基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制軟件

1、.基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控軟件改進(jìn)設(shè)計(jì)周以琳 張文霞 袁健青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，青島，山東 ，266042摘要：針對(duì)原有DCS系統(tǒng)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的困難，在中科院NCS系列系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線和OPC技術(shù)的動(dòng)態(tài)矩陣控制實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方案控制效果優(yōu)于提供的內(nèi)嵌PID算法,達(dá)到了預(yù)期的控制效果。關(guān)鍵字：FF現(xiàn)場(chǎng)總線，OPC，監(jiān)控軟件，VB,動(dòng)態(tài)矩陣算法One Improved Method for Monitor and Control Software based on Field-bus Foundation Zhou Yilin Zhang Wenxia

2、Yuan Jian(College of automation and electronic engeering, Qingdao University of Science &Technology, Qingdao, Shandong 266042, China)Abstract: One improved method based on FF field-bus and OPC was proposed in this paper to carry out dynamic matrix algorithm in order to overcome the difficulty of

3、 carrying out control algorithms in the monitoring and controlling software of FF field bus. Based on NCS system of China academy of sciences, which support only PID control algorithm, the method is more effective than the PID. As a result, the scheme turns out to excellent method.Keywords: Field bu

4、s foundation, OLE for process control, Monitor and control software, Visual basic, Dynamic matrix algorithm.中圖分類號(hào)：TP 391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A引言當(dāng)前，工業(yè)控制系統(tǒng)正在向著開放化、數(shù)字化、智能化、分布化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展1?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì),正取代著傳統(tǒng)的DCS和PLC系統(tǒng)而成為主流的控制系統(tǒng)。為此我們采用中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開發(fā)的基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2，包括NCS-IF105現(xiàn)場(chǎng)總線變送器、NCS-FI105現(xiàn)場(chǎng)總線變送器、NCS-LD1

5、05現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)等，作為工科自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)習(xí)原有DCS系統(tǒng)JBS2GK03 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)采用的JBS2GK03 水箱控制系統(tǒng)3，其被控參數(shù)變量為液位、流量、溫度和壓力，被控對(duì)象常常有純滯后的存在，導(dǎo)致利用實(shí)際輸出作為反饋信息往往不能及時(shí)地改變控制作用。而且中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的這套過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的控制算法主要是常規(guī)PID控制，并且控制算法是基于當(dāng)前時(shí)刻的輸出偏差，對(duì)純滯后無能為力，導(dǎo)致控制效果較差甚至極差。而DMC作為一種預(yù)測(cè)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)。因此在利用VB6.0設(shè)計(jì)實(shí)際的監(jiān)控軟件系統(tǒng)時(shí),就可以利用OPC技術(shù)4，

6、5，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣控制算法與FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的集成,更大發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì),可以獲取令人滿意的結(jié)果。1 FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)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。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，速率為31. 25Kbps，可用于溫變、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，速率為100Mbp，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，信號(hào)類型為電流和電壓信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)控制模型可以利用實(shí)驗(yàn)室的原有設(shè)備，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(chǎng)總線信號(hào)變送器NCS-IF105

7、轉(zhuǎn)接到現(xiàn)場(chǎng)總線。 圖 1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置接線圖 圖中，LT表示液位變送器，Qi，Qo分別表示輸入流量和輸出流量，在該現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，液位變送器LT將檢測(cè)到的液位的高度轉(zhuǎn)化為0-10mA的電流輸出，NCS-IF105現(xiàn)場(chǎng)總線變送器再將液位2的模擬量信號(hào)（0-10mA）轉(zhuǎn)換為符合FF現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的數(shù)字量信號(hào)，然后通過OPC客戶程序?qū)崟r(shí)獲取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法，得到數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)NCS-FI105變送器則將現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-10V的電壓信號(hào)，送到變頻器控制端，使變頻器輸出相應(yīng)的電壓和頻率(050Hz)，從而改變水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制液位的目的。該過程為自衡非振

8、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, Kp , Tp ,為過程的增益、時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯。2 基于OPC的的監(jiān)控軟件系統(tǒng)的改進(jìn)OPC 規(guī)范是由世界領(lǐng)先的自動(dòng)化廠商與微軟合作制定的一項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),它以組件對(duì)象模型和分布式組件對(duì)象模型(COM/ DCOM) 技術(shù)為基礎(chǔ),采用客戶/ 服務(wù)器(client/ server) 模式,定義了定制接口(custom interface) 和自動(dòng)化接口(automation interface) 。每種不同的OPC 規(guī)范又分定制接口規(guī)范和自動(dòng)化接口規(guī)范二部分,以方便開發(fā)者設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)OPC 服務(wù)器程序或客戶程序。OPC客戶

9、程序的設(shè)計(jì)主要是指客戶程序中OPC 接口部分的設(shè)計(jì)以及控制算法的實(shí)現(xiàn)。客戶程序本身可以完成很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與顯示功能,但需要通過OPC 接口部分訪問OPC服務(wù)器,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)運(yùn)行以下軟件：Windows2000操作系統(tǒng)；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開發(fā)的SIACON-Configurator組態(tài)軟件,用來下載控制調(diào)度；HSE Init接口軟件,作為HSE協(xié)議棧為組態(tài)軟件、監(jiān)控軟件及OPC服務(wù)器等上層應(yīng)用軟件提供的API接口；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開發(fā)的SiaView監(jiān)控軟件(作為OPC的客戶端),并具有完善的歷史數(shù)據(jù)管理,可以連接任意數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開發(fā)的

