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    摘要：本文簡(jiǎn)要論述了先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展背景，介紹了全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成及技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)兩個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證和說(shuō)明了自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)及先進(jìn)的智能預(yù)測(cè)控制技術(shù)對(duì)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大時(shí)滯等復(fù)雜被控對(duì)象具有很好的控制品質(zhì)，能較好地滿足對(duì)安全、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗等自動(dòng)化生產(chǎn)需求。

    關(guān)鍵詞：智能預(yù)測(cè)控制；全集成；工業(yè)自動(dòng)化；OPC；HLA；SPC

    1 引 言

    隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制日趨多樣化和復(fù)雜化，常規(guī)控制理論及技術(shù)難以解決復(fù)雜過(guò)程控制中遇到的諸多問(wèn)題，比如多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大時(shí)滯等。伴隨人們對(duì)安全性、高效率、優(yōu)質(zhì)量、低能耗自動(dòng)化生產(chǎn)需求的不斷提高，各種先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，比如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制、智能控制、專家系統(tǒng)、模糊控制，等等。隨著測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展和測(cè)控領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此，基于原始的低水平、單功能的重復(fù)開(kāi)發(fā)模式已不適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的需求，而通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為當(dāng)今測(cè)控系統(tǒng)的主流。自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展與成熟，為研究與實(shí)現(xiàn)全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。伴隨著世界各國(guó)工業(yè)自動(dòng)化需求不斷增加和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的多樣化和復(fù)雜化，推廣應(yīng)用具有先進(jìn)過(guò)程控制功能的全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。

    中國(guó)航天科工集團(tuán)測(cè)控中心（航天測(cè)控中心）將先進(jìn)控制理論與多年在軍工、民用領(lǐng)域的實(shí)際測(cè)控經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，針對(duì)大型復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的控制特點(diǎn)，推出了全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)-友力2008。通過(guò)在航空航天、石油化工、鋼鐵、
電力、軍工等測(cè)控領(lǐng)域的具體應(yīng)用與實(shí)踐證明，具有先進(jìn)智能預(yù)測(cè)控制功能的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)——友力2008，能有效解決常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)中無(wú)法解決的多變、強(qiáng)藕合、大時(shí)滯等復(fù)雜控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    2 全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)集信息鏈接技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、智能預(yù)測(cè)控制技術(shù)、HLA仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、OPC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)于一身，遵循網(wǎng)絡(luò)化、層次化設(shè)計(jì)理念，將生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、文檔管理、績(jī)效管理等相關(guān)功能進(jìn)行有機(jī)集成，為控制包括物料、設(shè)備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有工廠資源提供了統(tǒng)一的管理平臺(tái)，為企業(yè)精細(xì)化、彈性化生產(chǎn)制造提供了良好的管理環(huán)境，可以幫助企業(yè)靈活地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、合理安排企業(yè)產(chǎn)能、提高生產(chǎn)效率、實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程、減低成本和物資損耗，從而提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和按期交貨能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程的敏捷化。

    2.1  硬件體系結(jié)構(gòu)

    按功能分層，全集成測(cè)控系統(tǒng)大致分為3個(gè)功能層次：過(guò)程控制層、企業(yè)生產(chǎn)管理層和企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器和實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)將3個(gè)功能層次緊密聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的有效管理和廠級(jí)數(shù)據(jù)共享，如圖1所示。

圖1 全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

    2.1.1 過(guò)程控制層

    全集成測(cè)控系統(tǒng)采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)風(fēng)格，依據(jù)控制成本、控制規(guī)模（控制點(diǎn)數(shù)）等實(shí)際測(cè)控需求，既可以用集散控制系統(tǒng)（DCS）對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)施過(guò)程控制，也可以采用傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備PLC系統(tǒng)、軍工測(cè)試與控制領(lǐng)域常用的VXI
系統(tǒng)、小型化PXI系統(tǒng)以及CPCI系統(tǒng)等。不管采用何種控制系統(tǒng)，均可使用OPC或其他連接技術(shù)將各系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)上傳到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中。每套控制系統(tǒng)均與現(xiàn)場(chǎng)儀表、變送器、執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將依據(jù)各系統(tǒng)控制站預(yù)定流程采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和控制實(shí)際被控對(duì)象。

