基于FF現(xiàn)場總線的PID控制應(yīng)用實現(xiàn)
1、引言
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)的開放式控制系統(tǒng)開始進(jìn)入封閉的DCS系統(tǒng),成為過程控制的發(fā)展方向。FF(基金會現(xiàn)場總線)現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字、串行、雙向通信網(wǎng)絡(luò),同時也是一種專門針對過程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用而設(shè)計的現(xiàn)場總線。
本文以在中科院沈陽自動化研究所設(shè)計的基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化測控實驗平臺上,設(shè)計了雙容水箱的液位反饋控制回路,并結(jié)合具體被控對象提出了將PID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)上實現(xiàn)了基于OPC技術(shù)的PID控制算法。實驗表明,該方案控制效果更好的發(fā)揮了現(xiàn)場總線與PID控制的技術(shù)優(yōu)勢,取得了預(yù)期的控制效果。
2、基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化平臺
本系統(tǒng)包括兩個部分: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化等場合?,F(xiàn)場控制模型可以利用實驗室的原有設(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)軟件運行關(guān)系
以單回路液位控制為例,上位機中軟件的運行情況:
(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)訪問接口;
(2) 運行組態(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;
(3) FF H1和FF HSE OPC服務(wù)器, 每秒鐘刷新一次,實現(xiàn)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報警等功能;
(4) 設(shè)計SiaView監(jiān)控軟件,新建一個工程,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項下的TARGET參數(shù)修改成AUTO模式,讀取功能塊參數(shù),從而實現(xiàn)單回路的液位控制自動正常的運行。如果想要實現(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)實現(xiàn)過程變量和控制變量的通訊。
圖2 應(yīng)用窗口中配置的PID組態(tài)策略
圖3 實現(xiàn)先進(jìn)控制算法時的IF-PID功能塊參數(shù)表
3、基于OPC的PID控制方案
實現(xiàn)基于FF現(xiàn)場總線的先進(jìn)控制算法,要先以實現(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。
3.1 OPC服務(wù)器
選用中科院沈陽自動化研究所提供了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)項組成,可以根據(jù)需要得到數(shù)據(jù)項的全稱對其進(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)器中液位的實時值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
3.2 OPC自動化接口標(biāo)準(zhǔn)
(1) 自動化接口
OPC基金會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,比較晦澀難懂,而運用自動化接口則有以下優(yōu)點: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)部機理;可以運用事件觸發(fā)機制;可以生成一個通用的動態(tài)鏈接庫(DLL)或控件供所有客戶端應(yīng)用程序使用。
(2) 自動化接口的通信機制
OPC客戶程序通過封裝的OPC自動化接口動態(tài)鏈接庫訪問OPC服務(wù)器,如圖5所示。該動態(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化接口,以供客戶程序調(diào)用。OPC客戶程序和動態(tài)鏈接庫是進(jìn)程內(nèi)的通信,而動態(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)。
圖5 OPC客戶程序與服務(wù)器的通迅
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