采用JBS2GK03裝置和OPC服務器實現(xiàn)水箱系統(tǒng)的動態(tài)矩陣控制

引言

FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡，與現(xiàn)行控制系統(tǒng)相比，具有如下技術優(yōu)勢：① 現(xiàn)場總線用數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，測量精度高，抗干擾能力強；② 基于總線的現(xiàn)場儀表可以對量程和零點進行遠程設定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補償;③ 現(xiàn)場設備集檢測、轉換、運算和控制功能于一體，既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。④ 所有現(xiàn)場設備直接通過一對傳輸線即現(xiàn)場總線連接，減少了連線的數(shù)量，易于安裝和維護，節(jié)省費用、調(diào)試和維修成本。

本實驗測控系統(tǒng)采用JBS2GK03過程控制實驗裝置，并采用中科院沈陽自動化研究所開發(fā)的FF H1 OPC服務器MicroCyber. FFServer.1作為OPC服務器。該服務器符合OPC組織制訂的OPC DA 2.0規(guī)范標準。OPC客戶端與服務器之間的通訊符合OPC的自動化接口規(guī)范要求，利用Matlab 7.0支持OPC規(guī)范的新功能，實現(xiàn)了用戶端與服務器端的通訊。動態(tài)矩陣控制算法在客戶端通過Matlab的M語言實現(xiàn)，充分發(fā)揮了矩陣計算語言簡潔、高效的優(yōu)勢。

控制原理

本實驗測控系統(tǒng)采用的JBS2GK03過程控制實驗裝置，被控參數(shù)變量為液位、流量、溫度和壓力。該過程為自衡非振蕩， 具有相互影響的雙容過程，其數(shù)學模型可用如下傳遞函數(shù)描述：

式中，Kp， Tp，τ分別為過程的增益、時間常數(shù)和時滯。由上位機的OPC服務器實時獲取FF現(xiàn)場總線采集現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)并動態(tài)顯示。

OPC服務器MicroCyber .FFServer.1每秒鐘刷新一次，實現(xiàn)設備的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報警等功能。OPC客戶端與服務器之間的通訊符合OPC的自動化接口規(guī)范要求，利用matlab 7.0支持OPC規(guī)范的新功能，實現(xiàn)用戶端與服務器的通訊。動態(tài)矩陣控制算法通過Matlab的M語言在監(jiān)控端實現(xiàn)，利用其強大的計算與動態(tài)顯示能力對水箱系統(tǒng)進行動態(tài)矩陣控制。并將OPC服務器的歷史數(shù)據(jù)保存在Matlab的數(shù)組中，以實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)曲線的實時繪制。本文采用的受控對象為Device1.Flow，組名為 Device1。通過Matlab編寫的客戶端與SQl2000服務器的ODBC連接，實時與數(shù)據(jù)庫交互。從OPC服務器讀取選項的值，并可以實時將選項的值插入到數(shù)據(jù)庫服務器中保存為歷史數(shù)據(jù)。需要時，可以通過選項隨時將歷史數(shù)據(jù)進行回調(diào)，進行查詢、更新、刪除等操作，或者用于算法控制和繪制歷史曲線圖。從而可以實現(xiàn)OPC服務器和歷史數(shù)據(jù)服務器的分布式管理。本設計中采用的NCS-IF105設備可以接收四個通道0～20mA模擬信號，并轉換成FF現(xiàn)場總線信號。而NCS-LD105現(xiàn)場總線網(wǎng)關則可用于各種采用FF H1現(xiàn)場總線設備的控制系統(tǒng)當中，不僅可將FF H1總線設備無縫集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，還可擴展FF H1應用。

程序?qū)崿F(xiàn)

客戶端與OPC服務器通訊

首先，Matlab客戶端應先生成 OPC服務器支持的 OPC 對象。OPC 數(shù)據(jù)訪問對象由分層結構構成，即一個 OPC 服務器對象具有一個作為子對象的 OPC組集合對象（OPC Groups）。在這個 OPC組集合對象里可以添加多個OPC組對象。各個OPC組對象都具有一個作為子對象的OPC標簽集合對象，在這個標簽集合對象里可以添加多個 OPC標簽對象。

