基于FF现场总线的PID控制算法应用研究

    以单回路液位控制为例，上位机中软件的运行情况：

（1）HSE Init接口软件, 选择H1网段，HSE接口程序可以与以太网段内的HSE设备，以及LD设备下的H1网段设备进行交互，向组态等上层软件提供数据访问接口；

（2）运行组态程序FF-Configurator组态软件，刷新网段获取系统的现场设备列表和功能块列表，刷新网段后，建立应用完成功能块组态，功能块间的连线表示通过现场总线通信的信号连接，如图2所示；

（3）FF H1和FF HSE OPC服务器, 每秒钟刷新一次，实现设备的实时数据和历史数据共享以及报警等功能；

（4）设计SiaView监控软件，新建一个工程，在对象中选择PID拖到视图中，与OPC连接后经过编辑可得到一个PID功能块操作面板。

    从组态软件的工程窗口的设备中选择IF-AI1功能块、IF-PID功能块和FI-AO1功能块拖拽到应用视图中连接配置成一个PID控制回路，见图2。将功能块连接,建立功能块之间的联系，使功能块之间能够进行参数值的传递并需下载组态信息到现场设备。要使液位控制回路正确运行需要修改功能块的参数值，双击IF-PID功能块，打开块的参数窗口，将IF-PID中MODE_BLK项下的TARGET参数修改成AUTO模式，读取功能块参数，从而实现单回路的液位控制自动正常的运行。如果想要实现将先进控制算法应用到FF现场总线系统的方案，只需将IF-PID中MODE_BLK项下的 TARGET参数修改成MAN模式，具体设置如图3所示，然后通过OPC技术实现过程变量和控制变量的通讯。

3 基于OPC的PID控制方案

    实现基于FF现场总线的先进控制算法，要先以实现常规PID控制为基础，包含先进控制算法的软件通过OPC接口来读写硬件设备的信息（作为OPC客户），通过OPC服务器访问过程数据，可以克服异构网络结构和网络协议之间的差异。

3.1 OPC服务器

    选用中科院沈阳自动化研究所提供了OPC服务器MicroCyber.FFServer.1，服务器的地址空间由服务器可读写的所有数据项组成，可以根据需要得到数据项的全称对其进行相关操作。图4为OPC服务器的地址空间图。使用OPC技术实现用VB6.0编写的客户端程序与OPC服务器的通讯，服务器中液位的实时值IF-PID-PV.VALUE，以及自定义变量如液位设定值IF-PID-SP.VALUE，然后进行算法控制，得到控制量，将控制量写入OPC服务器的项FI-PID-OUT.VALUE，从而控制受控系统。

3.2 OPC自动化接口标准

（1）自动化接口

    OPC基金会为方便用户在各种环境下软件开发，为数据访问规范提供两类接口：自动化接口和定制接口。基于定制接口的开发，需要用到较深的 COM/DCOM知识，比较晦涩难懂，而运用自动化接口则有以下优点：客户程序可以很容易地应用接口，而无需了解接口的详细内部机理；可以运用事件触发机制；可以生成一个通用的动态链接库（DLL）或控件供所有客户端应用程序使用。

（2）自动化接口的通信机制

    OPC客户程序通过封装的OPC自动化接口动态链接库访问OPC服务器，如图5所示。该动态连接库将OPC服务器的定制接口翻译成OPC客户程序希望的自动化接口，以供客户程序调用。OPC客户程序和动态链接库是进程内的通信，而动态链接库和OPC服务器的通信则基于COM/DCOM，既可以是进程内或本地的连接，又可以是远程连接。封装的动态链接库解决了定制接口的解释和二者的通信，从而大大简化了OPC客户程序的开发。

（3）自动化对象模型

    OPC客户程序的开发关键在于搞清该动态链接库的封装结构，也即自动化接口标准。该标准可以用图6所示的自动化对象模型表示。它主要由六类对象组成：

    OPCServer：OPC服务器的一个实例。只有创建了OPCServer对象以后才能获得OPC服务器的信息，它包括OPCGroups的搜索以及OPCBrowser对象的创建；

    OPCGroups：能够自动搜集到OPCServer范围内客户端创建的所有的OPCGroup对象；

    OPCGroup：OPCGroup对象的一个实例。它包含所有的状态信息，并且为OPCGroup中所涉及的OPC- Items提供必要的服务；

    OPCItems：能够自动搜集到OPCServer范围内客户端创建的对应相应的OPCGroup中的所有的OPCItem对象；

 

图7 实现PID控制的OPC客户程序

    该单回路控制过程为自衡非振荡，具有相互影响的双容过程。其数学模型可用如下传递函数描述：
G（ s） =
式中, Kp, Tp，τ为过程的增益、时间常数和时滞。式中的各参数可根据阶跃响应曲线用图解法求得。下面给出确定传递函数的参数的方法：设图 7中的控制量为q，测量值为y（∞）,新的稳态值为设定值,增益K可由输入输出的稳态值直接算出，而Tp，τ则可以用作图法确定。为了能够随时调用在 OPC服务器上采集的测量值y并绘制出相应的阶跃响应曲线，这里把选择的数据存放在指定的数据库中（采用SQL2000数据库）。同时也是为了在进行算法的仿真的时候，既可以从历史数据库中取数据，也可随着数据的采集，可以不断刷新数据，进行算法的优化，如图8所示。

 

图8 SQL server 数据库中存取OPC服务器数据

    通过FF现场总线的过程控制实验系统的设计过程，论述OPC技术，目的是希望通过VB去开发OPC自动化接口的客户应用程序，实现PID控制算法到OPC 客户应用程序的应用编程，方便用户的使用和系统的维护和升级，同时研究SQL Server 2000的数据库系统，用于历史数据的存取以及算法的仿真。如何实现更加复杂的先进控制算法，可以使用OLE自动化技术来实现VB与Matlab混合编程，即用VB编写OPC客户端程序来实现数据通信，而利用Matlab进行先进控制算法的编写，从而对现场数据进行分析，是下一步研究的重点。