基于FF现场总线实现水箱系统动态矩阵控制
戚淑芬 张文霞 袁健 周以琳
青岛科技大学 自动化与电子工程学院,青岛,山东 ,266042
摘要:针对FF现场总线中监控软件实现DMC算法的困难,提出利用Matlab7.0 OPC工具包实现与OPC服务器间通讯并实现DMC控制的方案,充分发挥了矩阵计算语言简洁,高效的优势;动态矩阵控制算法是一种高效的优化预测控制算法,与PID算法相比对于纯滞后系统具有很有的控制精确度和鲁棒性.仿真结果表明,该方案能在很大程度上缩短监控程序的开发周期,并达到了预期的控制效果.
关键字:FF现场总线;动态矩阵算法,Matlab, OPC服务器,数据库
中图分类号:TP216 文献标志码:A

Dynamic matrix control for Water Tank based on FF Field-bus
Zhou Yilin Zhang Wenxia Yuan Jian
(College of automation and electronic engineering, Qingdao University of Science &Technology, Qingdao, Shandong 266042, China)
Abstract: One method is proposed in this paper to overcome the difficulty of carrying out Dynamic matrix control algorithm in the monitoring and controlling software of FF field-bus, with an OPC package in Matlab 7.0.And the method exerts the merits of Matrix language, which is terse and effective. Dynamic matrix control algorithm is one effective control algorithm, compared with PID, it is of accurate and robust characters for the delay system. As a result, the scheme can greatly cut the exploitation period of M/C software and carry out the excellent effect.
Keywords: Field foundation field bus; Dynamic matrix control algorithm; Matrix Lab; OPC server;Database
0.引言
FF现场总线系统是连接智能现场设备和自动化系统的数字式,双向传输,多分支结构的通信网络,与现行控制系统相比,具有如下一些固有的技术优势:① 现场总线用数字信号代替传统的模拟信号,测量精度高,抗干扰能力强;② 基于总线的现场仪表可以对量程和零点进行远方设定,具有仪表工作状态自诊断功能,能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿;③ 现场设备集检测,转换,运算和控制功能于一体,既降低了成本,又增加了安全性和可靠性.上位机主要对其进行总体监控,协调,优化和下载控制调度与管理等;④ 所有现场设备直接通过一对传输线即现场总线连接,减少了连线的数量,易于安装和维护,节省施工费用,电缆费用,调试和维修成本.本实验测控系统采用JBS2GK03 过程控制实验装置,并采用中科院沈阳自动化研究所开发的FF H1 OPC服务器MicroCyber.FFServer.1作为OPC服务器, 其符合OPC基金会制订的OPC DA 2.0规范标准[1],提供了访问现场数据的标准接口.OPC客户端与服务器之间的通讯符合OPC的自动化接口规范[1,2]要求,利用Matlab 7.0支持OPC规范的新功能,实现用户端与服务器段的通讯.动态矩阵控制算法在客户端通过Matlab的m语言实现,充分发挥了矩阵计算语言简洁,高效的优势.
1.控制原理
本实验测控系统采用的JBS2GK03过程控制实验装置,其被控参数变量为液位,流量,温度和压力.该过程为自衡非振荡, 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.由上位机的OPC服务器实时获取FF现场总线采集现场设备数据并动态显示.用MicroCyber .FFServer.1 做OPC服务器[3],其符合OPC基金会制订的OPC DA 2.0规范标准,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.OPC客户端与服务器之间的通讯符合OPC的自动化接口规范要求,利用Matlab 7.0支持OPC规范的新功能,实现用户端与服务器段的通讯.动态矩阵控制算法在监控端实现,通过Matlab的m语言实现,利用了其强大的计算与动态显示能力对水箱系统进行动态矩阵控制[4].并将OPC服务器的历史数据保存在Matlab的数组中,可以实现对历史数据曲线的实时绘制.本文采用的受控对象为Device1.Flow,组名为Device1.通过Matlab编写的客户端与sql2000服务器的ODBC连接,实时与数据库交互.从OPC服务器读取选项的值(包括选项的值(value),品质(quality),时间戳(timestamp),服务器名(servername),设备名(device)).同时可以实时将选项的值插入到数据库服务器中保存为历史数据,需要时可以通过选项随时将历史数据进行回调,进行查询,更新,删除等操作或者用于算法控制和绘制历史曲线图,从而可以实现OPC服务器和历时数据服务器的分布式管理 .其原理图如图一所示.采用的NCS-IF105设备将传统模拟量转换到FF现场总线的智能设备[4],并可以接收四个通道0～20mA模拟信号,转换成现场总线信号.NCS-LD105现场总线网关可用于各种采用FF H1现场总线设备的控制系统当中,可将FF H1总线设备无缝集成到以太网网络中,还可扩展FF H1应用[4,5].

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