一種改進(jìn)的DCS通信接口方案及應(yīng)用

蔡 鈞 段文偉 付俊杰 李平康

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院1，北京 100044;內(nèi)蒙古大唐國際托克托第二發(fā)電有限責(zé)任公司2，內(nèi)蒙古 托克托 010206)

0 引言

分散控制系統(tǒng)(DCS)廣泛應(yīng)用于火電、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)效率方面要求的不斷提高，如何對(duì)DCS的功能進(jìn)行改進(jìn)與擴(kuò)展成為了新的研究方向。Matlab軟件有著強(qiáng)大的仿真與計(jì)算功能，且提供了許多現(xiàn)成的先進(jìn)控制算法工具箱，操作人員可以方便地進(jìn)行被控對(duì)象的建模與仿真。因此，實(shí)現(xiàn)DCS與Matlab的整合是對(duì)現(xiàn)有DCS進(jìn)行功能擴(kuò)展的較為理想的途徑。國電智深研制的EDPF-NT plus分散控制系統(tǒng)是國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的 DCS產(chǎn)品[1]。在直接調(diào)用組態(tài)軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[1]提出了利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab對(duì)這套DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀取的方法。

本文研究了EDPF-NT plus系統(tǒng)以及Matlab軟件的通信特性，設(shè)計(jì)了兩者之間的雙向數(shù)據(jù)通信接口方案。同時(shí)，給出了利用這種通信接口方案，將Matlab模糊控制工具箱引入DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽包水位控制系統(tǒng)PID參數(shù)的模糊在線整定。

1 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

1.1 通信接口方案

整個(gè)通信接口方案示意圖如圖1所示。

圖1 通信接口方案示意圖Fig.1 Diagram of communications interface solution

DCS與仿真優(yōu)化計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信建立在DCS自帶通信接口的基礎(chǔ)上，避免了對(duì)DCS系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)立性和可靠性的影響。EDPF-NT plus系統(tǒng)的接口站以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol，UDP)的形式對(duì)外發(fā)送DCS測點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)在DCS組態(tài)中建立COM通信模塊，通過Modbus通信協(xié)議讀取外部設(shè)備中的數(shù)據(jù)。整個(gè)通信接口方案的硬件部分由仿真優(yōu)化計(jì)算機(jī)、EDPF-NT plus系統(tǒng)(配有接口站以及COM模塊)、路由器、網(wǎng)線以及雙絞線組成。Matlab具有良好的擴(kuò)展性，但對(duì)于Modbus和UDP通信協(xié)議軟件只提供了串口對(duì)象以及UDP對(duì)象的創(chuàng)建函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，還需要編寫Matlab環(huán)境下的通信客戶端程序。

1.2 通信協(xié)議簡介

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一種簡單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議。由于只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)送而無需客戶端做出應(yīng)答，因此UDP協(xié)議的傳輸速度較快[2]，可以及時(shí)地將DCS中的測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到Matlab軟件中。

Modbus協(xié)議是一種可靠而有效的通用串行通信協(xié)議，它由Modicon公司于1979年提出，現(xiàn)已成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。其通信采用主從方式，通過查詢/回應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。Modbus協(xié)議有ASCII模式和RTU模式兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，EDPF-NT plus系統(tǒng)的COM通信模塊采用的是后者。

1.3 UDP通信的實(shí)現(xiàn)

UDP報(bào)文的結(jié)構(gòu)一般由頭部與數(shù)據(jù)區(qū)兩部分組成。在EDPF-NT plus系統(tǒng)中，頭部固定16 B，依次為：域號(hào)、站號(hào)、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)包時(shí)間、數(shù)據(jù)包中測點(diǎn)個(gè)數(shù)和點(diǎn)名列表文件版本號(hào)。數(shù)據(jù)區(qū)中，每個(gè)測點(diǎn)信息占用12 B，最多包含100個(gè)測點(diǎn)，即最大長度為1 200 B。

在EDPF-NT plus系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送需要先通過EDPF-NT plus系統(tǒng)接口站運(yùn)行目錄configmmi下的配置文件dip.ini，對(duì)客戶端數(shù)量、IP地址以及最長發(fā)送間隔進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，將待發(fā)送測點(diǎn)的列表文件dip_pnt.csv存放在同一個(gè)目錄下。然后啟動(dòng)接口站，待發(fā)送測點(diǎn)的信息就會(huì)以UDP數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到指定IP地址。

