現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統與通用軟測量技術(shù)

3　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的軟測量技術(shù)
　　軟測量技術(shù)在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中有兩種實(shí)現方式：一是把基于數據融合的軟測量技術(shù)固化到現場(chǎng)總線(xiàn)的智能現場(chǎng)節點(diǎn)中，實(shí)現多傳感器綜合測量單個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量，提供軟儀表的一種“硬件”形式；二是在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中專(zhuān)門(mén)建立軟測量節點(diǎn)，完成整個(gè)系統的軟測量任務(wù)。
　　從前面現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的總體結構上可以看出，軟測量技術(shù)能夠作為高級控制級的一個(gè)節點(diǎn)專(zhuān)門(mén)完成整個(gè)系統的軟測量任務(wù)。這是軟測量技術(shù)使用的一種比較方便和通用的形式。在這種方式中，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中有專(zhuān)門(mén)的軟測量節點(diǎn)，軟測量系統從過(guò)程實(shí)時(shí)數據庫中得到生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數據，根據工程師事先制訂的軟測量系統組態(tài)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)的軟測量運算，并把軟測量結果及時(shí)送到過(guò)程實(shí)時(shí)數據庫中去，以供其他任務(wù)使用。其他的過(guò)程控制、優(yōu)化任務(wù)使用軟測量產(chǎn)生的結果，就像使用通過(guò)傳感器從現場(chǎng)采集到的數據一樣。在這種方式中，軟測量系統與整個(gè)系統的數據庫通信，能夠充分利用全廠(chǎng)范圍內的信息，保證軟測量結果的有效性。這種結合方式如圖1所示。
　　除了這種應用方式，軟測量還可以像“硬”儀表那樣，構成軟儀表，直接完成對特定變量的軟測量。在這種方式中，軟測量系統直接集成在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的智能節點(diǎn)當中，出現在基礎控制級。如前所述，軟測量系統中的智能節點(diǎn)不像傳統的現場(chǎng)儀表那樣，只能完成一種功能，而是可以同時(shí)完成多種功能。軟測量系統是智能節點(diǎn)檢測功能的一個(gè)有力補充。帶有軟測量技術(shù)的智能節點(diǎn)結構如圖3所示。

　　圖中虛線(xiàn)框中為使用軟測量技術(shù)的現場(chǎng)總線(xiàn)智能節點(diǎn)。這種現場(chǎng)總線(xiàn)節點(diǎn)，與傳統的現場(chǎng)變送器一樣，針對某一類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程具有一定的通用性，并且針對不同的生產(chǎn)條件只需對某些參數設定進(jìn)行改變，而不像傳統變送器那樣需要更換不同型號的儀表，這在現代生產(chǎn)越來(lái)越趨向于高柔性、小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品、規模、質(zhì)量要求等經(jīng)常發(fā)生變化的條件下，是非常重要和有效的。
　　事實(shí)上，由于現場(chǎng)總線(xiàn)中的智能節點(diǎn)在存儲容量和計算速度上有一定的局限性，所以即使在智能節點(diǎn)中使用軟測量技術(shù)，一般還要在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中建立專(zhuān)門(mén)的軟測量節點(diǎn)，以完成整個(gè)系統的軟測量任務(wù)。

