宋怡霖　陳新楚，2（. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州　3506；2. 福建省工業(yè)控制信息安全技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州　350008）

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模塊化控制策略組態(tài)技術(shù)的研究

宋怡霖1陳新楚1，2
（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350116；
2. 福建省工業(yè)控制信息安全技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350008）

摘要工業(yè)控制策略組態(tài)軟件的興起為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)辟了一篇新天地。本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)控制策略組態(tài)軟件的發(fā)展歷史，并重點(diǎn)討論了目前組態(tài)軟件存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的通用性、跨平臺(tái)的模塊化控制策略組態(tài)軟件IAPlogic，并詳細(xì)說(shuō)明了IAPlogic不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)控制算法的邏輯組態(tài)，更能擴(kuò)展到先進(jìn)控制技術(shù)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；模塊化；先進(jìn)控制技術(shù)

Research on Modular Configuration Technology of Control Strategy

Song Yilin1Chen Xinchu1,2
（1. College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350116; 2. Fujian Provincial Enterprise Key Laboratory of Industrial Control Information Security Technology，F(xiàn)uzhou350008）

Abstract The rise of industrial control strategy configuration software has opened up a new world in the field of process control and industrial automation. This paper， at the beginning， makes a brief introduction about the development history of industrial control strategy configuration software. Then it focuses the discussion on the existing problems of configuration software. After that， a new general， cross platform and modular control strategy configuration software IAPlogic is presented. At last this paper details that IAPlogic can not only realize the logical configuration of the traditional control algorithm， also can extend to the field of advanced control technology.

Keywords：configuration software; modular; advanced control technology

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、圖形建模技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，人們?cè)絹?lái)越傾向于使用一種無(wú)需改變運(yùn)行程序源代碼的便捷平臺(tái)工具——工業(yè)系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件。組態(tài)軟件在實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的過(guò)程中，免去了大量繁瑣的編程工作，解決了長(zhǎng)期以來(lái)工程控制人員缺乏計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)與計(jì)算機(jī)專業(yè)人員缺乏現(xiàn)場(chǎng)控制操作技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)間的矛盾，極大地提高了自動(dòng)化工程的工作效率。

目前世界上的組態(tài)軟件有近百種，總裝機(jī)量有十萬(wàn)套。對(duì)比國(guó)內(nèi)外有代表性的組態(tài)軟件產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)有許多共同之處，但也各有特色。普遍的共同點(diǎn)如有豐富的功能模塊，均使用腳本語(yǔ)言提供二次開(kāi)發(fā)，均設(shè)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形組態(tài)功能等等，所以又將現(xiàn)在的控制策略組態(tài)軟件稱為“模塊化控制策略組態(tài)軟件”。

1　控制策略組態(tài)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1組態(tài)軟件的發(fā)展史

組態(tài)軟件誕生于20世紀(jì)80年代初，隨著PC機(jī)的興起而不斷發(fā)展[1]。80年代的組態(tài)軟件大多運(yùn)行在DOS環(huán)境下，圖形界面的功能較弱。20世紀(jì)90年代以后，隨著Windows3.0的風(fēng)靡，Wonderware公司最早開(kāi)發(fā)了支持Windows系統(tǒng)下運(yùn)行的組態(tài)軟件Intouch，而在80年代靠DOS版組態(tài)軟件起家，后又向OS/2移植的公司基本上都逐漸沒(méi)落了。

國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段，80年代末期，組態(tài)軟件進(jìn)入我國(guó)。國(guó)內(nèi)目前知名的組態(tài)軟件大多從90年代中后期開(kāi)始起步，經(jīng)歷了艱苦創(chuàng)業(yè)的過(guò)程，從1人或幾個(gè)人開(kāi)始，參照國(guó)外組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，具有較濃的模仿色彩；2000年到2005年是國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件快速發(fā)展的階段，造就了一批行業(yè)知名的組態(tài)軟件；2006年以后國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了一批新的組態(tài)軟件公司，一些高校、研究所和個(gè)人也積極地研究組態(tài)軟件產(chǎn)品[2-3]。

1.2組態(tài)軟件概況

控制策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)與分布式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展密不可分，但相對(duì)于近年來(lái)分布式控制系統(tǒng)硬件與底層軟件的快速升級(jí)換代，控制策略組態(tài)軟件的發(fā)展在通用性、互換性上卻相對(duì)落后了。

