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

3　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的軟測(cè)量技術(shù)
　　軟測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是把基于數(shù)據(jù)融合的軟測(cè)量技術(shù)固化到現(xiàn)場(chǎng)總線的智能現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)多傳感器綜合測(cè)量單個(gè)或多個(gè)過程變量，提供軟儀表的一種“硬件”形式；二是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中專門建立軟測(cè)量節(jié)點(diǎn)，完成整個(gè)系統(tǒng)的軟測(cè)量任務(wù)。
　　從前面現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)上可以看出，軟測(cè)量技術(shù)能夠作為高級(jí)控制級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)專門完成整個(gè)系統(tǒng)的軟測(cè)量任務(wù)。這是軟測(cè)量技術(shù)使用的一種比較方便和通用的形式。在這種方式中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中有專門的軟測(cè)量節(jié)點(diǎn)，軟測(cè)量系統(tǒng)從過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中得到生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)工程師事先制訂的軟測(cè)量系統(tǒng)組態(tài)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)的軟測(cè)量運(yùn)算，并把軟測(cè)量結(jié)果及時(shí)送到過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中去，以供其他任務(wù)使用。其他的過程控制、優(yōu)化任務(wù)使用軟測(cè)量產(chǎn)生的結(jié)果，就像使用通過傳感器從現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)一樣。在這種方式中，軟測(cè)量系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)通信，能夠充分利用全廠范圍內(nèi)的信息，保證軟測(cè)量結(jié)果的有效性。這種結(jié)合方式如圖1所示。
　　除了這種應(yīng)用方式，軟測(cè)量還可以像“硬”儀表那樣，構(gòu)成軟儀表，直接完成對(duì)特定變量的軟測(cè)量。在這種方式中，軟測(cè)量系統(tǒng)直接集成在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，出現(xiàn)在基礎(chǔ)控制級(jí)。如前所述，軟測(cè)量系統(tǒng)中的智能節(jié)點(diǎn)不像傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表那樣，只能完成一種功能，而是可以同時(shí)完成多種功能。軟測(cè)量系統(tǒng)是智能節(jié)點(diǎn)檢測(cè)功能的一個(gè)有力補(bǔ)充。帶有軟測(cè)量技術(shù)的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖中虛線框中為使用軟測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線智能節(jié)點(diǎn)。這種現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)變送器一樣，針對(duì)某一類生產(chǎn)過程具有一定的通用性，并且針對(duì)不同的生產(chǎn)條件只需對(duì)某些參數(shù)設(shè)定進(jìn)行改變，而不像傳統(tǒng)變送器那樣需要更換不同型號(hào)的儀表，這在現(xiàn)代生產(chǎn)越來越趨向于高柔性、小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)過程的產(chǎn)品、規(guī)模、質(zhì)量要求等經(jīng)常發(fā)生變化的條件下，是非常重要和有效的。
　　事實(shí)上，由于現(xiàn)場(chǎng)總線中的智能節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)容量和計(jì)算速度上有一定的局限性，所以即使在智能節(jié)點(diǎn)中使用軟測(cè)量技術(shù)，一般還要在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中建立專門的軟測(cè)量節(jié)點(diǎn)，以完成整個(gè)系統(tǒng)的軟測(cè)量任務(wù)。

