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

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。現(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。


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：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。

圖 2 應(yīng)用窗口中配置的PID組態(tài)策略
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。

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
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)。


圖 4 OPC服務(wù)器的地址空間圖
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。基于定制接口的開發(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)。