（热能工程专业论文）分散控制系统（dcs）max1000plus的pid参数自整定软件包开发研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 摘要 在控制工程实践中 p i d 控制是应用最为广泛的一种控制策略 p i d 参数的最 佳整定对确保控制系统的控制品质起着至关重要的作用 只有整定出与被控对象 动态特性相匹配的p i d 参数 才能满足控制系统的要求 然而 至今控制系统的 p i d 参数整定工作无论是在国内还是在国外的控制工程实践中 主要采用的还是人 工整定法 这使得p i d 参数的整定工作不仅费时 而且难以保证控制系统性能最 佳 尤其是对于被控对象特性随工况发生变化的系统 p i d 参数人工整定法更不能 满足系统的要求 因此 对p i d 参数自整定的研究就提到了议事日程 随着控制 理论的飞速发展和先进控制设备d c s 的采用 为解决p i d 参数自整定的研究提供 了契机 本文研究在分散控制系统 d c s m a x l 0 0 0 p l u s 的上位机上丌发p i d 参数的自 整定软件包 根据被控对象的不同特性 采用了三种p i d 参数自整定策略 即自 动整定技术 a u t o m a t i ct u n i n g 增益调度技术 g a i ns c h e d u l i n g 和p i d 参数自适应技 术 p i da d a p t i v ec o n t r 0 1 然后根据被控对象的差异 采用了基于阶跃响应的过渡 过程响应法和基于继电环的频率响应法两种可供选择的方案获取被控对象动态特 性 再对多种p i d 参数的自整定算法进行比较分析后 借鉴了配置系统闭环主导 极点的基本思想 并把系统的最大灵敏度作为主要性能参考指标之一 作为p i d 参数的自整定算法 同时 针对复杂控制系统中应用最为广泛的串级控制系统与 前馈控制系统 提出了与其相适应的p i d 参数自整定策略 在此基础上 利用v i s u a l c 在m a x l 0 0 0 p l u s 的上位机上开发了p i d 参数的自整定软件包 并应用工程 软件m a t l a b 建立被控对象模型 实现了与该d c s 中虚拟d p u 的连接 开发了 p i d 控制仿真平台 对开发的p i d 参数自整定软件包进行了仿真试验 仿真试验验证了该p i d 参数的自整定算法正确 具有一定的先进性和实用性 充分考虑了工业控制中各种被控对象的特点及差异 在实践上易于工程实际应用 能满足控制系统的要求 采用该算法开发的p i d 参数自整定软件包设计合理 界 面良好 易于操作 功能完善 应用范围广 不仅适合于单回路控制系统的整定 而且也适合于串级控制和前馈控制复杂系统的整定 本文的研究工作使p i d 参数 自整定算法在m a x l 0 0 0 p l u s 上予以实现 进一步发挥了分散控制系统 d c s 的功 能 关键词 分散控制系统 p i d 参数 自整定 软件包 重庆大学硕十学位论文英文摘要 a b s t r a c t p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e p i d i so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dc o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h e p r o c e s sc o n t r o le n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h eb e s tt u n i n gp a r a m e t e r so fp i dh a sac r u c i a le f f e c to n c e n t r e p e r f o r m a n c e t h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t so nc o n t r o ls y s t e mc a rb em e ta sl o n ga st h ep i d p a r a m e t e r sa c c o m m o d a t e dw i t ht h ep r o c e s sd y n a m i c sa r eo b t a i n e d h o w e v e r t h ea r t i f i c i a lm e t h o d s f o rt u n i n gp i dp a r a m e t e r sa ms of a ra p p l i e dc o m m o n l yr e g a r d l e s so fi nt h ed o m e s t i co ro v e r s e a s p r o c e s sc o n t r o le n g i n e e r i n gp r a c t i c e w h i c hc a u s et h ep i dt u n i n gj o be x t r e m e l yt i m e c o n s u m i n ga n