基于EPA的PID功能块的设计及实现.doc

基于EPA的PID功能块的设计及实现摘要:本文介绍了EPA功能块基本模型及功能块的几种基本数据机构；并且描述了PID功能块在单片机上的设计方案及PID功能块模态转换与PID功能块过程控制算法几个主要函数的具体实现，并通过组态软件验证了PID的过程控制算法。关键字:EPA标准 ; EPA功能块规范 ; PID功能块; 组态 The Realization And Design Of PID Function Block Based On EPA Abstract: this text introduce the model of the EPA function block and several kinds database including in EPA function block; moreover it expatiates the design of PID function block and PID mode-exchange function and PID process-control arithmetics achievement in details. At last ,we test the PIDs arithmetic through configuration software.Keywords: EPA Protocol ; EPA Function Block Criterion ; PID Function Block ;Configuration 1 引言功能块不是EPA标准的独创，它是在工业控制领域编程发展过程中产生的，并在1995年形成IEC TC65标准。国家863计划EPA项目组参照IEC 61499、IEC 61804两个国际标准制订了EPA功能块规范，该规范主要定义了基本的功能块，包括功能块特征描述及用于功能块参数定义的数据类型、基本参数定义。EPA的体系结构参照ISO/OSI开放系统互连模型（ISO 7498）的第一、二、三、四和七层，并在第七层之上增加第八层（即用户层），共构成六层结构的通信模型，功能块则是用户层的主要内容，用户直接使用功能块构筑自己的控制系统。2 功能块的定义及体系模型功能块是一个软件功能单元，由输入、输出、内含参数以及对这些参数进行操作的算法组成，用一个功能块位号或者一个序号来唯一标识。功能块的参数定义了输入、输出和运行时所使用的数据。这些参数在整个网络上可观察的、可访问的。功能块是系统中原子级的元素，是不可再分割的基本元素，存在于一个包含可执行算法的实体内。功能块具有输入参数、输出参数和内含参数，同时具有用于输入和输出事件或数据的外部接口：事件输入端口、事件输出端口、数据输入端口以及数据输出端口。其基本模型如图1： 图1 功能块的基本模型3 功能块数据结构EPA设备内基本的功能块包括：资源块，技术块，功能块，报警块。每种功能块都包含不同的数据结构。以下介绍了功能块中主要的几种数据结构：块数据结构EPA_Block Structure序号元素名读写属性数据类型字节长度1Block Tag读写VisibleString322XDDL Id只读Usigned3243Block Type只读Usigned3244XDDL Revision只读Usigned1625Profile只读Usigned1626Profile Revision只读Usigned1627Execution Time读写Usigned3248Period of Execution读写Usigned3249Number of Parameter只读Usigned16210Next block to Execute读写Usigned162模态数据结构EPA_Mode Structure序号元素名读写属性数据类型字节长度1Target读写Bit String12Actual只读Bit String13Permitted读写Bit String14Normal读写Bit String1输入/输出模拟量数据结构EPA_Floatpoint Structure序号元素名读写属性数据类型字节长度1Status读写Usigned812Value读写Float4量程转换数据结构EPA_Scaling Structure序号元素名读写属性数据类型字节长度1EU_100%读写Float42EU_0%读写Float43Units Index读写Usigned1624Decimal Point读写Integer814PID功能块PID在自动控制系统中应用广泛，特别在工业现场中能实现比较关键的控制功能。所以PID功能块也是功能块块库中的最重要的功能块。PID功能块示意图如图2：图2 PID功能块示意图PID功能块包括14个必备参数和34个可选参数，用户还可添加自定义的参数，其参数的索引依据所使用的实际参数个数依次进行分配。PID控制算法：根据PID参数的设置，及输入的值来决定输出。PID算法是对PV与SP的偏差进行比例、积分和微分运算，得到的控制量经过输出选择、输出量程转换和输出限制后，由OUT输出。该算法的整定参数分别为比例增益GAIN、积分时间RESET和微分时间RATE。 PID模态：PID功能块支持的模态有O/S、Man、Auto、IMan。如表1 所示：表1 PID功能块的模态模态说明O/SPID功能块不再执行它的功能计算IMan初始化手动Man操作员直接写入PID功能块的OUT参数AutoPID功能块根据所有算法（量程，滤波，状态以及模态计算，限制检测）处理来自变送器的值（PV）以下是PID 功能块的模态转换描述：1 目标模态为O/S时，实际模态切换到O/S。2 目标模态为Man时，如果BKCAL_IN的状态为GOOD实际模态切换到Man，否则实际模态为IMan。3 目标模态为Auto时，如果IN的状态为GOOD并且BKCAL_IN的状态也为GOOD实际模态切换到Auto，否则实际模态为IMan。