基于FF現場(chǎng)總線(xiàn)的PID控制算法應用研究
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現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展使得控制系統在由封閉走向開(kāi)放的進(jìn)程中邁進(jìn)了一大步。以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的開(kāi)放式控制系統開(kāi)始進(jìn)入封閉的DCS系統，成為過(guò)程控制的發(fā)展方向。FF（基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)）現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字、串行、雙向通信網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)也是一種專(zhuān)門(mén)針對過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的應用而設計的現場(chǎng)總線(xiàn)，所以其在設計之初就充分考慮了過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的一些特點(diǎn)，比如總線(xiàn)、供電、本質(zhì)安全，以及較高的實(shí)時(shí)性要求等。我國在FF總線(xiàn)技術(shù)研究以及符合FF協(xié)議的現場(chǎng)設備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面己經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出了各種基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，例如壓力變送器、溫度變送器，以及主機接口卡和通信棧軟件等。在DCS時(shí)代，先進(jìn)控制已被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟效益。先進(jìn)控制與現場(chǎng)總線(xiàn)的結合是本文討論的主題?，F場(chǎng)總線(xiàn)的采用提供了控制策略的更好的實(shí)現手段。
本文以在中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設計的基于FF現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )化測控實(shí)驗平臺上，設計了雙容水箱的液位反饋控制回路，并結合具體被控對象提出了將PID控制算法應用到FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統的可行性方案，既在OPC服務(wù)器MicroCyber.FFServer.1的基礎上實(shí)現了基于OPC技術(shù)的PID控制算法。實(shí)驗表明，該方案控制效果更好的發(fā)揮了現場(chǎng)總線(xiàn)與PID控制的技術(shù)優(yōu)勢，取得了預期的控制效果。
2基于FF現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )化平臺
本系統包括兩個(gè)部分：FF現場(chǎng)總線(xiàn)部分和現場(chǎng)控制模型部分，如圖1。FF現場(chǎng)總線(xiàn)包括低速現場(chǎng)總線(xiàn)H1和高速現場(chǎng)總線(xiàn)HSE。低速現場(chǎng)總線(xiàn)H1的速率為31.25kbps，可用于溫度、液位及流量等控制場(chǎng)合，信號類(lèi)型為電壓信號；高速現場(chǎng)總線(xiàn)HSE的速率為100Mbps，一般用于高級控制、遠程輸入/輸出和高速工廠(chǎng)自動(dòng)化等場(chǎng)合?，F場(chǎng)控制模型可以利用實(shí)驗室的原有設備，從而節約了投資。原有的模擬儀表可以通過(guò)電流信號到現場(chǎng)總線(xiàn)信號變送器轉接到現場(chǎng)總線(xiàn)。
以單回路液位控制為例，上位機中軟件的運行情況：
（1）HSEInit接口軟件,選擇H1網(wǎng)段，HSE接口程序可以與以太網(wǎng)段內的HSE設備，以及LD設備下的H1網(wǎng)段設備進(jìn)行交互，向組態(tài)等上層軟件提供數據訪(fǎng)問(wèn)接口；
（2）運行組態(tài)程序FF-Configurator組態(tài)軟件，刷新網(wǎng)段獲取系統的現場(chǎng)設備列表和功能塊列表，刷新網(wǎng)段后，建立應用完成功能塊組態(tài)，功能塊間的連線(xiàn)表示通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)通信的信號連接，如圖2所示；
（3）FFH1和FFHSEOPC服務(wù)器,每秒鐘刷新一次，實(shí)現設備的實(shí)時(shí)數據和歷史數據共享以及報警等功能；
（4）設計SiaView監控軟件，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(guò)編輯可得到一個(gè)PID功能塊操作面板。
從組態(tài)軟件的工程窗口的設備中選擇IF-AI1功能塊、IF-PID功能塊和FI-AO1功能塊拖拽到應用視圖中連接配置成一個(gè)PID控制回路，見(jiàn)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)行參數值的傳遞并需下載組態(tài)信息到現場(chǎng)設備。要使液位控制回路正確運行需要修改功能塊的參數值，雙擊IF-PID功能塊，打開(kāi)塊的參數窗口，將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成AUTO模式，讀取功能塊參數，從而實(shí)現單回路的液位控制自動(dòng)正常的運行。如果想要實(shí)現將先進(jìn)控制算法應用到FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統的方案，只需將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成MAN模式，具體設置如圖3所示，然后通過(guò)OPC技術(shù)實(shí)現過(guò)程變量和控制變量的通訊。
3基于OPC的PID控制方案
實(shí)現基于FF現場(chǎng)總線(xiàn)的先進(jìn)控制算法，要先以實(shí)現常規PID控制為基礎，包含先進(jìn)控制算法的軟件通過(guò)OPC接口來(lái)讀寫(xiě)硬件設備的信息（作為OPC客戶(hù)），通過(guò)OPC服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程數據，可以克服異構網(wǎng)絡(luò )結構和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之間的差異。
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