基于多層分布式軟件體系結構的燒結過程ＢＴＰ優化控制系統設計

摘要：以某鋼鐵企業燒結過程，即燒結終點（Burning Though Point，BTP）優化控制系統為對象，針對當前控制軟件存在開放性差、結構固定、可重用程度低的問題，提出一種多層分布式軟件體系結構。在分析系統結構、接口和交互模式的基礎上，給出系統開發的實施方案，從而建立了一個基于Windows DNS的開放的、有強交互能力和擴展能力的分布式BTP優化控制系統。

關鍵詞：燒結過程；燒結終點；優化控制；分布式體系結構；數據通信；用于過程控制的對象連接與嵌入技術

中圖分類號：TP393．04文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)07－0205－03

0引言

在信息時代，以計算機軟件系統為核心的技術革命正在進行，新的工業控制系統要求軟件實現跨空間、跨時間、跨設備、跨用戶的共享，也迫使軟件要向異構協同工作、各層次上集成的工業化道路上前進[1]。

在燒結過程中，優化生產的主要目的在于提高燒結礦的品質、產量并穩定燒結過程。燒結終點（BTP)是混合料層燒透時對應的風箱位置，反映臺車運行到機尾處燒結作用進行的程度，它是燒結機操作的主要依據。通過穩定BTP在適宜位置可以達到充分利用有效燒結面積、提高燒結礦強度、降低返燒率、穩定燒結過程的目的。某鋼鐵企業燒結過程優化控制系統由下層基礎自動化部分和上層BTP優化控制系統構成。其中基礎自動化部分是基于西門子PLC的集散控制系統；BTP優化控制系統則基于燒結基礎自動化，實現對燒結過程的優化和燒結終點的穩定，主要包括優化控制計算機和分布式的應用軟件。

分布式BTP優化控制應用軟件主要實現對BTP的集中控制、過程數據的分布處理以及過程狀態的分布監控。在分布環境中，異構性是一個十分明顯的特點。在異構網絡環境下，一個健壯的分布式軟件體系結構對于實現信息和軟件資源的共享至關重要[2]。鑒于燒結下層基礎自動化集散控制系統帶有OPC服務器[3]，結合微軟提出的Windows DNS分布式體系結構，本文提出了一種帶中間接口層的多層分布式體系結構，實現了Windows DNS與OPC接口技術的完美結合，建立了一個結構靈活、易于擴展和修改的分布式燒結過程優化控制軟件系統。

1系統結構設計

針對某鋼鐵企業現有燒結過程控制系統的特點，通過在Windows DNS的基礎上增加中間接口層，建立分布式燒結優化控制系統的多層體系結構，實現燒結過程優化控制系統的集中控制和數據分散處理。

1．1系統總體分析

燒結過程優化控制系統物理結構如圖1所示，分為過程級和操作級。其中過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分[5]；操作級包括操作員站和工程師站，通過工業以太網與過程級相連，完成系統的操作和組態，實現對整個燒結主工藝系統進行操作、監視、控制、報警和管理。BTP優化控制應用軟件位于操作級，由優化控制模型部分和輔助功能實現部分組成，通過工業以太網與過程級相連接。其中優化控制模型部分為BTP優化控制應用軟件的核心，實現BTP優化控制算法，位于燒結優化控制計算機上，通過以太網與下層基礎自動化部分相連，實現對BTP的集中控制[6]；輔助功能實現部分分布在各個不同的操作站上，實現分布式的過程數據的讀取、預處理以及過程狀態監視等操作。