    全集成測(cè)控系統(tǒng)具有很好的開(kāi)放性、可伸縮性及安全性和可靠性。根據(jù)實(shí)際的測(cè)控需求，既可以采用單一總線形式的測(cè)控系統(tǒng)，也可以將幾套不同總線形式的測(cè)控系統(tǒng)集成到一起共同完成預(yù)定的測(cè)控任務(wù)。一般控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有點(diǎn)數(shù)限制，可以依據(jù)實(shí)際控制規(guī)模任意裁剪或擴(kuò)展（增減成套系統(tǒng)或功能板卡），不論系統(tǒng)大小，均能圓滿完成測(cè)控任務(wù)，為企業(yè)節(jié)約了控制成本。同時(shí)關(guān)鍵部件可采用冗余設(shè)置（電源、網(wǎng)絡(luò)、控制卡、IO卡等），出現(xiàn)故障自動(dòng)切換，并發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，全部支持熱拔插，從而有效保證了整套系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

    2.1.2 企業(yè)生產(chǎn)管理層

    企業(yè)生產(chǎn)管理層由多套管理系統(tǒng)組成，主要有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)、HLA服務(wù)器系統(tǒng)、實(shí)時(shí)管理信息系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)、設(shè)備管理及維護(hù)系統(tǒng)以及能源管理系統(tǒng)、批次管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)與結(jié)算系統(tǒng)等。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收與管理過(guò)程控制層中各個(gè)測(cè)控系統(tǒng)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，企業(yè)生產(chǎn)管理層中其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源均出自現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器。各個(gè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)依據(jù)各自職責(zé)隨時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，分析處理后進(jìn)行結(jié)果顯示、存儲(chǔ)、打印等操作。通過(guò)設(shè)備管理及維護(hù)系統(tǒng)可以監(jiān)督、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行有效的系統(tǒng)維護(hù)、故障排查甚至遠(yuǎn)程診斷。

    HLA服務(wù)器系統(tǒng)是基于高層體系結(jié)構(gòu)的仿真服務(wù)器（RTI），通過(guò)HLA客戶端程序可以在線進(jìn)行分布式仿真，比如事故追憶仿真、工藝流程仿真、生產(chǎn)過(guò)程仿真等。

    2.1.3 企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層

    企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層通過(guò)實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)管理層互聯(lián)，其他管理系統(tǒng)均從實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)包括供應(yīng)鏈關(guān)系管理系統(tǒng)、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)以及WEB服務(wù)器等。

    企業(yè)生產(chǎn)管理層中的相關(guān)管理系統(tǒng)將有關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及時(shí)上傳到實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層中的其他管理系統(tǒng)按需從實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)提取數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)分析處理后，進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或直接形成表格，以供企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)或管理人員查
閱。WEB服務(wù)器是企業(yè)的門(mén)戶網(wǎng)站，是聯(lián)通世界各地客戶的大門(mén)，各地區(qū)客戶通過(guò)IE瀏覽器可以隨時(shí)調(diào)閱企業(yè)的相關(guān)信息，比如企業(yè)概況、產(chǎn)品目錄、報(bào)價(jià)、產(chǎn)品介紹、用戶手冊(cè)等。WEB服務(wù)器一旦檢測(cè)到用戶獲取信息請(qǐng)求，將立即檢索實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。檢索到用戶所需信息后，WEB服務(wù)器將把結(jié)果數(shù)據(jù)按預(yù)定格式生成網(wǎng)頁(yè)，并及時(shí)回傳給用戶。

    2.2  軟件體系依據(jù)全集成測(cè)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)劃分，其軟件體系結(jié)構(gòu)大致也分為3個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 友力2008軟件體系結(jié)構(gòu)

