現場總線FF的PID控制算法應用研究

　　1 引言

　　現場總線技術的發展使得控制系統在由封閉走向開放的進程中邁進了一大步。以現場總線為基礎的開放式控制系統開始進入封閉的DCS系統，成為過程控制的發展方向。FF(基金會現場總線)現場總線是一種全數字、串行、雙向通信網絡，同時也是一種專門針對過程自動化領域的應用而設計的現場總線，所以其在設計之初就充分考慮了過程自動化領域的一些特點，比如總線、供電、本質安全，以及較高的實時性要求等。我國在FF總線技術研究以及符合FF協議的現場設備產品開發方面己經取得了長足的進步，如中科院瀋陽自動化研究所研製出了各種基金會現場總線產品，例如壓力變送器、溫度變送器，以及主機接口卡和通信棧軟體等。在DCS時代，先進控制已被證明可以為企業獲得巨大的經濟效益。先進控制與現場總線的結合是本文討論的主題。現場總線的採用提供了控制策略的更好的實現手段。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329432.htm

　　本文以在中科院瀋陽自動化研究所設計的基於FF現場總線的網絡化測控實驗平臺上，設計了雙容水箱的液位反饋控制迴路，並結合具體被控對象提出了將PID控制算法應用到FF現場總線系統的可行性方案，既在OPC伺服器MicroCyber.FFServer.1的基礎上實現了基於OPC技術的PID控制算法。實驗表明，該方案控制效果更好的發揮了現場總線與PID控制的技術優勢，取得了預期的控制效果。

　　2 基於FF現場總線的網絡化平臺

　　本系統包括兩個部分：FF現場總線部分和現場控制模型部分，如圖1。FF現場總線包括低速現場總線H1和高速現場總線HSE。低速現場總線H1的速率為31.25kbps，可用於溫度、液位及流量等控制場合，信號類型為電壓信號;高速現場總線HSE的速率為100Mbps，一般用於高級控制、遠程輸入/輸出和高速工廠自動化等場合。現場控制模型可以利用實驗室的原有設備，從而節約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號到現場總線信號變送器轉接到現場總線。　　

　　圖1 系統軟體運行關係

　　以單迴路液位控制為例，上位機中軟體的運行情況：

　　(1)HSE Init接口軟體, 選擇H1網段，HSE接口程序可以與乙太網段內的HSE設備，以及LD設備下的H1網段設備進行交互，向組態等上層軟體提供數據訪問接口;

　　(2)運行組態程序FF-Configurator組態軟體，刷新網段獲取系統的現場設備列表和功能塊列表，刷新網段後，建立應用完成功能塊組態，功能塊間的連線表示通過現場總線通信的信號連接，如圖2所示;

　　(3)FF H1和FF HSE OPC伺服器, 每秒鐘刷新一次，實現設備的實時數據和歷史數據共享以及報警等功能;

　　(4)設計SiaView監控軟體，新建一個工程，在對象中選擇PID拖到視圖中，與OPC連接後經過編輯可得到一個PID功能塊操作面板。

　　從組態軟體的工程窗口的設備中選擇IF-AI1功能塊、IF-PID功能塊和FI-AO1功能塊拖拽到應用視圖中連接配置成一個PID控制迴路，見圖2。將功能塊連接,建立功能塊之間的聯繫，使功能塊之間能夠進行參數值的傳遞並需下載組態信息到現場設備。要使液位控制迴路正確運行需要修改功能塊的參數值，雙擊IF-PID功能塊，打開塊的參數窗口，將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成AUTO模式，讀取功能塊參數，從而實現單迴路的液位控制自動正常的運行。如果想要實現將先進控制算法應用到FF現場總線系統的方案，只需將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成MAN模式，具體設置如圖3所示，然後通過OPC技術實現過程變量和控制變量的通訊。　　

　　圖2 應用窗口中配置的PID組態策略　　

　　圖3 實現先進控制算法時的IF-PID功能塊參數表

　　3 基於OPC的PID控制方案

　　實現基於FF現場總線的先進控制算法，要先以實現常規PID控制為基礎，包含先進控制算法的軟體通過OPC接口來讀寫硬體設備的信息(作為OPC客戶)，通過OPC伺服器訪問過程數據，可以克服異構網絡結構和網絡協議之間的差異。