4　具體實(shí)現(xiàn)
　　在國(guó)家九五攻關(guān)項(xiàng)目“現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的集成技術(shù)研究(96-749-06)”攻關(guān)過程中，我們成功地實(shí)現(xiàn)了基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的過程控制、優(yōu)化與管理的集成化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖1中的基礎(chǔ)控制層和高級(jí)控制層。其中通用軟測(cè)量軟件包在高級(jí)控制層構(gòu)成了軟測(cè)量節(jié)點(diǎn)，完成整個(gè)系統(tǒng)的軟測(cè)量任務(wù)［3］。
　　整套系統(tǒng)包括一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)上的仿真模型系統(tǒng)，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，3個(gè)LonWorks節(jié)點(diǎn)分別為Echelon 公司的TP/FT-10、TP/FT-10F模塊和用Neuron 3150芯片自行開發(fā)的控制模塊，以及4個(gè)高級(jí)控制層節(jié)點(diǎn)。通信介質(zhì)采用雙絞線，3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)通過A/D和D/A與模型系統(tǒng)相連，以模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，3個(gè)節(jié)點(diǎn)中分別運(yùn)行著一套模糊控制算法，一套自整定PID控制算法和一套簡(jiǎn)化后的軟測(cè)量系統(tǒng)；4個(gè)高級(jí)控制節(jié)點(diǎn)分別為過程實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、多變量約束控制節(jié)點(diǎn)、實(shí)時(shí)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)、軟測(cè)量節(jié)點(diǎn)；采用Intellution Dynamics2.0作為過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的平臺(tái)軟件，它帶有LonWorks適配器的接口驅(qū)動(dòng)程序，可以直接與現(xiàn)場(chǎng)總線通信。通用軟測(cè)量軟件包用Visual C+　+5.0開發(fā)，可以運(yùn)行在Windows95和Windows NT4.0及以上版本的操作系統(tǒng)上。軟件包由矩陣運(yùn)算部分、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)處理部分、輸入輸出接口部分、組態(tài)軟件和演示部分構(gòu)成。各個(gè)部分由系統(tǒng)調(diào)度模塊統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度,形成一個(gè)有機(jī)的整體。
　　在實(shí)驗(yàn)室建成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，以石家莊煉油廠一聯(lián)合車間大型催化裂化裝置（FCCU）為原型，進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化后形成了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程仿真模型系統(tǒng)。其中的軟測(cè)量系統(tǒng)使用我們開發(fā)的通用軟測(cè)量軟件包，并應(yīng)用于1998年5月份在石家莊煉油廠投運(yùn)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。
　　FCCU裝置的主要產(chǎn)品為穩(wěn)定汽油、輕柴油和液化氣(液態(tài)烴),它們的收率是重要的產(chǎn)量指標(biāo)，粗汽油的干點(diǎn)、輕柴油的凝固點(diǎn)和穩(wěn)定汽油的飽和蒸氣壓是需要估計(jì)的重要質(zhì)量指標(biāo)。
　　對(duì)FCCU的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析,與上述待估變量有關(guān)的主要測(cè)量變量集由以下一些變量組成:反應(yīng)再生系統(tǒng)中原料油的進(jìn)料流量、回?zé)捰土髁考按呋磻?yīng)溫度，主分餾塔的塔頂溫度、輕柴油抽出溫度、塔頂冷回流量、塔頂冷回流溫度、塔頂循環(huán)量、頂循抽出溫度、頂循返塔溫度、19層汽相、一中回循環(huán)量、一中循環(huán)抽出溫度、一中循環(huán)返塔溫度，穩(wěn)定塔的塔底溫度、塔頂壓力、進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度、再沸汽的返塔溫度、塔頂溫度。
　　把上述信息通過軟測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)接口組態(tài)界面輸入軟測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析，確定采用4個(gè)軟測(cè)量模塊：收率模塊、干點(diǎn)模塊、凝固點(diǎn)模塊和蒸氣壓模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一定的輔助變量，用這些變量的歷史數(shù)據(jù)建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量模型，根據(jù)設(shè)置的采樣周期從現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取輔助變量測(cè)量值，實(shí)時(shí)估計(jì)待估變量。
　　這套系統(tǒng)曾在國(guó)家九五攻關(guān)項(xiàng)目“大型催化裂化裝置多變量約束控制與優(yōu)化”的實(shí)施過程中配合多變量約束控制在石家莊煉油廠催化裂化裝置上獲得了成功的應(yīng)用，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，已于1998年10月通過國(guó)家教育部的鑒定。

5　結(jié)束語(yǔ)
　　軟測(cè)量技術(shù)的通用化及其在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有大大優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。進(jìn)一步的研究目標(biāo)是如何形成全廠級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，把決策管理級(jí)的任務(wù)集成到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中來，從而更加充分地利用方便的信息通信技術(shù)和軟測(cè)量技術(shù)提供的完備現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)
　1　于靜江,周春暉.過程控制中的軟測(cè)量技術(shù). 控制理論與應(yīng)用,1996,13(2):137～144
　2　Gerg Martin.Consider Soft Sensors.Chemical Engineering Progress, 1997:66～70
　3　邵惠鶴等.現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的集成技術(shù)研究.國(guó)家九五攻關(guān)項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告,1999