崔富義　周巧儀

【摘 要】本過程實時控制研究開發(fā)平臺通過建立一套基于DCS的過程實時控制平臺，并配置有可組合的被控對象，用于檢測不同被控對象、被控參量的數(shù)學(xué)模型，進行理論分析；同時編制控制算法，在對象上進行控制效果的演示?？蔀楦咝？刂乒こ?、自動化等專業(yè)和社會過程實時控制研究、培訓(xùn)機構(gòu)提供專業(yè)化的仿真實驗設(shè)備，為自動化行業(yè)培養(yǎng)具有豐富理論知識并掌握其方法的專業(yè)化人才。

【關(guān)鍵詞】過程實時控制；DCS；MTLAB；數(shù)學(xué)模型；控制算法

1 研究背景

過程工業(yè)包括石油、化工、電力、核能、水處理、食品、生物、制藥、水泥、冶金等諸多行業(yè)，過程控制是自動化專業(yè)中一個重要的組成部分，過程實時控制技能也是控制工程師所應(yīng)具備的重要技能之一。近年來，隨著中國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)型升級，教育部強調(diào)教育人才要更加突出工程能力的培養(yǎng)，并對對高校實驗環(huán)節(jié)提出了設(shè)計型、綜合型、創(chuàng)新型和探索型等更高的教學(xué)目標要求。這就要求我們過程控制專業(yè)的學(xué)生在校期間能夠盡可能多地進行動手訓(xùn)練，從實踐中獲得工程技能。然而生產(chǎn)過程常常伴有高溫、高壓等環(huán)節(jié)，因此很難在實驗室中構(gòu)建與工業(yè)裝置相近的實驗對象，而目前許多學(xué)校采用以水槽液位為主要被控對象的過程控制實驗裝置，這種實驗對象被控環(huán)節(jié)類型過于簡單，時間常數(shù)過小，動態(tài)特性與真實生產(chǎn)裝置差別太大，實時性控制效果差等缺點。

MTLAB 是國際公認的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一，具有強大的數(shù)據(jù)計算和圖形顯示能力。[1]過程實時控制研究開發(fā)平臺以MATLAB為基礎(chǔ)，使用其中的Simulink和Real - Time Workshop以及相關(guān)工具箱作為底層測控平臺，并配置有可組合的被控對象，用于檢測不同被控對象、被控參量的數(shù)學(xué)模型，進行理論分析；同時在DCS系統(tǒng)中編制控制算法，在對象上進行控制效果的研究和測試，以構(gòu)建一種適用于高校與科研機構(gòu)進行過程實時控制研究的專業(yè)平臺設(shè)備。

2 系統(tǒng)組成

本平臺設(shè)計包括多個子系統(tǒng)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)、實時控制技術(shù)，通過軟件的計算，建立多種參量下的被控對象系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；結(jié)合算法和不同控制模式，綜合比對控制效果。其包含被控對象、動力原件、接口、實時控制器、算法分析軟件及監(jiān)控軟件等。各子系統(tǒng)部分開發(fā)內(nèi)容見如下敘述。

2.1 過程控制對象系統(tǒng)

過程控制對象系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的被控模型，其典型參量的選用不僅考慮工業(yè)現(xiàn)場典型的參量，同時，還應(yīng)組成典型的工作流程。同時，選取多種執(zhí)行器，以比對其控制效果。

過程控制對象系統(tǒng)主要有溫度、壓力、液位、流量等四大熱工參量，同時，可組成單回路（一階、二階、三階）、串級、三閉環(huán)、比值、前饋反饋、滯后、解耦等控制對象和控制回路，融合了傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)，通過設(shè)計、編程與運行，比對控制差異。同時，建立GUI工程，方便觀察與比較，通過直觀清晰的界面實現(xiàn)分析、監(jiān)控。

對象系統(tǒng)分溫度、壓力、流量、液位四大熱工參量，其中動力系統(tǒng)有兩種，采用不銹鋼磁力驅(qū)動泵和鍋爐；執(zhí)行器有三種，分別是變頻器、移相調(diào)壓模塊、電動調(diào)節(jié)閥，信號連接采用航空電纜插座的方式。

2.2 DCS過程控制系統(tǒng)

如圖2所示，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由上到下分為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)三個層次，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站、操作員站、高級計算站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O單元的通訊。

一個大型系統(tǒng)可由多組服務(wù)器組成，由此將系統(tǒng)劃分成多個域，每個域可由獨立的服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET和多個現(xiàn)場控制站組成，完成相對獨立的采集和控制功能。域有域名，域內(nèi)數(shù)據(jù)單獨組態(tài)和管理，域間數(shù)據(jù)可以重名。各個域可以共享監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和工程師站。而操作員站和高級計算站等可通過域名登錄到不同的域進行操作。

數(shù)據(jù)按域獨立組態(tài)，域間數(shù)據(jù)可以由域間引用或域間通信組態(tài)進行定義，并通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相互引用。

系統(tǒng)具有的功能：數(shù)據(jù)采集、控制運算、閉環(huán)控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報警監(jiān)視、遠程通信、實時數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事件順序記錄、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報表打印、高級計算、組態(tài)、調(diào)試、打印、下裝、診斷。

（1）工程師站（ENS）

由高檔微機組成，具有以下功能：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、圖形組態(tài)、控制語言組態(tài)、報表組態(tài)、事故庫組態(tài)、離線查詢、調(diào)試、下裝。

