基于FF現(xiàn)場總線的PID控制算法應用研究
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現(xiàn)場總線技術的發(fā)展使得控制系統(tǒng)在由封閉走向開放的進程中邁進了一大步。以現(xiàn)場總線為基礎的開放式控制系統(tǒng)開始進入封閉的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，同時也是一種專門針對過程自動化領域的應用而設計的現(xiàn)場總線，所以其在設計之初就充分考慮了過程自動化領域的一些特點，比如總線、供電、本質安全，以及較高的實時性要求等。我國在FF總線技術研究以及符合FF協(xié)議的現(xiàn)場設備產品開發(fā)方面己經(jīng)取得了長足的進步，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時代，先進控制已被證明可以為企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟效益。先進控制與現(xiàn)場總線的結合是本文討論的主題?，F(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計的基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡化測控實驗平臺上，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(xiàn)場總線系統(tǒng)的可行性方案，既在OPC服務器MicroCyber.FFServer.1的基礎上實現(xiàn)了基于OPC技術的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控制的技術優(yōu)勢，取得了預期的控制效果。
2基于FF現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡化平臺
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、遠程輸入/輸出和高速工廠自動化等場合?，F(xiàn)場控制模型可以利用實驗室的原有設備，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接到現(xiàn)場總線。
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)，功能塊間的連線表示通過現(xiàn)場總線通信的信號連接，如圖2所示；
（3）FFH1和FFHSEOPC服務器,每秒鐘刷新一次，實現(xiàn)設備的實時數(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行參數(shù)值的傳遞并需下載組態(tài)信息到現(xiàn)場設備。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)將先進控制算法應用到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，具體設置如圖3所示，然后通過OPC技術實現(xiàn)過程變量和控制變量的通訊。
3基于OPC的PID控制方案
實現(xiàn)基于FF現(xiàn)場總線的先進控制算法，要先以實現(xiàn)常規(guī)PID控制為基礎，包含先進控制算法的軟件通過OPC接口來讀寫硬件設備的信息（作為OPC客戶），通過OPC服務器訪問過程數(shù)據(jù)，可以克服異構網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡協(xié)議之間的差異。
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