下位機功能模塊CP100 為CPU 模塊,AT610 為溫度檢測模塊,AI700 為模擬量輸入模塊,AO725 為模擬量輸出模塊, PS740 為電源模塊。每個模塊都有運行狀態(tài)及模塊接線盒狀態(tài)顯示功能,每個模塊都可帶電插拔。系統(tǒng)設(shè)置兩個電源模塊,使下位機硬件系統(tǒng)具有電源冗余功能。

       整個系統(tǒng)采用二級分布式上、下位結(jié)構(gòu),上位機系統(tǒng)完成工藝流程顯示、控制回路、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)報表打印、參數(shù)趨勢顯示、參數(shù)報警狀態(tài)顯示等功能。下位機由B&R 2010 系列可編程計算機控制器(簡稱PCC) 構(gòu)成。

       3 　系統(tǒng)軟件設(shè)計
       根據(jù)工藝控制方案的要求,我們編制了系統(tǒng)控制軟件,它主要由上位機組態(tài)軟件和下位機控制軟件構(gòu)成。
       3. 1 上位機組態(tài)軟件設(shè)計
       上位機組態(tài)軟件的開發(fā)平臺選用CITECT 組態(tài)軟件,上位機組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在組態(tài)軟件設(shè)計中,CITECT 組態(tài)軟件提供的強大功能,使操作畫面更貼切用戶,裝置工藝流程、設(shè)備運行狀態(tài)一目了然,提高用戶操作的安全性和可靠性。組態(tài)軟件的通信點數(shù)直接決定著組態(tài)軟件的價格,對于通信點數(shù)的數(shù)字型變量實行了軟“壓縮”和軟“解壓縮”技術(shù),有效提高組態(tài)軟件的性能價格比,降低工程造價。

       3. 2 下位機控制軟件設(shè)計
       貝加萊工業(yè)自動化公司開發(fā)的可編程計算機控制器(PCC) 代表著一個全新的控制概念,它集成了可編程邏輯控制器的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)功能,它能方便處理開關(guān)量、模擬量、進(jìn)行回路調(diào)節(jié)。

       下位機控制軟件利用貝加萊工業(yè)自動化公司提供的PG2000 編程環(huán)境,根據(jù)工藝控制的要求,將工藝流程中各個控制任務(wù),按照PG2000 中圖形設(shè)計方法(GDM) ,編制相應(yīng)的任務(wù)模塊,再對任務(wù)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、變量定義和語言編程。

       下位機控制軟件設(shè)計采用圖形化設(shè)計方法(GDM) , 下位機控制軟件模塊構(gòu)成如圖4 所示。下位機控制軟件工程名稱為:“SHYH”,PCC 層包括項目“PCC1”。項目下屬TASK層包括B&R 系統(tǒng)模塊“Burtrap ”、“Net2000 ”、“Mathtrap ”、“ Sysconf ”、“Exermo”、“Io-lib”、“Io-2010”;數(shù)據(jù)模塊“Io-cont”、故障診斷“Io-excp”;循環(huán)任務(wù)模塊“Io-check”、“Io-list”、“exch-data”、“init-data”、“FIC - 1”、“FIC - 2”、“PIC -1”、“PIC - 2”、“TIC - 1”、“TIC - 2”、“LIC - 1”。

       B&R 系統(tǒng)模塊主要為B&R 系統(tǒng)硬件提供系統(tǒng)操作、IO 配置、系統(tǒng)通信、故障診斷等功能及軟件函數(shù)庫。軟件設(shè)計時只要按照B&R 模塊編程手冊的要求,將相應(yīng)B&R 系統(tǒng)模塊設(shè)計到任務(wù)層即可。對于循環(huán)任務(wù)模塊則是設(shè)計時要考慮的重點,在該控制軟件設(shè)計中,按照裝置工藝控制任務(wù)的要求,設(shè)計了11 個任務(wù)模塊,其中“Io-check”、“Io-list”模塊主要完成I/ O 硬件的在線管理檢查;“exch-data”、“initdata”模塊主要完成I/ O 硬件采集數(shù)據(jù)的處理及參數(shù)初始化；“FIC - 1”、“FIC - 2”、“PIC - 1”、“PIC - 2”、“TIC - 1”、“TIC - 2”、“LIC - 1”模塊主要完成裝置工藝流程中工藝過程參數(shù)的調(diào)節(jié)任務(wù)。