Matlab軟件提供了UDP對(duì)象的創(chuàng)建函數(shù)，本文在此基礎(chǔ)上根據(jù)EDPF-NT plus系統(tǒng)發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包格式編寫了數(shù)據(jù)讀取程序，并將得到的數(shù)據(jù)存入工作空間以便其他程序調(diào)用。創(chuàng)建UDP對(duì)象的命令為：udpB=udp(ipA，portA，‘LocalPort’，portB)，其中 ipA和portA分別為DCS系統(tǒng)接口站的IP地址及端口號(hào)，portB為本地端口號(hào)。

由于在Matlab中通過UDP對(duì)象直接讀取的數(shù)據(jù)默認(rèn)為十進(jìn)制，而DCS發(fā)送來的測點(diǎn)實(shí)時(shí)值是32位浮點(diǎn)數(shù)。因此，還需要加入一段將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)的程序，才能正確讀取DCS測點(diǎn)實(shí)時(shí)值。程序的原理是先將每個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制數(shù)，不足8位的用0補(bǔ)足;然后將4個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)連接成1個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)并通過數(shù)字編碼器轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主要程序?yàn)椋篵in=strcat(bin1，bin2，bin3，bin4);q=quantizer(‘float’，[32 8]);out=bin2num(q，bin)。其中bin1、bin2、bin3、bin4 是4個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)。

1.4 Modbus通信的實(shí)現(xiàn)

Modbus的數(shù)據(jù)幀由頭部、數(shù)據(jù)區(qū)以及校驗(yàn)碼組成。從站設(shè)備產(chǎn)生回應(yīng)數(shù)據(jù)幀中的功能代碼與主站發(fā)送的功能代碼保持一致，數(shù)據(jù)區(qū)則存放主站設(shè)備請求的數(shù)據(jù)，幀尾的校驗(yàn)碼用于判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸是否正確[3]。

以DCS系統(tǒng)的COM模塊為主站設(shè)備，運(yùn)行Matlab軟件的計(jì)算機(jī)為從站設(shè)備，選取Modbus功能碼03(讀取從站設(shè)備保持寄存器中的數(shù)據(jù))，實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)從Matlab軟件中獲取數(shù)據(jù)的功能。由于EDPF-NT plus系統(tǒng)的COM通信模塊本身就支持Modbus通信協(xié)議，所以只需用Windows中的超級(jí)終端設(shè)置模塊通信口的參數(shù)、建立通信任務(wù)列表，COM通信模塊就能開始工作[4]。Matlab端的Modbus通信程序?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)建串口對(duì)象并進(jìn)行數(shù)據(jù)幀讀取、識(shí)別主站請求、計(jì)算校驗(yàn)碼、生成并發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)幀。創(chuàng)建串口對(duì)象的主要語句為[5]：s=serial(‘COM1’，‘Baudrate’，9 600，‘DataBits’，8，‘StopBits’，1，‘Parity’，‘none’，‘FlowControl’，‘none’)

2 汽包水位模糊PID控制實(shí)現(xiàn)

2.1 汽包水位控制系統(tǒng)描述

汽包給水控制回路是火力發(fā)電廠DCS系統(tǒng)中非常重要的控制回路，保證鍋爐汽包的正常水位是汽包鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。汽包水位受到蒸汽流量、給水流量、汽包壓力、溫度和燃燒工況等多個(gè)參數(shù)的影響，是具有多變量、大滯后強(qiáng)耦合及非線性的對(duì)象，且系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí)變性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用傳統(tǒng)方法整定的PID控制器在負(fù)荷變動(dòng)等動(dòng)態(tài)的情形下難以實(shí)現(xiàn)比較好的控制效果[6]。

模糊控制算法是一種對(duì)被控對(duì)象的非線性適應(yīng)性好、魯棒性較強(qiáng)的控制算法。在DCS汽包水位控制系統(tǒng)中引入模糊控制算法，在線整定PID控制器的參數(shù)能夠改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[7]。利用本文提出的通信方案，將Matlab中提供的Fuzzy工具箱與EDPF-NT plus分散控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以方便地實(shí)現(xiàn)DCS汽包水位控制系統(tǒng)PID參數(shù)的在線模糊整定。

