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1、引言 隨著(zhù)國內外石油化工領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)技術(shù)對現有裝置進(jìn)行技術(shù)改 造，逐步提高裝置的生產(chǎn)規模和工藝技術(shù)水平，提高裝置的經(jīng)濟效益是一種必然的趨勢。在 此趨勢下，很多企業(yè)希望通過(guò)先進(jìn)控制的方法達到以上目的。而裝置先進(jìn)控制以及回路自動(dòng) 控制的基礎就是PID 參數的合適設置。 現階段 PID 參數的設置很大程度上依賴(lài)于操作工人的經(jīng)驗，對于沒(méi)有經(jīng)驗的工作人員 來(lái)說(shuō)調整PID 參數有些難度。PID 優(yōu)化整定系統正是針對此問(wèn)題，自行設計開(kāi)發(fā)的系統軟件， 其目的是為了實(shí)現PID 參數整定的簡(jiǎn)單化，對于沒(méi)有合適參數的回路通過(guò)計算得到接近的 參數值，對已有的參數給出優(yōu)化的參數值。PID 優(yōu)化整定系統的基礎是數據采集模塊。數據 采集模塊以OPC 協(xié)議作為接口通訊方式，連接DCS 工程師站與上位機進(jìn)行數據讀取。 2、DCS 及OPC 概述 DCS（Distributed Control System）集散控制系統產(chǎn)生于20 世紀70 年代，它滿(mǎn)足了大型 生產(chǎn)的自動(dòng)化要求，大大提高了單套裝置的生產(chǎn)能力。在國內大型石油化工聯(lián)合企業(yè)中， 主要煉油化工裝置已經(jīng)基本實(shí)現了DCS 控制，優(yōu)化了生產(chǎn)過(guò)程并提高了生產(chǎn)效率，但由于 大多數DCS 系統是封閉系統，普遍缺乏統一、標準的開(kāi)放式接口，難以滿(mǎn)足企業(yè)信息化和 管控一體化的發(fā)展要求。為了解決這些問(wèn)題，一些與微軟公司合作的自動(dòng)化硬件和軟件供應商聯(lián)合制定了一套稱(chēng)為OPC 規范的接口協(xié)議，以此來(lái)提高過(guò)程控制工業(yè)中的自動(dòng)化／控制 應用程序，現場(chǎng)系統／設備以及商業(yè)／辦公室應用程序之間的互操作性。 OPC是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)接口標準，意指用于過(guò)程控制的OLE技術(shù)。OPC基于微軟的 OLE、COM和DCOM技術(shù)，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過(guò)程控制和制造 業(yè)自動(dòng)化系統。OPC技術(shù)的實(shí)質(zhì)是允許任何設備與其它設備自由通訊的一種機制，是一種 用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化的即插即用的軟件技術(shù)，是一種過(guò)程實(shí)時(shí)數據交換的工業(yè)標準 。這個(gè)接口規范不但能夠應用于單臺計算機，而且可以支持網(wǎng)絡(luò )上分布式應用程序之間的 通訊，以及不同平臺上應用程序之間的通訊。其基本思想是：每個(gè)硬件供應商為其設備開(kāi)發(fā) 一個(gè)通用的數據接口(即OPC Server)，供其它系統讀寫(xiě)信息，客戶(hù)應用軟件也可以通過(guò)OPC 規范的接口來(lái)讀寫(xiě)硬件設備的信息(作為OPCClient)。我們在使OPC時(shí)，不必關(guān)心底層硬件內 部的具體細節，只需遵循OPC數據接口協(xié)議，就能夠從不同OPC數據服務(wù)器中取得數據。 3、OPC接口的設計 OPC接口的設計包括OPC服務(wù)器端和客戶(hù)端兩個(gè)部分，其實(shí)質(zhì)就是連接數據源和數據使 用者之間的通道。目前，許多DCS產(chǎn)品都推出和集成了OPC服務(wù)器，例如基于Windows操作 系統的YOKOGAWA CS3000 DCS和ROSEMOUNT DELTA V DCS。因此，設計PID優(yōu)化整定 系統的OPC接口有很大的普遍性和實(shí)用性。 3.1 OPC接口的選擇及實(shí)現 OPC規范規定了兩套接口標準：OPC自定義接口和OPC自動(dòng)化接口，如圖1所示。