    2.2.1 過(guò)程控制層軟件

    主要包含實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、組態(tài)軟件以及OPC服務(wù)器軟件等，這些軟件將分別運(yùn)行在控制站、智能板卡、操作員站、工程師站中，它們相互配合，共同完成過(guò)程監(jiān)測(cè)、先進(jìn)過(guò)程控制、綜合數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葴y(cè)控任務(wù)。

    組態(tài)軟件是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要工具軟件，它完全遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，繁瑣的工藝流程、復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)控制流程圖，變量定義、畫(huà)面定制等工作，均可用可視化的組態(tài)軟件完成。

    為滿足復(fù)雜多變過(guò)程控制需求，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中嵌有多種先進(jìn)控制算法，如航天測(cè)控中心自主研發(fā)的智能預(yù)測(cè)控制算法SPC2008（原理參見(jiàn)圖3所示），將預(yù)測(cè)控制理論、自適應(yīng)控制理論和智能控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)對(duì)被控對(duì)象連續(xù)實(shí)施模型預(yù)測(cè)、反饋控制和滾動(dòng)優(yōu)化，有效解決了其他控制算法無(wú)法解決的多變、強(qiáng)藕、大時(shí)滯復(fù)雜控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題。航空航天、石油石化、鋼鐵電力等大型復(fù)雜自動(dòng)化過(guò)程控制中，大多具有多變量、非線性、時(shí)變性特征，有時(shí)還對(duì)響應(yīng)的快速性和控制的精確性提出更加苛刻的要求，應(yīng)用SPC2008可以使這些難題得到圓滿解決。它是一種無(wú)模型控制技術(shù)并具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，在實(shí)際測(cè)控過(guò)程中不需要建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也不需要在線識(shí)別和現(xiàn)場(chǎng)整定，從而可以節(jié)省大量開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期，節(jié)省人力物力。

圖3 智能預(yù)測(cè)控制原理

    2.2.2 管理層軟件

    生產(chǎn)管理層軟件大致包括11種管理軟件，通過(guò)這些軟件可以有效完成信息、質(zhì)量、設(shè)備、能源、批次、調(diào)度、成本管理。HLA服務(wù)器軟件、HLA客戶端軟件以及建模工具軟件組成了分布式仿真環(huán)境，通過(guò)這些軟件可以完成各種仿真任務(wù)。經(jīng)營(yíng)管理層大致由5種軟件組成：實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、供應(yīng)鏈關(guān)系管理系統(tǒng)軟件、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)軟件、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)軟件以及WEB服務(wù)器軟件等。通過(guò)這些軟件能夠幫助企業(yè)有效完成供應(yīng)鏈、客戶關(guān)系、企業(yè)資源計(jì)劃以及WEB服務(wù)等多項(xiàng)企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理工作。

    3 具體應(yīng)用實(shí)例

    3.1  全集成測(cè)控系統(tǒng)在熱電廠生產(chǎn)過(guò)程控制中的應(yīng)用

    熱電廠在穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行情況下的控制并不是一個(gè)困難問(wèn)題，但是，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突然變化而使過(guò)程失去平衡或出現(xiàn)異常干擾時(shí)，控制問(wèn)題就變得十分困難和復(fù)雜了，比如像負(fù)荷調(diào)整、隨機(jī)干擾、設(shè)備啟停、煤的熱度、細(xì)度、濕度變化等，采
用具有常規(guī)控制算法（比如PID）進(jìn)行過(guò)程控制時(shí)，很多變量都會(huì)偏離設(shè)定值而發(fā)生震蕩。這種振蕩將直接影響設(shè)備性能，壽命和可靠性。此外，由于變量存在振蕩，現(xiàn)場(chǎng)操作人員不得不使設(shè)定值遠(yuǎn)離其物理極限。這樣雖然保證了生產(chǎn)安全，但卻大大犧牲了生產(chǎn)效率。熱電廠鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要是通過(guò)不斷調(diào)整給煤量和風(fēng)量維持主汽壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)控制方法實(shí)現(xiàn)這一控制功能將會(huì)面臨以下困難：（1）鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)耦合嚴(yán)重、非線性、時(shí)變性、擾動(dòng)大且變化劇烈的多變量系統(tǒng)。送風(fēng)量、引風(fēng)量、熱負(fù)荷、給煤量、蒸汽量的變化都將對(duì)燃燒控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接擾動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)較大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行；（2）煤種及煤質(zhì)的變化給系統(tǒng)帶來(lái)不確定性；（3）給煤量的變化到主汽壓的變化回路存在時(shí)間滯后；（4）影響鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的工況參數(shù)很多，很難建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；（5）發(fā)電設(shè)備的高電壓導(dǎo)致許多測(cè)量信號(hào)存在噪聲；（6）常規(guī)PID控制的適應(yīng)能力較差，存在較大的超調(diào)量，設(shè)定值的不斷變化使鍋爐不能在優(yōu)化狀態(tài)下運(yùn)行。