d c a nn o ta s s u r e o ft h eb e s tc o n t r o ts y s t e mp e r f o r m a n c e sc o n s e q u e n t l y p a r t i c u l a r l yf o rt h e s et i m e v a r i a n tp r o c e s s e s h e n c e t h er e s e a r c ho na u t o m a t i ct u n i n ga n da d a p t a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rp 1 d c o n t r o li so nt h ea g e n d a f u r t h e r m o r e t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no f a d v m c e dc o n t r o le q u i p m e n td c sp r o v i d ea no p p o r t u n i t yf o rp dp a r a m e t e r st u n i n g t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed e v e l o p i n go fp i dp a r a m e t e r sa u t o t u n i n gs o f t w a r ep a c k a g eo nd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mm a x10 0 0 p l u s sw o r k s t a t i o n a n da d o p t st h r e es t r a t e g i e sf o rt u n i n gp i dp a r a m e t e r s i nt e r m so ft h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s n a m e l ya u t o m a t i ct u n i n g g a i ns c h e d u l i n ga n dp i da d a p t i v e c o n t r 0 1 t h e n t w oa l t e r n a t i v es c h e m e sc a nb eu s e dt oo b t a i nt h ep r o c e s sd y n a m i c so n ei st r a n s i e n t r e s p o n s em e t h o db a s e do ns t e pt e s t t h eo t h e ri sf r e q u e n c yr e s p o n s em e t h o db a s e do nr e l a yf e e d b a c k t h ep r o p o s e dp i dp a r a m e t e r sa u t o t u n i n ga l g o r i t h m w h i c hu s e st h ei d e ao fp l a c e m e n ts y s t e m s d o m i n a n tp o l e sf o rr e f e r e n c ea n dr e g a r d st h em a x i m u ms e n s i t i v i t ya so n eo fp e r f o r m a n c ec r i t e r i a i s c o n c l u d e df r o mt h ea n a l y s e so fs e v e r a la l g o r i t h m s m e a n w h i l e t h ea u t o t u n i n gs t r a t e g i e sf o c u s e do n c a s c a d ea n df e c d f o r w a r dc e n t r e ls y s t e m sa r ep u tf o r w a r da sw e l l o nt h ef o u n d a t i o no fa b o v e p i d p a r a m e t e r sa u t o t u n i n gs o f t w a r ep a c k a g eo nm a x l 0 0 0 p l u s sw o r k s t a t i o ni sd e v e l o p e dw i t hv i s u a l c f i n a l l y t h ep i dc o n t r o ls i m u l a t i o np l a t f o r m w h i c hi sc o m p o s e do ft h ep r o c e s sm o d e l e s t a b l i s h e db ym a t l