基于FF總線實(shí)現(xiàn)水箱系統(tǒng)動態(tài)矩陣控制

摘要：本文針對FF現(xiàn)場總線中監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)DMC算法的困難，提出利用Matlab7.0 OPC工具包實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器間通訊并實(shí)現(xiàn)DMC控制的方案，充分發(fā)揮了矩陣計(jì)算語言簡潔、高效的優(yōu)勢。仿真結(jié)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(dá)到了預(yù)期的控制效果。

引言

    FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)行控制系統(tǒng)相比，具有如下技術(shù)優(yōu)勢:① 現(xiàn)場總線用數(shù)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(qiáng)；② 基于總線的現(xiàn)場儀表可以對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，能進(jìn)行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補(bǔ)償;③ 現(xiàn)場設(shè)備集檢測、轉(zhuǎn)換、運(yùn)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(xiàn)場設(shè)備直接通過一對傳輸線即現(xiàn)場總線連接，減少了連線的數(shù)量,易于安裝和維護(hù)，節(jié)省費(fèi)用、調(diào)試和維修成本。

    本實(shí)驗(yàn)測控系統(tǒng)采用JBS2GK03 過程控制實(shí)驗(yàn)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(wù)器MicroCyber. FFServer.1作為OPC服務(wù)器。該服務(wù)器符合OPC組織制訂的OPC DA 2.0規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。OPC客戶端與服務(wù)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(shí)現(xiàn)了用戶端與服務(wù)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(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了矩陣計(jì)算語言簡潔、高效的優(yōu)勢。

圖1 r和p選擇的不同對預(yù)測向量的影響

控制原理

    本實(shí)驗(yàn)測控系統(tǒng)采用的JBS2GK03 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置,被控參數(shù)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(shù)學(xué)模型可用如下傳遞函數(shù)描述:
          (1)
    式中，K_p, T_p, 分別為過程的增益、時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯。由上位機(jī)的OPC服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取FF現(xiàn)場總線采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)并動態(tài)顯示。

    OPC服務(wù)器MicroCyber .FFServer.1每秒鐘刷新一次,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)共享以及報(bào)警等功能。OPC客戶端與服務(wù)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(shí)現(xiàn)用戶端與服務(wù)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(shí)現(xiàn)，利用其強(qiáng)大的計(jì)算與動態(tài)顯示能力對水箱系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)矩陣控制。并將OPC服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)保存在Matlab的數(shù)組中，以實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)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(wù)器的ODBC連接，實(shí)時(shí)與數(shù)據(jù)庫交互。從OPC服務(wù)器讀取選項(xiàng)的值，并可以實(shí)時(shí)將選項(xiàng)的值插入到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中保存為歷史數(shù)據(jù)。需要時(shí)，可以通過選項(xiàng)隨時(shí)將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回調(diào)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器的分布式管理。本設(shè)計(jì)中采用的NCS-IF105設(shè)備可以接收四個(gè)通道0~20mA模擬信號，并轉(zhuǎn)換成FF現(xiàn)場總線信號。而NCS-LD105現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)則可用于各種采用FF H1現(xiàn)場總線設(shè)備的控制系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可將FF H1總線設(shè)備無縫集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，還可擴(kuò)展FF H1應(yīng)用。

程序?qū)崿F(xiàn)

客戶端與OPC服務(wù)器通訊

    首先，Matlab客戶端應(yīng)先生成 OPC服務(wù)器支持的 OPC 對象。OPC 數(shù)據(jù)訪問對象由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即一個(gè) OPC 服務(wù)器對象具有一個(gè)作為子對象的 OPC組集合對象(OPC Groups)。在這個(gè) OPC組集合對象里可以添加多個(gè)OPC組對象。各個(gè)OPC組對象都具有一個(gè)作為子對象的OPC標(biāo)簽集合對象,在這個(gè)標(biāo)簽集合對象里可以添加多個(gè) OPC標(biāo)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(wù)器的引用，創(chuàng)建 OPC 服務(wù)器對象，并將客戶程序與服務(wù)器相連；
(2)連接創(chuàng)建的OPC 服務(wù)器對象；
(3)通過瀏覽整個(gè)服務(wù)器中所有的項(xiàng)，添加組對象;
(4)添加 OPC項(xiàng)，選擇需要的項(xiàng)，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(wù)器。

