添加 opc項(xiàng)，選擇需要的項(xiàng)，將其添加到規(guī)定的組中，并顯示其值和狀態(tài)；

(5)啟動(dòng)opc服務(wù)器。

程序和注釋如下：

hostinfo = opcserverinfo(遠(yuǎn)程/本地服務(wù)器名)；%連接遠(yuǎn)程/本地服務(wù)器

allservers = hostinfo.serverid；

da = opcda(服務(wù)器名, opc服務(wù)器名)；

connect(da)；

sawtoothitems = serveritems(da, *受控設(shè)備名*)；

itmids = {控設(shè)備名}；

grp = addgroup(da, demgroup)；%增加組

itm = additem(grp, itmids)； %增加項(xiàng)目

start(grp)； %啟動(dòng)opc服務(wù)器

客戶端與sql數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通訊

首先，在sql數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一個(gè)指定名字的數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立一個(gè)名為history的表。表中的字段包括選項(xiàng)的值(value)、品質(zhì)(quality)、時(shí)間戳(timestamp)、服務(wù)器名(servername)以及設(shè)備名(device)。設(shè)置odbc數(shù)據(jù)源，建立一個(gè)和前面數(shù)據(jù)庫(kù)名字相同的數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源指向sql數(shù)據(jù)庫(kù)中的同名數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試連接成功后，即可在matlab中通過編寫m文件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，并建立一個(gè)工作空間數(shù)組存儲(chǔ)來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行命令的方式實(shí)現(xiàn)選擇、插入數(shù)據(jù)等操作。關(guān)鍵程序及注釋如下所示：

首先，實(shí)現(xiàn)建立連接對(duì)象，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的連接。

conn = database(數(shù)據(jù)源名、用戶名、用戶密碼);%連接數(shù)據(jù)庫(kù)

ping(conn)；%檢查連接狀態(tài)

curs = exec(conn, select country from 表名)%打開游標(biāo)執(zhí)行sql語(yǔ)句

setdbprefs(datareturnformat, cellarray)%說(shuō)明檢索數(shù)據(jù)的格式

curs = fetch(curs、10)%將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到matalb

columnnames(curs)%獲取列名

a = curs.data%顯示游標(biāo)對(duì)象里的所有數(shù)據(jù)元素，data(:,3)為獲取某一字段的元素值

insert(conn、 表名、字段名、 數(shù)組名)；%將數(shù)組的值插入到表的某一字段中

close(curs)%關(guān)閉游標(biāo)

close(conn)%關(guān)閉連接對(duì)象

改進(jìn)的dmc控制程序仿真

受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如公式(1)所示。將階躍信號(hào)作為控制信號(hào)作用于受控系統(tǒng)，通過ff現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)時(shí)獲取一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)某一受控對(duì)象(流量)的階躍響應(yīng)輸出，通過matlab程序讀取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的階躍響應(yīng)值，并將時(shí)間和對(duì)應(yīng)值存在一個(gè)數(shù)組中。通過建立受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，可辨識(shí)受控系統(tǒng)的參數(shù)，并得到辨識(shí)后系統(tǒng)的輸出。使用matlab 7.0 的opc工具包，實(shí)現(xiàn)客戶端程序與opc服務(wù)器的通訊，使用get(itm,value)函數(shù)來(lái)獲取服務(wù)器中流量的實(shí)時(shí)值(其中itm=device1.flow)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制。得到控制量后，通過使用write(itm, setvalue)函數(shù)將控制量寫入opc服務(wù)器，從而控制受控系統(tǒng)。

設(shè)置模型的時(shí)域長(zhǎng)度為n=10，優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度為p=3，誤差校正向量為h，其長(zhǎng)度為n，控制向量為d，其長(zhǎng)度為p，預(yù)測(cè)向量存儲(chǔ)在數(shù)組y1中。不同的模型時(shí)域長(zhǎng)度和優(yōu)化長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響是不同的，仿真曲線如圖1所示。r過大時(shí)，預(yù)測(cè)向量會(huì)明顯偏離真實(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)，對(duì)預(yù)測(cè)不利。當(dāng)r=20，p=3時(shí)，預(yù)測(cè)與實(shí)際響應(yīng)值一致?？梢?，在dmc控制算法中，應(yīng)該合理選擇模型時(shí)域長(zhǎng)度和優(yōu)化長(zhǎng)度才能達(dá)到理想的控制效果。

結(jié)語(yǔ)

ff 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)dcs 相比,系統(tǒng)布線投資明顯減少,而網(wǎng)絡(luò)功能則大大加強(qiáng)。而且該系統(tǒng)可以充分利用各種軟件的優(yōu)勢(shì)，大大提高軟件編程的效率和靈活性,實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,基于matlab和opc技術(shù)的ff現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,控制效果良好。