a ba n dm o d e l sc o n n e c t i o nw i t hv i r t u a ld p u i sd e v e l o p e df o rt h i ss o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i st u n i n ga l g o r i t h mt h a th a st a k e nt h ep r o c e s s e sc h a r a c t e r i s t i c s d i f f e r e n c e si n t oc o n s i d e r a t i o ni sc o e e la d v a n c e da n dp r a c t i c a li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dm e e t s t h er e q u i r e m e n t so nt h ec o n t r o ls y s t e m t h es o f t w a r ea d o p t e dt h i sa u t o t u n i n ga l g o r i t h mi sr a t i o n a l l y d e s i g n e d i t sh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ei sf r i e n d l y i t sf u n c t i o n a l i t yi sv e r s a t i l e a n d i t sa p p l i c a t i o n s c o p ei sb r o a d n o to n l yf o rs i n g l e l o o pc o n t r o ls y s t e m b u tf o rc a s c a d ea n df e e d f o r w a r dc o n t r o l s y s t e m s t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rr e a l i z e dp i da u t o t u n i n ga l g o r i t h mo nm a x1 0 0 0 p l u s s w o r k s t a t i o na n df u r t h e rd e v e l o p e dd c s sf u n c t i o n k e y w o r d s d c s p i dp a r a m e t e r s a u t o t u n i n g s o f t w a r ep a c k a g e i i 重庆人学硕士学位论文绪论 1 绪论 l 1 课题研究的意义及目的 在过程控制系统的发展历程中l i l p i d 控制即比例 积分 微分控制是应用最 早 最为成熟的一种控制策略 由于其算法简单 适应性强 鲁棒性好和可靠性 高 被广泛应用于各种工业过程控制系统 即使是在先进的分散控制系统 d c s 中采用的控制策略也是以p t d 控制为主 在p i d 控制的实际应用中 当控制器的 形式确定后 p i d 参数的最佳整定是确保控制系统性能优良的关键 通常 p i d 参 数的整定方法可归纳为理论计算法和工程整定法两类 牡l 使用理论计算法必须 提供准确的被控对象的数学模型 但在实际工程应用中却难以得到 因此浚方法 不具有实用价值 而工程整定法不需要提供被控对象的准确数学模型 因雨无论 是在国内还是在国外的控制工程实践中 主要采用的还是这种方法 然而 经j f 程整定法中应用最为普遍的经验试凑法也存在很多局限 整定过程既耗时又耗力 再加之实际被控对象往往具有非线性 时变性等因素 使得系统控制品质难以达 到最佳 特别是在不同工况下 当被控对象动态特性发生变化时 原整定的p i d 参数就更不能满足控制系统的性能要求 针对这些问题 长期以来 人们一直在 寻求p i d 参数的自整定技术 以适应复杂工况和高性能指标的控制要求 随着计算机技术 通信技术 控制技术和c r t 技术的飞速发展 在石油 化 工 电力 冶金等工业控制领域中已普遍使用了世界上最先进的分敝控制系统 d c s 然而 即使是在这样具有强大计算和网络功能的控制系统中 p i d 参数的 整定方法仍主要采用人工经验试凑法 因此充分利用d c s 在硬件和软件上的优势 在d c s 上开发出能自动整定p i d 参数的软件包具有十分重要的意义 1 2p i d 参数自整定技术的研究概况 1 2 1 国内外研究现状1 5 l 愀7 o p i d 参数的自整定技术是 f 7 集自适应控制 智能控制 过程控制为一体的综 合技术 由于各种原因 通过在线获取被控对象的动态特性 对p i d 参数进行自 整定以满足控制品质的需要 这种p i d 参数自整定方法在国内还处在理论分析 仿真实验研究阶段 目前 国内尚未自行开发出成功的商品化自整定p i d 控制器 自上世纪8 0 年代 随着微处理器技术的发展 国外众多自动化仪表公司先后 推出了自己的商品化自整定p i d 控制器以及运行在d c s 