摘要：控制算法是自动化控制系统的核心部分。在自动化控制系统当中，任何控制系统的分析、综合或设计时，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。控制算法好与坏，直接关系着系统的控制效果能否达到系统指标要求，验证控制算法的控制效果成为系统分析与设计中重要的步骤之一。本文基于AC800M的DCS实物实验系统，以及基于OPC通信技术结合MATLAB/Simulink软件构建了基于实物的算法实验验证平台，来验证所设计控制算法的控制效果。
关键词：控制算法, AC800M , DCS, OPC, MATLAB
引言
分散控制系统( Distributed Control Systems，DCS)是20世纪70年代中期发展起来的信息计算机控制系统。它是以微处理器为核心的过程控制采集站为基础，分别分散的各部分工艺流程进行工艺信息的采集及控制的系统，该系统通过分散控制和数据通信实现了对生产过程的集中监控。由于其高的可靠性和稳定性，其广泛应用于在电力、石油化工、装备制造等行业中。控制器是控制系统的核心部分，通过控制器的软件编程设计特定的控制算法。因此，控制算法的设计好与坏，直接关系着控制系统的控制效果的好与坏。
本文以ABB公司的AC800M 系列控制器为平台，设计开发了DCS实物实验系统，并基于OPC通信技术实现MATLAB/Simulink软件与DCS实物实验系统的数据通信，验证设计的控制算法可行性。
1 OPC通信接口技术
随着工业过程控制和制造业自动化系统的不断发展，控制程序和仪器仪表之间的数据信息实时传递显得尤为重要。传统的方式是开发商对每一个应用软件编写专用接口函数来存取现场设备数据信息，但是由于现场设备众多，且产品不断升级，给用户和开发商带来巨大工作压力。OPC的出现，解决了这一难题。OPC（用于过程控制的OLE）是一个工业标准，由世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软（Microsoft）紧密合作而建立的，是在Microsoft COM、DCOM和Active X技术的功能规程基础上开发的一个开放的和互操作的接口标准。这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC 的客户机之间交换自动化实时数据的方法。OPC包括一整套接口、方法和属性的标准集，用于自动化制造业和过程控制。通过OPC技术，硬件生产商只需将设备与驱动程序封装成OPC服务器，并且提供统一的接口，任何控制程序都可以和OPC服务器完成数据的交换，具有可靠性和高效性。
2 基于AC800M的DCS实物实验系统
2.1 系统简介
基于AC800M的DCS实物实验系统，主要由对象装置和DCS控制系统两部分组成。
对象装置:可以完成对常见热工参数如液位、压力、流量和温度的测量，可以实现单回路控制、串级控制等多种控制形式。
控制系统：AC800M是Compact Products 800系列产品中的一个重要组件，它是一款基于导轨安装的模块化的控制器，包含了CPU、通信模块、电源模块及一系列附件。AC800M控制器作为控制网络中的一个重要组件，支持冗余及非冗余两种工作模式，及客户/服务器两种通信服务模式。作为客户端服务可以实现控制器之间以及与工程师站软件的通信。通过OPC Server服务可实现与第三方软件及系统间数据通信。基于AC800M的DCS控制系统结构从上到下包括：工程师站/操作员站、过程控制站和现场站。现场站包含的被控对象主要有水箱、锅炉等；检测装置主要有压力变送器、流量变送器、液位传感器及温度传感器等；执行机构主要有电动调节阀、电加热器、水泵、变频器、调压模块等。过程控制站包括AC800M控制器、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块。工程师站/操作员站，通过工业以太网交换机连接构成C/S结构的局域网，通过网线与过程控制站的控制器建立连接，实现数据交换；工程师站/操作员站主要是向现场发出动作指令以及接收来自现场的数据信号。操作员站主要是用来完成现场过程状态及报警显示、历史数据收集以及报表生成等。
2.2 系统组态设计
基于AC800M 的DCS实物实验系统组态主要由硬件配置组态、控制策略组态及OPC服务器配置。
2.2.1硬件配置组态
在工程师站中，安装并运行控制器自带的 Control Builder M组态软件，新建一个新项目，命名为pcs，并在新建项目中选中controllers项，单击添加新的控制器，选择AC800M,单击添加控制器CPU，选择PM860。设置控制器IP地址为172.16.0.3，子网掩码(subnet mask)为255.255.252.0。然后，根据表1的I/O分配表，选择新建项目pcs下Hardware AC800M项下的moduleBus选项,右击进行AC800M的I/O配置。
2.2.2控制策略组态
硬件组态配置完成之后，下一步是进行控制策略组态，选择进入新建项目pcs下Applications菜单项下的programs进行控制策略设计组态，采用功能块编程语言FBD（Function Block Editor）编辑组态，采用PID功能块进行PID控制组态。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