（2）操作員站（OPS）

由高檔微機或工業(yè)微機組成，具有以下功能：流程圖顯示與操作、報警監(jiān)視及確認、日志查詢、趨勢顯示，參數(shù)列表顯示控制調(diào)節(jié)、在線參數(shù)修改、報表打印。

（3）現(xiàn)場控制站（FCS）

由專用控制柜和專用控制軟件組成，控制柜中包括電源、主控單元、過程I/O單元、通信單元及控制網(wǎng)絡(luò)等組件。可根據(jù)組態(tài)的數(shù)據(jù)庫和算法完成：數(shù)據(jù)采集與處理、控制和聯(lián)鎖運算、控制輸出。

（4）系統(tǒng)服務(wù)器（SVR）

由高檔微機或服務(wù)器構(gòu)成，完成實時數(shù)據(jù)庫管理和存取、歷史數(shù)據(jù)庫管理和存取、文件存取服務(wù)、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)裝載等功能的計算機。系統(tǒng)服務(wù)器可雙冗余配置。

2.3 實時控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由數(shù)字仿真計算機（數(shù)字機）、過程控制對象、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備三部分組成。數(shù)字機是一臺通用微機，內(nèi)存大，計算速度快，包括Windows操作系統(tǒng)，Matlab（帶Simulink和Real - Time Workshop以及相關(guān)工具箱），數(shù)據(jù)庫，用戶界面開發(fā)軟件等。數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備也是一個重要的組成況下的A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備，當被測信號特殊時，可以設(shè)計專用的信號輸入轉(zhuǎn)換設(shè)備。本系統(tǒng)采用A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備，具有如下功能：A/D為16路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A是12位雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，8路DO。

數(shù)字機主要用于被測設(shè)備仿真模型庫的建立、測試仿真程序的運行和用戶界面程序以及結(jié)果的分析等；數(shù)字機控制整個系統(tǒng)的運行，控制各模塊的運行，并進行結(jié)果的分析和判斷，接口設(shè)備A/D 主要用來進行模擬信號采集與轉(zhuǎn)換，D/A 主要用于數(shù)字計算機輸出指令信號和控制信號到模擬對象的轉(zhuǎn)換。此外系統(tǒng)中的DO 主要是用來控制對象系統(tǒng)的擾動源。

利用Simulink/RTW 的軟件，加入C 語言編譯器，選擇計算機本身作為目標計算機，使用Simulink 的外部模式建立混合運算環(huán)境。該系統(tǒng)有如下特點：

1）由Simulink 圖形模型直接生成實時控制程序代碼。

2）控制計算機和目標計算機是同一臺計算機，即節(jié)約了經(jīng)費又減少了程序下載時間。

3）使用外部模式，將Simulink 模型畫面作為系統(tǒng)實時監(jiān)測與調(diào)試界面，設(shè)計人員非常熟悉該界面。

4）具有在線實時修改參數(shù)的功能。

2.4 軟件平臺

為了實現(xiàn)一體化混合仿真，系統(tǒng)使用的軟件為Microsoft Windows XP SP3、Matlab （包括Matlab、Simulink、Real-Time Workshop 和Real-Time Windows Target）和VC++6.0。

用Simulink 建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，通過接口與控制對象連接，通過界面中的啟動按鈕，啟動運算程序，系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)的記錄和分析，并生成計算后的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，再進行控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)整控制器參數(shù)，使控制達到設(shè)計指標；先使系統(tǒng)工作在仿真狀態(tài)下，觀測計算參數(shù)對控制模型的控制效果，再連接相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換模塊到控制對象，單擊編譯圖標Build， 即可生成實時控制程序，進行實際控制。

3 技術(shù)特點

基于DCS的過程實時控制研究平臺具有如下技術(shù)特點：

（1）具有可靈活組合被控對象流程的對象系統(tǒng)，包括溫度、壓力、流量、液位等被控熱工參量。

（2）具有完整的保護體系，如電壓型漏電、電流型漏電、鍋爐防干燒保護等，保證設(shè)備的使用壽命。

（3）具有工業(yè)現(xiàn)場總線的完整結(jié)構(gòu)，包含三層網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場層、控制層和管理層，使用PCI計算機內(nèi)部總線、PROFIBUS-DP、ETHERNET等總線技術(shù)。

（4）具有兩種控制模式下控制效果的對比，在實時研究平臺計算出的對象模型以及控制參數(shù)，即可通過本身進行仿真和實際控制；同時，也可將參數(shù)設(shè)置到DCS控制系統(tǒng)中，對比兩種控制模式下控制效果，分析控制數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

“基于DCS的過程實時控制平臺”，已經(jīng)投產(chǎn)運行了一段時間，經(jīng)檢測，該設(shè)備性能指標基本達到產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計的要求，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平?；谠摦a(chǎn)品具有良好的通用性，包括了溫度、壓力、流量、液位等各種被控熱工參量，且可靈活進行組合，能模擬出各種復(fù)雜的工業(yè)控制工況，較好地滿足了各高?？蒲袡C構(gòu)對工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜過程實時控制的教學(xué)研究需要，受到了用戶的一致好評，因而具有廣闊的市場前景。對此，我們下一階段的工作，仍將進一步提高產(chǎn)品的各項技術(shù)性能指標，爭取產(chǎn)生更好的經(jīng)濟和社會效益。

【參考文獻】

[1]付家才，滕吉榮.MATLAB 與Excel 在模糊控制中的應(yīng)用[J].煤礦機械，2009（01）.

[2]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[責任編輯：湯靜]