整個BTP優化控制應用軟件主要是在保證優化控制效果的前提下，建立一個結構清晰、功能完善、高效可靠、易維護的應用軟件系統，為用戶提供一個良好的操作平臺。

1．2系統軟件體系結構

分布式的應用軟件系統是物理上分布在網絡上不同節點上的軟件，通過分布式構件的技術形成邏輯上統一的軟件系統[7]。目前，對于分布式軟件的研究多集中于分布式組件技術的研究。在工業控制領域，組件技術仍然存在一定的困難：①組件開發雖一勞永逸，但目前工業過程控制方面的組件成品尚不成熟，且組件的初始開發需要掌握較全面的工藝細節，不適合一般群體的軟件開發；②組件接口定義的標準眾多，包括OMG的CORBA規范、ISO制定的DCE規范和微軟的COM規范，尚沒有形成一個統一的工業使用標準；③工業控制狀況變化較大，突發情況較多，一般的組件很難滿足各種不同情況的控制要求。與之相比，OPC技術作為一個通用的其接口規范已經廣泛地應用于工業控制中，幾乎所有的工業控制系統都有自帶的OPC服務器，燒結過程優化控制系統下層基礎自動化部分帶有美國GE公司的Complicity OPC Server。因此，系統在借鑒微軟的Windows DNS的基礎上[7]，提出一種帶中間接口層的可伸縮的多層分布式體系結構，如圖2所示。 

系統可以分為表示層、業務層、數據層、接口層以及各層之間的中間接口層。①表示層主要實現人機界面操作功能，包括數據的錄入、監控畫面以及相關輔助功能的實現；②業務層是控制系統的核心，包括所有的業務規則以及執行業務規則所需要的業務邏輯，主要完成參數選取，系統的狀態識別和實現模型的優化算法；③數據層則主要實現對數據的讀取以及數據預處理和數據保存等工作；④中間接口層為連接各層的紐帶，OPC作為過程控制領域的開放式工業標準，有著跨平臺、響應快等優點，通過在OPC服務器中設置虛擬節點實現各層之間數據的存儲轉發。每個中間接口層相當于一個獨立的OPC服務器，也可以多個中間接口層共用一個OPC服務器，其他各層則相當于OPC客戶端。一方面應用軟件的各個部分可以實時地將其計算得出的過程變量寫到相應的OPC服務器的虛擬節點中，同時從其他虛擬節點中讀取需要的過程數據，實現了應用程序各個不同部分之間的通信；另一方面，上層應用軟件的數據層通過OPC服務器與下層基礎自動化系統交互，實現實時檢測數據（工況參數）的讀取和控制量的下發，實現對燒結終點的優化控制。各層之間既相互獨立，又相互聯系，中間接口層可視具體情況添加和刪除結構靈活、易于擴展和修改的多層分布式體系結構。

系統采用一種柔性結構：可以將整個系統安裝在一臺計算機上，即集中式管理，也可以分配給多臺計算機進行分布式管理。接口層的服務器可以基于物理設備的位置結構或功能進行規劃監控軟件只需要符合OPC規范，就能通過標準接口訪問所有的過程數據，從而實現靈活配置及降低系統集成費用，而且縮短應用軟件的開發周期。監控軟件與硬件相對獨立，兩者均可在遵循OPC數據接口協議的基礎上獨立升級，使分布式監控系統中的監控程序和I/O數據采集程序模塊化，其開放性和重用性大為提高。

1．3通信與協同

通過對系統具體通信流程分析和實現方法的探討，得到系統數據的流程框圖如圖3所示。每個中間接口層均包含一個OPC服務器，其他各層均包含一個OPC客戶端。一方面，由現場操作人員通過人機界面輸入相關的控制參數，經中間OPC服務器傳遞到業務層控制算法處理后，由燒結集散控制系統中的OPC服務器下發到工業過程，形成一條自上往下的控制流；另一方面，燒結集散控制系統中的OPC服務器從現場控制站采集實時數據，通過COM/DCOM口與數據層的OPC客戶端相連接[8]，數據層的OPC客戶端再把過程數據保存在中間層的OPC服務器中，依次向上形成一條自下往上的數據流，實現工控數據的實時讀取、在線分析、處理、存儲以及控制量的下發等，實現對系統的優化控制。