10、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;SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù),用來記錄檢測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開發(fā)的監(jiān)控軟件SiaView和MicroCyber .FFServer.1 OPC服務(wù)器都可以同時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的采樣數(shù)據(jù)，方便地實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。但是其監(jiān)控軟件SiaView是基于VBscript語言，不利于開發(fā)具有復(fù)雜功能客戶端程序。MicroCyber .FFServer.1 OPC服務(wù)器符合OPC基金會(huì)制訂的OPC DA2.0規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，提供了訪問現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，為此，采用VB6.0來實(shí)

11、現(xiàn)OPC客戶程序和動(dòng)態(tài)矩陣控制相結(jié)合的監(jiān)控軟件。該系統(tǒng)的所有軟件運(yùn)行的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖 2 基于OPC動(dòng)態(tài)矩陣控制原理圖動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的應(yīng)用需要取得過程數(shù)據(jù)并向常規(guī)的控制系統(tǒng)發(fā)送控制輸出信號(hào)，這是通過開發(fā)的OPC客戶監(jiān)控軟件程序存取現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。3 OPC客戶程序的開發(fā)3.1 OPC客戶程序?qū)崿F(xiàn)步驟用VB編寫OPC客戶端程序包含以下步驟：（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，添加組對(duì)象；（3）添加 OPC項(xiàng)，利用 OPCBrowser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

12、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)。 為了能夠隨時(shí)調(diào)用在OPC服務(wù)器上采集的數(shù)據(jù)，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)）。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3所示。圖3 SQL server 數(shù)據(jù)庫(kù)中存取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)3.2動(dòng)態(tài)矩陣控制算法6的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control，簡(jiǎn)稱DMC）算法包括預(yù)測(cè)模型、優(yōu)化控制、反饋校正。 監(jiān)控軟件體系中的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

13、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(zhǎng)度N，優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度P，控制時(shí)域長(zhǎng)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(chǎng)總線過程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單輸入單輸出模型，液位對(duì)象主要由2個(gè)水槽串聯(lián)組成，每個(gè)水槽長(zhǎng)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)

14、常設(shè)定在25cm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(zhǎng)度為10，優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度為6，控制時(shí)域長(zhǎng)度為5，控制周期1000ms,控制周期個(gè)數(shù)取為1000，設(shè)定值為1，誤差權(quán)1，控制權(quán)0。01。 圖4 用VB界面開發(fā)的OPC客戶界面 圖5 Vb6.0中實(shí)現(xiàn)DMC算法 4 核心程序及注釋用vb6.0開發(fā)得工作界面如圖4所示的客戶端動(dòng)態(tài)矩陣控制算法仿真曲線如圖5所示。功能塊介紹包括：讀取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)，寫入設(shè)定值到 OPC服務(wù)器7，寫入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)矩陣控制算法模塊，系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真。以下使部分核心

15、程序及注釋.'OPC對(duì)象的聲明Dim WithEvents ServerObj As OPCServerDim WithEvents GroupObj As OPCGroupDim ItemObj As OPCItem'創(chuàng)建一個(gè)OPC服務(wù)器Set ServerObj = New OPCServer'連接一個(gè)OPC服務(wù)器ServerObj.Connect ("MicroCyber .FFServer.1 ") '為OPC服務(wù)器名稱OutText = "添加組"'添加一個(gè)OPC組對(duì)象Set GroupObj = Ser

16、verObj.OPCGroups.Add("Group")OutText = "為組添加Item"'向組對(duì)象添加ItemSet ItemObj = GroupObj.OPCItems.AddItem("Device1.Flow", 1) '為添加的ITEM名稱'同步讀ItemObj.Read OPCDevice, myvalue, myquality, mytimestamp'同步寫GroupObj.SyncWrite 1, Serverhandles, MyValues, MyErrors'寫

17、入數(shù)據(jù)庫(kù)Set mycon = New ADODB.Connectionmycon.Open "dsn=yuan", "sa", "" '數(shù)據(jù)源為yuan,數(shù)據(jù)庫(kù)用戶名sa,密碼為空mycon.Execute "insert into history(myvalue,quality,mytimestamp,servername,device)" + "values('" + Edit_ReadVal + "','" + Edit_ReadQu

18、+ "','" + Edit_ReadTS + "','" + servername + "','" + sign + " ')"'mycon.Close5 結(jié)束語FF 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與傳統(tǒng)DCS 相比,系統(tǒng)布線投資明顯減少,而網(wǎng)絡(luò)功能則大大加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了與已有OPC服務(wù)器的連接，以及與SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的通訊。而且該系統(tǒng)可以充分利用各種軟件的優(yōu)勢(shì)，大大提高軟件編程的效率和靈活性,運(yùn)行結(jié)果表明, 通過VB6.0開發(fā)的FF現(xiàn)場(chǎng)總線客戶端監(jiān)控實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,控制效果良好。今后在算法的復(fù)雜度以及界面的友好方面需加以改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)1呂勇，王天然，于海斌等。 OPC技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線互操作中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器, 2004年 03期.2 劉丹,于海斌,王宏,魏劍嵬.自主開發(fā)的 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)典型應(yīng)用.自動(dòng)化儀表,第26 卷,第3 期. 3 陳娜,戚淑芬.基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng).青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),第25卷,第1期,2004年2月.4 張奇智,曹永燦.基于 OPC 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真