　　3.1 OPC伺服器

　　選用中科院瀋陽自動化研究所提供了OPC伺服器MicroCyber.FFServer.1，伺服器的地址空間由伺服器可讀寫的所有數據項組成，可以根據需要得到數據項的全稱對其進行相關操作。圖4為OPC伺服器的地址空間圖。使用OPC技術實現用VB6.0編寫的客戶端程序與OPC伺服器的通訊，伺服器中液位的實時值IF-PID-PV.VALUE，以及自定義變量如液位設定值IF-PID-SP.VALUE，然後進行算法控制，得到控制量，將控制量寫入OPC伺服器的項FI-PID-OUT.VALUE，從而控制受控系統。　　

　　圖4 OPC伺服器的地址空間圖

　　3.2 OPC自動化接口標準

　　(1)自動化接口

　　OPC基金會為方便用戶在各種環境下軟體開發，為數據訪問規範提供兩類接口：自動化接口和定製接口。基於定製接口的開發，需要用到較深的COM/DCOM知識，比較晦澀難懂，而運用自動化接口則有以下優點：客戶程序可以很容易地應用接口，而無需了解接口的詳細內部機理;可以運用事件觸發機制;可以生成一個通用的動態連結庫(DLL)或控制項供所有客戶端應用程式使用。

　　(2)自動化接口的通信機制

　　OPC客戶程序通過封裝的OPC自動化接口動態連結庫訪問OPC伺服器，如圖5所示。該動態連接庫將OPC伺服器的定製接口翻譯成OPC客戶程序希望的自動化接口，以供客戶程序調用。OPC客戶程序和動態連結庫是進程內的通信，而動態連結庫和OPC伺服器的通信則基於COM/DCOM，既可以是進程內或本地的連接，又可以是遠程連接。封裝的動態連結庫解決了定製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。　　

　　圖5 OPC客戶程序與伺服器的通迅

　　(3)自動化對象模型

　　OPC客戶程序的開發關鍵在於搞清該動態連結庫的封裝結構，也即自動化接口標準。該標準可以用圖6所示的自動化對象模型表示。它主要由六類對象組成：

　　OPCServer：OPC伺服器的一個實例。只有創建了OPCServer對象以後才能獲得OPC伺服器的信息，它包括OPCGroups的搜索以及OPCBrowser對象的創建;

　　OPCGroups：能夠自動搜集到OPCServer範圍內客戶端創建的所有的OPCGroup對象;

　　OPCGroup：OPCGroup對象的一個實例。它包含所有的狀態信息，並且為OPCGroup中所涉及的OPC- Items提供必要的服務;

　　OPCItems：能夠自動搜集到OPCServer範圍內客戶端創建的對應相應的OPCGroup中的所有的OPCItem對象;　　

　　

　　圖7 實現PID控制的OPC客戶程序

　　該單迴路控制過程為自衡非振蕩，具有相互影響的雙容過程。其數學模型可用如下傳遞函數描述：

　　G( s) =

　　式中, Kp, Tp，τ為過程的增益、時間常數和時滯。式中的各參數可根據階躍響應曲線用圖解法求得。下面給出確定傳遞函數的參數的方法：設圖7中的控制量為q，測量值為y(∞),新的穩態值為設定值,增益K可由輸入輸出的穩態值直接算出，而Tp，τ則可以用作圖法確定。為了能夠隨時調用在OPC伺服器上採集的測量值y並繪製出相應的階躍響應曲線，這裡把選擇的數據存放在指定的資料庫中(採用SQL2000資料庫)。同時也是為了在進行算法的仿真的時候，既可以從歷史資料庫中取數據，也可隨著數據的採集，可以不斷刷新數據，進行算法的優化，如圖8所示。　　

　　圖8 SQL server 資料庫中存取OPC伺服器數據

　　通過FF現場總線的過程控制實驗系統的設計過程，論述OPC技術，目的是希望通過VB去開發OPC自動化接口的客戶應用程式，實現PID控制算法到OPC 客戶應用程式的應用編程，方便用戶的使用和系統的維護和升級，同時研究SQL Server 2000的資料庫系統，用於歷史數據的存取以及算法的仿真。如何實現更加複雜的先進控制算法，可以使用OLE自動化技術來實現VB與Matlab混合編程，即用VB編寫OPC客戶端程序來實現數據通信，而利用Matlab進行先進控制算法的編寫，從而對現場數據進行分析，是下一步研究的重點。