目前的工業(yè)控制策略組態(tài)軟件，大多仍采用梯形圖編程語(yǔ)言且組態(tài)軟件與硬件緊密相關(guān)。自動(dòng)化廠商只針對(duì)自身硬件提供專用的組態(tài)工具軟件，如OMRON的CX-programmer、西門(mén)子STEP7、AB PLC等編程軟件。雖然部分組態(tài)軟件在形式上遵從了IEC 61131-3五種編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，但各生產(chǎn)廠商的組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)是獨(dú)立進(jìn)行的，缺乏具體的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使目前的組態(tài)軟件在設(shè)計(jì)風(fēng)格、操作規(guī)范、編程規(guī)則、元件功能、程序封裝等環(huán)節(jié)均不一致。同樣的控制策略組態(tài)程序無(wú)法在不同技術(shù)平臺(tái)的控制器上移植和運(yùn)行，造成用戶需要學(xué)習(xí)多種類(lèi)型組態(tài)語(yǔ)言、組態(tài)開(kāi)發(fā)效率低下、控制系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本高等問(wèn)題。

2　模塊化控制策略組態(tài)技術(shù)

2.1工業(yè)自動(dòng)化通用技術(shù)平臺(tái)

Industry Automation Platform（IAP），即工業(yè)自動(dòng)化通用技術(shù)平臺(tái)，是由福建中海創(chuàng)集團(tuán)研發(fā)的一種基于圖形化、模塊化控制邏輯組態(tài)技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)，它第一次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的跨平臺(tái)應(yīng)用與控制系統(tǒng)的軟硬件分離。

IAP通過(guò)核心技術(shù)——數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制策略組態(tài)的跨平臺(tái)運(yùn)行，即可同時(shí)采用不同品牌的PLC、IPC或類(lèi)似裝置作為控制站而不需要使用其原版軟件的完整的DCS工業(yè)控制系統(tǒng)。IAP的軟件工具主要由數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)軟件IAPplant、模塊化控制策略組態(tài)軟件IAPlogic、人機(jī)界面組態(tài)軟件IAPview和數(shù)據(jù)中心管理軟件IAPdata等部分構(gòu)成。

IAPplant采用面向設(shè)備的多維立體方式構(gòu)建現(xiàn)代化工廠的工藝設(shè)備和控制設(shè)備，將其他系統(tǒng)軟件無(wú)縫的連接在一起，提供相互之間的系統(tǒng)信息交互通道，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)構(gòu)架一體化的數(shù)據(jù)管理環(huán)境。IAPview采用面向設(shè)備的無(wú)腳本調(diào)試組態(tài)模式，提供豐富的面向不同行業(yè)的不同應(yīng)用的圖形元件庫(kù)，集成先進(jìn)的趨勢(shì)圖、報(bào)警、報(bào)表和操作窗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)服務(wù)器的分布式通信技術(shù)，完成生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)人機(jī)交互畫(huà)面的編輯和運(yùn)行。IAPdata針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中管理，擁有高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信和處理功能，能夠進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、操作日志等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、壓縮、查詢，還可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的外部接口服務(wù)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的深度挖掘和優(yōu)化管理。本文研究除采用了以上幾種軟件外，重點(diǎn)使用IAPlogic實(shí)現(xiàn)對(duì)角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模、仿真與控制。

2.2模塊化控制策略組態(tài)軟件

模塊化控制策略組態(tài)軟件（IAPlogic）采用圖形化的組態(tài)方式，實(shí)現(xiàn)了控制策略的無(wú)擾動(dòng)在線重構(gòu)、邏輯組態(tài)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、邏輯執(zhí)行趨勢(shì)監(jiān)控、在線修改參數(shù)、IO點(diǎn)導(dǎo)航、組態(tài)元件時(shí)序自動(dòng)拓?fù)涞裙δ?，提供了一個(gè)面向不同品牌控制器的跨平臺(tái)控制策略組態(tài)開(kāi)發(fā)和管理工具。

圖1　IAPlogic組態(tài)軟件界面

模塊化控制策略組態(tài)軟件IAPlogic具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）兼容不同控制站

