基于FF總線實現水箱系統(tǒng)動態(tài)矩陣控制
摘要：本文針對FF現場總線中監(jiān)控軟件實現DMC算法的困難，提出利用Matlab7.0 OPC工具包實現與OPC服務器間通訊并實現DMC控制的方案，充分發(fā)揮了矩陣計算語言簡潔、高效的優(yōu)勢。仿真結果表明，該方案能在很大程度上縮短監(jiān)控程序的開發(fā)周期，并達到了預期的控制效果。
引言
FF現場總線系統(tǒng)是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，與現行控制系統(tǒng)相比，具有如下技術優(yōu)勢:① 現場總線用數字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，測量精度高,抗干擾能力強；② 基于總線的現場儀表可以對量程和零點進行遠程設定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進行多參數測量和對環(huán)境影響的自動補償;③ 現場設備集檢測、轉換、運算和控制功能于一體,既降低了成本，又增加了安全性和可靠性。④ 所有現場設備直接通過一對傳輸線即現場總線連接，減少了連線的數量,易于安裝和維護，節(jié)省費用、調試和維修成本。
本實驗測控系統(tǒng)采用JBS2GK03 過程控制實驗裝置,并采用中科院沈陽自動化研究所開發(fā)的FF H1 OPC服務器MicroCyber. FFServer.1作為OPC服務器。該服務器符合OPC組織制訂的OPC DA 2.0規(guī)范標準。OPC客戶端與服務器之間的通訊符合OPC的自動化接口規(guī)范要求，利用Matlab 7.0支持OPC規(guī)范的新功能，實現了用戶端與服務器端的通訊。動態(tài)矩陣控制算法在客戶端通過Matlab的M語言實現，充分發(fā)揮了矩陣計算語言簡潔、高效的優(yōu)勢。
圖1 r和p選擇的不同對預測向量的影響
控制原理
本實驗測控系統(tǒng)采用的JBS2GK03 過程控制實驗裝置,被控參數變量為液位、流量、溫度和壓力。該過程為自衡非振蕩, 具有相互影響的雙容過程，其數學模型可用如下傳遞函數描述:
(1)
式中，Kp, Tp,
OPC服務器MicroCyber .FFServer.1每秒鐘刷新一次,實現設備的實時數據和歷史數據共享以及報警等功能。OPC客戶端與服務器之間的通訊符合OPC的自動化接口規(guī)范要求，利用matlab 7.0支持OPC規(guī)范的新功能，實現用戶端與服務器的通訊。動態(tài)矩陣控制算法通過Matlab的M語言在監(jiān)控端實現，利用其強大的計算與動態(tài)顯示能力對水箱系統(tǒng)進行動態(tài)矩陣控制。并將OPC服務器的歷史數據保存在Matlab的數組中，以實現對歷史數據曲線的實時繪制。本文采用的受控對象為Device1.Flow，組名為 Device1。通過Matlab編寫的客戶端與SQl2000服務器的ODBC連接，實時與數據庫交互。從OPC服務器讀取選項的值，并可以實時將選項的值插入到數據庫服務器中保存為歷史數據。需要時，可以通過選項隨時將歷史數據進行回調，進行查詢、更新、刪除等操作，或者用于算法控制和繪制歷史曲線圖。從而可以實現OPC服務器和歷史數據服務器的分布式管理。本設計中采用的NCS-IF105設備可以接收四個通道0~20mA模擬信號，并轉換成FF現場總線信號。而NCS-LD105現場總線網關則可用于各種采用FF H1現場總線設備的控制系統(tǒng)當中，不僅可將FF H1總線設備無縫集成到以太網網絡中，還可擴展FF H1應用。
程序實現
客戶端與OPC服務器通訊
首先，Matlab客戶端應先生成 OPC服務器支持的 OPC 對象。OPC 數據訪問對象由分層結構構成，即一個 OPC 服務器對象具有一個作為子對象的 OPC組集合對象(OPC Groups)。在這個 OPC組集合對象里可以添加多個OPC組對象。各個OPC組對象都具有一個作為子對象的OPC標簽集合對象,在這個標簽集合對象里可以添加多個 OPC標簽對象。
用Matlab M文件編寫OPC客戶端程序包含以下步驟：
(1)添加服務器的引用，創(chuàng)建 OPC 服務器對象，并將客戶程序與服務器相連；
(2)連接創(chuàng)建的OPC 服務器對象；
