基于FF总线实现水箱系统动态矩阵控制

　　摘要：本文针对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。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。

　　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程设定，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。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。该服务器符合OPC组织制订的OPC DA 2.0规范标准。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，实现了用户端与服务器端的通讯。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。

　　

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　　图1 r和p选择的不同对预测向量的影响

　　控制原理

　　本实验测控系统采用的JBS2GK03 过程控制实验装置,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:

　　

740)this.width=740" border=undefined> (1)

 

　　式中，Kp, Tp,

740)this.width=740" border=undefined> 分别为过程的增益、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。

 

　　OPC服务器MicroCyber .FFServer.1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的通讯。动态矩阵控制算法通过Matlab的M语言在监控端实现，利用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。并将OPC服务器的历史数据保存在Matlab的数组中，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，并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服务器和历史数据服务器的分布式管理。本设计中采用的NCS-IF105设备可以接收四个通道0~20mA模拟信号，并转换成FF现场总线信号。而NCS-LD105现场总线网关则可用于各种采用FF H1现场总线设备的控制系统当中，不仅可将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。

　　程序实现

　　客户端与OPC服务器通讯

　　首先，Matlab客户端应先生成 OPC服务器支持的 OPC 对象。OPC 数据访问对象由分层结构构成，即一个 OPC 服务器对象具有一个作为子对象的 OPC组集合对象(OPC Groups)。在这个 OPC组集合对象里可以添加多个OPC组对象。各个OPC组对象都具有一个作为子对象的OPC标签集合对象,在这个标签集合对象里可以添加多个 OPC标签对象。

　　用Matlab M文件编写OPC客户端程序包含以下步骤：

　　(1)添加服务器的引用，创建 OPC 服务器对象，并将客户程序与服务器相连;

　　(2)连接创建的OPC 服务器对象;

　　(3)通过浏览整个服务器中所有的项，添加组对象;

　　(4)添加 OPC项，选择需要的项，将其添加到规定的组中，并显示其值和状态;

　　(5)启动OPC服务器。

　　程序和注释如下：

　　hostInfo = opcserverinfo(远程/本地服务器名);%连接远程/本地服务器

　　allServers = hostInfo.ServerID';

　　da = opcda(服务器名, OPC服务器名);

　　connect(da);

　　sawtoothItems = serveritems(da, *受控设备名*);

　　itmIDs = {控设备名};

　　grp = addgroup(da, DemGroup);%增加组

　　itm = additem(grp, itmIDs); %增加项目

　　start(grp); %启动OPC服务器

　　客户端与SQL数据库服务器通讯

　　首先，在SQL数据库中建立一个指定名字的数据库，并建立一个名为history的表。表中的字段包括选项的值(value)、品质(quality)、时间戳(timestamp)、服务器名(servername)以及设备名(device)。设置ODBC数据源，建立一个和前面数据库名字相同的数据源，该数据源指向SQL数据库中的同名数据库。测试连接成功后，即可在Matlab中通过编写M文件实现与数据库的连接，并建立一个工作空间数组存储来自数据库的数据，通过执行命令的方式实现选择、插入数据等操作。关键程序及注释如下所示：

　　首先，实现建立连接对象，实现与数据库服务器的连接。

　　conn = database(数据源名、用户名、用户密码);%连接数据库

　　ping(conn);%检查连接状态

　　curs = exec(conn, select country from 表名)%打开游标执行SQL语句

　　setdbprefs(DataReturnFormat, cellarray)%说明检索数据的格式

　　curs = fetch(curs、10)%将数据导入到Matalb

　　columnnames(curs)%获取列名

　　A = curs.Data%显示游标对象里的所有数据元素，data(:,3)为获取某一字段的元素值

　　insert(conn、 表名、字段名、 数组名);%将数组的值插入到表的某一字段中

　　close(curs)%关闭游标

　　close(conn)%关闭连接对象

　　改进的DMC控制程序仿真

　　受控系统数学模型如公式(1)所示。将阶跃信号作为控制信号作用于受控系统，通过FF现场总线，实时获取一段时间内系统某一受控对象(流量)的阶跃响应输出，通过Matlab程序读取对应时刻的阶跃响应值，并将时间和对应值存在一个数组中。通过建立受控对象的数学模型，可辨识受控系统的参数，并得到辨识后系统的输出。使用Matlab 7.0 的OPC工具包，实现客户端程序与OPC服务器的通讯，使用get(itm,value)函数来获取服务器中流量的实时值(其中itm=Device1.Flow)，然后进行动态矩阵控制。得到控制量后，通过使用write(itm, setvalue)函数将控制量写入OPC服务器，从而控制受控系统。

　　设置模型的时域长度为N=10，优化时域长度为P=3，误差校正向量为h，其长度为N，控制向量为d，其长度为P，预测向量存储在数组y1中。不同的模型时域长度和优化长度对系统性能的影响是不同的，仿真曲线如图1所示。r过大时，预测向量会明显偏离真实的系统响应，对预测不利。当r=20，P=3时，预测与实际响应值一致。可见，在DMC控制算法中，应该合理选择模型时域长度和优化长度才能达到理想的控制效果。

　　结语

　　FF 现场总线技术与传统DCS 相比,系统布线投资明显减少,而网络功能则大大加强。而且该系统可以充分利用各种软件的优势，大大提高软件编程的效率和灵活性,实际运行结果表明,基于Matlab和OPC技术的FF现场总线的测控系统运行稳定,控制效果良好。