上台勺p i d 参数自整定软件 包 如表l 1 重庆人学硕十学位论文绪论 袭1 1 囝外部分厂商自整定p i d 控制器或软件包功能简介 动态特性 是否采用采用何种采用何种 制i盏厂商产品名称增益调度自适应反自适应前 获j 致方式 技术 馈技术馈技术 b a i l e yc o n t r o l s c l c 0 4 阶跃有基于模型无 c o n t m lt e c h n i q u e s e x p e r tc o n t r o l l e r 斜坡无基于模型无 d p r 9 0 0 继电环 有 充 7 c f i s h e rc o n t r o l s d p r 9 l o 缝电环有基于模型基予模型 f o x b o r oe x a c t 阶跃 无基丁 规则无 f u j i c c s p n a3阶跃有无无 p r o t r o n i cp 阶跃无无无 h a n m a n b f a u n d i g i t r i ep 阶跃无无无 u d c6 0 0 0 阶跃有基r 规则无 h o n e y w e l l l o o p t u n es o f t w a r e 继电环有基丁规则无 p a c k a g ef o rd c s e c a 4 0 继电环 有 亢尢 s a r t c o n t r o l e c a 4 0 0继电环有基下 模型萋丁模刑 s i e m e n ss j 队r td r 2 2阶跃有无无 t o s d i c 2i5 dp r b s有基f 模型无 t o s h i b a e c 3 0 0p r b s有基丁f 模型无 t u m b u l lc o n t r o l st c s6 3 5 5阶跃无基于模型无 s l p c 1 7 1 2 7 l阶跃有基于规则无 y o k o g a w a s l p c 1 8 1 2 8 i阶跃有基丁 模型无 f i s h e r r o s e m o u n t i n t e l l i g e n tt u n e r 继电环有无 无 d c s t u n e r a b b 参数估计 有基丁 模型基丁 模型 s o f t w a r ep a c k a g e 注 p b r s 为 二进制伪随机序列 1 2 2p i d 参数自整定技术的分类1 6 1 根据被控对象动态特性的差异以及对控制品质的不同要求 可把p i d 参数自 整定技术进行分类 对不同的被控对象可采用与其相适应的p i d 参数自整定策略 如图1 1 所示 p i d 参数的自整定技术可分为p i d 参数的自动整定 a u t o m a t i c t u n i n g 增益调度 g a i ns c h e d u l i n g 和参数自适应技术 p i da d a p t i v e c o n t r 0 1 自动整定技术 2 重庆大学硕士学位论文绪论 具有时 二l 对象动态特莲 削器i 定参数p i d 控制器 删 动态特性 戍技术li 采h j 增益凋度技术 采 臼动整定技术 态特性 l 茔i1 i p i d 参数臼整定技术的分类 f i g1 1w h e nt ou s ed i f f e r e n tp i da d a p t i v et e c h n i q u e s 自动整定技术本质上是代替操作人员在整定控制系统时完成的工作 即接受 操作人员的整定命令 对被控对象使用阶跃 脉冲 斜坡 继电环等信号进行扰 动试验从而获得对象的近似数学模型或动态特性参数 然后根据该模型或动态特 性参数按给定的控制品质要求自动给出 组p i d 参数 对于那些对控制品质要求 不太高且对象的动态特性变化较小的控制回路 就可采用p i d 参数的自动整定技 术 增益调度技术 8 1 9 1 1 0 h 1 增益调度控制本质上是一种开环自适应控制技术 由于多数情况下被控对象的 动念特性是随其运行工况变化而变化的 并且这种变化的关系是可以事先知道的 图12 增益调度控制原理幽 f i gi 2b l o c kd i a g r a mo fas y s t e mw i t hg a i ns c h e d u l i n g 3 变蕾 重庆人学硕 学伸论文绪论 若动态特性变化的原因是由已知的非线性特性所引起 通过监测被控对象的运行 工况来改变p i d 参数便可以起到很好的自适应作用 这就是增益调度的核心思想 因此只要能找到一些与被控对象动态特性有直接密切关系的并能反映系统运行工 况发生改变的辅助变量 就可以根据这些变量直接改变p i d 参数 其原理如图1 2 所示 增益调度控制技术的关键是选择适当的调度变量 通常根据对被控对象特性 的了解 可选择控制器输出信号 对象输出信号或者其它相关的外部信号作为调 度燹量 当碉度变量确定后 便可在各种运行工况下运用p i d 参数的自动整定技 术获得不同 况下的控制器参数并建立起增益调度表 这样 在控制系统运行过 程 增益调度控制会自动地改变控制器参数来适应工况的变化 对于因非线性因素致使动念特性发生变化的大多数被控对象 宜使用增益调度 控制技术 这种p i d 自整定方法能很快的变更控制器参数以晌应对象动念特性的 变化 操作简单 易于投入现场应用 控制效果 乜优于p