摘 要：現場總線控制系統（FCS）較封閉的DCS系統具有明顯的優勢，已成為過程控制的主流系統。在中科院沈陽自動化研究所設計的基于FF現場總線的實驗平臺上，提出了將先進控制算法應用到FF現場總線控制系統單回路液位控制系統中的可行性方案，更好的發揮了FF現場總線與先進控制算法的技術優勢。
關鍵詞：FF現場總線；OPC；PID控制；先進控制算法

現場總線技術的發展使得控制系統在由封閉走向開放的進程中邁進了一大步，以現場總線為基礎的控制系統將會取代封閉的DCS系統成為過程控制的主流系統。FF現場總線[1]是一種全數字、串行、雙向通信網絡，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協議的現場設備產品開發方面己經取得了長足的進步，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，先進控制己被證明可以為企業獲得巨大的經濟效益。先進控制與現場總線的結合[2]無疑是工業界所期望的，也是該文討論的主題。在FF現場總線過程控制實驗系統中，被控對象往往存在時變性和時滯性問題，對控制系統構成了極大的難題，認為采用了現場總線就可以解決這些問題是一個誤區。現場總線的采用只是提供了控制策略的更好的實現手段。動態矩陣控制（DMC）作為一種先進控制算法，可以直接用于時滯對象而無需附加其它的控制結構。

該文將以在中科院沈陽自動化研究所設計的基于FF現場總線的網絡化測控實驗平臺[3，4]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先進控制算法應用到FF現場總線系統的可行性方案，既在OPC服務器MicroCyber .FFServer.1的基礎上實現了常規的PID控制，進而在PID控制的基礎上實現了基于OPC技術的先進控制算法。實驗表明，該方案控制效果更好的發揮了現場總線與先進控制的技術優勢，取得了預期的控制效果。

1 基于FF現場總線的網絡化實驗平臺

本系統包括兩個部分[5]:FF現場總線部分和現場控制模型部分，如圖1。FF現場總線[6]包括低速現場總線H1和高速現場總線HSE。低速現場總線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。現場控制模型可以利用實驗室的原有設備，從而節約了投資。原有的模擬儀表可以通過電流信號到現場總線信號變送器轉接到現場總線。


圖1 系統軟件運行關系
以單回路液位控制為例，上位機中軟件的運行情況：①HSE Init接口軟件, 選擇H1網段，HSE 接口程序可以與以太網段內的 HSE 設備，以及 LD 設備下的 H1 網段設備進行交互，向組態等上層軟件提供數據訪問接口;②運行組態程序FF-Configurator組態軟件, 刷新網段獲取系統的現場設備列表和功能塊列表, 刷新網段后，建立應用完成功能塊組態，功能塊間的連線表示通過現場總線通信的信號連接,如圖2所示;③FF H1和FF HSE OPC服務器, 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; ④設計SiaView監控軟件, 新建一個工程，在對象中選擇PID拖到視圖中，與OPC連接后經過編輯可得到一個PID功能塊操作面板。

圖 2 應用窗口中配置的PID組態策略
從組態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系，使功能塊之間能夠進行參數值的傳遞并需下載組態信息到現場設備。要使液位控制回路正確運行需要修改功能塊的參數值，雙擊IF-PID功能塊，打開塊的參數窗口，將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成〝AUTO〞模式，讀取功能塊參數，從而實現單回路的液位控制自動正常的運行。如果想要實現將先進控制算法應用到FF現場總線系統的方案，只需將IF-PID中MODE_BLK項下的TARGET參數修改成〝MAN〞模式，具體設置如圖3所示，然后通過OPC技術實現過程變量和控制變量的通訊。

圖3 實現先進控制算法時的IF-PID功能塊參數表
2 基于OPC的PID控制方案

要實現基于FF現場總線的先進控制算法，主要要先以實現常規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服務器訪問過程數據，可以克服異構網絡結構和網絡協議之間的差異。

2.1 OPC服務器

選用中科院沈陽自動化研究所提供了OPC服務器MicroCyber .FFServer.1，服務器的地址空間由服務器可讀寫的所有數據項組成，可以根據需要得到數據項的全稱對其進行相關操作。圖4為OPC服務器的地址空間圖。使用OPC技術實現用VB6.0編寫的客戶端程序與OPC服務器的通訊，服務器中液位的實時值IF-PID-PV.VALUE，以及自定義變量如液位設定值IF-PID-SP.VALUE，然后進行算法控制，得到控制量，將控制量寫入OPC服務器的項FI-PID-OUT.VALUE，從而控制受控系統。


圖 4 OPC服務器的地址空間圖
2.2 OPC自動化接口標準

2.2.1自動化接口

OPC基金會為方便用戶在各種環境下軟件開發，為數據訪問規范提供兩類接口：自動化接口和定制接口。基于定制接口的開發，需要用到較深的COM/DCOM知識，比較晦澀難懂，而運用自動化接口則有以下優點：客戶程序可以很容易地應用接口，而無需了解接口的詳細內部機理;可以運用事件觸發機制;可以生成一個通用的動態鏈接庫（DLL）或控件供所有客戶端應用程序使用。

2.2.2自動化接口的通信機制

OPC客戶程序通過封裝的OPC自動化接口動態鏈接庫訪問OPC服務器[7]，如圖5所示。該動態連接庫將OPC服務器的定制接口翻譯成OPC客戶程序希望的自動化接口，以供客戶程序調用。OPC客戶程序和動態鏈接庫是進程內的通信，而動態鏈接庫和OPC服務器的通信則基于COM/DCOM，既可以是進程內或本地的連接，又可以是遠程連接。封裝的動態鏈接庫解決了定制接口的解釋和二者的通信，從而大大簡化了OPC客戶程序的開發。