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    摘要：本文簡要論述了先進過程控制技術的產生與發展背景，介紹了全集成新一代工業自動化控制系統的組成及技術特點，通過兩個具體的應用實例，驗證和說明了自動化測控系統及先進的智能預測控制技術對多變量、強耦合、非線性、大時滯等復雜被控對象具有很好的控制品質，能較好地滿足對安全、高效、優質、低耗等自動化生產需求。

    關鍵詞：智能預測控制；全集成；工業自動化；OPC；HLA；SPC

    1 引 言

    隨著現代工業生產過程控制日趨多樣化和復雜化，常規控制理論及技術難以解決復雜過程控制中遇到的諸多問題，比如多變量、強耦合、非線性、大時滯等。伴隨人們對安全性、高效率、優質量、低能耗自動化生產需求的不斷提高，各種先進控制技術應運而生，比如自適應控制、預測控制、魯棒控制、智能控制、專家系統、模糊控制，等等。隨著測控技術的飛速發展和測控領域的不斷擴展，人們對測控系統的要求越來越高，因此，基于原始的低水平、單功能的重復開發模式已不適應現代測控系統的需求，而通用化、標準化、模塊化、集成化設計理念已經成為當今測控系統的主流。自動控制技術、電子技術、計算機技術、網絡通信技術的飛速發展與成熟，為研究與實現全集成新一代工業自動化控制系統創造了有利條件。伴隨著世界各國工業自動化需求不斷增加和工業生產過程控制的多樣化和復雜化，推廣應用具有先進過程控制功能的全集成新一代工業自動化測控系統勢在必行。

    中國航天科工集團測控中心（航天測控中心）將先進控制理論與多年在軍工、民用領域的實際測控經驗相結合，針對大型復雜生產過程的控制特點，推出了全集成新一代工業自動化控制系統-友力2008。通過在航空航天、石油化工、鋼鐵、
電力、軍工等測控領域的具體應用與實踐證明，具有先進智能預測控制功能的綜合自動化控制系統——友力2008，能有效解決常規測控系統中無法解決的多變、強藕合、大時滯等復雜控制對象的動態控制問題，實現了整個自動化生產過程安全、高效、平穩運行，產生了很好的經濟效益和社會效益。

    2 全集成新一代工業自動化控制系統簡介全集成新一代工業自動化控制系統集信息鏈接技術、現場總線技術、智能預測控制技術、HLA仿真技術、數據處理技術、OPC技術、組態技術于一身，遵循網絡化、層次化設計理念，將生產調度、數據采集、質量控制、文檔管理、績效管理等相關功能進行有機集成，為控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源提供了統一的管理平臺，為企業精細化、彈性化生產制造提供了良好的管理環境，可以幫助企業靈活地進行生產調度、合理安排企業產能、提高生產效率、實時監控生產過程、減低成本和物資損耗，從而提高企業產品質量和按期交貨能力，實現生產制造過程的敏捷化。

    2.1  硬件體系結構

    按功能分層，全集成測控系統大致分為3個功能層次：過程控制層、企業生產管理層和企業經營管理層，通過現場數據服務器和實時關系數據庫將3個功能層次緊密聯系在一起，實現了海量數據的有效管理和廠級數據共享，如圖1所示。

圖1 全集成新一代工業自動化控制系統硬件體系結構

    2.1.1 過程控制層

    全集成測控系統采用開放式設計風格，依據控制成本、控制規模（控制點數）等實際測控需求，既可以用集散控制系統（DCS）對自動化生產實施過程控制，也可以采用傳統的工業自動化控制設備PLC系統、軍工測試與控制領域常用的VXI
系統、小型化PXI系統以及CPCI系統等。不管采用何種控制系統，均可使用OPC或其他連接技術將各系統實時數據進行歸一化處理，并將處理結果數據上傳到現場數據服務器中。每套控制系統均與現場儀表、變送器、執行器、開關等現場設備連接，這些現場設備將依據各系統控制站預定流程采集現場數據和控制實際被控對象。