i d 参数自适应技术 p i d 参数自适应技术 8 i j 2 i 对于那些动态特性变化无法事先知道的被控对象宜使用p i d 参数自适应技术 即控制器参数能实时的随被控对象动态特性和扰动的变化丽改变 p i d 参数自适晦 技术既可用于反馈控制系统也可用于前馈控制系统 而且它能够使前馈控制这种 对主要扰动信号起补偿作用的控制效果更佳 图l3 间接自适应控制器原理幽 f i gi 3b l o c kd i a g r a mo f a ni n d i r e c ta d a p t i v ec o n t r o l l e r 一般可把p d 参数的自适应技术分为两类 即基于模型的问接自适应和基于 规则的直接自适应两类 间接的自适应方法需对控制系统的输入输出数据进行在 线的参数估计从而建立起被控对象的数学模型 然后再根据该模型计算出控制器 参数 基本原理如图1 3 所示 而直接自适应技术不需要建立被控对象的模型 直 接根据闭环观测到的实时数据改变控制器参数 这种方法的关键问题在于寻找能 表征被控对象特征的参数以及如何根据这些特征参数对控制器参数进行在线修 4 重庆人学硕士学位论文l 绪论 改 这种方法一般都基于智能控制 模糊控制 神经网络技术的理论 k 3 1 1 予以实 现 1 2 3 国内外采用的p i d 参数自整定技术简介 p i d 参数的自整定技术涉及到两个方面的问题 一是如何获取被控对象的动态 特性 二是如何根据已获得的被控对象的动态特性设计出满足控制系统性能指标 要求的p i d 参数 国内外许多学者针对这两个p i d 参数自整定技术的关键问题进 行了广泛深入的研究 并提出了不同的p i d 参数自整定方法 获取被控对象动念特性的方法 不管采用那种p i d 参数自整定策略 都必须获得被控对象的动态特性 即使 采用p i d 参数直接自适应技术 也需要应用p i d 参数的自动整定技术完成对参数 自适应阶段中各个参数的初始化工作 以便对被控对象的动态特性有个初步的了 解 目前 大多p i d 参数自整定技术都采用对被控对象进行扰动试验的方法束获 得其动态特性 扰动试验的方法很多 在开环状态下控制器输出发生阶跃 斜坡 脉冲 正弦等变化 在闭环状态下设定值作阶跃 斜坡 正弦 脉冲 p b r s 伪随 机2 2 进制序列 变化 或者在回路中引入非线性环节使对象输出产生自激振荡等 然后再观察被控对象在扰动信号激励下的输出响应 获得被控对象时域或频域的 动奁特性 这种方法的难点在于如何设计出一种扰动试验既能充分激励被控对象 获得其准确的动态特性 又能把扰动对正常工况的影响减小到最低程度 特别是 对于需要在线获得对象模型的p i d 参数的间接自适应技术 在众多方法中 瑞典著名学者a s t r 6 m 和h i i g g l u n d 7 提出的面积法应用较为普 遍 该方法根据对象模型 f g p 加南 1 t 1 的 r 环阶跃响应数据 利用计算特征面积的方法较好的克服了高频噪声的影响 如图1 4 再获得开环阶跃响应数据后首先求得静态增益k 与面积a 然后再由 式 1 2 7 1 二生 1 2 天p 求出l t 再根据面积a 由下式求出时间常数7 1 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 确 0 工 幽1 4 基于面积法的对象阶跃响麻曲线 f i g1 4s t e pr e s p o n s ec u r v eo ff i r s to r d e rp r o c e s sb a s e do na r e am e t h o d 3 随着计算机技术的发展 在对输出响应数据进行分析时 很多需要进行大量 数值计算的数据处理方法 如参数估计 输出响应曲线拟合 特征面积计算等 得到了广泛应用 使计算精度得到了保障 获得的动态特性也更为准确 专家控 制 模糊控制 神经网络技术等智能控制理论r 趋成熟 l 使得p i d 参数的自 整定问题能够摆脱对被控对象动态特性的依赖m l 1 8 1 并显示出了良好的发展鲋景 p i d 参数自整定算法 11z i e g l e r n i c h o l s 法 早在1 9 4 2 年z i e g l e r 和n i c h o l s 就提出了基于对象阶跃响应和频域响应的p i d 参数整定公式 该公式以o 2 5 的衰减率为设计准则 较好的抑制了负荷扰动的影 响 但设计出的比例增益偏大 系统容易不稳定 由于它简单易于实现 至今仍 然得到广泛应用 针对z n 公式的不是 在实际应用中不少学者对其进行了修改 设计出了自己的整定公式 如c h r 公式 c o h e n c o o n 公式等 2 基于积分准则的p i d 参数最优化法 1 0 1 该方法的核心思想是经p i d 参数整定后能使指定性能指标函数到达最优 z h u a n g 与a t h e r t o n 提出了不同准则下的p d 控割器最优整定算法 浚算法采用的 最优准则的一般形式为 0 i g e f 汗d t 1 4 彳 其中p 8 幻为进入p i d 控制器的误差信号 而向量8 为p l d 控制器参数构成的集合 根据设定值跟踪和扰动抑制两类不同控制策略 最优准则分三种情况 n 0 简记 为i s e 准则 n l 简记为i s t e 准则 n 