基于FF现场总线的动态矩阵预测控制软件

1、.基于FF现场总线监控软件改进设计周以琳 张文霞 袁健青岛科技大学 自动化与电子工程学院，青岛，山东 ，266042摘要：针对原有DCS系统监控软件实现的困难，在中科院NCS系列系统基础上，提出一种改进的基于FF现场总线和OPC技术的动态矩阵控制实现方法。实验表明，该方案控制效果优于提供的内嵌PID算法,达到了预期的控制效果。关键字：FF现场总线，OPC，监控软件，VB,动态矩阵算法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.中图分类号：TP 391 文献标志码：A引言当前，工业控制系统正在向着开放化、数字化、智能化、分布化和网络化的方向发展1。现场总线控制系统（FCS）顺应这一发展趋势,正取代着传统的DCS和PLC系统而成为主流的控制系统。为此我们采用中科院沈阳自动化研究所开发的基于FF现场总线的过程控制实验系统2，包括NCS-IF105现场总线变送器、NCS-FI105现场总线变送器、NCS-LD1

5、05现场总线网关等，作为工科自动化类专业学习原有DCS系统JBS2GK03 过程控制实验装置的实验平台。本实验测控系统采用的JBS2GK03 水箱控制系统3，其被控参数变量为液位、流量、温度和压力，被控对象常常有纯滞后的存在，导致利用实际输出作为反馈信息往往不能及时地改变控制作用。而且中科院沈阳自动化研究所设计的这套过程控制实验系统所采用的控制算法主要是常规PID控制，并且控制算法是基于当前时刻的输出偏差，对纯滞后无能为力，导致控制效果较差甚至极差。而DMC作为一种预测控制算法，可以直接用于时滞对象而无需附加其它的控制结构。因此在利用VB6.0设计实际的监控软件系统时,就可以利用OPC技术4，

6、5，实现动态矩阵控制算法与FF现场总线控制系统的集成,更大发挥它们各自的优势,可以获取令人满意的结果。1 FF现场总线控制系统的过程控制实验系统 本实验系统包括两个部分:FF现场总线部分和现场控制模型部分。FF现场总线包括低速现场总线H1和高速现场总线HSE。低速现场总线H1，速率为31. 25Kbps，可用于温变、液位及流量等控制场合，信号类型为电压信号；高速现场总线HSE，速率为100Mbp，一般用于高级控制、远程输入/输出和高速工厂自动化等场合，信号类型为电流和电压信号。现场控制模型可以利用实验室的原有设备，节约了投资。原有的模拟仪表可以通过电流信号到现场总线信号变送器NCS-IF105

7、转接到现场总线。 图 1 现场实验装置接线图 图中，LT表示液位变送器，Qi，Qo分别表示输入流量和输出流量，在该现场总线控制系统中，液位变送器LT将检测到的液位的高度转化为0-10mA的电流输出，NCS-IF105现场总线变送器再将液位2的模拟量信号（0-10mA）转换为符合FF现场总线协议的数字量信号，然后通过OPC客户程序实时获取OPC服务器中的数据，实现动态矩阵预测控制算法，得到数字控制信号，经NCS-FI105变送器则将现场总线数字量控制信号转换为0-10V的电压信号，送到变频器控制端，使变频器输出相应的电压和频率(050Hz)，从而改变水泵转速，达到控制液位的目的。该过程为自衡非振

8、荡，具有相互影响的双容过程。其数学模型可用如下传递函数描述: G( s) =式中, Kp , Tp ,为过程的增益、时间常数和时滞。2 基于OPC的的监控软件系统的改进OPC 规范是由世界领先的自动化厂商与微软合作制定的一项工业标准,它以组件对象模型和分布式组件对象模型(COM/ DCOM) 技术为基础,采用客户/ 服务器(client/ server) 模式,定义了定制接口(custom interface) 和自动化接口(automation interface) 。每种不同的OPC 规范又分定制接口规范和自动化接口规范二部分,以方便开发者设计和实现OPC 服务器程序或客户程序。OPC客户

9、程序的设计主要是指客户程序中OPC 接口部分的设计以及控制算法的实现。客户程序本身可以完成很多复杂的数据处理与显示功能,但需要通过OPC 接口部分访问OPC服务器,对现场数据进行存取。实验系统的上位机运行以下软件：Windows2000操作系统；中科院沈阳自动化研究所开发的SIACON-Configurator组态软件,用来下载控制调度；HSE Init接口软件,作为HSE协议栈为组态软件、监控软件及OPC服务器等上层应用软件提供的API接口；中科院沈阳自动化研究所开发的SiaView监控软件(作为OPC的客户端),并具有完善的历史数据管理,可以连接任意数据库系统；中科院沈阳自动化研究所开发的

10、FF H1和FF HSE OPC服务器, 每秒钟刷新一次,实现设备的实时数据和历史数据共享以及报警等功能;SQL Server 2000数据库,用来记录检测点的历史数据；中科院沈阳自动化所开发的监控软件SiaView和MicroCyber .FFServer.1 OPC服务器都可以同时获得现场实验装置的采样数据，方便地实现两系统的同时监测与控制。但是其监控软件SiaView是基于VBscript语言，不利于开发具有复杂功能客户端程序。MicroCyber .FFServer.1 OPC服务器符合OPC基金会制订的OPC DA2.0规范标准，提供了访问现场数据的标准接口，为此，采用VB6.0来实

