該文將以在中科院沈
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，信號類型為電壓信號;高速現(xiàn)場總線HSE的速率為100Mbps，一般用于高級控制、遠(yuǎn)程輸入/輸出和高速工廠自動(dòng)化等場合?，F(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到現(xiàn)場總線信號變送器轉(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-
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?；诙ㄖ平涌诘拈_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，
圖 5 OPC客戶程序與服務(wù)器的通迅
2.2.3自動(dòng)化對象模型
OPC客戶程序的開發(fā)關(guān)鍵在于搞清該動(dòng)態(tài)鏈接庫的封裝結(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)化對象模型表示。它主要由6類對象組成：①OPCServer：OPC服務(wù)器的一個(gè)實(shí)例。只有創(chuàng)建了 OPCServer 對象以后才能獲得 OPC服務(wù)器的信息，它包括 OPCGroups 的搜索以及 OPCBrowser 對象的創(chuàng)建;②OPCGroups：能夠自動(dòng)搜集到 OPCServer 范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的所有的 OPCGroup對象;③OPCGroup：OPCGroup 對象的一個(gè)實(shí)例。 它包含所有的狀態(tài)信息，并且為 OPCGroup 中所涉及的 OPCItems提供必要的服務(wù);④OPCItems ：能夠自動(dòng)搜集到 OPCServer 范圍內(nèi)客戶端創(chuàng)建的對應(yīng)相應(yīng)的 OPCGroup中的所有的 OPCItem 對象;⑤OPCItem ：一個(gè)自動(dòng)化對象，它包含“位號”的定義，當(dāng)前值，狀態(tài)信息，最后更新時(shí)間;⑥OPCBrowser：瀏覽服務(wù)器中所有“位號”名稱的對象。對于每個(gè) OPCServer只能創(chuàng)建一個(gè) OPCBrowser 對象。
圖6 自動(dòng)化對象模型
2.3 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序
2.3.1使用VB開發(fā)OPC應(yīng)用程序
利用VB開發(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客戶程序的軟件開發(fā)提供了具有良好接口的工具。本文使用為OPC基金會(huì)的OPC包裝DLL進(jìn)行說明。
因?yàn)樵谛陆ǖ腣B工程里OPC包裝DLL還沒有注冊，必須先用下述方法對OPC包裝DLL進(jìn)行注冊：①從VB菜單里選擇[工程（P）]-[引用（N）];②在[可用的引用（A）]的一覽表示中，選擇對應(yīng)的OPC包裝DLL的文件名，這里選擇[OPC Automation 2.0]。
2.3.2 實(shí)現(xiàn)步驟
用VB編寫OPC客戶端程序包含以下步驟[8]：①添加服務(wù)器的引用，創(chuàng)建 OPC 服務(wù)器對象，并將客戶程序與服務(wù)器相連;②創(chuàng)建組集合并添加組對象;③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);④在主畫面中顯示添加的組和項(xiàng)。
2.3.3 程序設(shè)計(jì)
下面是以VB實(shí)現(xiàn)的具有PID功能的OPC同步客戶程序。
該單回路控制過程為自衡非振蕩，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 ,τ為過程的增益、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。
圖7 實(shí)現(xiàn)PID控制的OPC客戶程序
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,測量值為y,新的穩(wěn)態(tài)值y(∞)為設(shè)定值,增益K可由輸入輸出的穩(wěn)態(tài)值直接算出Kp=y(∞)/q，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)庫中（采用SQL2000數(shù)據(jù)庫）。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。
圖8 SQL server 數(shù)據(jù)庫中存取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)
3 基于OPC
動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control，簡稱DMC）算法[9]包括預(yù)測模型、優(yōu)化控制、反饋校正。監(jiān)控軟件體系[10,11]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)對象（object）。描述實(shí)體的屬性成為數(shù)據(jù)被封裝在對象的內(nèi)部.即將DMC控制所需的各項(xiàng)參數(shù)如:模型時(shí)域長度N，優(yōu)化時(shí)域長度P，控制時(shí)域長度M等作為DMC控制類的私有成員（Private）. DMC控制對象的外部程序不能對這些數(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），外部程序可以對其進(jìn)行存取。
仿真對象采用FF現(xiàn)場總線過程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單回路控制模型，液位對象主要由2個(gè)水槽串聯(lián)組成，每個(gè)水槽長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)常設(shè)定在20cm左右.因?yàn)橄到y(tǒng)具有容積滯后和管道滯后，所以液位對象是一個(gè)具有純滯后的多容對象。對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試
圖9 用VB界面開發(fā)的OPC客戶界面
圖10 Vb6.0中實(shí)現(xiàn)DMC算法
4 結(jié)論
該文深入研究了FF現(xiàn)場總線的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，進(jìn)而研究OPC技術(shù)，目的是希望通過VB去開發(fā)OPC自動(dòng)化接口的客戶應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣先進(jìn)控制算法到OPC 客戶應(yīng)用程序的應(yīng)用編程，進(jìn)而方便用戶的使用和系統(tǒng)的維護(hù)和升級，同時(shí)研究SQL Server 2000的數(shù)據(jù)庫系統(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)來實(shí)現(xiàn)VB與Matlab混合編程 [12]，即用VB編寫OPC客戶端程序來實(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，從而對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是下一步研究的重點(diǎn)。
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（轉(zhuǎn)載）