2 菊已为i s t2 e 准则 对于典型的带 纯迟延一阶环节对象 该方法给出了不同准则下相应的整定公式 6 已 4 一砟 f 重庆大学硕士学位论文l 绪论 3 基于相位裕度和幅值裕度的p i d 参数自整定算法 2 1 1 2 2 2 3 1 采用k s t m m 提出的继电反馈方法 r e l a yf e e d b a c k 5 获得被控对象的频率特 性参数 i 缶界频率q 和临界增益e 继电反馈试验原理如图1 5 所示a i m 7 o r e 一 一 圈1 5 譬竺壁馈原理掣 i 鍪 1 6 p i d 参数变化与对象n y q u i s t 曲线戈系 f i g1 5p r i p d i a g r a m fp r o e 5 5u n d e r c i a y f i g1 6r e l a t i n s h i pb e t w e e np i dp a r a m e t e r sa n d f e e d b a c k p r o c e s sn v q u l s tc u i r e 采用p i d 控制 可以使被控对象g s 的n y q u i s t 圉上抟任意一点a 朝三个 方向移动 改变比例作用p 的系数可使a 径向移动 改变积分作用i 或微分作用 d 的系数可使a 垂直于径向移动 如图1 6 所示 通过改变p i d 参数就可移动临 界稳定点 一i k o 使其满足指定的相位裕度和幅值裕度 4 基于极点配置的p i d 参数自整定算法 1 2 4 i i 5 1 对二阶被控对象 g 加卜两赫 5 p i d 控制作用可以改变闭环极点位置 从而使控制系统的动念性能得到改进 该模型的三个参数可以完全由p i d 控制作用进行任意配置 设p i d 作用为 g j x l s t 一 s z t t a 1 6 则闭环系统的特征方程为 以砉专等m c 壶 筹 箍2 可将三阶系统的闭环特征方程的结构改写为 s 砌o s 2 2 q o d o s o h 0 1 8 其中f 则为阻尼比 为无阻尼自然振荡频率 三个需配置的主导极点为 p 一f l f2 p 一鲫 1 q 7 重庆大学硕士学位论文绪论 选定适当f 和 再由1 g s g s 0 计算出p i d 参数 5 基于专家系统的模式识别p i d 参数自整定算法1 2 6 1 1 2 7 l 2 8 i 该方法是基于规则的直接p i d 参数自适应法的具体应用 它采用b r i s t o l 提出 的模式识别法进行p i d 参数的自整定 如图1 7 p i d 控制器与被控对象相连组成 闭环系统 观察系统对设定值阶跃响应或干扰的响应 根据实测的响应模式与理 想的响应模式的差别在线调整p i d 参数 具体调整步骤则模范有经验的过程控制 工程师 f o x b o r o 公司的e x a c t 7 6 0 7 6 1 单回路自适应控制器是采用该方法的具 体实例 幽1 7 模式识别法实现p i d 参数的白整定原理i 笙 f i gl 7p r i n c i p l ed i a g r a mo fp i dp a r a m e t e r st u n e db yp a t t e mr e c o g n i t i o nm e t h o d 可接受 波形 1 3 课题研究的内容与完成的主要工作 本课题是在上海自动化仪表股份有限公司d c s 公司引进的美国m e t s o a u t o m a t i o nm a x 公司的新一代d c s 产品m a x l 0 0 0 p l u s 上开发p i d 参数自整定 软件包 该课题的研发工作在上海自动化仪表公司d c s 公司进行 主要完成了以 下几项工作 深入学习了d c sm a x l 0 0 0 p l u s 产品的基本结构 组成 控制组念设计 掌握了读写m a x l o o o p l u sd p u 分散处理单元 的s o f t w a r eb a c k p l a n e 软件背板 技术 运用工程软件m a t l a b 与m a x l 0 0 0 p l u s 的虚拟d p u 开发了p i d 控制的 仿真平台 即实现了m a t l a b 建立的被控对象模型与虚拟d p u 的连接 根据m a x l 0 0 0 p l u s 中p i d 控制的特点 设计了与其相适应的p i d 参数自 整定算法 用v i s u a lc 在m a x l 0 0 0 p l u s 的工作站中开发了p i d 参数的自整定软件 包 8 重庆大学硕士学位论文2m a x l 0 0 0 p l u s 分敝控制系统 2m a x l 0 0 0 p l u s 分散控制系统 2 1m a x10 0 0 p l u s 分散控制系统基本结构 m a x l 0 0 0 p l u s 分散控制系统 d c s 是出美国m e t s oa u t o m a t i o nm a x 公司推 出的新一代d c s 产品 该产品由m a x s t a t i o n 工作站 r e m o t ep r o c e s s i n gu n i t j 垂 程处理单元 和m a x n e t 网络组成 如图2 1 所示 幽2 1m a x l 0 0 0 p