4　具體實(shí)現
　　在國家九五攻關(guān)項目“現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統的集成技術(shù)研究(96-749-06)”攻關(guān)過(guò)程中，我們成功地實(shí)現了基于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程控制、優(yōu)化與管理的集成化系統，該系統包括圖1中的基礎控制層和高級控制層。其中通用軟測量軟件包在高級控制層構成了軟測量節點(diǎn)，完成整個(gè)系統的軟測量任務(wù)［3］。
　　整套系統包括一個(gè)運行在PC機上的仿真模型系統，A/D和D/A轉換器，3個(gè)LonWorks節點(diǎn)分別為Echelon 公司的TP/FT-10、TP/FT-10F模塊和用Neuron 3150芯片自行開(kāi)發(fā)的控制模塊，以及4個(gè)高級控制層節點(diǎn)。通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，3個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)節點(diǎn)通過(guò)A/D和D/A與模型系統相連，以模擬現場(chǎng)情況，3個(gè)節點(diǎn)中分別運行著(zhù)一套模糊控制算法，一套自整定PID控制算法和一套簡(jiǎn)化后的軟測量系統；4個(gè)高級控制節點(diǎn)分別為過(guò)程實(shí)時(shí)監控節點(diǎn)、多變量約束控制節點(diǎn)、實(shí)時(shí)優(yōu)化節點(diǎn)、軟測量節點(diǎn)；采用Intellution Dynamics2.0作為過(guò)程實(shí)時(shí)數據庫的平臺軟件，它帶有LonWorks適配器的接口驅動(dòng)程序，可以直接與現場(chǎng)總線(xiàn)通信。通用軟測量軟件包用Visual C+　+5.0開(kāi)發(fā)，可以運行在Windows95和Windows NT4.0及以上版本的操作系統上。軟件包由矩陣運算部分、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )部分、數據處理部分、輸入輸出接口部分、組態(tài)軟件和演示部分構成。各個(gè)部分由系統調度模塊統一進(jìn)行調度,形成一個(gè)有機的整體。
　　在實(shí)驗室建成的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，以石家莊煉油廠(chǎng)一聯(lián)合車(chē)間大型催化裂化裝置（FCCU）為原型，進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化后形成了現場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程仿真模型系統。其中的軟測量系統使用我們開(kāi)發(fā)的通用軟測量軟件包，并應用于1998年5月份在石家莊煉油廠(chǎng)投運時(shí)的現場(chǎng)采集數據。
　　FCCU裝置的主要產(chǎn)品為穩定汽油、輕柴油和液化氣(液態(tài)烴),它們的收率是重要的產(chǎn)量指標，粗汽油的干點(diǎn)、輕柴油的凝固點(diǎn)和穩定汽油的飽和蒸氣壓是需要估計的重要質(zhì)量指標。
　　對FCCU的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析,與上述待估變量有關(guān)的主要測量變量集由以下一些變量組成:反應再生系統中原料油的進(jìn)料流量、回煉油流量及催化反應溫度，主分餾塔的塔頂溫度、輕柴油抽出溫度、塔頂冷回流量、塔頂冷回流溫度、塔頂循環(huán)量、頂循抽出溫度、頂循返塔溫度、19層汽相、一中回循環(huán)量、一中循環(huán)抽出溫度、一中循環(huán)返塔溫度，穩定塔的塔底溫度、塔頂壓力、進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度、再沸汽的返塔溫度、塔頂溫度。
　　把上述信息通過(guò)軟測量系統的人機接口組態(tài)界面輸入軟測量系統，系統通過(guò)對歷史數據進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析，確定采用4個(gè)軟測量模塊：收率模塊、干點(diǎn)模塊、凝固點(diǎn)模塊和蒸氣壓模塊，每個(gè)模塊對應一定的輔助變量，用這些變量的歷史數據建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )軟測量模型，根據設置的采樣周期從現場(chǎng)總線(xiàn)數據庫中獲取輔助變量測量值，實(shí)時(shí)估計待估變量。
　　這套系統曾在國家九五攻關(guān)項目“大型催化裂化裝置多變量約束控制與優(yōu)化”的實(shí)施過(guò)程中配合多變量約束控制在石家莊煉油廠(chǎng)催化裂化裝置上獲得了成功的應用，取得了較大的經(jīng)濟效益，已于1998年10月通過(guò)國家教育部的鑒定。

5　結束語(yǔ)
　　軟測量技術(shù)的通用化及其在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中的應用，使現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統具有大大優(yōu)于傳統控制系統的特點(diǎn)。進(jìn)一步的研究目標是如何形成全廠(chǎng)級的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，把決策管理級的任務(wù)集成到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中來(lái)，從而更加充分地利用方便的信息通信技術(shù)和軟測量技術(shù)提供的完備現場(chǎng)狀態(tài)數據。

參考文獻
　1　于靜江,周春暉.過(guò)程控制中的軟測量技術(shù). 控制理論與應用,1996,13(2):137～144
　2　Gerg Martin.Consider Soft Sensors.Chemical Engineering Progress, 1997:66～70
　3　邵惠鶴等.現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統的集成技術(shù)研究.國家九五攻關(guān)項目技術(shù)報告,1999