模塊化控制策略組態技術的研究

宋怡霖　陳新楚，2（. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州　3506；2. 福建省工業控制信息安全技術企業重點實驗室，福州　350008）

?

模塊化控制策略組態技術的研究

宋怡霖1陳新楚1，2
（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州350116；
2. 福建省工業控制信息安全技術企業重點實驗室，福州350008）

摘要工業控制策略組態軟件的興起為過程控制和工業自動化領域開辟了一篇新天地。本文簡要介紹了工業控制策略組態軟件的發展歷史，并重點討論了目前組態軟件存在的問題。在此基礎上，提出了一種新型的通用性、跨平臺的模塊化控制策略組態軟件IAPlogic，并詳細說明了IAPlogic不僅可以實現傳統控制算法的邏輯組態，更能擴展到先進控制技術領域。

關鍵詞：組態軟件；模塊化；先進控制技術

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，Fuzhou350008）

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

隨著計算機控制技術、微電子技術、工業以太網技術、計算機圖形處理技術、圖形建模技術以及現場總線技術的發展，在現代工業生產過程中，人們越來越傾向于使用一種無需改變運行程序源代碼的便捷平臺工具——工業系統控制策略組態軟件。組態軟件在實現工業控制的過程中，免去了大量繁瑣的編程工作，解決了長期以來工程控制人員缺乏計算機專業知識與計算機專業人員缺乏現場控制操作技術與經驗間的矛盾，極大地提高了自動化工程的工作效率。

目前世界上的組態軟件有近百種，總裝機量有十萬套。對比國內外有代表性的組態軟件產品，發現有許多共同之處，但也各有特色。普遍的共同點如有豐富的功能模塊，均使用腳本語言提供二次開發，均設有強大的數據庫和圖形組態功能等等，所以又將現在的控制策略組態軟件稱為“模塊化控制策略組態軟件”。

1　控制策略組態技術的研究現狀

1.1組態軟件的發展史

組態軟件誕生于20世紀80年代初，隨著PC機的興起而不斷發展[1]。80年代的組態軟件大多運行在DOS環境下，圖形界面的功能較弱。20世紀90年代以后，隨著Windows3.0的風靡，Wonderware公司最早開發了支持Windows系統下運行的組態軟件Intouch，而在80年代靠DOS版組態軟件起家，后又向OS/2移植的公司基本上都逐漸沒落了。

國內組態軟件的發展主要經歷了3個階段，80年代末期，組態軟件進入我國。國內目前知名的組態軟件大多從90年代中后期開始起步，經歷了艱苦創業的過程，從1人或幾個人開始，參照國外組態軟件開發，具有較濃的模仿色彩；2000年到2005年是國內組態軟件快速發展的階段，造就了一批行業知名的組態軟件；2006年以后國內涌現出了一批新的組態軟件公司，一些高校、研究所和個人也積極地研究組態軟件產品[2-3]。

1.2組態軟件概況

控制策略組態軟件的開發與分布式控制系統的產生與發展密不可分，但相對于近年來分布式控制系統硬件與底層軟件的快速升級換代，控制策略組態軟件的發展在通用性、互換性上卻相對落后了。

目前的工業控制策略組態軟件，大多仍采用梯形圖編程語言且組態軟件與硬件緊密相關。自動化廠商只針對自身硬件提供專用的組態工具軟件，如OMRON的CX-programmer、西門子STEP7、AB PLC等編程軟件。雖然部分組態軟件在形式上遵從了IEC 61131-3五種編程語言標準，但各生產廠商的組態軟件的開發是獨立進行的，缺乏具體的、統一的標準，使目前的組態軟件在設計風格、操作規范、編程規則、元件功能、程序封裝等環節均不一致。同樣的控制策略組態程序無法在不同技術平臺的控制器上移植和運行，造成用戶需要學習多種類型組態語言、組態開發效率低下、控制系統運行維護成本高等問題。

2　模塊化控制策略組態技術

2.1工業自動化通用技術平臺

Industry Automation Platform（IAP），即工業自動化通用技術平臺，是由福建中海創集團研發的一種基于圖形化、模塊化控制邏輯組態技術的分布式控制系統，它第一次實現了工業自動化控制系統的跨平臺應用與控制系統的軟硬件分離。