l u s 组成结构幽 f i g2 1c o m p o s i t i o ns t r u c t u r eo f m a x l 0 0 0 p l u s r m a x s t a t i o n 工作站是整个工厂自动化系统的人机界面 它采用i n t e lp e n t i u m c p u 或更高 m i c r o s o rw i n d o w sn t 操作系统 根据系统的需要 m a x s l 町i o n 工作站可配置成工程师站 操作员站或者专门的服务器 如历史数据服务器 报警 服务器等 r v u 远程处理单元 由d i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gu n i t 分散处理单元 i o 卡件以 及电源等组成 它完成对整个系统的控制和对各种过程实时数掘的采集 处理功 能 m a x n e t 为整个系统的通讯主干 采用冗余设计的全双工1 0 0 m b p s 交换型快 速以太网 实现r p u 同m a x s t a t i o n 工作站的通讯连接 2 2m a x l 0 0 0 p l u s 分散控制系统软件 m a x l 0 0 0 p l u sd c s 中包含的软件有s o f t w a r eb a c k l i l a n e s u i t e m a x t o o l s 4 e m a x v u e m a x s t o r i a n 以及其它一些通用服务程序f 如报警程序 9 重庆大学硕士学位论文 2k a x l o o o p l u s 分散控制系统 事件记录程序等 其中s o f t w a r eb a c k p l a n es u i t e 必须安装在每个m a x s t a t i o n 工 作站中 它是整个系统进行数据通讯的核心 m a 1 o o l s 4 e m a x v u e 是进行离 线和在线的工程师组态软件 m a x s t o r i a n 为系统的历史数据处理软件 完成对 历史数据收集 趋势显示和报表显示等功能 2 2 1s o f t w a r eb a c k p l a n es u i t e s b p 软件背板 s b p 软件背板应用程序组包含三个核心模块 m a x r r s m a x i s s r e a lt i m e g a t e w a y r t g m a x t 0 0 0 p t u sd c s 使用c l i e n t s e r v e r 客户 服务器 结掏 也就是 说系统中的c l i e n t 如m a x v u e m a x s t o r i a n 等应用程序 都必须通过s b p 与信息 给予者s e r v e r 如d p u 进行通讯 通过s b p 各个应用程序就可与数据给予者直接 进行通讯 而不需要一对一的应用连接程序 s b p 提供了一个共同的信息互换格 式 当需要时允许任何一个应用程序c l i e n t 去获得连接在软件背板上的另 个应用 程序s e r v e r 的信息 如图2 2 图2 2 各应用程序通过s b p 进行数据通讯 f i g2 2d a m c o m m u n i c a t i o no fa p p l i c a t i o n st h o u g hs b p m a x r r s r e g i s t r a t i o na n dr o u t i n g 它是s b p 的核心 负责各个应用程序 c l i e n t 与信息给予者s e r v e r 的通讯连接建立 信息给予者s e r v e r 在s b p 上 注册 信息后 应用程序c l i e n t 就可通过s b p 读 写 订购 这些信息 m a x i s s l o c a ls t a t u ss e r v e r 为m s t a t i o n 工作站提供内部服务功能 比如对其它过程信息的存储 以及仿真服务功能 m c sr e a lt i m eg a t e w a y r t g 提供m a x l 0 0 0 p l u s 数据总线模块 d a t ab u s m o d u l e 与s b p 的接口 由r t g 可提供系统所需实时数据 趋势数据 报警数据 等 l o 重庆火学硕士学位论文 2m a x l 0 0 0 p u s 分散控制系统 2 2 2m a x l o l s 4 e d p u 4 e 组态工具软件 m a x l 0 0 0 p l u s 中的分敝处理单元已升级为d p u 4 e 与其相对应的组念工具 软件为m a x l o o l 4 e 该软件运行在m m x s t a t i o n 工程师站中 通过对m e t s o a u t o m a t i o n 公司为各工业应用而开发的专用算法模块的离线组态实现各种控制方 案 该软件采用基于m i c r o s o r 公司的a c c e s s 数据库软件的组态模式 对系统硬件 资源 d p u i o 卡件 和各个控制模块 数据采集点进行配首实现控制组态 2 2 3m a x v e 图形界面工具软件 m a x l 0 0 0 