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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，所以其在設(shè)計之初就充分考慮了過程自動化領(lǐng)域的一些特點，比如總線、供電、本質(zhì)安全，以及較高的實時性要求等。我國在FF總線技術(shù)研究以及符合FF協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)方面己經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，如中科院沈陽自動化研究所研制出了各種基金會現(xiàn)場總線產(chǎn)品，例如壓力變送器、溫度變送器，以及主機(jī)接口卡和通信棧軟件等。在DCS時代，先進(jìn)控制己被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)控制與現(xiàn)場總線的結(jié)合是本文討論的主題。現(xiàn)場總線的采用提供了控制策略的更好的實現(xiàn)手段。
  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。現(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(jī)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。

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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