基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的PID控制算法應(yīng)用研究
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現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)程中邁進(jìn)了一大步。以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)開始進(jìn)入封閉的DCS系統(tǒng)，成為過(guò)程控制的發(fā)展方向。FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字、串行、雙向通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是一種專門針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線，所以其在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的一些特點(diǎn)，比如總線、供電、本質(zhì)安全，以及較高的實(shí)時(shí)性要求等。我國(guó)在FF總線技術(shù)研究以及符合FF協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)方面己經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出了各種基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，例如壓力變送器、溫度變送器，以及主機(jī)接口卡和通信棧軟件等。在DCS時(shí)代，先進(jìn)控制已被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制與現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)合是本文討論的主題。現(xiàn)場(chǎng)總線的采用提供了控制策略的更好的實(shí)現(xiàn)手段。
本文以在中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了雙容水箱的液位反饋控制回路，并結(jié)合具體被控對(duì)象提出了將PID控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了基于OPC技術(shù)的PID控制算法。實(shí)驗(yàn)表明，該方案控制效果更好的發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)總線與PID控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取得了預(yù)期的控制效果。
2基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)
本系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：FF現(xiàn)場(chǎng)總線部分和現(xiàn)場(chǎng)控制模型部分，如圖1。FF現(xiàn)場(chǎng)總線包括低速現(xiàn)場(chǎng)總線H1和高速現(xiàn)場(chǎng)總線HSE。低速現(xiàn)場(chǎng)總線H1的速率為31.25kbps，可用于溫度、液位及流量等控制場(chǎng)合，信號(hào)類型為電壓信號(hào)；高速現(xiàn)場(chǎng)總線HSE的速率為100Mbps，一般用于高級(jí)控制、遠(yuǎn)程輸入/輸出和高速工廠自動(dòng)化等場(chǎng)合?，F(xiàn)場(chǎng)控制模型可以利用實(shí)驗(yàn)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(guò)電流信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)變送器轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場(chǎng)總線。
以單回路液位控制為例，上位機(jī)中軟件的運(yùn)行情況：
（1）HSEInit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(jìn)行交互，向組態(tài)等上層軟件提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口；
（2）運(yùn)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(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信的信號(hào)連接，如圖2所示；
（3）FFH1和FFHSEOPC服務(wù)器,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；
（4）設(shè)計(jì)SiaView監(jiān)控軟件，新建一個(gè)工程，在對(duì)象中選擇PID拖到視圖中，與OPC連接后經(jīng)過(guò)編輯可得到一個(gè)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(gè)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(jìn)行參數(shù)值的傳遞并需下載組態(tài)信息到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。要使液位控制回路正確運(yùn)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(xiàng)下的TARGET參數(shù)修改成AUTO模式，讀取功能塊參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)單回路的液位控制自動(dòng)正常的運(yùn)行。如果想要實(shí)現(xiàn)將先進(jìn)控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的方案，只需將IF-PID中MODE_BLK項(xiàng)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(guò)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程變量和控制變量的通訊。
3基于OPC的PID控制方案
實(shí)現(xiàn)基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的先進(jìn)控制算法，要先以實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，包含先進(jìn)控制算法的軟件通過(guò)OPC接口來(lái)讀寫硬件設(shè)備的信息（作為OPC客戶），通過(guò)OPC服務(wù)器訪問(wèn)過(guò)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。
評(píng)論