(3)通過瀏覽整個服務器中所有的項，添加組對象;
(4)添加 OPC項，選擇需要的項，將其添加到規(guī)定的組中，并顯示其值和狀態(tài)；
(5)啟動OPC服務器。
程序和注釋如下：
hostInfo = opcserverinfo(遠程/本地服務器名)；%連接遠程/本地服務器
allServers = hostInfo.ServerID'；
da = opcda(服務器名, OPC服務器名)；
connect(da);
sawtoothItems = serveritems(da, *受控設備名*)；
itmIDs = {控設備名};
grp = addgroup(da, DemGroup)；%增加組
itm = additem(grp, itmIDs)； %增加項目
start(grp)； %啟動OPC服務器
客戶端與SQL數據庫服務器通訊
首先，在SQL數據庫中建立一個指定名字的數據庫，并建立一個名為history的表。表中的字段包括選項的值(value)、品質(quality)、時間戳(timestamp)、服務器名(servername)以及設備名(device)。設置ODBC數據源，建立一個和前面數據庫名字相同的數據源，該數據源指向SQL數據庫中的同名數據庫。測試連接成功后，即可在Matlab中通過編寫M文件實現與數據庫的連接，并建立一個工作空間數組存儲來自數據庫的數據，通過執(zhí)行命令的方式實現選擇、插入數據等操作。關鍵程序及注釋如下所示：
首先，實現建立連接對象，實現與數據庫服務器的連接。
conn = database(數據源名、用戶名、用戶密碼);%連接數據庫
ping(conn)；%檢查連接狀態(tài)
curs = exec(conn, select country from 表名)%打開游標執(zhí)行SQL語句
setdbprefs(DataReturnFormat, cellarray)%說明檢索數據的格式
curs = fetch(curs、10)%將數據導入到Matalb
columnnames(curs)%獲取列名
A = curs.Data%顯示游標對象里的所有數據元素，data(:,3)為獲取某一字段的元素值
insert(conn、 表名、字段名、 數組名)；%將數組的值插入到表的某一字段中
close(curs)%關閉游標
close(conn)%關閉連接對象
改進的DMC控制程序仿真
受控系統(tǒng)數學模型如公式(1)所示。將階躍信號作為控制信號作用于受控系統(tǒng)，通過FF現場總線，實時獲取一段時間內系統(tǒng)某一受控對象(流量)的階躍響應輸出，通過Matlab程序讀取對應時刻的階躍響應值，并將時間和對應值存在一個數組中。通過建立受控對象的數學模型，可辨識受控系統(tǒng)的參數，并得到辨識后系統(tǒng)的輸出。使用Matlab 7.0 的OPC工具包，實現客戶端程序與OPC服務器的通訊，使用get(itm,value)函數來獲取服務器中流量的實時值(其中itm=Device1.Flow)，然后進行動態(tài)矩陣控制。得到控制量后，通過使用write(itm, setvalue)函數將控制量寫入OPC服務器，從而控制受控系統(tǒng)。
設置模型的時域長度為N=10，優(yōu)化時域長度為P=3，誤差校正向量為h，其長度為N，控制向量為d，其長度為P，預測向量存儲在數組y1中。不同的模型時域長度和優(yōu)化長度對系統(tǒng)性能的影響是不同的，仿真曲線如圖1所示。r過大時，預測向量會明顯偏離真實的系統(tǒng)響應，對預測不利。當r=20，P=3時，預測與實際響應值一致?？梢?，在DMC控制算法中，應該合理選擇模型時域長度和優(yōu)化長度才能達到理想的控制效果。
結語
FF 現場總線技術與傳統(tǒng)DCS 相比,系統(tǒng)布線投資明顯減少,而網絡功能則大大加強。而且該系統(tǒng)可以充分利用各種軟件的優(yōu)勢，大大提高軟件編程的效率和靈活性,實際運行結果表明,基于Matlab和OPC技術的FF現場總線的測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定,控制效果良好。
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