       對于循環(huán)任務(wù)模塊“FIC - 1”、“FIC - 2”、“PIC -1”、“PIC - 2”、“LIC - 1”、“TIC - 2”的控制算法均采用B&R2000 系統(tǒng)提供的優(yōu)化PID 控制算法函數(shù)。通過對PID 算法函數(shù)中輸出最大值、輸出最小值、比例系數(shù)、積分時間、微分時間、濾波系數(shù)、設(shè)定值衰減系數(shù)、超調(diào)阻尼系數(shù)等參數(shù)的合理設(shè)置,使裝置工藝參數(shù)得到精確控制。

       任務(wù)模塊部分程序如下：
　　Ta = FC-1- TA ；pid-para parameter set value
　　Y-max < FC-1-OPX；輸出最大值
　　Y-min = FC-1-OPN ；輸出最小值
　　Kp = FC-1- P ；比例系數(shù)
　　Tn = FC-1- I ；積分時間
　　Tv = FC-1- D ；微分時間
　　Para-ptr = adr (para1)
　　Tf = 0 ；濾波系數(shù)
　　Kw = 1 ；設(shè)定值衰減系數(shù)
　　Kr = 5 ；超調(diào)阻尼系數(shù)
　　Dy-max = 0
　　E-pos = 0
　　E-eng = 0
　　Fbk-mode = 0
　　；pid-min parameter set value
　　w = FC-1-SP
　　x = FC-1-PV
　　PID-para ( 1 , Ta , Y-max , Y-min ,Dy-max , Kp , Tn ,Tv ,Tf ,Kw ,Kr ,E-pos ,E-eng ,Td ,fbk-mode ,d-mode ,parrptr,status) ；PID 參數(shù)處理
　　PID-min (1 ,0 ,w ,x ,adr (para1) , staus ,Y, I- ,D - )；PID 運算
　　If FC-1-OPM= 1 Then ；手自動方式判斷
　　IF Y> = 26213 Then
　　Y= 26213
　　End if
　　DA-FC-1 = Y+ 6554
　　FC-1-OP = DA-FC-1
　　Else
　　DA-FC-1 = FC-1-OP
End if

       對于反應(yīng)器溫度控制回路(TIC - 1) 運用模糊控制理論,設(shè)計了先進(jìn)的模糊控制算法實現(xiàn)了對溫度的精確控制。模糊控制是應(yīng)用模糊集合理論,基于模糊條件語句描述的語言控制規(guī)則,根據(jù)模糊推理和模糊判決,查詢模糊控制表,解模糊,得到精確的控制量。本系統(tǒng)模糊控制利用偏差E 和偏差變化率ΔE 構(gòu)成二維優(yōu)化多級模糊控制器。

       本算法中Et 和ΔEt 論域為[- 6 , + 6 ]的13 級,Ut為[- 7 , + 7 ] 的15 級,構(gòu)成模糊控制規(guī)則表。該表由離線計算得到,為一個13 ×13 的矩陣,由左到右按行依次存入PCC 的內(nèi)存單元中。算法執(zhí)行時,根據(jù)Et 和ΔEt 的值由式(1) 得到模糊控制表中偏移地址:
       T = 13 ( Et + 6) + (ΔEt + 6) (1)
       式中13 ( Et + 6) 為所屬行在內(nèi)存中的偏移地址,ΔEt + 6 為所屬列在內(nèi)存中的偏移地址。


       優(yōu)化的多級模糊控制系統(tǒng)根據(jù)前饋控制原理引入了函數(shù):
       Ug = r/ k + Kg xUt(k) (2)
       式中k 為對象的放大倍數(shù),實際應(yīng)用可估計為穩(wěn)態(tài)溫度值與輸出量的比值, Kg 為前饋修正系數(shù)。本系統(tǒng)的輸出量表達(dá)式為:
       U = Ku xUt + r/ k + Kg xUt (3)
       式中Ku 為比例因子。本系統(tǒng)的多級模糊控制根據(jù)E、ΔE 變化范圍,分為多層,各層具有不同的論域。當(dāng)系統(tǒng)軌跡進(jìn)入某一層時,控制系統(tǒng)就采用所在層的范圍作為新的論域,修改Ke 、Kec、Ku 的取值。這樣在偏差E 的不同范圍采用不同參數(shù)的模糊控制,再加上引入的前饋控制原理,將極大地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

       反應(yīng)器溫度由于采用了模糊控制算法,獲得了理想的控制效果。控制升溫響應(yīng)曲線見圖5。

       從升溫曲線可見優(yōu)化多級模糊控制的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)