p l u s 中的m a x v u e 是一个功能强大的图形界面工具软件 可完成 对被控对象的在线图形化监督与控制 该软件能自动建立与现场的运行设备的通 讯连接进行实时监控 通过该软件生成的被控对象工艺流程图可动态显示各监控 点的数据值 报警信息 设备状态 趋势图等 同时 运行入员也可通过该图形 界面提供的操作接口完成各种控制指令 m a x v u e 还提供了可进行在线组念的图形组态功能模块一g r a p h i c a l c o n f i g u r a t o r 通过g r a p h i c a lc o n f i g u r a t o r 可把由系统提供的备基本控制模块的输 入输出点按照需要的控制方案进行画线连接 在线改变控制组冬逻辑 2 2 4m a x s t o 雕a n 历史数据处理软件模块 m a x s t o r i a n 是一个完整的软件模块 它允许用户采集 管理和重新获得有关 他们的过程运行中的历史数据信息 该软件模块插入软件背板 s b p q 6 可获得运 行人员和其他工厂内部和外部有用的预先确定的 存储进数据库的和阱报表和趋 势形式呈现的实时过程信息 由于m a x s t o r i a n 通过 订购 得到数据 所叫任 何一个s b p 服务器 如d p u 4 e 都可为存档而作为一个数据源 用户能够归档过程 历史数据到c d r o m 上 以及在数据的原始收集和归档后的若干年内使用归档的 数据作趋势和报表 2 3m a x l0 0 0 p l u s 控制算法模块 在m a x l 0 0 0 p l u sd c s 中 系统提供了6 0 多个基本的控制算法模块 在i 幺系 统中为原子模块a t o m i cb i o c k s 和缓冲模块b u f f e r z 原子模块实现控制与数掘采 集功能 缓冲模块定义i o 清单 完成信号的调制与线性化处理 创建仿真数莸 库 通过对原子模块和缓冲模块的组态就可完成具体的控制策略 原子模块把工程应用所需的各种控制运算功能 如p i d 手 自动切换 逻辑 与 等 封装成软件实体 把基本能原子模块组合在一起实现更复杂台 控制运算功能鞔 构成了更高一级的分子模块 各分子模块也可再组合成用户自定义的模块 一个 重庚大学硕士学位论文 2m a x i o o o p l u s 分散控制系统 d p u 中的控制方案就由这些原子模块 分子模块 缓冲模块的不同组合来实现 根据模块的功能 可把原子模块和缓冲模块分成八种类型 如表2 1 表2 1 原子模块年l i 缓冲模块分类 a n a l o dm o t h b u f 件r m o d u l a t i n g d i s c r e t el o g i cg r o u pd e v i c es t e m a l u r m t a g f u n c t i o n s c o n t r o ll o g i c l o g i cc o r n p e n s a t i o n r l i t e d a b sa l ba u t o m a nn o ta l m r e pd e v l o gs t m p r o pa r a g da o bl i m l t e ra n dg r p s e q m s t rf l o w c o m p d t a g m u ld l b p i do ru s r o b js e q s t e p v l c o m p d i vd o bf e e d f w dx o r g tf s t o u t m o dp l s i or 哪m e ml t e x p c o u n t 们i m h p a r t m s t re o p o wo p tc t l c o m b n s o r tr t dp a t o u tr e s e t d o m 1 o t lt cf o r c c b a c k s e t d o m a l cc t l s e ln o d o m s l g s e lc t l a d dt n l e d l a gc t l m u lt o f f c t l d i v l t p u l s e c t l d v 2 e d g e a n y f u n c g e ne d g e f a l l c m p te d g e r i s e q u a l f r c e b i t p a c k b i v u n p a c k a l a r mt a g 包含a n a l o gt a g g e r a t a g 和d i g i t a lt a g g e r d t a g 原子模块 分 别对模拟量和数字量进行标识 标度 报警 设强制值 a n a l o gm a t hf u n c t i o n 原子模块可执行基本的数学运算功能 加 减 乘 除 绝对值 指数 乘方 平方根 求余 b u f f e r s 缓冲模块实现控制与数据采集功能 缓冲模块定义i o 清单 完成信号的调删 与线性化处理 m o d u l a t i n gc o n t r o ll o g i c 原子模块是实现控制策略的核心 该类模块根据功能 还可分为b a