自定 義接口的效率高，通過(guò)該接口，客戶(hù)能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能，采用C++語(yǔ)言的客戶(hù) 一般采用自定義接口方案；自動(dòng)化接口使解釋性語(yǔ)言和宏語(yǔ)言訪(fǎng)問(wèn)OPC服務(wù)器成為可能，采 用VB、Delphi等語(yǔ)言的客戶(hù)一般采用自動(dòng)化接口。 圖 1 OPC 接口類(lèi)型 其中，客戶(hù)端程序的開(kāi)發(fā)主要是指客戶(hù)端程序中 OPC 接口部分的開(kāi)發(fā)�？蛻�(hù)端程序本 身可以完成很多復雜的數據處理與顯示功能，但需要通過(guò)OPC 接口部分訪(fǎng)問(wèn)OPC 服務(wù)器， 對現場(chǎng)數據進(jìn)行存取。設計時(shí)可根據不同的需求特點(diǎn)，應用不同的接口標準。 3.2 OPC數據存取服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)方式 OPC客戶(hù)程序對OPC服務(wù)器中數據的訪(fǎng)問(wèn)方式主要有同步、異步和訂閱三種�？蛻�(hù)程序 可按照一定的周期對服務(wù)器程序進(jìn)行數據同步存取操作，此時(shí)客戶(hù)方的調用函數一直運行到 所有數據讀寫(xiě)完成。在異步通信方式下，服務(wù)器程序定期刷新OPC項，并判斷其數值或品質(zhì) 是否變化，如果有變化則將變化后的數據發(fā)送給客戶(hù)程序，此時(shí)客戶(hù)方的調用函數可立刻返 回。顯然，異步通報方式的通信效率更高，但有多個(gè)客戶(hù)程序與服務(wù)器相連時(shí)，同步讀寫(xiě)方 式更具時(shí)效性。第三種訂閱方式，即OPC服務(wù)器監控的數據在狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)主動(dòng)的通知 客戶(hù)程序，而不用客戶(hù)被動(dòng)地、一次次地去查詢(xún)數據，判斷其是否發(fā)生改變。對于每個(gè)組 對象，客戶(hù)程序可根據需要采用其中一種數據存取方式。 4、PID優(yōu)化整定系統OPC接口的架構與實(shí)現 4.1 PID優(yōu)化整定系統的軟、硬件結構 PID優(yōu)化整定系統的硬件為一臺裝有OPC接口客戶(hù)端程序的PC機，根據實(shí)際情況分別采 用添加網(wǎng)卡或使用路由器的方式接入到控制系統的工程師站上，使PID優(yōu)化整定系統與工程 師站處在同一局域網(wǎng)內。如果原有的工程師站上配有雙網(wǎng)卡，則直接使用網(wǎng)線(xiàn)與工程師站連 接；如果沒(méi)有雙網(wǎng)卡，或不方便接入的，則添加路由器，將兩臺機器接入同一網(wǎng)內。 圖2 系統網(wǎng)絡(luò )結構圖 PID優(yōu)化整定系統的軟件是指優(yōu)化整定PC機上裝有的自行開(kāi)發(fā)的PID優(yōu)化整定軟件。數 據采集的通訊接口方式使用OPC自動(dòng)化接口方式，數據采集所搭建的環(huán)境結構如圖2所示。 4.2 OPC接口的實(shí)現 由圖2可以看出，整個(gè)系統的服務(wù)器端采用DCS提供的OPC接口，在工程師站上放置使 用OPC數據訪(fǎng)問(wèn)接口編寫(xiě)的OPC應用程序，它主要有兩個(gè)方面的功能：一是作為控制系統的 客戶(hù)端，連接下位機與上位機，讀取現場(chǎng)數據；二是作為PID優(yōu)化整定系統的服務(wù)器端，連 接PID優(yōu)化整定系統與下位機，將數據讀取到PID優(yōu)化整定站，供后期數據計算使用。而數 據采集部分的客戶(hù)端，則放置在PID優(yōu)化整定站，是使用VB語(yǔ)言，按照OPC自動(dòng)化訪(fǎng)問(wèn)接口 編寫(xiě)的應用程序。讀取數據后，將相關(guān)數據保存在A(yíng)ccess數據庫中，以便于以后隨時(shí)查詢(xún)使 用。在全部數據讀取過(guò)程中，應用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議主要為T(mén)CP/IP協(xié)議。 4.2.1 OPC服務(wù)器端的實(shí)現 根據不同工廠(chǎng)DCS設備或者工程師站操作系統的具體情況，服務(wù)器端分別采用兩種接口 方式，即自動(dòng)化接口和自定義接口編寫(xiě)服務(wù)器端程序。例如，對于YOKOGAWA CS3000 DCS， 采用的是VB編寫(xiě)的自動(dòng)化接口方式；對于ROSEMOUNT DELTA V DCS采用的是C++編寫(xiě)的 自定義接口方式。 