安装并运行 Control Builder M组态软件，打开已经编辑完成的控制策略组态程序工程项目,设置控制器IP地址为172.16.0.3，然后将组态程序下装到AC800M控制器中。
2.2.3 AC800M OPC 服务器的配置
AC800M软件自带的OPC Server for AC800M软件包，可以直接安装该软件包并完成其配置实现OPC服务器的安装。输入控制器IP地址，点击连接，即成功完成了OPC服务器的配置。然后下一步通过配置OPC客户端访问OPC服务器，读写AC800M系列DCS控制器中的数据。
3 MATLAB OPC客户端配置
MATLAB软件中自带一个OPC Toolbox工具箱，利用该工具箱可以方便的建立与AC800M OPC服务器的数据通信，以及凭借MATLAB强大的数据处理能力以及高效的Simulink控制仿真功能，可实现对液位的多种算法控制设计以及控制效果的比较。
其具体控制设计过程如下：（1）OPC Configuration模块属性配置。打开Simulink Library Browser新建Model文件，将OPC Toolbox工具箱的OPC Configuration模块拖入Model文件，在配置该模块OPC客户端时，选择添加AC800M OPC服务器，名称为ABB.AC800MC_OPCDaServer.3服务器。（2）OPC Read模块属性配置。该模块的作用是利用OPC Read模块可以读取AC800M OPC服务器中的液位实时数据。将OPC Toolbox中的OPC Read模块拖入Model文件中，打开该模块，在该模块窗口中的client选项中选择ABB.AC800MC_OPCDaServer作为OPC服务器。在ADD Items选项中将液位值选项ht_1添加至item项中，并完成属性框中采样时间等参数的设置。
4控制算法设计与验证
实现了MATLAB/Simulink OPC客户端与AC800M控制器OPC服务器数据的连接与通信，在Simulink中设计基于PID与模糊PID控制算法的对象液位的控制，通过与AC800M实物实验系统的连接，来验证两种控制算法的实际控制效果。
4.1模糊控制概述
模糊控制理论是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，采用基于规则的控制，同时模糊控制具有较好的鲁棒性，外部干扰和参数变化对系统控制效果影响小，但模糊控制存在静差，且易产生震荡。只采用PID控制算法，可以消除偏差，但是系统超调量大，系统响应速度慢。模糊PID复合控制算法将模糊控制理论与常规PID算法结合，利用了模糊控制和PID控制优势互补的特点，克服了PID算法响应速度慢的缺点，同时PID控制器可消除模糊控制器的系统误差，提高了控制系统精度。这使得模糊PID复合控制具有精度高、响应速度快、动态性能好等特点。
4.2运行结果分析
为实现液位快速、准确的控制效果，本文以模糊PID复合控制为例，建立水箱液位控制实验平台，并将其控制效果与常规PID控制效果进行比较。具体控制过程为：当液位值偏差大于给定值时采用模糊控制，响应速度快，动态性能较好；当液位值偏差低于给定值采用PID控制，消除偏差，静态性能好。最终实现对液位值进行快速、准确的控制。
模糊控制采用液位偏差与偏差变化率作为输入变量，输出值为水箱阀门开度值。其模糊化的过程是将输入值以适当比例转换到论域的数值，根据相应的语言值求取对应的隶属度。具体模糊控制器设计步骤为：（1）语言变量E、EC、U分别代表液位偏差值、偏差变化率和阀门开度值。根据输入输出变量实际的基本论域，将E、EC、U的论域范围设为[-6,6]。（2）论域中的E、EC和U的模糊集合设为{NB=负大；NM=负中；NS=负小；ZO=零；PS=正小；PM=正中；PB=正大}，模糊控制器的隶属度函数均采用连续三角形结构。
5 结束语
本文基于AC800M与MATLAB/Simulink的实验系统，为算法的设计与验证提供了平台，通过利用MATLAB/Simulink强大的数据处理能力以及丰富的工具箱，设计先进的控制算法与实物实验系统进行联机调试来验证新算法的可行性。
参考文献:(References)
[1] 董玉强,白焰.DCS在某电厂脱硫系统的应用[J].化工自动化及仪表.2012,12(39):1561-1566.
[2] 武学维,王育德,李凌峰等.DCS控制系统在石油化工企业中的应用[J].自动化应用.2012,2:42-44.
[3] 李明.DCS在制造业工业中的自动控制应用[J].制造自动化.2012,10(34):97-99.
[4] 郑连钢,徐田龙.基于OPC技术的iFIX与S7-200PLC的通讯实现[J].自动化技术与应用.2013,5(32):70-72.
作者简介：张龙翔，江西景德镇，工程师
论文作者:张龙翔
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：组态论文; 算法论文; 控制器论文; 模糊论文; 系统论文; 液位论文; 模块论文; 《电力设备》2017年第34期论文;