    全集成測控系統具有很好的開放性、可伸縮性及安全性和可靠性。根據實際的測控需求，既可以采用單一總線形式的測控系統，也可以將幾套不同總線形式的測控系統集成到一起共同完成預定的測控任務。一般控制系統可以實現沒有點數限制，可以依據實際控制規模任意裁剪或擴展（增減成套系統或功能板卡），不論系統大小，均能圓滿完成測控任務，為企業節約了控制成本。同時關鍵部件可采用冗余設置（電源、網絡、控制卡、IO卡等），出現故障自動切換，并發出聲、光報警信號，全部支持熱拔插，從而有效保證了整套系統長時間安全、穩定、可靠的運行。

    2.1.2 企業生產管理層

    企業生產管理層由多套管理系統組成，主要有現場數據服務器系統、HLA服務器系統、實時管理信息系統、質量分析系統、設備管理及維護系統以及能源管理系統、批次管理系統、生產調度系統、生產成本統計與結算系統等?，F場數據服務器負責接收與管理過程控制層中各個測控系統上傳的實時數據，企業生產管理層中其他系統的數據來源均出自現場數據服務器。各個生產管理系統依據各自職責隨時從現場數據服務器中提取相關數據信息，分析處理后進行結果顯示、存儲、打印等操作。通過設備管理及維護系統可以監督、指導現場人員進行有效的系統維護、故障排查甚至遠程診斷。

    HLA服務器系統是基于高層體系結構的仿真服務器（RTI），通過HLA客戶端程序可以在線進行分布式仿真，比如事故追憶仿真、工藝流程仿真、生產過程仿真等。

    2.1.3 企業經營管理層

    企業經營管理層通過實時關系數據庫系統與企業生產管理層互聯，其他管理系統均從實時關系數據庫中提取數據，這些系統包括供應鏈關系管理系統、客戶關系管理系統、企業資源計劃管理系統以及WEB服務器等。

    企業生產管理層中的相關管理系統將有關數據處理結果及時上傳到實時關系數據庫，企業經營管理層中的其他管理系統按需從實時關系數據庫提取數據信息，經過分析處理后，進行顯示、存儲或直接形成表格，以供企業領導或管理人員查
閱。WEB服務器是企業的門戶網站，是聯通世界各地客戶的大門，各地區客戶通過IE瀏覽器可以隨時調閱企業的相關信息，比如企業概況、產品目錄、報價、產品介紹、用戶手冊等。WEB服務器一旦檢測到用戶獲取信息請求，將立即檢索實時關系數據庫。檢索到用戶所需信息后，WEB服務器將把結果數據按預定格式生成網頁，并及時回傳給用戶。

    2.2  軟件體系依據全集成測控系統硬件體系結構劃分，其軟件體系結構大致也分為3個層次，如圖2所示。

圖2 友力2008軟件體系結構

    2.2.1 過程控制層軟件

    主要包含實時操作系統軟件、實時監控軟件、組態軟件以及OPC服務器軟件等，這些軟件將分別運行在控制站、智能板卡、操作員站、工程師站中，它們相互配合，共同完成過程監測、先進過程控制、綜合數據處理、數據傳輸等測控任務。

    組態軟件是工業自動化控制系統中的重要工具軟件，它完全遵循IEC61131-3標準設計，繁瑣的工藝流程、復雜的現場控制流程圖，變量定義、畫面定制等工作，均可用可視化的組態軟件完成。

    為滿足復雜多變過程控制需求，實時控制系統中嵌有多種先進控制算法，如航天測控中心自主研發的智能預測控制算法SPC2008（原理參見圖3所示），將預測控制理論、自適應控制理論和智能控制技術有機結合，通過對被控對象連續實施模型預測、反饋控制和滾動優化，有效解決了其他控制算法無法解決的多變、強藕、大時滯復雜控制對象的動態控制問題。航空航天、石油石化、鋼鐵電力等大型復雜自動化過程控制中，大多具有多變量、非線性、時變性特征，有時還對響應的快速性和控制的精確性提出更加苛刻的要求，應用SPC2008可以使這些難題得到圓滿解決。它是一種無模型控制技術并具有很強的自學習能力，在實際測控過程中不需要建立控制對象的數學模型，也不需要在線識別和現場整定，從而可以節省大量開發經費，縮短研制周期，節省人力物力。