2.2 PID參數(shù)的在線模糊整定

在DCS汽包水位串級(jí)3沖量控制組態(tài)的基礎(chǔ)上，通過與Matlab軟件的通信引入了一個(gè)二維模糊控制器[8]，對(duì)主回路中PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線整定。模糊控制器的輸入變量為水位的偏差e以及偏差變化率ec，輸出為PID控制器3個(gè)控制參數(shù)的偏置值Δkp、Δki、Δkd。當(dāng)水位的偏差e以及偏差變化率ec隨著工況不同而變化時(shí)，模糊控制器輸出PID參數(shù)的偏置值Δkp、Δki、Δkd，對(duì)原 PID 參數(shù)進(jìn)行在線整定，從而改善汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

模糊自整定PID汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system

各個(gè)量的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示“負(fù)大”，“負(fù)中”，“負(fù)小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”，論域?yàn)閨e|和|ec|。Δkp={ －3，－2，－1，0，1，2，3}，Δki={ －0.6，－0.4，－0.2，0，0.2，0.4，0.6}，Δkd={ －3，－2，－1，0，1，2，3}。建立|e|、|ec|與Δkp、Δki、Δkd之間的模糊關(guān)系規(guī)則表此處略[9]。

為了保證數(shù)據(jù)通信以及模糊運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，在Matlab程序中采用2個(gè)定時(shí)器對(duì)通信程序和模糊控制器進(jìn)行定時(shí)調(diào)用。定時(shí)器創(chuàng)建命令為：

tp=timer(‘TimerFcn’，{@timerCallback1，handles.text_p，handles.text_s，handles.text_fsetting，handles.text_domain，handles.text_drop，handles.axes1}，‘ExecutionMode’，‘fixedDelay’，‘Period’，0.5);

其中‘Period’參數(shù)是計(jì)時(shí)器的周期，即通信程序調(diào)用的周期。DCS一般的采樣周期是1 s，本文將通信周期設(shè)為0.5 s，保證了DCS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flowchart of the program

2.3 數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)

針對(duì)給水流量作用下汽包水位傳遞函數(shù)[10]和蒸汽流量作用下汽包水位傳遞函數(shù)，選取采樣時(shí)間為0.1 s，采用模糊在線整定PID控制器對(duì)水位系統(tǒng)進(jìn)行控制，其實(shí)現(xiàn)過程介紹如下。

①在使用EDPF-NT plus分散控制系統(tǒng)的某火電廠DCS汽包水位控制組態(tài)中添加PID參數(shù)偏置量測點(diǎn)并作為變參數(shù)調(diào)節(jié)的PID控制器算法模塊的輸入。

②設(shè)置DCS中接口站和COM模塊的通信參數(shù)。

③打開Matlab端的GUI界面，完成通信參數(shù)的設(shè)置后，界面中將會(huì)顯示汽包水位相關(guān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)值以及汽包水位的實(shí)時(shí)趨勢曲線。

④ 單擊“開始優(yōu)化”按鈕，Matlab將會(huì)運(yùn)行PID參數(shù)模糊整定程序，在 GUI界面中顯示 Δkp、Δki、Δkd的實(shí)時(shí)值。此時(shí)，工作狀態(tài)一欄將顯示“優(yōu)化中”，但這只表示Matlab中的模糊控制器正在運(yùn)行，要將模糊整定得到的參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際PID控制器還需要在DCS過程畫面中進(jìn)行操作。

⑤打開DCS的工程師站PID參數(shù)優(yōu)化窗口，能夠觀察到汽包水位趨勢曲線以及PID參數(shù)的初始值和優(yōu)化值。單擊“開始模糊優(yōu)化”按鈕，將出現(xiàn)10 s的操作確認(rèn)窗口，確認(rèn)之后優(yōu)化狀態(tài)一欄將顯示綠底色的“模糊優(yōu)化”字樣，表明此時(shí)汽包水位控制主回路中的PID控制器已采用模糊整定之后的優(yōu)化值。若要停止優(yōu)化，則單擊“停止模糊優(yōu)化按鈕”并進(jìn)行操作確認(rèn)，此時(shí)狀態(tài)欄顯示“優(yōu)化停止”。

3 結(jié)束語

本文提出的EDPF-NT plus分散控制系統(tǒng)與Matlab軟件的通信方案具有易于實(shí)現(xiàn)、不影響DCS系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)立性和可靠性的特點(diǎn)。基于Modbus和UDP通信協(xié)議的數(shù)據(jù)通信接口方案在數(shù)據(jù)通信過程中無需對(duì)DCS內(nèi)部數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，可保證DCS運(yùn)行的獨(dú)立性與可靠性。建立的DCS與Matlab軟件之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，為改進(jìn)和擴(kuò)展現(xiàn)有DCS系統(tǒng)的功能提供了新的思路。

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