IAP通過核心技術——數據引擎技術，實現了控制策略組態的跨平臺運行，即可同時采用不同品牌的PLC、IPC或類似裝置作為控制站而不需要使用其原版軟件的完整的DCS工業控制系統。IAP的軟件工具主要由數據庫組態軟件IAPplant、模塊化控制策略組態軟件IAPlogic、人機界面組態軟件IAPview和數據中心管理軟件IAPdata等部分構成。

IAPplant采用面向設備的多維立體方式構建現代化工廠的工藝設備和控制設備，將其他系統軟件無縫的連接在一起，提供相互之間的系統信息交互通道，實現控制系統構架一體化的數據管理環境。IAPview采用面向設備的無腳本調試組態模式，提供豐富的面向不同行業的不同應用的圖形元件庫，集成先進的趨勢圖、報警、報表和操作窗技術，實現無服務器的分布式通信技術，完成生產過程控制系統人機交互畫面的編輯和運行。IAPdata針對現場數據集中管理，擁有高效的實時數據通信和處理功能，能夠進行歷史數據、報警信息、操作日志等系統動態數據的采集、存儲、壓縮、查詢，還可通過標準開放的外部接口服務發布，實現了系統運行數據的深度挖掘和優化管理。本文研究除采用了以上幾種軟件外，重點使用IAPlogic實現對角遞歸神經網絡的建模、仿真與控制。

2.2模塊化控制策略組態軟件

模塊化控制策略組態軟件（IAPlogic）采用圖形化的組態方式，實現了控制策略的無擾動在線重構、邏輯組態分析、實時監控、邏輯執行趨勢監控、在線修改參數、IO點導航、組態元件時序自動拓撲等功能，提供了一個面向不同品牌控制器的跨平臺控制策略組態開發和管理工具。

圖1　IAPlogic組態軟件界面

模塊化控制策略組態軟件IAPlogic具有以下優點：

1）兼容不同控制站

IAPlogic在數據引擎技術的支持下，能夠為不同品牌、不同系列的PLC控制站進行編程組態。能夠實現不同硬件的組合，客戶構建系統時，可合理搭配性能硬件種類，達到系統成本最優化。

2）圖形化組態模式

IAPlogic一改過去繁復的梯形圖編程模式，轉而采用直觀、簡單的圖形化組態方法，如圖1所示。各種算法封裝成控制組態元件，使用中只需要按照一定的規律去進行不同排列、組合，就能夠實現不同功能。組態過程中，圖形直觀，數據流向一目了然，更便于調試與學習。

3）涵蓋不同的控制類型

依托跨平臺和圖形化兩種特性，IAPlogic能輕松應對不同類型的控制對象，有針對性地利用不同控制組態元件，構建出各類控制方法，涵蓋了離散控制、連續控制、批次控制、運動控制等。

4）高度安全性

IAPlogic采用獨特的組態編程語言、元件化的組態模式、組態文件編譯方式、數據傳輸加密方式等，大大加強了控制組態軟件安全性，能有效杜絕病毒入侵。

5）傳統控制與先進控制同構組態

各種類型的先進控制方法都能夠通過組態元件的形式在IAP系統中實現，并且不會形成與傳統控制方式沖突的局面，系統運行過程中互補干擾、互補影響，為用戶提供了一個安全可靠、簡單易用的先進控制解決方案。

3　IAP系統先進控制解決方案

目前的工業過程控制系統中，生產的核心部分往往具有多變量強耦合、非線性、強干擾、參數時變、大時滯、信息不完全、約束性強等特征。隨著過程工業日益走向大型化、連續化、綜合化，人們對生產過程的實時性、整體性的要求也越來越高，所以若想從全局出發協調和處理裝置間復雜的耦合與制約關系、求得全局最優，采用先進控制技術處理這類問題可得到更優的控制效果。

先進控制技術的內涵豐富、具有時代特征，至今沒有一個嚴格統一的定義。但先進控制的任務是明確的，即用來控制常規控制效果差，甚至無法控制的復雜工業過程。先進控制理論的研究主要包括預測控制、模糊控制、最優控制、解耦控制、推理控制、魯棒控制、神經網絡控制、內膜控制及自適應控制等，其中神經網絡是目前研究較多的一種技術。

