現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與通用軟測(cè)量技術(shù)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線以其優(yōu)越的特性越來(lái)越引起人們的注意。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)通信，并把基礎(chǔ)控制級(jí)直接放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以大大提高過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性，減少干擾信號(hào)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(chǎng)總線的控制系統(tǒng)將是未來(lái)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　控制系統(tǒng)賴(lài)以存在的前提是測(cè)量系統(tǒng)，軟測(cè)量技術(shù)是測(cè)量工具的延伸，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量手段的一個(gè)有力補(bǔ)充。軟測(cè)量是人們依靠間接知識(shí)對(duì)硬件儀表不可測(cè)量變量的估計(jì)，在硬件無(wú)法完成測(cè)量任務(wù)的情況下，軟測(cè)量技術(shù)可以在一定程度上起到替代的作用。尤其是對(duì)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(wú)法測(cè)量的，軟測(cè)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(cè)量技術(shù)在過(guò)程工業(yè)中已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的效果［1］。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳播提供了便利的條件，使軟測(cè)量技術(shù)的廣泛使用成為可能。軟測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的結(jié)合，能夠充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線和軟測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，保證生產(chǎn)過(guò)程有效正確運(yùn)行，給工廠企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。軟測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合，是今后過(guò)程控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　本文討論了現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的地位與實(shí)現(xiàn)方式，最后結(jié)合我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室建立的模型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具體說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與其中的軟測(cè)量技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。

1　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是以現(xiàn)場(chǎng)總線為通信介質(zhì)的計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)，根據(jù)CIMS（CIPS）的觀點(diǎn)，它可分為三個(gè)層次：管理決策級(jí)、高級(jí)控制級(jí)和基礎(chǔ)控制級(jí)。
　?、佟」芾頉Q策級(jí)包括:決策分析、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、計(jì)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(duì)這些任務(wù)提出信息服務(wù)和決策支持，包括通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析與挖掘提出發(fā)展目標(biāo)和營(yíng)銷(xiāo)策略，根據(jù)相應(yīng)的營(yíng)銷(xiāo)策略調(diào)整生產(chǎn)方案，對(duì)生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實(shí)現(xiàn)集成管理，制定和落實(shí)年、季、月綜合計(jì)劃，完成生產(chǎn)計(jì)劃分解，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)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(shí)地指揮生產(chǎn)。
　　②　高級(jí)控制級(jí)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化操作的保證，也是人與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行交互的層面。過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)總線智能節(jié)點(diǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息和來(lái)自決策管理層的調(diào)度信息，并利用軟測(cè)量和數(shù)據(jù)校正技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行完備性和一致性處理，形成過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用來(lái)自過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)操作指導(dǎo)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、高級(jí)控制、故障診斷和實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。
　　③　基礎(chǔ)控制級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的常規(guī)檢測(cè)和基本控制，在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中由現(xiàn)場(chǎng)總線智能節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)中， 一般包括獨(dú)立的微處理器芯片，能夠完成比較復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。
　　圖1是我們開(kāi)發(fā)的完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)示意圖。

2　通用軟測(cè)量技術(shù)
　　在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和在線控制。然而在實(shí)際過(guò)程中，存在一大類(lèi)變量無(wú)法用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表直接檢測(cè)［2］。造成這一問(wèn)題的主要原因有以下5個(gè)方面：
　　①　由于工藝條件限制，無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)或不允許安裝檢測(cè)儀表；
　　②　目前所掌握的檢測(cè)手段不完善，尚不足以完成要求的檢測(cè)任務(wù)；
　?、邸∠冗M(jìn)的檢測(cè)工具成本過(guò)于昂貴；
　　④　檢測(cè)儀表造成的測(cè)量滯后使測(cè)量結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；
　?、荨鹘y(tǒng)的傳感器只能夠感知某一個(gè)狀態(tài)變量，有些情況下需要對(duì)多個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，才能得到比較理想的結(jié)果。
　　軟測(cè)量技術(shù)依靠間接知識(shí)對(duì)硬件儀表不可測(cè)量的變量進(jìn)行估計(jì)，在硬件無(wú)法完成測(cè)量任務(wù)的情況下，可在一定程度上起到替代的作用。軟測(cè)量技術(shù)主要包括四個(gè)方面：二次測(cè)量變量的選擇；數(shù)據(jù)處理；軟測(cè)量模型的建立；軟測(cè)量模型的在線校正。二次測(cè)量變量的選擇是指對(duì)特定的生產(chǎn)過(guò)程和選定的待估輸出變量，如何確定其對(duì)應(yīng)的輔助過(guò)程變量；數(shù)據(jù)處理指對(duì)于輔助變量的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行過(guò)失誤差偵破、剔除和數(shù)據(jù)校正；軟測(cè)量模型的建立指的是如何通過(guò)各種信息和數(shù)據(jù)確定過(guò)程模型；軟測(cè)量模型的在線校正則指在過(guò)程狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如何進(jìn)行模型自身的調(diào)整。
　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論和應(yīng)用研究，我們認(rèn)為軟測(cè)量方法本身具有相似之處，提出了通用軟測(cè)量技術(shù)的概念，形成了通用的產(chǎn)品化軟測(cè)量軟件包。軟測(cè)量技術(shù)的通用化需要著重解決的問(wèn)題有兩個(gè)方面，一是建立通用的軟測(cè)量模型；二是解決針對(duì)具體生產(chǎn)過(guò)程的二次變量選擇問(wèn)題。只有這兩個(gè)方面的問(wèn)題得到解決，才能真正實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量技術(shù)的通用化。
　　針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)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(duì)二次變量的選擇和軟測(cè)量模型的建立完全不依賴(lài)于過(guò)程的機(jī)理模型，而是直接使用來(lái)自生產(chǎn)設(shè)備和調(diào)度室的過(guò)程歷史紀(jì)錄數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析，得出影響待估變量的主要可測(cè)變量。然后對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)聚類(lèi)和整理后，構(gòu)成建立軟測(cè)量模型的樣本數(shù)據(jù)。軟測(cè)量模型采用學(xué)習(xí)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(cè)量模型可以根據(jù)具體過(guò)程自動(dòng)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足軟測(cè)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(cè)量軟件包，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中使用該軟件包時(shí)，具體工作流程如圖2所示。其中前兩步由人工針對(duì)具體的生產(chǎn)過(guò)程完成，后4步由軟測(cè)量軟件包完成。