    為此，通過(guò)應(yīng)用智能預(yù)測(cè)控制技術(shù)，采用多變量的輸入輸出協(xié)同調(diào)節(jié)，使振蕩幅度大為降低，即使在負(fù)荷急劇變化和存在異常干擾的情況下，也能保持穩(wěn)定。友力2008中的先進(jìn)智能預(yù)測(cè)控制技術(shù)有效保證了設(shè)備的安全、可靠，并在此基礎(chǔ)上提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了節(jié)能降耗目標(biāo)。

    3.2  友力2008全集成測(cè)控系統(tǒng)在航天器熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制中的應(yīng)用

    航天器的熱模擬試驗(yàn)是為了驗(yàn)證航天器在飛行階段各種條件下的耐熱設(shè)計(jì)的正確性，試驗(yàn)過(guò)程中要求實(shí)現(xiàn)非常苛刻的快
速而準(zhǔn)確的溫度變化，以準(zhǔn)確模擬航天器的飛行過(guò)程。因此，不僅要求系統(tǒng)具備高速數(shù)據(jù)采集和快速控制輸出，同時(shí)要求被控參數(shù)準(zhǔn)確跟蹤設(shè)定曲線。為此，系統(tǒng)采用VXI儀器總線系統(tǒng)平臺(tái)，其中AMC8413高速A/D模塊用于數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了高速高精度的數(shù)據(jù)采集； AMC8415閉環(huán)算法控制器模塊，內(nèi)嵌智能預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)快速先進(jìn)的控制，每塊AMC8415模塊內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)32路的輸入和輸出（工作原理參見(jiàn)圖4所示），同時(shí)在VXI總線下模塊之間實(shí)現(xiàn)控制輸出的同步，在高速DSP的運(yùn)行環(huán)境下，每個(gè)回路的控制周期在10ms以內(nèi)，實(shí)施的智能預(yù)測(cè)控制算法實(shí)現(xiàn)快速跟蹤無(wú)超調(diào)無(wú)震蕩，完全滿足了航天器熱實(shí)驗(yàn)的需求。

圖4 AMC8415閉環(huán)算法控制器工作原理

    4 結(jié) 論

    全集成新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)充分利用了當(dāng)今電子技術(shù)、信息技術(shù)、先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)以及仿真技術(shù)的最新成果，使其能夠適應(yīng)任何復(fù)雜多變的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，特別對(duì)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大時(shí)滯控制對(duì)象具有很好的控制表現(xiàn)，并獲得明顯的實(shí)際效果。開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、可伸縮性設(shè)計(jì)能使企業(yè)實(shí)現(xiàn)低投入、高產(chǎn)出的目標(biāo)，先進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)技術(shù)可有效保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。友力2008控制系統(tǒng)能與任何廠級(jí)信息化網(wǎng)無(wú)縫連接，為用戶組建管控一體化平臺(tái)創(chuàng)造了有力條件，為企業(yè)高效、節(jié)能、減排以及信息化水平的提升提供了可靠保障。

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