摘要：討論了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的總體結構，在此基礎上，闡述了軟測量技術在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的地位與實現(xiàn)方式，最后結合我們在實驗室建立的模型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具體說明了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其中的軟測量技術是如何實現(xiàn)的。 關鍵詞：現(xiàn)場總線,控制系統(tǒng),軟測量,軟儀表,FCS 現(xiàn)場總線以其優(yōu)越的特性越來越引起人們的注意。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號通信，并把基礎控制級直接放在工業(yè)現(xiàn)場，可以大大提高過程控制的實時性，減少干擾信號出現(xiàn)的可能性，從而在很大程度上提高控制系統(tǒng)的性能。因此，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將是未來控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 控制系統(tǒng)賴以存在的前提是測量系統(tǒng)，軟測量技術是測量工具的延伸，是對傳統(tǒng)測量手段的一個有力補充。軟測量是人們依靠間接知識對硬件儀表不可測量變量的估計，在硬件無法完成測量任務的情況下，軟測量技術可以在一定程度上起到替代的作用。尤其是對于產品產量、質量等關鍵性生產參數(shù)，通常硬件儀表是無法測量的，軟測量的使用可以為提高生產效益、保證產品質量提供有力的手段。軟測量技術在過程工業(yè)中已經有了比較廣泛的應用，并取得了較好的效果［1］。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的實時傳播提供了便利的條件，使軟測量技術的廣泛使用成為可能。軟測量技術與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結合，能夠充分利用現(xiàn)場總線和軟測量技術的優(yōu)點，保證生產過程有效正確運行，給工廠企業(yè)帶來顯著的經濟效益。軟測量技術與現(xiàn)場總線技術的結合，是今后過程控制發(fā)展的必然趨勢。 本文討論了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的總體結構，在此基礎上，闡述了軟測量技術在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的地位與實現(xiàn)方式，最后結合我們在實驗室建立的模型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具體說明了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與其中的軟測量技術是如何實現(xiàn)的。 1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的整體結構 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是以現(xiàn)場總線為通信介質的計算機集成控制系統(tǒng)，根據(jù)CIMS（CIPS）的觀點，它可分為三個層次：管理決策級、高級控制級和基礎控制級。 ①　管理決策級包括:決策分析、市場營銷、計劃、離線優(yōu)化、調度、生產管理等功能，主要指集成控制系統(tǒng)對這些任務提出信息服務和決策支持，包括通過歷史數(shù)據(jù)分析與挖掘提出發(fā)展目標和營銷策略，根據(jù)相應的營銷策略調整生產方案，對生產和業(yè)務信息實現(xiàn)集成管理，制定和落實年、季、月綜合計劃，完成生產計劃分解，根據(jù)生產的實際情況形成調度指令，組織日常均衡生產和處理異常事件，即時地指揮生產。 ②　高級控制級是系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定生產、優(yōu)化操作的保證，也是人與生產過程進行交互的層面。過程監(jiān)控系統(tǒng)接收來自現(xiàn)場總線智能節(jié)點中的現(xiàn)場狀態(tài)信息和來自決策管理層的調度信息，并利用軟測量和數(shù)據(jù)校正技術對這些數(shù)據(jù)進行完備性和一致性處理，形成過程實時數(shù)據(jù)庫，并利用來自過程實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)操作指導、動態(tài)優(yōu)化、高級控制、故障診斷和實時報警等功能。 ③　基礎控制級實現(xiàn)對生產過程的常規(guī)檢測和基本控制，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中由現(xiàn)場總線智能節(jié)點實現(xiàn)，包括傳感變送部分、PID調節(jié)器部分等各種功能的集成。在智能節(jié)點中， 一般包括獨立的微處理器芯片，能夠完成比較復雜的計算任務。 圖1是我們開發(fā)的完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)示意圖。 2　通用軟測量技術 在實際生產過程中，需要對產品質量與產量參數(shù)進行實時檢測和在線控制。然而在實際過程中，存在一大類變量無法用傳統(tǒng)的測量儀表直接檢測［2］。造成這一問題的主要原因有以下5個方面： ①　由于工藝條件限制，無法進行檢測或不允許安裝檢測儀表； ②　目前所掌握的檢測手段不完善，尚不足以完成要求的檢測任務； ③　先進的檢測工具成本過于昂貴； ④　檢測儀表造成的測量滯后使測量結果無法滿足實時性的要求； ⑤　傳統(tǒng)的傳感器只能夠感知某一個狀態(tài)變量，有些情況下需要對多個傳感器的測量結果進行數(shù)據(jù)融合，才能得到比較理想的結果。 軟測量技術依靠間接知識對硬件儀表不可測量的變量進行估計，在硬件無法完成測量任務的情況下，可在一定程度上起到替代的作用。軟測量技術主要包括四個方面：二次測量變量的選擇；數(shù)據(jù)處理；軟測量模型的建立；軟測量模型的在線校正。二次測量變量的選擇是指對特定的生產過程和選定的待估輸出變量，如何確定其對應的輔助過程變量；數(shù)據(jù)處理指對于輔助變量的原始測量數(shù)據(jù)，如何進行過失誤差偵破、剔除和數(shù)據(jù)校正；軟測量模型的建立指的是如何通過各種信息和數(shù)據(jù)確定過程模型；軟測量模型的在線校正則指在過程狀態(tài)發(fā)生變化時，如何進行模型自身的調整。 經過長期的理論和應用研究，我們認為軟測量方法本身具有相似之處，提出了通用軟測量技術的概念，形成了通用的產品化軟測量軟件包。軟測量技術的通用化需要著重解決的問題有兩個方面，一是建立通用的軟測量模型；二是解決針對具體生產過程的二次變量選擇問題。只有這兩個方面的問題得到解決，才能真正實現(xiàn)軟測量技術的通用化。 針對上述兩個問題，我們建立了一套面向數(shù)據(jù)的解決方案。在這套方法中對二次變量的選擇和軟測量模型的建立完全不依賴于過程的機理模型，而是直接使用來自生產設備和調度室的過程歷史紀錄數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行相關分析和因子分析，得出影響待估變量的主要可測變量。然后對歷史數(shù)據(jù)進行適當聚類和整理后，構成建立軟測量模型的樣本數(shù)據(jù)。軟測量模型采用學習速度較快，逼近精度較高的RBF神經網(wǎng)絡，并采用正交最小二乘算法使軟測量模型可以根據(jù)具體過程自動調整神經網(wǎng)絡的結構，以滿足軟測量模型的通用化。 根據(jù)上述思路，我們建立了面向數(shù)據(jù)的通用軟測量軟件包，在實際生產過程中使用該軟件包時，具體工作流程如圖2所示。其中前兩步由人工針對具體的生產過程完成，后4步由軟測量軟件包完成。 3　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的軟測量技術 軟測量技術在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中有兩種實現(xiàn)方式：一是把基于數(shù)據(jù)融合的軟測量技術固化到現(xiàn)場總線的智能現(xiàn)場節(jié)點中，實現(xiàn)多傳感器綜合測量單個或多個過程變量，提供軟儀表的一種“硬件”形式；二是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中專門建立軟測量節(jié)點，完成整個系統(tǒng)的軟測量任務。 從前面現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的總體結構上可以看出，軟測量技術能夠作為高級控制級的一個節(jié)點專門完成整個系統(tǒng)的軟測量任務。這是軟測量技術使用的一種比較方便和通用的形式。在這種方式中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中有專門的軟測量節(jié)點，軟測量系統(tǒng)從過程實時數(shù)據(jù)庫中得到生產過程的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)工程師事先制訂的軟測量系統(tǒng)組態(tài)方案進行實時的軟測量運算，并把軟測量結果及時送到過程實時數(shù)據(jù)庫中去，以供其他任務使用。