IAPlogic在數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的支持下，能夠?yàn)椴煌放?、不同系列的PLC控制站進(jìn)行編程組態(tài)。能夠?qū)崿F(xiàn)不同硬件的組合，客戶構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，可合理搭配性能硬件種類(lèi)，達(dá)到系統(tǒng)成本最優(yōu)化。

2）圖形化組態(tài)模式

IAPlogic一改過(guò)去繁復(fù)的梯形圖編程模式，轉(zhuǎn)而采用直觀、簡(jiǎn)單的圖形化組態(tài)方法，如圖1所示。各種算法封裝成控制組態(tài)元件，使用中只需要按照一定的規(guī)律去進(jìn)行不同排列、組合，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能。組態(tài)過(guò)程中，圖形直觀，數(shù)據(jù)流向一目了然，更便于調(diào)試與學(xué)習(xí)。

3）涵蓋不同的控制類(lèi)型

依托跨平臺(tái)和圖形化兩種特性，IAPlogic能輕松應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型的控制對(duì)象，有針對(duì)性地利用不同控制組態(tài)元件，構(gòu)建出各類(lèi)控制方法，涵蓋了離散控制、連續(xù)控制、批次控制、運(yùn)動(dòng)控制等。

4）高度安全性

IAPlogic采用獨(dú)特的組態(tài)編程語(yǔ)言、元件化的組態(tài)模式、組態(tài)文件編譯方式、數(shù)據(jù)傳輸加密方式等，大大加強(qiáng)了控制組態(tài)軟件安全性，能有效杜絕病毒入侵。

5）傳統(tǒng)控制與先進(jìn)控制同構(gòu)組態(tài)

各種類(lèi)型的先進(jìn)控制方法都能夠通過(guò)組態(tài)元件的形式在IAP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)形成與傳統(tǒng)控制方式?jīng)_突的局面，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中互補(bǔ)干擾、互補(bǔ)影響，為用戶提供了一個(gè)安全可靠、簡(jiǎn)單易用的先進(jìn)控制解決方案。

3　IAP系統(tǒng)先進(jìn)控制解決方案

目前的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)的核心部分往往具有多變量強(qiáng)耦合、非線性、強(qiáng)干擾、參數(shù)時(shí)變、大時(shí)滯、信息不完全、約束性強(qiáng)等特征。隨著過(guò)程工業(yè)日益走向大型化、連續(xù)化、綜合化，人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、整體性的要求也越來(lái)越高，所以若想從全局出發(fā)協(xié)調(diào)和處理裝置間復(fù)雜的耦合與制約關(guān)系、求得全局最優(yōu)，采用先進(jìn)控制技術(shù)處理這類(lèi)問(wèn)題可得到更優(yōu)的控制效果。

先進(jìn)控制技術(shù)的內(nèi)涵豐富、具有時(shí)代特征，至今沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的定義。但先進(jìn)控制的任務(wù)是明確的，即用來(lái)控制常規(guī)控制效果差，甚至無(wú)法控制的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程。先進(jìn)控制理論的研究主要包括預(yù)測(cè)控制、模糊控制、最優(yōu)控制、解耦控制、推理控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、內(nèi)膜控制及自適應(yīng)控制等，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前研究較多的一種技術(shù)。

先進(jìn)控制的理論計(jì)算較復(fù)雜，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式需要單獨(dú)安裝，配置一個(gè)軟件包或計(jì)算站，而IAP系統(tǒng)先進(jìn)控制解決方案與DCS系統(tǒng)完全一體化，以組態(tài)元件的形式，與傳統(tǒng)控制策略組態(tài)元件同樣配置、使用，即與傳統(tǒng)控制同構(gòu)組態(tài)。IAPlogic可直接將先進(jìn)控制的計(jì)算過(guò)程下載到PLC控制站中進(jìn)行處理，控制過(guò)程無(wú)需分別配置PLC控制站與計(jì)算機(jī)，減少了不同控制類(lèi)型之間的相互通信的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性與安全性。

3.1DRNN控制系統(tǒng)在IAPlogic中組態(tài)

本文以對(duì)角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Diagonal Recurrent Neural Network，DRNN）技術(shù)為例，具體說(shuō)明IAP系統(tǒng)的先進(jìn)控制解決方案。

