現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與通用軟測量技術(shù)

　　現(xiàn)場總線以其優(yōu)越的特性越來越引起人們的注意。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號通信，并把基礎(chǔ)控制級直接放在工業(yè)現(xiàn)場，可以大大提高過程控制的實時性，減少干擾信號出現(xiàn)的可能性，從而在很大程度上提高控制系統(tǒng)的性能。因此，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將是未來控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。
　　控制系統(tǒng)賴以存在的前提是測量系統(tǒng)，軟測量技術(shù)是測量工具的延伸，是對傳統(tǒng)測量手段的一個有力補充。軟測量是人們依靠間接知識對硬件儀表不可測量變量的估計，在硬件無法完成測量任務(wù)的情況下，軟測量技術(shù)可以在一定程度上起到替代的作用。尤其是對于產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量等關(guān)鍵性生產(chǎn)參數(shù)，通常硬件儀表是無法測量的，軟測量的使用可以為提高生產(chǎn)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量提供有力的手段。軟測量技術(shù)在過程工業(yè)中已經(jīng)有了比較廣泛的應用，并取得了較好的效果［1］。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的實時傳播提供了便利的條件，使軟測量技術(shù)的廣泛使用成為可能。軟測量技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)合，能夠充分利用現(xiàn)場總線和軟測量技術(shù)的優(yōu)點，保證生產(chǎn)過程有效正確運行，給工廠企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。軟測量技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)合，是今后過程控制發(fā)展的必然趨勢。
　　本文討論了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，闡述了軟測量技術(shù)在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的地位與實現(xiàn)方式，最后結(jié)合我們在實驗室建立的模型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具體說明了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其中的軟測量技術(shù)是如何實現(xiàn)的。

1　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是以現(xiàn)場總線為通信介質(zhì)的計算機集成控制系統(tǒng)，根據(jù)CIMS（CIPS）的觀點，它可分為三個層次：管理決策級、高級控制級和基礎(chǔ)控制級。
　?、佟」芾頉Q策級包括:決策分析、市場營銷、計劃、離線優(yōu)化、調(diào)度、生產(chǎn)管理等功能，主要指集成控制系統(tǒng)對這些任務(wù)提出信息服務(wù)和決策支持，包括通過歷史數(shù)據(jù)分析與挖掘提出發(fā)展目標和營銷策略，根據(jù)相應的營銷策略調(diào)整生產(chǎn)方案，對生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實現(xiàn)集成管理，制定和落實年、季、月綜合計劃，完成生產(chǎn)計劃分解，根據(jù)生產(chǎn)的實際情況形成調(diào)度指令，組織日常均衡生產(chǎn)和處理異常事件，即時地指揮生產(chǎn)。
　?、凇「呒壙刂萍壥窍到y(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化操作的保證，也是人與生產(chǎn)過程進行交互的層面。過程監(jiān)控系統(tǒng)接收來自現(xiàn)場總線智能節(jié)點中的現(xiàn)場狀態(tài)信息和來自決策管理層的調(diào)度信息，并利用軟測量和數(shù)據(jù)校正技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行完備性和一致性處理，形成過程實時數(shù)據(jù)庫，并利用來自過程實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)操作指導、動態(tài)優(yōu)化、高級控制、故障診斷和實時報警等功能。
　?、邸』A(chǔ)控制級實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的常規(guī)檢測和基本控制，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中由現(xiàn)場總線智能節(jié)點實現(xiàn)，包括傳感變送部分、PID調(diào)節(jié)器部分等各種功能的集成。在智能節(jié)點中， 一般包括獨立的微處理器芯片，能夠完成比較復雜的計算任務(wù)。
　　圖1是我們開發(fā)的完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)示意圖。

2　通用軟測量技術(shù)
　　在實際生產(chǎn)過程中，需要對產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量參數(shù)進行實時檢測和在線控制。然而在實際過程中，存在一大類變量無法用傳統(tǒng)的測量儀表直接檢測［2］。造成這一問題的主要原因有以下5個方面：
　?、佟∮捎诠に嚄l件限制，無法進行檢測或不允許安裝檢測儀表；
　?、凇∧壳八莆盏臋z測手段不完善，尚不足以完成要求的檢測任務(wù)；
　?、邸∠冗M的檢測工具成本過于昂貴；
　?、堋z測儀表造成的測量滯后使測量結(jié)果無法滿足實時性的要求；
　?、荨鹘y(tǒng)的傳感器只能夠感知某一個狀態(tài)變量，有些情況下需要對多個傳感器的測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合，才能得到比較理想的結(jié)果。
　　軟測量技術(shù)依靠間接知識對硬件儀表不可測量的變量進行估計，在硬件無法完成測量任務(wù)的情況下，可在一定程度上起到替代的作用。軟測量技術(shù)主要包括四個方面：二次測量變量的選擇；數(shù)據(jù)處理；軟測量模型的建立；軟測量模型的在線校正。二次測量變量的選擇是指對特定的生產(chǎn)過程和選定的待估輸出變量，如何確定其對應的輔助過程變量；數(shù)據(jù)處理指對于輔助變量的原始測量數(shù)據(jù)，如何進行過失誤差偵破、剔除和數(shù)據(jù)校正；軟測量模型的建立指的是如何通過各種信息和數(shù)據(jù)確定過程模型；軟測量模型的在線校正則指在過程狀態(tài)發(fā)生變化時，如何進行模型自身的調(diào)整。
　　經(jīng)過長期的理論和應用研究，我們認為軟測量方法本身具有相似之處，提出了通用軟測量技術(shù)的概念，形成了通用的產(chǎn)品化軟測量軟件包。軟測量技術(shù)的通用化需要著重解決的問題有兩個方面，一是建立通用的軟測量模型；二是解決針對具體生產(chǎn)過程的二次變量選擇問題。只有這兩個方面的問題得到解決，才能真正實現(xiàn)軟測量技術(shù)的通用化。
　　針對上述兩個問題，我們建立了一套面向數(shù)據(jù)的解決方案。在這套方法中對二次變量的選擇和軟測量模型的建立完全不依賴于過程的機理模型，而是直接使用來自生產(chǎn)設(shè)備和調(diào)度室的過程歷史紀錄數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和因子分析，得出影響待估變量的主要可測變量。然后對歷史數(shù)據(jù)進行適當聚類和整理后，構(gòu)成建立軟測量模型的樣本數(shù)據(jù)。軟測量模型采用學習速度較快，逼近精度較高的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并采用正交最小二乘算法使軟測量模型可以根據(jù)具體過程自動調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以滿足軟測量模型的通用化。
　　根據(jù)上述思路，我們建立了面向數(shù)據(jù)的通用軟測量軟件包，在實際生產(chǎn)過程中使用該軟件包時，具體工作流程如圖2所示。其中前兩步由人工針對具體的生產(chǎn)過程完成，后4步由軟測量軟件包完成。