先進控制的理論計算較復雜，傳統的實現方式需要單獨安裝，配置一個軟件包或計算站，而IAP系統先進控制解決方案與DCS系統完全一體化，以組態元件的形式，與傳統控制策略組態元件同樣配置、使用，即與傳統控制同構組態。IAPlogic可直接將先進控制的計算過程下載到PLC控制站中進行處理，控制過程無需分別配置PLC控制站與計算機，減少了不同控制類型之間的相互通信的風險，增強系統可靠性與安全性。

3.1DRNN控制系統在IAPlogic中組態

本文以對角遞歸神經網絡（Diagonal Recurrent Neural Network，DRNN）技術為例，具體說明IAP系統的先進控制解決方案。

DRNN網絡是一種簡化的動態神經網絡，具有神經網絡的一切優點，如可以充分逼近任意復雜的非線性關系。在控制系統中，采用動態反向傳播（DBP）算法經過幾個訓練周期調節DRNN的內部權值，最終可以使被控設備的實際輸出與期望輸出間的誤差達到一個很小的值。

根據DRNN控制器的算法機理，在IAPlogic中建立完整的DRNN控制系統。并假設一個有代表性的非線性被控對象[4]，該設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。系統的控制目標是確定設備輸入yr（ k）使lim＜ ε，其中ε是一個非常小的常數。

本文僅以參考模型與被控設備的組態設計為例，說明IAPlogic組態原理與過程。根據參考模型與被控設備的差分方程，在IAPlogic中采用基礎元件和連接線實現控制邏輯組態，如圖2所示。

圖2　參考模型與被控設備組態設計

然后，進行控制邏輯的分析、鏈接、邏輯傳送，確認無誤后，即可開始仿真實驗。表1列出了圖2所需用到的IAP基礎元件列表，完整的DRNN控制系統組態邏輯如圖1所示。

3.2仿真實驗結果

設IAP平臺的虛擬控制站的計算周期為100ms，數據的監控周期為500ms。圖3與圖4所示的分別是DRNN控制系統開始運行10min之內及穩定運行兩小時后的數據觀察圖，圖中三條曲線分別是參考輸出yr（ k）、實際輸出y（ k）與參考輸出與實際輸出間的誤差ec（ k）。

表1　參考模型與被控設備組態的元件

圖3　開始運行10min內的運算結果

圖4　運行2h后的運算結果

對比圖3與圖4可知，系統收斂后，實際輸出與參考輸出之間除了在波峰處仍有微小誤差（此時誤差約為0.3，初始計算時誤差約為0.7），其他部分均擬合得較好，且該誤差會隨著繼續計算越來越小。即DRNN控制系統實現了自適應控制，能夠利用參考輸出與設備的實際輸出間的誤差ec（ k）調節控制器內部得權值，最終使得參考輸出與設備的實際輸出間的誤差最小。

4　結論

在自動化領域，由于軟件技術與硬件技術、IT技術的聯系最為密切，所以其發展是最快捷，也最令人眼花繚亂的。現如今的控制策略組態軟件與最初相比，其內涵與外延都已大大擴展，但還存在一定的問題。工業自動化通用技術平臺（IAP）中的模塊化控制策略組態軟件IAPlogic是第一套真正實現跨平臺、通用性的組態軟件。通過將各種不同的控制算法封裝為控制組態元件后，用戶只需按照一定的規律排列組合，即可實現各種功能，憑借對組態元件的優化、追加升級，IAP控制系統技術性能將能滿足所有工業用戶的各種需求。

參考文獻

[1]梁庚， 李文. 分布式系統控制策略組態軟件的發展現狀與前景[J]. 儀器儀表學報， 2006， 27（z1）: 510-512.

[2]梁庚. 基于IEC 61131-3標準的分布式智能系統策略組態軟件包開發研究[D]. 北京: 華北電力大學，2005.

[3]白焰， 梁庚， 李文. WorldFIP現場總線控制系統策略組態軟件的設計開發[J]. 中國電機工程學報， 2005，25（2）: 150-155.

[4]Ku C C， Lee K Y. Diagonal recurrent neural networks for dynamic-systems control[J]. IEEE Transactions on Neural Networks， 1995， 6（1）: 144-156.

宋怡霖（1989-），女，福州大學在讀碩士研究生，研究方向為先進控制技術與工業控制。

作者簡介