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)實(shí)現(xiàn)PID控制算法的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、引言

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。一般把現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

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，OPC（OLE for Process Control, 用于過(guò)程控制的OLE）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管理這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際組織是OPC基金會(huì)，OPC基金會(huì)現(xiàn)有會(huì)員已超過(guò)220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過(guò)程控制系統(tǒng)的公司。 基于微軟的OLE（現(xiàn)在的Active X）、COM （部件對(duì)象模型）和DCOM （分布式部件對(duì)象模型）技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

2、基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達(dá) 1900m （可加中繼器延長(zhǎng)），可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為 1Mbps和 2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼徹斯特編碼，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負(fù)跳變。正跳變代表0，負(fù)跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步。接收方既可根據(jù)跳變的極性來(lái)判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài)，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位。

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。

圖1 系統(tǒng)軟件運(yùn)行關(guān)系

以單回路液位控制為例，上位機(jī)中軟件的運(yùn)行情況：

（1） HSE 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(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） FF 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(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(jiàn)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(kāi)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。

圖2 應(yīng)用窗口中配置的PID組態(tài)策略

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

3、基于OPC的PID控制方案

目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。

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。

3.1 OPC服務(wù)器

OPC（OLE for Process Control, 用于過(guò)程控制的OLE）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管理這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際組織是OPC基金會(huì)，OPC基金會(huì)現(xiàn)有會(huì)員已超過(guò)220家。遍布全球，包括世界上所有主要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過(guò)程控制系統(tǒng)的公司。基于微軟的OLE（現(xiàn)在的Active X）、COM （部件對(duì)象模型）和DCOM （分布式部件對(duì)象模型）技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

選用中科院沈陽(yáng)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。

圖4 OPC服務(wù)器的地址空間圖

3.2 OPC自動(dòng)化接口標(biāo)準(zhǔn)

（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(kāi)發(fā)，為數(shù)據(jù)訪問(wèn)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_(kāi)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(wú)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(kù)（DLL）或控件供所有客戶端應(yīng)用程序使用。

（2） 自動(dòng)化接口的通信機(jī)制

OPC客戶程序通過(guò)封裝的OPC自動(dòng)化接口動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)訪問(wèn)OPC服務(wù)器，如圖5所示。該動(dòng)態(tài)連接庫(kù)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(kù)是進(jìn)程內(nèi)的通信，而動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(kù)解決了定制接口的解釋和二者的通信。

圖5 OPC客戶程序與服務(wù)器的通迅

（3） 自動(dòng)化對(duì)象模型

OPC客戶程序的開(kāi)發(fā)關(guān)鍵在于搞清該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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。它主要由六類對(duì)象組成：

OPCServer: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；

OPCGroups：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；

OPCGroup: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OPC- Items提供必要的服務(wù)；

OPCItems：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；

OPCItem：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；

OPCBrowser：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。

圖6 自動(dòng)化對(duì)象模型

3.3 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序

（1） 使用VB開(kāi)發(fā)OPC應(yīng)用程序

利用VB開(kāi)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(kāi)發(fā)提供了具有良好接口的工具。

因?yàn)樵谛陆ǖ腣B工程里OPC包裝DLL還沒(méi)有注冊(cè)，必須先用下述方法對(duì)OPC包裝DLL進(jìn)行注冊(cè)：

從VB菜單里選擇工程引用；

在可用的引用的一覽表示中，選擇對(duì)應(yīng)的OPC包裝DLL的文件名，這里選擇[OPC Automation 2.0];

（2） 實(shí)現(xiàn)步驟

用VB編寫OPC客戶端程序包含以下步驟：

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；

創(chuàng)建組集合并添加組對(duì)象；

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)；

在主畫面中顯示添加的組和項(xiàng)。

（3） 程序設(shè)計(jì)

圖7是以VB實(shí)現(xiàn)的具有PID功能的OPC同步客戶程序。

圖7 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序

該單回路控制過(guò)程為自衡非振蕩，具有相互影響的雙容過(guò)程。其數(shù)學(xué)模型可用如下傳遞函數(shù)描述：

式中， Kp， Tp，τ為過(guò)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Tp，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(kù)中（采用SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)）。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(kù)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所示。

圖8 SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)中存取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)FF現(xiàn)場(chǎng)總線的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，論述OPC技術(shù)，目的是希望通過(guò)VB去開(kāi)發(fā)OPC自動(dòng)化接口的客戶應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)PID控制算法到OPC 客戶應(yīng)用程序的應(yīng)用編程，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(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)VB與Matlab混合編程，即用VB編寫OPC客戶端程序來(lái)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(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是下一步研究的重點(diǎn)。