摘 要：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）較封閉的DCS系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為過程控制的主流系統(tǒng)。在中科院沈陽自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的基于FF現(xiàn)場總線的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，提出了將先進(jìn)控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)單回路液位控制系統(tǒng)中的可行性方案，更好的發(fā)揮了FF現(xiàn)場總線與先進(jìn)控制算法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：FF現(xiàn)場總線;OPC;PID控制;先進(jìn)控制算法

Study of Advanced Control Algorithm Based on Foundation Fieldbus

Abstract：The fieldbus control system （FCS） has more obvious advantage than the closed distributed control system （DCS）, which has become the major in process control. Based on the experiment platform of foundation fieldbus designed by Shen Yang Automation Institute of Chinese Academy of Science, the feasible project of applying advanced control algorithm to the single loop liquid control of foundation fieldbus control system is proposed, which exerts the technical advantages of foundation fieldbus and advanced control algorithm. Key words：foundation fieldbus; ole for process control; PID control; advanced control algorithm 引 言 　　現(xiàn)場總線技術(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)場總線為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)將會(huì)取代封閉的DCS系統(tǒng)成為過程控制的主流系統(tǒng)。FF現(xiàn)場總線[1]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)過程自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線，所以其在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了過程自動(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。我國在FF總線技術(shù)研究以及符合FF協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)方面己經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，如中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制出了各種基金會(huì)現(xiàn)場總線產(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)控制己被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制與現(xiàn)場總線的結(jié)合[2]無疑是工業(yè)界所期望的，也是該文討論的主題。在FF現(xiàn)場總線過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，被控對(duì)象往往存在時(shí)變性和時(shí)滯性問題，對(duì)控制系統(tǒng)構(gòu)成了極大的難題，認(rèn)為采用了現(xiàn)場總線就可以解決這些問題是一個(gè)誤區(qū)。現(xiàn)場總線的采用只是提供了控制策略的更好的實(shí)現(xiàn)手段。動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）作為一種先進(jìn)控制算法，可以直接用于時(shí)滯對(duì)象而無需附加其它的控制結(jié)構(gòu)。 　　該文將以在中科院沈陽自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3，4]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)象提出了將先進(jìn)控制算法應(yīng)用到FF現(xiàn)場總線系統(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)了常規(guī)的PID控制，進(jìn)而在PID控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于OPC技術(shù)的先進(jìn)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)場總線與先進(jìn)控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取得了預(yù)期的控制效果。 1 基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　本系統(tǒng)包括兩個(gè)部分[5]:FF現(xiàn)場總線部分和現(xiàn)場控制模型部分，如圖1。FF現(xiàn)場總線[6]包括低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線HSE。低速現(xiàn)場總線H1的速率為31.25Kbps，可用于溫度、液位及流量等控制場合，信號(hào)類型為電壓信號(hào);高速現(xiàn)場總線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)化等場合?，F(xiàn)場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電流信號(hào)到現(xiàn)場總線信號(hào)變送器轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場總線。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)軟件運(yùn)行關(guān)系[/align] 　　以單回路液位控制為例，上位機(jī)中軟件的運(yùn)行情況：①HSE Init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現(xiàn)場總線通信的信號(hào)連接,如圖2所示;③FF H1和FF HSE OPC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)過編輯可得到一個(gè)PID功能塊操作面板。 [align=center] 圖 2 應(yīng)用窗口中配置的PID組態(tài)策略[/align] 　　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OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程變量和控制變量的通訊。 [align=center] 圖3 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法時(shí)的IF-PID功能塊參數(shù)表[/align] 2 基于OPC的PID控制方案 　　要實(shí)現(xiàn)基于FF現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制算法，主要要先以實(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OPC接口來讀寫硬件設(shè)備的信息（作為OPC客戶），通過OPC服務(wù)器訪問過程數(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。 　　2.1 OPC服務(wù)器 　　選用中科院沈陽自動(dòng)化研究所提供了OPC服務(wù)器MicroCyber .FFServer.1，服務(wù)器的地址空間由服務(wù)器可讀寫的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，可以根據(jù)需要得到數(shù)據(jù)項(xiàng)的全稱對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作。圖4為OPC服務(wù)器的地址空間圖。使用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)用VB6.0編寫的客戶端程序與OPC服務(wù)器的通訊，服務(wù)器中液位的實(shí)時(shí)值IF-PID-PV.VALUE，以及自定義變量如液位設(shè)定值IF-PID-SP.VALUE，然后進(jìn)行算法控制，得到控制量，將控制量寫入OPC服務(wù)器的項(xiàng)FI-PID-OUT.VALUE，從而控制受控系統(tǒng)。 [align=center] 圖 4 OPC服務(wù)器的地址空間圖[/align] 　　2.2 OPC自動(dòng)化接口標(biāo)準(zhǔn) 　　2.2.1自動(dòng)化接口 　　OPC基金會(huì)為方便用戶在各種環(huán)境下軟件開發(fā)，為數(shù)據(jù)訪問規(guī)范提供兩類接口：自動(dòng)化接口和定制接口?；诙ㄖ平涌诘拈_發(fā)，需要用到較深的COM/DCOM知識(shí)，比較晦澀難懂，而運(yùn)用自動(dòng)化接口則有以下優(yōu)點(diǎn)：客戶程序可以很容易地應(yīng)用接口，而無需了解接口的詳細(xì)內(nèi)部機(jī)理;可以運(yùn)用事件觸發(fā)機(jī)制;可以生成一個(gè)通用的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）或控件供所有客戶端應(yīng)用程序使用。 　　2.2.2自動(dòng)化接口的通信機(jī)制 　　OPC客戶程序通過封裝的OPC自動(dòng)化接口動(dòng)態(tài)鏈接庫訪問OPC服務(wù)器[7]，如圖5所示。該動(dòng)態(tài)連接庫將OPC服務(wù)器的定制接口翻譯成OPC客戶程序希望的自動(dòng)化接口，以供客戶程序調(diào)用。OPC客戶程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫是進(jìn)程內(nèi)的通信，而動(dòng)態(tài)鏈接庫和OPC服務(wù)器的通信則基于COM/DCOM，既可以是進(jìn)程內(nèi)或本地的連接，又可以是遠(yuǎn)程連接。封裝的動(dòng)態(tài)鏈接庫解決了定制接口的解釋和二者的通信，從而大大簡化了OPC客戶程序的開發(fā)。 [align=center] 圖 5 OPC客戶程序與服務(wù)器的通迅 圖6 自動(dòng)化對(duì)象模型[/align] 　　2.2.3自動(dòng)化對(duì)象模型 　　OPC客戶程序的開發(fā)關(guān)鍵在于搞清該動(dòng)態(tài)鏈接庫的封裝結(jié)構(gòu)，也即自動(dòng)化接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可以用圖6所示的自動(dòng)化對(duì)象模型表示。它主要由6類對(duì)象組成：①OPCServer：OPC服務(wù)器的一個(gè)實(shí)例。只有創(chuàng)建了 OPCServer 對(duì)象以后才能獲得 OPC服務(wù)器的信息，它包括 OPCGroups 的搜索以及 OPCBrowser 對(duì)象的創(chuàng)建;②OPCGroups：能夠自動(dòng)搜集到 OPCServer 范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的所有的 OPCGroup對(duì)象;③OPCGroup：OPCGroup 對(duì)象的一個(gè)實(shí)例。 它包含所有的狀態(tài)信息，并且為 OPCGroup 中所涉及的 OPCItems提供必要的服務(wù);④OPCItems ：能夠自動(dòng)搜集到 OPCServer 范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的對(duì)應(yīng)相應(yīng)的 OPCGroup中的所有的 OPCItem 對(duì)象;⑤OPCItem ：一個(gè)自動(dòng)化對(duì)象，它包含“位號(hào)”的定義，當(dāng)前值，狀態(tài)信息，最后更新時(shí)間;⑥OPCBrowser：瀏覽服務(wù)器中所有“位號(hào)”名稱的對(duì)象。對(duì)于每個(gè) OPCServer只能創(chuàng)建一個(gè) OPCBrowser 對(duì)象。 　　2.3 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序 　　2.3.1使用VB開發(fā)OPC應(yīng)用程序 　　利用VB開發(fā)OPC應(yīng)用程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)OPC自動(dòng)化接口的OPC包裝DLL是必須的，這個(gè)OPC包裝DLL一般應(yīng)該是由OPC服務(wù)器的供應(yīng)商提供的，為OPC客戶程序的軟件開發(fā)提供了具有良好接口的工具。本文使用為OPC基金會(huì)的OPC包裝DLL進(jìn)行說明。 　　因?yàn)樵谛陆ǖ腣B工程里OPC包裝DLL還沒有注冊(cè)，必須先用下述方法對(duì)OPC包裝DLL進(jìn)行注冊(cè)：①從VB菜單里選擇[工程（P）]-[引用（N）];②在[可用的引用（A）]的一覽表示中，選擇對(duì)應(yīng)的OPC包裝DLL的文件名，這里選擇[OPC Automation 2.0]。 　　2.3.2 實(shí)現(xiàn)步驟 　　用VB編寫OPC客戶端程序包含以下步驟[8]：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創(chuàng)建組集合并添加組對(duì)象;③添加 OPC項(xiàng)，利用 OPCBrowse方法瀏覽整個(gè)服務(wù)器中所有的項(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);④在主畫面中顯示添加的組和項(xiàng)。 　　