41 PID功能块的设计在单片机上设计PID时可以申明一个结构体用于定义每个参数（如表2）：然后用这个结构体定义一些PID对象实体。(如 EPA_PID_FUNCTION_BLOCK *pidfb；)表2 PID功能块参数typedef struct _EPA_PID_FUNCTION_BLOCK_ EPA_BLOCK BLOCK; /功能块对象参数 EPA_MODE BLOCK_MODE; /功能块的模态参数 EPA_FLOATPOINT PV; /过程变量 EPA_FLOATPOINT SP; /设定点 EPA_FLOATPOINT OUT; /输出 EPA_SCALING PV_SCALE; /过程变量量程 EPA_SCALING OUT_SCALE; /输出值量程 EPA_FLOATPOINT IN; /输入 EPA_FLOATPOINT CAS_IN; /串级输入 float GAIN; /增益 float RESET; /积分时间常数 float RATE; /微分时间常数 EPA_FLOATPOINT BKCAL_IN; /回算输入 EPA_FLOATPOINT BKCAL_OUT; /回算输出 EPA_PID_FUNCTION_BLOCK; PID功能块的功能则通过一些函数实现。如函数PID_MODESTATETRN（），它用于转换PID功能块模态，从而使PID处于不同状态。正常情况，PID处于Auto模态。其设计如表3：表3 PID功能块的模态转换函数void PID_ MODESTATETRN (EPA_PID_FUNCTION_BLOCK * pPIDFB) if(pPIDFB-BLOCK_MODE.Target & OS) /目标模态是O/S pPIDFB-BLOCK_MODE.Actual =OS; /实际模态切换到O/Sif(pPIDFB-BLOCK_MODE.Target & Man) /目标模态是Man if(128=(pPIDFB-BKCAL_IN.Status & 0x80) / BKCAL_IN的状态为GOOD pPIDFB-BLOCK_MODE.Actual = Man; /实际模态切换到Manelse if(0 = (pPIDFB-BKCAL_IN.Status | 0x00) / BKCAL_IN的状态为BADpPIDFB-BLOCK_MODE.Actual = IMan; /际模态切换到IMan if(pPIDFB-BLOCK_MODE.Target & Auto) /目标模态为Auto时， /如果IN和BKCAL_IN的状态都为GOOD实际模态切换到Auto，否则实际模态为IManif( (0 = pPIDFB-IN.Status) | (0 = pPIDFB-BKCAL_IN.Status ) pPIDFB-BLOCK_MODE.Actual = IMan; else if(128=pPIDFB-IN.Status)&(128=pPIDFB-BKCAL_IN.Status) pPIDFB-BLOCK_MODE.Actual = Auto; 接下来我们定义一个非常重要的函数PID_Progress（），它运行PID功能块的控制算法，该算法是根据PID典型公式Eu（K）=P*e (K)+I*(e (k)+e (k-1)+e (k-2)+e (k-3)+.+e (k-n) )+D*（e (k)-e (k-1)）转换得。该算法是为了保证受控量与PID中的设定值SP相等，如果不等会将反馈回来受控量进行调节，直至调节至和SP相等。其Auto模态下，PID算法设计如表4：表4 PID 功能块算法void PID_Progress (EPA_PID_FUNCTION_BLOCK * pPIDFB) double error1 = 0; /当前误差 static double sumerror=0; /误差和 static double error3=0; /上次误差 static double error2=0;pPIDFB-PV.Value=pPIDFB-IN.Value*（PV_SCALE- EU_100%-PV_SCALE- EU_0%）/100; /IN 的值通过量程转换赋给PV if (pPIDFB-SP.Value-pPIDFB-PV.Value=0.1) | |( pPIDFB-SP.Value-pPIDFB-PV.ValueSP.Value - pPIDFB-PV.Value; sumerror+=error1; /误差累加 error3=error2; /将上次误差给error3 error2=error1; /将本次误差给error1EU= pPIDFB-GAIN*error1+pPIDFB-RESET*sumerror+pPIDFB-RATE*(error2-error3); /根据公Eu（K）=P*e (K)+I*(e (k)+e (k-1)+e (k-2) +.+e (k-n) )+D*（e (k)-e (k-1)） pPIDFB-OUT.Value = pPIDFB-IN.Value+EU; /调整输出与输入的误差 pPIDFB-OUT.Status=pPIDFB-SP.Status; /设置值的状态 除以上两个主要函数外,我们还有InitPID()用于初始化函数的参数,其包含InitEPABlock(),InitEPA_Mode()等等。我们还定义了ReadPID(),WritePID()用于读取和写入PID功能块参数，这里就不一一介绍了。42 PID功能块算法的测试通过组态软件；我们将AI功能块和PID功能块连接成回路，并把AI功能块的OUT_A输给PID的IN，PID的OUT就反馈给AI的IN，并把PID设定值SP设为0.8，运行PID算法，观看输出端口OUT的值的变化（如图3）。该图说明了PID功能块能够实现自适应控制过程。图3 PID功能块控制过程图5 结论随着EPA标准被IEC组织正式承认，EPA功能块的开发与应用对EPA网络控制系统的实现有着重要意义。