圖3 智能預測控制原理

    2.2.2 管理層軟件

    生產管理層軟件大致包括11種管理軟件，通過這些軟件可以有效完成信息、質量、設備、能源、批次、調度、成本管理。HLA服務器軟件、HLA客戶端軟件以及建模工具軟件組成了分布式仿真環境，通過這些軟件可以完成各種仿真任務。經營管理層大致由5種軟件組成：實時關系數據庫管理軟件、供應鏈關系管理系統軟件、客戶關系管理系統軟件、企業資源計劃管理系統軟件以及WEB服務器軟件等。通過這些軟件能夠幫助企業有效完成供應鏈、客戶關系、企業資源計劃以及WEB服務等多項企業經營管理工作。

    3 具體應用實例

    3.1  全集成測控系統在熱電廠生產過程控制中的應用

    熱電廠在穩定負荷運行情況下的控制并不是一個困難問題，但是，當負荷發生突然變化而使過程失去平衡或出現異常干擾時，控制問題就變得十分困難和復雜了，比如像負荷調整、隨機干擾、設備啟停、煤的熱度、細度、濕度變化等，采
用具有常規控制算法（比如PID）進行過程控制時，很多變量都會偏離設定值而發生震蕩。這種振蕩將直接影響設備性能，壽命和可靠性。此外，由于變量存在振蕩，現場操作人員不得不使設定值遠離其物理極限。這樣雖然保證了生產安全，但卻大大犧牲了生產效率。熱電廠鍋爐燃燒控制系統主要是通過不斷調整給煤量和風量維持主汽壓力在規定范圍內，采用傳統控制方法實現這一控制功能將會面臨以下困難：（1）鍋爐燃燒控制系統是一個耦合嚴重、非線性、時變性、擾動大且變化劇烈的多變量系統。送風量、引風量、熱負荷、給煤量、蒸汽量的變化都將對燃燒控制系統產生直接擾動，當波動較大時就會出現振蕩現象，嚴重影響鍋爐的安全運行；（2）煤種及煤質的變化給系統帶來不確定性；（3）給煤量的變化到主汽壓的變化回路存在時間滯后；（4）影響鍋爐燃燒控制系統的工況參數很多，很難建立起準確的數學模型；（5）發電設備的高電壓導致許多測量信號存在噪聲；（6）常規PID控制的適應能力較差，存在較大的超調量，設定值的不斷變化使鍋爐不能在優化狀態下運行。

    為此，通過應用智能預測控制技術，采用多變量的輸入輸出協同調節，使振蕩幅度大為降低，即使在負荷急劇變化和存在異常干擾的情況下，也能保持穩定。友力2008中的先進智能預測控制技術有效保證了設備的安全、可靠，并在此基礎上提高了生產效率，達到了節能降耗目標。

    3.2  友力2008全集成測控系統在航天器熱實驗過程控制中的應用

    航天器的熱模擬試驗是為了驗證航天器在飛行階段各種條件下的耐熱設計的正確性，試驗過程中要求實現非?？量痰目?BR>速而準確的溫度變化，以準確模擬航天器的飛行過程。因此，不僅要求系統具備高速數據采集和快速控制輸出，同時要求被控參數準確跟蹤設定曲線。為此，系統采用VXI儀器總線系統平臺，其中AMC8413高速A/D模塊用于數據采集，實現了高速高精度的數據采集； AMC8415閉環算法控制器模塊，內嵌智能預測控制算法，實現快速先進的控制，每塊AMC8415模塊內可以實現32路的輸入和輸出（工作原理參見圖4所示），同時在VXI總線下模塊之間實現控制輸出的同步，在高速DSP的運行環境下，每個回路的控制周期在10ms以內，實施的智能預測控制算法實現快速跟蹤無超調無震蕩，完全滿足了航天器熱實驗的需求。

圖4 AMC8415閉環算法控制器工作原理

    4 結 論

    全集成新一代工業自動化控制系統充分利用了當今電子技術、信息技術、先進工業自動化控制技術以及仿真技術的最新成果，使其能夠適應任何復雜多變的自動化生產過程，特別對多變量、強耦合、非線性、大時滯控制對象具有很好的控制表現，并獲得明顯的實際效果。開放性、可擴展性、可伸縮性設計能使企業實現低投入、高產出的目標，先進的冗余設計技術可有效保證系統長時間穩定運行。友力2008控制系統能與任何廠級信息化網無縫連接，為用戶組建管控一體化平臺創造了有力條件，為企業高效、節能、減排以及信息化水平的提升提供了可靠保障。

    參考文獻

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