    程序和注釋如下：
hostInfo = opcserverinfo(遠(yuǎn)程/本地服務(wù)器名)；%連接遠(yuǎn)程/本地服務(wù)器
allServers = hostInfo.ServerID'；
da = opcda(服務(wù)器名, OPC服務(wù)器名)；
connect(da);
sawtoothItems = serveritems(da, *受控設(shè)備名*)；
itmIDs = {控設(shè)備名};
grp = addgroup(da, DemGroup)；%增加組
itm = additem(grp, itmIDs)； %增加項(xiàng)目
start(grp)；  %啟動OPC服務(wù)器

客戶端與SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊

    首先，在SQL數(shù)據(jù)庫中建立一個(gè)指定名字的數(shù)據(jù)庫，并建立一個(gè)名為history的表。表中的字段包括選項(xiàng)的值(value)、品質(zhì)(quality)、時(shí)間戳(timestamp)、服務(wù)器名(servername)以及設(shè)備名(device)。設(shè)置ODBC數(shù)據(jù)源，建立一個(gè)和前面數(shù)據(jù)庫名字相同的數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源指向SQL數(shù)據(jù)庫中的同名數(shù)據(jù)庫。測試連接成功后，即可在Matlab中通過編寫M文件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，并建立一個(gè)工作空間數(shù)組存儲來自數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行命令的方式實(shí)現(xiàn)選擇、插入數(shù)據(jù)等操作。關(guān)鍵程序及注釋如下所示：

    首先，實(shí)現(xiàn)建立連接對象，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接。
conn = database(數(shù)據(jù)源名、用戶名、用戶密碼);%連接數(shù)據(jù)庫
ping(conn)；%檢查連接狀態(tài)
curs = exec(conn, select country from 表名)%打開游標(biāo)執(zhí)行SQL語句
setdbprefs(DataReturnFormat, cellarray)%說明檢索數(shù)據(jù)的格式
curs = fetch(curs、10)%將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matalb
columnnames(curs)%獲取列名
A = curs.Data%顯示游標(biāo)對象里的所有數(shù)據(jù)元素，data(:,3)為獲取某一字段的元素值
insert(conn、 表名、字段名、 數(shù)組名)；%將數(shù)組的值插入到表的某一字段中
close(curs)%關(guān)閉游標(biāo)
close(conn)%關(guān)閉連接對象
 
改進(jìn)的DMC控制程序仿真

    受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(xiàn)場總線，實(shí)時(shí)獲取一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)某一受控對象(流量)的階躍響應(yīng)輸出，通過Matlab程序讀取對應(yīng)時(shí)刻的階躍響應(yīng)值，并將時(shí)間和對應(yīng)值存在一個(gè)數(shù)組中。通過建立受控對象的數(shù)學(xué)模型，可辨識受控系統(tǒng)的參數(shù)，并得到辨識后系統(tǒng)的輸出。使用Matlab 7.0 的OPC工具包，實(shí)現(xiàn)客戶端程序與OPC服務(wù)器的通訊，使用get(itm,value)函數(shù)來獲取服務(wù)器中流量的實(shí)時(shí)值(其中itm=Device1.Flow)，然后進(jìn)行動態(tài)矩陣控制。得到控制量后，通過使用write(itm, setvalue)函數(shù)將控制量寫入OPC服務(wù)器，從而控制受控系統(tǒng)。

    設(shè)置模型的時(shí)域長度為N=10，優(yōu)化時(shí)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(yù)測向量存儲在數(shù)組y1中。不同的模型時(shí)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(shí)，預(yù)測向量會明顯偏離真實(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)，對預(yù)測不利。當(dāng)r=20，P=3時(shí)，預(yù)測與實(shí)際響應(yīng)值一致。可見，在DMC控制算法中，應(yīng)該合理選擇模型時(shí)域長度和優(yōu)化長度才能達(dá)到理想的控制效果。

結(jié)語

    FF 現(xiàn)場總線技術(shù)與傳統(tǒng)DCS 相比,系統(tǒng)布線投資明顯減少,而網(wǎng)絡(luò)功能則大大加強(qiáng)。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(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,基于Matlab和OPC技術(shù)的FF現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,控制效果良好。