摘要：本文以EDPF-NTPlus分散控制系統(tǒng)為實(shí)例，提出了一種DCS與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信接口方案。該方案基于Modbus和UDP通信協(xié)議，建立了DCS與Matlab軟件之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)通信過(guò)程中無(wú)需對(duì)DCS內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，保證了DCS運(yùn)行的獨(dú)立性與可靠性。給出了將Matlab模糊控制工具箱引入DCS的方法，實(shí)現(xiàn)汽包水位控制系統(tǒng)PID參數(shù)的在線(xiàn)模糊整定。該通信接口方案為DCS過(guò)程控制仿真與優(yōu)化提供了新的思路。
　　
　　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*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(guó)電智深研制的EDPF-NTplus分散控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的DCS產(chǎn)品。在直接調(diào)用組態(tài)軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)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(kù)進(jìn)行讀取的方法。
　　
　　本文研究了EDPF-NTplus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(xiàn)整定。
　　
　　一、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。　　
　　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-NTplus系統(tǒng)的接口站以用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（userdatagramprotocol,UDP）的形式對(duì)外發(fā)送DCS測(cè)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(guò)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-NTplus系統(tǒng)（配有接口站以及COM模塊）、路由器、網(wǎng)線(xiàn)以及雙絞線(xiàn)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(xiě)Matlab環(huán)境下的通信客戶(hù)端程序。
　　
　　1.2通信協(xié)議簡(jiǎn)介
　　
　　用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一種簡(jiǎn)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(wú)需客戶(hù)端做出應(yīng)答，因此UDP協(xié)議的傳輸速度較快，可以及時(shí)地將DCS中的測(cè)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(guò)查詢(xún)／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-NTplus系統(tǒng)的COM通信模塊采用的是后者。
　　
　　1.3UDP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-NTplus系統(tǒng)中，頭部固定16B，依次為：域號(hào)、站號(hào)、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)包類(lèi)型、數(shù)據(jù)包時(shí)間、數(shù)據(jù)包中測(cè)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(cè)點(diǎn)信息占用12B，zui多包含100個(gè)測(cè)點(diǎn)，即zui大長(zhǎng)度為1200B。
　　
　　在EDPF-NTplus系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送需要先通過(guò)EDPF-NTplus系統(tǒng)接口站運(yùn)行目錄\config\mmi下的配置文件dip.ini，對(duì)客戶(hù)端數(shù)量、lP地址以及zui長(zhǎng)發(fā)送間隔進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，將待發(fā)送測(cè)點(diǎn)的列表文件d中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(cè)點(diǎn)的信息就會(huì)以UDP數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到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-NTplus系統(tǒng)發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包格式編寫(xiě)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(guò)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(lái)的測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)值是咒位浮點(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(cè)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(guò)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',［328］）；out=bin2num（q,bin）。其中bin1、bin2、bin3、bin4是4個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)。
　　
　　1.4Modbus
　　
　　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(qǐng)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。
　　
　　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-NTplus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(kāi)始工作。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(qǐng)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(yǔ)句為：s=serial（‘COMI',‘Baudrate’,9600,‘DataBits',8,‘StopBits',l,‘Parity’,‘none',‘FlowControl',‘none'）。
　　
　　二、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(chǎng)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)藕合及非線(xiàn)性的對(duì)象，且系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí)變性，難以建立的數(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。
　　
　　模糊控制算法是一種對(duì)被控對(duì)象的非線(xiàn)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(xiàn)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)精度叫。利用本文提出的通信方案，將Matlab中提供的Fuzzy工具箱與EDPF-NTplus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(xiàn)模糊整定。
　　
　　2.2PID參數(shù)的在線(xiàn)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(guò)與Matlab軟件的通信引入了一個(gè)二維模糊控制器，對(duì)主回路中PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)整定。模糊控制器的輸入變量為水位的偏差。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△kp、△ki、△kd。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△kp、△ki、△kd對(duì)原PID參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)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。　　
　　各個(gè)量的模糊集均為｛NB，NM，NS，ZS，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)椋黣｜和｜ec｜。△kp＝｛－3，－2,－1，0，1，2，3，｝，△ki=｛－0.6，一0.4，一0.2,0，0.2,0.4,0.6｝，△kd=｛一3，一2，一1，0，1,2,3，｝。建立｜e｜、｜ec｜與△kp、△ki、△kd之間的模糊關(guān)系規(guī)則表此處省略。
　　
　　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,han-dles.text_p,handles.text_s,handles.text_fsetting,han-dles.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1s，本文將通信周期設(shè)為0.5s，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。　　
　　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)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0.1s，采用模糊在線(xiàn)整定PID控制器對(duì)水位系統(tǒng)進(jìn)行控制，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程介紹如下。
　　
　　①在使用EDPF-NTplus分散控制系統(tǒng)的某火電廠(chǎng)DCS汽包水位控制組態(tài)中添加PID參數(shù)偏置量測(cè)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(kāi)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(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)值以及汽包水位的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)。
　　
　　④單擊“開(kāi)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△kp、△ki、△kd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(guò)程畫(huà)面中進(jìn)行操作。
　　
　　⑤打開(kāi)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(shì)曲線(xiàn)以及PID參數(shù)的初始值和優(yōu)化值。單擊“開(kāi)始模糊優(yōu)化”按鈕，將出現(xiàn)10s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”。
　　
　　三、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　本文提出的EDPF-NTplus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(guò)程中無(wú)需對(duì)DCS內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)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。