4.2.2 OPC客戶(hù)端的實(shí)現 客戶(hù)端的主要實(shí)現方式是OPC自動(dòng)化接口方式，使用VB編寫(xiě)應用程序。對于工廠(chǎng)各裝 置回路中pv（實(shí)測值）、sv（設定值）、mv（閥門(mén)開(kāi)度）參數的采集使用同步通訊的方式； 而對于回路控制的自動(dòng)、手動(dòng)情況的采集則使用訂閱通訊的方式，即在參數（控制狀態(tài)）發(fā) 生改變時(shí)主動(dòng)通知客戶(hù)端程序。 OPC數據訪(fǎng)問(wèn)對象由分層結構組成，它由上而下包括OPC服務(wù)器對象（OPCServer）、 組對象（OPCGroup）、項對象（OPCItem），在設計OPC客戶(hù)端程序時(shí)，基本按照以上順 序進(jìn)行連接。對于OPC自動(dòng)化接口方式，OPC基金會(huì )專(zhuān)門(mén)為它的開(kāi)發(fā)提供了“自動(dòng)化包裝器” OPCDAAuto.dll，在編寫(xiě)程序前，應該首先在VB項目中引用該動(dòng)態(tài)鏈接庫，這樣才能調用 OPC自動(dòng)化規范中定義的屬性、方法和事件�？蛻�(hù)端程序設計的基本步驟如下： （1）在VB工程中添加對OPCDAAuto.dll的引用。 （2）聲明OPC對象。 （3）連接OPC服務(wù)器，創(chuàng )建OPC對象。設計時(shí)需要調用OPC服務(wù)器對象的“Connect” 方法，和OPC服務(wù)器建立連接。之后，用OPC服務(wù)器對象的“OPCGroups”屬性生成一個(gè)組 集合，再調用“Add”方法在OPC組集合中添加新的OPC組。最后，在對OPC服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng) 問(wèn)前，要使用“OPCItems”屬性生成項集合，并使用“Add”添加新的OPC項。 （4）讀取數據。對于裝置回路PID參數采集采用同步讀取方式，對于裝置回路的控制 狀態(tài)采集采用訂閱讀取方式；最多可同時(shí)讀取16條回路的參數。 （5）刪除OPC對象，斷開(kāi)與服務(wù)器的連接。連接著(zhù)OPC服務(wù)器的OPC應用程序，在退 出之前必須斷開(kāi)與OPC服務(wù)器的連接。否則，OPC服務(wù)器不知道OPC應用程序的退出，計算 機資源就一直不能被釋放，長(cháng)此以往，會(huì )造成計算機資源枯竭而產(chǎn)生嚴重問(wèn)題。斷開(kāi)連接時(shí)， 使用“Disconnect”方法；并將OPCItems、OPCGroup和OPCServer都置為Nothing，刪除對象。 4.3 數據存儲及導出的實(shí)現 為了給后期PID優(yōu)化整定提供大量完整的數據，在數據采集過(guò)程中需要將大量數據保存 在A(yíng)ccess數據庫中，以備使用。由于同時(shí)讀取多條回路，數據量很大，為避免在最后保存數 據時(shí)由于數據量過(guò)大而造成時(shí)間過(guò)慢，甚至是死機現象，設計時(shí)采取每讀取30個(gè)數據自動(dòng)保 存一次的方法。另外，在把數據導出到Excel過(guò)程中，由于Excel自身的限制，一張Sheet保存 的數據有限，為了避免數據溢出，設計成每保存一定數據自動(dòng)生成一張新的Sheet進(jìn)行存儲。 5、結束語(yǔ) 以OPC為接口通訊方式的數據采集模塊是PID優(yōu)化整定系統的基礎，該模塊及整個(gè)PID 優(yōu)化整定系統的設計都相對獨立于現場(chǎng)工程師站，使用OPC通訊也只進(jìn)行讀操作而不進(jìn)行寫(xiě) 操作。該設計的好處是，既能使兩臺機器互相沒(méi)有影響，又能使客戶(hù)端采集到全部DCS數據。 鑒于石油化工企業(yè)的重要性，數據采集只讀不寫(xiě)，具有較好的安全性，可以保證原系統數據 的安全和純潔，也避免了數據錯誤造成的影響，保證了生產(chǎn)的安全。目前，PID優(yōu)化整定系 統經(jīng)過(guò)實(shí)驗室長(cháng)期檢驗，已經(jīng)穩定的運行于國內許多石油化工企業(yè)中，且運行狀況良好。 現在，絕大多數工控廠(chǎng)商為實(shí)現系統的開(kāi)放性，其DCS都提供了OPC接口。同時(shí)，OPC 基金會(huì )也在不斷推出新的產(chǎn)品，從OPC DA到OPC XML-DA，再到OPC UA。OPC必然會(huì )向 更為廣泛的跨語(yǔ)言、跨平臺、企業(yè)級的方向發(fā)展。 |