DRNN網(wǎng)絡(luò)是一種簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一切優(yōu)點(diǎn)，如可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，采用動(dòng)態(tài)反向傳播（DBP）算法經(jīng)過(guò)幾個(gè)訓(xùn)練周期調(diào)節(jié)DRNN的內(nèi)部權(quán)值，最終可以使被控設(shè)備的實(shí)際輸出與期望輸出間的誤差達(dá)到一個(gè)很小的值。

根據(jù)DRNN控制器的算法機(jī)理，在IAPlogic中建立完整的DRNN控制系統(tǒng)。并假設(shè)一個(gè)有代表性的非線性被控對(duì)象[4]，該設(shè)備可用差分方程描述為：

參考模型的差分方程為

其中參考輸入為r（ k）＝sin（ 2πk25）＋ sin（ 2πk10）＋ 2。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是確定設(shè)備輸入yr（ k）使lim＜ ε，其中ε是一個(gè)非常小的常數(shù)。

本文僅以參考模型與被控設(shè)備的組態(tài)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明IAPlogic組態(tài)原理與過(guò)程。根據(jù)參考模型與被控設(shè)備的差分方程，在IAPlogic中采用基礎(chǔ)元件和連接線實(shí)現(xiàn)控制邏輯組態(tài)，如圖2所示。

圖2　參考模型與被控設(shè)備組態(tài)設(shè)計(jì)

然后，進(jìn)行控制邏輯的分析、鏈接、邏輯傳送，確認(rèn)無(wú)誤后，即可開(kāi)始仿真實(shí)驗(yàn)。表1列出了圖2所需用到的IAP基礎(chǔ)元件列表，完整的DRNN控制系統(tǒng)組態(tài)邏輯如圖1所示。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)IAP平臺(tái)的虛擬控制站的計(jì)算周期為100ms，數(shù)據(jù)的監(jiān)控周期為500ms。圖3與圖4所示的分別是DRNN控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行10min之內(nèi)及穩(wěn)定運(yùn)行兩小時(shí)后的數(shù)據(jù)觀察圖，圖中三條曲線分別是參考輸出yr（ k）、實(shí)際輸出y（ k）與參考輸出與實(shí)際輸出間的誤差ec（ k）。

表1　參考模型與被控設(shè)備組態(tài)的元件

圖3　開(kāi)始運(yùn)行10min內(nèi)的運(yùn)算結(jié)果

圖4　運(yùn)行2h后的運(yùn)算結(jié)果

對(duì)比圖3與圖4可知，系統(tǒng)收斂后，實(shí)際輸出與參考輸出之間除了在波峰處仍有微小誤差（此時(shí)誤差約為0.3，初始計(jì)算時(shí)誤差約為0.7），其他部分均擬合得較好，且該誤差會(huì)隨著繼續(xù)計(jì)算越來(lái)越小。即DRNN控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制，能夠利用參考輸出與設(shè)備的實(shí)際輸出間的誤差ec（ k）調(diào)節(jié)控制器內(nèi)部得權(quán)值，最終使得參考輸出與設(shè)備的實(shí)際輸出間的誤差最小。

4　結(jié)論

在自動(dòng)化領(lǐng)域，由于軟件技術(shù)與硬件技術(shù)、IT技術(shù)的聯(lián)系最為密切，所以其發(fā)展是最快捷，也最令人眼花繚亂的?，F(xiàn)如今的控制策略組態(tài)軟件與最初相比，其內(nèi)涵與外延都已大大擴(kuò)展，但還存在一定的問(wèn)題。工業(yè)自動(dòng)化通用技術(shù)平臺(tái)（IAP）中的模塊化控制策略組態(tài)軟件IAPlogic是第一套真正實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、通用性的組態(tài)軟件。通過(guò)將各種不同的控制算法封裝為控制組態(tài)元件后，用戶只需按照一定的規(guī)律排列組合，即可實(shí)現(xiàn)各種功能，憑借對(duì)組態(tài)元件的優(yōu)化、追加升級(jí)，IAP控制系統(tǒng)技術(shù)性能將能滿足所有工業(yè)用戶的各種需求。

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宋怡霖（1989-），女，福州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)與工業(yè)控制。

作者簡(jiǎn)介