用Matlab M文件編寫OPC客戶端程序包含以下步驟：

（1）添加服務器的引用，創(chuàng)建 OPC 服務器對象，并將客戶程序與服務器相連；

（2）連接創(chuàng)建的OPC 服務器對象；

（3）通過瀏覽整個服務器中所有的項，添加組對象；

（4）添加 OPC項，選擇需要的項，將其添加到規(guī)定的組中，并顯示其值和狀態(tài)；

（5）啟動OPC服務器。

程序和注釋如下：

hostInfo = opcserverinfo（遠程/本地服務器名）；%連接遠程/本地服務器

allServers = hostInfo.ServerID‘；

da = opcda（服務器名， OPC服務器名）；

connect（da）；

sawtoothItems = serveritems（da， ＊受控設備名＊）；

itmIDs = ｛控設備名｝；

grp = addgroup（da， DemGroup）；%增加組

itm = additem（grp， itmIDs）； %增加項目

start（grp）； %啟動OPC服務器

客戶端與SQL數(shù)據(jù)庫服務器通訊

首先，在SQL數(shù)據(jù)庫中建立一個指定名字的數(shù)據(jù)庫，并建立一個名為history的表。表中的字段包括選項的值（value）、品質(zhì)（quality）、時間戳（timestamp）、服務器名（servername）以及設備名（device）。設置ODBC數(shù)據(jù)源，建立一個和前面數(shù)據(jù)庫名字相同的數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源指向SQL數(shù)據(jù)庫中的同名數(shù)據(jù)庫。測試連接成功后，即可在Matlab中通過編寫M文件實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，并建立一個工作空間數(shù)組存儲來自數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行命令的方式實現(xiàn)選擇、插入數(shù)據(jù)等操作。關鍵程序及注釋如下所示：

首先，實現(xiàn)建立連接對象，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務器的連接。

conn = database（數(shù)據(jù)源名、用戶名、用戶密碼）;%連接數(shù)據(jù)庫

ping（conn）；%檢查連接狀態(tài)

curs = exec（conn， select country from 表名）%打開游標執(zhí)行SQL語句

setdbprefs（DataReturnFormat， cellarray）%說明檢索數(shù)據(jù)的格式

curs = fetch（curs、10）%將數(shù)據(jù)導入到Matalb

columnnames（curs）%獲取列名

A = curs.Data%顯示游標對象里的所有數(shù)據(jù)元素，data（：，3）為獲取某一字段的元素值

insert（conn、 表名、字段名、 數(shù)組名）；%將數(shù)組的值插入到表的某一字段中

close（curs）%關閉游標

close（conn）%關閉連接對象

改進的DMC控制程序仿真

受控系統(tǒng)數(shù)學模型如公式（1）所示。將階躍信號作為控制信號作用于受控系統(tǒng)，通過FF現(xiàn)場總線，實時獲取一段時間內(nèi)系統(tǒng)某一受控對象（流量）的階躍響應輸出，通過Matlab程序讀取對應時刻的階躍響應值，并將時間和對應值存在一個數(shù)組中。通過建立受控對象的數(shù)學模型，可辨識受控系統(tǒng)的參數(shù)，并得到辨識后系統(tǒng)的輸出。使用Matlab 7.0 的OPC工具包，實現(xiàn)客戶端程序與OPC服務器的通訊，使用get（itm，value）函數(shù)來獲取服務器中流量的實時值（其中itm=Device1.Flow），然后進行動態(tài)矩陣控制。得到控制量后，通過使用write（itm， setvalue）函數(shù)將控制量寫入OPC服務器，從而控制受控系統(tǒng)。

設置模型的時域長度為N=10，優(yōu)化時域長度為P=3，誤差校正向量為h，其長度為N，控制向量為d，其長度為P，預測向量存儲在數(shù)組y1中。不同的模型時域長度和優(yōu)化長度對系統(tǒng)性能的影響是不同的，仿真曲線如圖1所示。r過大時，預測向量會明顯偏離真實的系統(tǒng)響應，對預測不利。當r=20，P=3時，預測與實際響應值一致。可見，在DMC控制算法中，應該合理選擇模型時域長度和優(yōu)化長度才能達到理想的控制效果。

結語

FF 現(xiàn)場總線技術與傳統(tǒng)DCS 相比，系統(tǒng)布線投資明顯減少，而網(wǎng)絡功能則大大加強。而且該系統(tǒng)可以充分利用各種軟件的優(yōu)勢，大大提高軟件編程的效率和靈活性，實際運行結果表明，基于Matlab和OPC技術的FF現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制效果良好。

責任編輯：gt