2系統實現

在系統需求的基礎上，采用多層分布式體系結構，建立一個控制流自上往下、數據流自下往上的可伸縮的分布式燒結BTP優化控制系統。

2．1系統功能模塊

經過系統需求分析，確定系統軟件的功能要求、性能要求、數據接口。①軟件的功能要求。在保證實現控制算法良好運行的基礎上，實現主界面導入、燒結狀態監控、燒結參數優化設置、控制方式切換、系統狀態不穩定報警、通信測試和實時數據的采集、系統安全設置和幫助八大功能，同時提供友好的用戶監控和操作接口。②軟件的性能要求。主要體現在輸入/輸出的實時性和準確性，要求讀取數據的周期為1 c/s，通信測試刷新頻率為0.2 c/s。③軟件的數據接口。系統硬件結構采用以太網與現場的過程級監控機相連接，采用OPC無縫連接，通過現場的工控軟件的OPC服務器讀取實時數據并下發實時控制結果，從而保證數據傳輸的實時性。根據系統的功能要求，確定系統的功能模塊的劃分和各模塊間的耦合關系（圖4）。

將系統軟件實現劃分為以下九個模塊：程序入口初始化模塊、燒結狀態監控模塊、燒結參數優化設置模塊、控制方式切換模塊、系統過限報警模塊、通信測試和數據傳輸模塊、屏幕加鎖模塊、用戶及密碼管理模塊和幫助模塊。 

2．2系統詳細設計

(1) 實時數據采集模塊

由于現場的物理結構為總線型工業以太網，所有的過程操作站均掛在總線上，具有平等的監控現場工業過程的作用。按照OPC定制接口數據訪問規范[9]，OPC客戶程序依次通過訪問OPC服務器的IOPCServer、IOPCItemMgt等接口及其成員函數，創建服務器對象、組對象；然后通過同步數據訪問接口IOPCSyncIO接口[10]的成員函數Read ()和Write ()實現對OPC服務器各點的項名、項值以及品質等的讀寫操作。

(2)數據管理模塊

數據管理模塊由工況狀態辨識模塊、數據讀取模塊、數據預處理模塊和數據保存模塊組成。其中工況狀態辨識模塊主要包括手動/自動控制方式、是否處于穩態過程、是否處于異常工況狀態等過程狀態參數的辨識，若處于異常狀態或非穩態過程或手動控制，則軟件停止，并同時向用戶界面模塊發送相關消息，以提示現場操作人員。數據預處理模塊包括數據類型的轉換以及濾波、異常數據剔除。數據保存模塊以獨立的線程運行，以只讀的方式共享OPC數據采集模塊創建的數據存儲區，對SQL Server數據庫操作采用基于OLE DB的模板技術，其對數據源的格式沒有嚴格的限制，所以可以對數據庫提供穩定而靈活的操作。

(3)BTP優化控制模塊

BTP優化控制分為三個部分來完成，第一是燒結終點的計算模型；第二是燒結終點的預測模型，第三是燒結終點的控制模型。由于燒結終點本身無法在線檢測，系統通過建立可變參量——風箱廢氣溫度曲線與燒結終點的關系模型，在線判斷燒結終點位置。預測模型是燒結終點控制的基礎，由于燒結過程存在響應慢、大滯后等控制難點，必須對其進行預測。系統根據燒穿點位置與透氣性、臺車速度之間的數學模型實時預測燒穿點位置，來對臺車速度進行預判和預調節，實現臺車速度的自動控制，避免人工調節的隨機性和滯后性，穩定燒結過程。燒結終點的主要控制目標是將燒結終點有效地控制在最優設定位置附近，同時保證燒結終點的穩定。建立中部風箱溫度偏差與燒結混合料的料況、燒結機速度、大煙道風壓之間的關系模型，這是系統實現的關鍵技術；然后利用燒結終點模糊控制模型求得優化控制燒穿點位置的臺車速度設定值；最后通過臺車速度控制系統作用于燒結過程。

3結束語

本文根據目前工業控制應用軟件的需求，提出一種帶中間接口層的可伸縮的多層分布式體系結構。其采用層次化的軟件設計方法，將燒結終點(BTP)優化實時控制系統軟件按層次進行功能細化，各層次目標明確，中間層采用標準的OPC接口，進而建立了一個開放的、有強交互能力和擴展能力的分布式燒結終點(BTP)優化實時控制系統，有效地提高了應用軟件的開放性、可維護性和適應能力。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”