11、现OPC客户程序和动态矩阵控制相结合的监控软件。该系统的所有软件运行的关系结构如图2所示。 图 2 基于OPC动态矩阵控制原理图动态矩阵控制算法的应用需要取得过程数据并向常规的控制系统发送控制输出信号，这是通过开发的OPC客户监控软件程序存取现场总线控制系统的OPC数据服务器的数据实现的。3 OPC客户程序的开发3.1 OPC客户程序实现步骤用VB编写OPC客户端程序包含以下步骤：（1）添加服务器的引用，创建 OPC 服务器对象，并将客户程序与服务器相连；（2）创建组集合，添加组对象；（3）添加 OPC项，利用 OPCBrowser方法浏览整个服务器中所有的项，选择需要的项，将其添加到规定的组

12、中，并显示其值和状态；（4）在主画面中显示添加的组和项。 为了能够随时调用在OPC服务器上采集的数据，这里把选择的数据存放在指定的数据库中（采用SQL2000数据库）。在进行算法的仿真的时候，既可以从历史数据库中取数据，也可随着数据的采集，可以不断刷新数据，进行算法的优化,如图3所示。图3 SQL server 数据库中存取OPC服务器数据3.2动态矩阵控制算法6的实现动态矩阵控制（Dynamic Matrix Control，简称DMC）算法包括预测模型、优化控制、反馈校正。 监控软件体系中的4.2动态矩阵控制软件的开发动态矩阵控制的主要功能是按照DMC算法来确定控制作用。在设计中将DMC控

13、制类型抽象为一个DMC控制类(DMC Class )，并相应生成一个对象(object)。描述实体的属性成为数据被封装在对象的内部.即将DMC控制所需的各项参数如:模型时域长度N，优化时域长度P，控制时域长度M等作为DMC控制类的私有成员(Private). DMC控制对象的外部程序不能对这些数据进行访问，而DMC控制的初始化，DMC控制的在线计算等作为公共接口(Public)，外部程序可以对其进行存取。仿真对象采用FF现场总线过程实验系统的单输入单输出模型，液位对象主要由2个水槽串联组成，每个水槽长20cm，宽10cm，高40cm，以水槽2的液位高度h2为被控变量，其最大值为40cm，工作点

14、常设定在25cm左右因为系统具有容积滞后和管道滞后，所以液位对象是一个具有纯滞后的多容对象。对系统进行实验测试，纯滞后约为3s。模型时域长度为10，优化时域长度为6，控制时域长度为5，控制周期1000ms,控制周期个数取为1000，设定值为1，误差权1，控制权0。01。 图4 用VB界面开发的OPC客户界面 图5 Vb6.0中实现DMC算法 4 核心程序及注释用vb6.0开发得工作界面如图4所示的客户端动态矩阵控制算法仿真曲线如图5所示。功能块介绍包括：读取OPC服务器数据，写入设定值到 OPC服务器7，写入历史数据库，读取历史数据库数据，动态矩阵控制算法模块，系统响应曲线仿真。以下使部分核心

15、程序及注释.'OPC对象的声明Dim WithEvents ServerObj As OPCServerDim WithEvents GroupObj As OPCGroupDim ItemObj As OPCItem'创建一个OPC服务器Set ServerObj = New OPCServer'连接一个OPC服务器ServerObj.Connect ("MicroCyber .FFServer.1 ") '为OPC服务器名称OutText = "添加组"'添加一个OPC组对象Set GroupObj = Ser

16、verObj.OPCGroups.Add("Group")OutText = "为组添加Item"'向组对象添加ItemSet ItemObj = GroupObj.OPCItems.AddItem("Device1.Flow", 1) '为添加的ITEM名称'同步读ItemObj.Read OPCDevice, myvalue, myquality, mytimestamp'同步写GroupObj.SyncWrite 1, Serverhandles, MyValues, MyErrors'写

17、入数据库Set mycon = New ADODB.Connectionmycon.Open "dsn=yuan", "sa", "" '数据源为yuan,数据库用户名sa,密码为空mycon.Execute "insert into history(myvalue,quality,mytimestamp,servername,device)" + "values('" + Edit_ReadVal + "','" + Edit_ReadQu

18、+ "','" + Edit_ReadTS + "','" + servername + "','" + sign + " ')"'mycon.Close5 结束语FF 现场总线技术与传统DCS 相比,系统布线投资明显减少,而网络功能则大大加强，实现了与已有OPC服务器的连接，以及与SQL SERVER2000数据库服务器的通讯。而且该系统可以充分利用各种软件的优势，大大提高软件编程的效率和灵活性,运行结果表明, 通过VB6.0开发的FF现场总线客户端监控实验测控系统运行稳定,控制效果良好。今后在算法的复杂度以及界面的友好方面需加以改进。 参考文献1吕勇，王天然，于海斌等。 OPC技术在现场总线互操作中的应用.仪表技术与传感器, 2004年 03期.2 刘丹,于海斌,王宏,魏剑嵬.自主开发的 FF 现场总线控制系统典型应用.自动化仪表,第26 卷,第3 期. 3 陈娜,戚淑芬.基于FF现场总线的实验测控系统.青岛科技大学学报,第25卷,第1期,2004年2月.4 张奇智,曹永灿.基于 OPC 技术网络控制系统仿真