現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統與通用軟測量技術(shù)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)以其優(yōu)越的特性越來(lái)越引起人們的注意。現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統采用數字信號通信，并把基礎控制級直接放在工業(yè)現場(chǎng)，可以大大提高過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性，減少干擾信號出現的可能性，從而在很大程度上提高控制系統的性能。因此，基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統將是未來(lái)控制系統發(fā)展的必然趨勢。
　　控制系統賴(lài)以存在的前提是測量系統，軟測量技術(shù)是測量工具的延伸，是對傳統測量手段的一個(gè)有力補充。軟測量是人們依靠間接知識對硬件儀表不可測量變量的估計，在硬件無(wú)法完成測量任務(wù)的情況下，軟測量技術(shù)可以在一定程度上起到替代的作用。尤其是對于產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量等關(guān)鍵性生產(chǎn)參數，通常硬件儀表是無(wú)法測量的，軟測量的使用可以為提高生產(chǎn)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量提供有力的手段。軟測量技術(shù)在過(guò)程工業(yè)中已經(jīng)有了比較廣泛的應用，并取得了較好的效果［1］。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統為現場(chǎng)檢測數據的實(shí)時(shí)傳播提供了便利的條件，使軟測量技術(shù)的廣泛使用成為可能。軟測量技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的結合，能夠充分利用現場(chǎng)總線(xiàn)和軟測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，保證生產(chǎn)過(guò)程有效正確運行，給工廠(chǎng)企業(yè)帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。軟測量技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的結合，是今后過(guò)程控制發(fā)展的必然趨勢。
　　本文討論了現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的總體結構，在此基礎上，闡述了軟測量技術(shù)在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的地位與實(shí)現方式，最后結合我們在實(shí)驗室建立的模型現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統具體說(shuō)明了現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統與其中的軟測量技術(shù)是如何實(shí)現的。

1　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的整體結構
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是以現場(chǎng)總線(xiàn)為通信介質(zhì)的計算機集成控制系統，根據CIMS（CIPS）的觀(guān)點(diǎn)，它可分為三個(gè)層次：管理決策級、高級控制級和基礎控制級。
　?、佟」芾頉Q策級包括:決策分析、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、計劃、離線(xiàn)優(yōu)化、調度、生產(chǎn)管理等功能，主要指集成控制系統對這些任務(wù)提出信息服務(wù)和決策支持，包括通過(guò)歷史數據分析與挖掘提出發(fā)展目標和營(yíng)銷(xiāo)策略，根據相應的營(yíng)銷(xiāo)策略調整生產(chǎn)方案，對生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實(shí)現集成管理，制定和落實(shí)年、季、月綜合計劃，完成生產(chǎn)計劃分解，根據生產(chǎn)的實(shí)際情況形成調度指令，組織日常均衡生產(chǎn)和處理異常事件，即時(shí)地指揮生產(chǎn)。
　?、凇「呒壙刂萍壥窍到y實(shí)現穩定生產(chǎn)、優(yōu)化操作的保證，也是人與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行交互的層面。過(guò)程監控系統接收來(lái)自現場(chǎng)總線(xiàn)智能節點(diǎn)中的現場(chǎng)狀態(tài)信息和來(lái)自決策管理層的調度信息，并利用軟測量和數據校正技術(shù)對這些數據進(jìn)行完備性和一致性處理，形成過(guò)程實(shí)時(shí)數據庫，并利用來(lái)自過(guò)程實(shí)時(shí)數據庫中的數據實(shí)現操作指導、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、高級控制、故障診斷和實(shí)時(shí)報警等功能。
　?、邸』A控制級實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的常規檢測和基本控制，在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中由現場(chǎng)總線(xiàn)智能節點(diǎn)實(shí)現，包括傳感變送部分、PID調節器部分等各種功能的集成。在智能節點(diǎn)中， 一般包括獨立的微處理器芯片，能夠完成比較復雜的計算任務(wù)。
　　圖1是我們開(kāi)發(fā)的完整的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統示意圖。

2　通用軟測量技術(shù)
　　在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要對產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量參數進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和在線(xiàn)控制。然而在實(shí)際過(guò)程中，存在一大類(lèi)變量無(wú)法用傳統的測量?jì)x表直接檢測［2］。造成這一問(wèn)題的主要原因有以下5個(gè)方面：
　?、佟∮捎诠に嚄l件限制，無(wú)法進(jìn)行檢測或不允許安裝檢測儀表；
　?、凇∧壳八莆盏臋z測手段不完善，尚不足以完成要求的檢測任務(wù)；
　?、邸∠冗M(jìn)的檢測工具成本過(guò)于昂貴；
　?、堋z測儀表造成的測量滯后使測量結果無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；
　?、荨鹘y的傳感器只能夠感知某一個(gè)狀態(tài)變量，有些情況下需要對多個(gè)傳感器的測量結果進(jìn)行數據融合，才能得到比較理想的結果。
　　軟測量技術(shù)依靠間接知識對硬件儀表不可測量的變量進(jìn)行估計，在硬件無(wú)法完成測量任務(wù)的情況下，可在一定程度上起到替代的作用。軟測量技術(shù)主要包括四個(gè)方面：二次測量變量的選擇；數據處理；軟測量模型的建立；軟測量模型的在線(xiàn)校正。二次測量變量的選擇是指對特定的生產(chǎn)過(guò)程和選定的待估輸出變量，如何確定其對應的輔助過(guò)程變量；數據處理指對于輔助變量的原始測量數據，如何進(jìn)行過(guò)失誤差偵破、剔除和數據校正；軟測量模型的建立指的是如何通過(guò)各種信息和數據確定過(guò)程模型；軟測量模型的在線(xiàn)校正則指在過(guò)程狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如何進(jìn)行模型自身的調整。
　　經(jīng)過(guò)長(cháng)期的理論和應用研究，我們認為軟測量方法本身具有相似之處，提出了通用軟測量技術(shù)的概念，形成了通用的產(chǎn)品化軟測量軟件包。軟測量技術(shù)的通用化需要著(zhù)重解決的問(wèn)題有兩個(gè)方面，一是建立通用的軟測量模型；二是解決針對具體生產(chǎn)過(guò)程的二次變量選擇問(wèn)題。只有這兩個(gè)方面的問(wèn)題得到解決，才能真正實(shí)現軟測量技術(shù)的通用化。
　　針對上述兩個(gè)問(wèn)題，我們建立了一套面向數據的解決方案。在這套方法中對二次變量的選擇和軟測量模型的建立完全不依賴(lài)于過(guò)程的機理模型，而是直接使用來(lái)自生產(chǎn)設備和調度室的過(guò)程歷史紀錄數據，通過(guò)對這些數據進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析，得出影響待估變量的主要可測變量。然后對歷史數據進(jìn)行適當聚類(lèi)和整理后，構成建立軟測量模型的樣本數據。軟測量模型采用學(xué)習速度較快，逼近精度較高的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，并采用正交最小二乘算法使軟測量模型可以根據具體過(guò)程自動(dòng)調整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的結構，以滿(mǎn)足軟測量模型的通用化。
　　根據上述思路，我們建立了面向數據的通用軟測量軟件包，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中使用該軟件包時(shí)，具體工作流程如圖2所示。其中前兩步由人工針對具體的生產(chǎn)過(guò)程完成，后4步由軟測量軟件包完成。