2.3.3 程序設(shè)計(jì) 　　下面是以VB實(shí)現(xiàn)的具有PID功能的OPC同步客戶程序。 [align=center] 圖7 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序[/align] 　　該單回路控制過程為自衡非振蕩，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: 　　G（s） = 　　式中, K[sub]p[/sub] , T[sub]p[/sub] ,τ為過程的增益、時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯。式中的各參數(shù)可根據(jù)階躍響應(yīng)曲線用圖解法求得。 　　下面給出確定傳遞函數(shù)的參數(shù)的方法：設(shè)圖7中的控制量為q,測(cè)量值為y,新的穩(wěn)態(tài)值為設(shè)定值,增益K可由輸入輸出的穩(wěn)態(tài)值直接算出 而T[sub]p[/sub] ,τ則可以用作圖法確定。為了能夠隨時(shí)調(diào)用在OPC服務(wù)器上采集的測(cè)量值y并繪制出相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，這里把選擇的數(shù)據(jù)存放在指定的數(shù)據(jù)庫中（采用SQL2000數(shù)據(jù)庫）。同時(shí)也是為了在進(jìn)行算法的仿真的時(shí)候，既可以從歷史數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)，也可隨著數(shù)據(jù)的采集，可以不斷刷新數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法的優(yōu)化，如圖8。 [align=center] 圖8 SQL server 數(shù)據(jù)庫中存取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)[/align] 3 基于OPC的先進(jìn)控制控制方案 　　動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control，簡稱DMC）算法[9]包括預(yù)測(cè)模型、優(yōu)化控制、反饋校正。監(jiān)控軟件體系[10,11]中的4.2動(dòng)態(tài)矩陣控制軟件的開發(fā) 　　動(dòng)態(tài)矩陣控制的主要功能是按照DMC算法來確定控制作用。 　　在設(shè)計(jì)中將DMC控制類型抽象為一個(gè)DMC控制類（DMC Class ），并相應(yīng)生成一個(gè)對(duì)象（object）。描述實(shí)體的屬性成為數(shù)據(jù)被封裝在對(duì)象的內(nèi)部.即將DMC控制所需的各項(xiàng)參數(shù)如:模型時(shí)域長度N，優(yōu)化時(shí)域長度P，控制時(shí)域長度M等作為DMC控制類的私有成員（Private）. DMC控制對(duì)象的外部程序不能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，而DMC控制的初始化，DMC控制的在線計(jì)算等作為公共接口（Public），外部程序可以對(duì)其進(jìn)行存取。 　　仿真對(duì)象采用FF現(xiàn)場總線過程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單回路控制模型，液位對(duì)象主要由2個(gè)水槽串聯(lián)組成，每個(gè)水槽長20cm，寬10cm，高40cm，以水槽2的液位高度h2為被控變量，其最大值為40cm，工作點(diǎn)常設(shè)定在20cm左右.因?yàn)橄到y(tǒng)具有容積滯后和管道滯后，所以液位對(duì)象是一個(gè)具有純滯后的多容對(duì)象。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，純滯后約為3s。模型時(shí)域長度為10，優(yōu)化時(shí)域長度為6，控制時(shí)域長度為5，控制周期1000ms,控制周期個(gè)數(shù)取為1000，設(shè)定值為20，誤差權(quán)1，控制權(quán)0.01。 [align=center] 圖9 用VB界面開發(fā)的OPC客戶界面 圖10 Vb6.0中實(shí)現(xiàn)DMC算法[/align] 4 結(jié)論 　　該文深入研究了FF現(xiàn)場總線的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，進(jìn)而研究OPC技術(shù)，目的是希望通過VB去開發(fā)OPC自動(dòng)化接口的客戶應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣先進(jìn)控制算法到OPC 客戶應(yīng)用程序的應(yīng)用編程，進(jìn)而方便用戶的使用和系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)研究SQL Server 2000的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于歷史數(shù)據(jù)的存取以及算法的仿真。如何實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的先進(jìn)控制算法，可以使用OLE自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)VB與Matlab混合編程 [12]，即用VB編寫OPC客戶端程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而利用Matlab進(jìn)行先進(jìn)控制算法的編寫，從而對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是下一步研究的重點(diǎn)。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 龍姿平,萬曼影.FF現(xiàn)場總線概述[J].自動(dòng)化與儀表，1999，14（4）：5-7. 　　[2] 苑明哲，劉玉忠，周悅等.先進(jìn)控制與FF 現(xiàn)場總線[J].工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)化裝置，2003,（2）:7-9. 　　[3] 劉丹,于海斌,王宏等. 自主開發(fā)的FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)典型應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2005,26（3）:46-48. 　　[4] 陳娜，戚淑芬?；贔F現(xiàn)場總線的實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004，25（1）：80-82. 　　[5] 徐永紅?；贔F的網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003. 　　[6] 劉丹,于海斌,王宏等. 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