其他的過程控制、優(yōu)化任務使用軟測量產生的結果，就像使用通過傳感器從現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)一樣。在這種方式中，軟測量系統(tǒng)與整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通信，能夠充分利用全廠范圍內的信息，保證軟測量結果的有效性。這種結合方式如圖1所示。 除了這種應用方式，軟測量還可以像“硬”儀表那樣，構成軟儀表，直接完成對特定變量的軟測量。在這種方式中，軟測量系統(tǒng)直接集成在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的智能節(jié)點當中，出現(xiàn)在基礎控制級。如前所述，軟測量系統(tǒng)中的智能節(jié)點不像傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表那樣，只能完成一種功能，而是可以同時完成多種功能。軟測量系統(tǒng)是智能節(jié)點檢測功能的一個有力補充。帶有軟測量技術的智能節(jié)點結構如圖3所示。 圖中虛線框中為使用軟測量技術的現(xiàn)場總線智能節(jié)點。這種現(xiàn)場總線節(jié)點，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場變送器一樣，針對某一類生產過程具有一定的通用性，并且針對不同的生產條件只需對某些參數(shù)設定進行改變，而不像傳統(tǒng)變送器那樣需要更換不同型號的儀表，這在現(xiàn)代生產越來越趨向于高柔性、小批量生產，生產過程的產品、規(guī)模、質量要求等經常發(fā)生變化的條件下，是非常重要和有效的。 事實上，由于現(xiàn)場總線中的智能節(jié)點在存儲容量和計算速度上有一定的局限性，所以即使在智能節(jié)點中使用軟測量技術，一般還要在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中建立專門的軟測量節(jié)點，以完成整個系統(tǒng)的軟測量任務。 4　具體實現(xiàn) 在國家九五攻關項目“現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的集成技術研究（96-749-06）”攻關過程中，我們成功地實現(xiàn)了基于LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的過程控制、優(yōu)化與管理的集成化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖1中的基礎控制層和高級控制層。其中通用軟測量軟件包在高級控制層構成了軟測量節(jié)點，完成整個系統(tǒng)的軟測量任務［3］。 整套系統(tǒng)包括一個運行在PC機上的仿真模型系統(tǒng)，A/D和D/A轉換器，3個LonWorks節(jié)點分別為Echelon 公司的TP/FT-10、TP/FT-10F模塊和用Neuron 3150芯片自行開發(fā)的控制模塊，以及4個高級控制層節(jié)點。通信介質采用雙絞線，3個現(xiàn)場總線節(jié)點通過A/D和D/A與模型系統(tǒng)相連，以模擬現(xiàn)場情況，3個節(jié)點中分別運行著一套模糊控制算法，一套自整定PID控制算法和一套簡化后的軟測量系統(tǒng)；4個高級控制節(jié)點分別為過程實時監(jiān)控節(jié)點、多變量約束控制節(jié)點、實時優(yōu)化節(jié)點、軟測量節(jié)點；采用Intellution Dynamics2.0作為過程實時數(shù)據(jù)庫的平臺軟件，它帶有LonWorks適配器的接口驅動程序，可以直接與現(xiàn)場總線通信。通用軟測量軟件包用Visual C+　+5.0開發(fā)，可以運行在Windows95和Windows NT4.0及以上版本的操作系統(tǒng)上。軟件包由矩陣運算部分、RBF神經網(wǎng)絡部分、數(shù)據(jù)處理部分、輸入輸出接口部分、組態(tài)軟件和演示部分構成。各個部分由系統(tǒng)調度模塊統(tǒng)一進行調度,形成一個有機的整體。 在實驗室建成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，以石家莊煉油廠一聯(lián)合車間大型催化裂化裝置（FCCU）為原型，進行了一定簡化后形成了現(xiàn)場生產過程仿真模型系統(tǒng)。其中的軟測量系統(tǒng)使用我們開發(fā)的通用軟測量軟件包，并應用于1998年5月份在石家莊煉油廠投運時的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。 FCCU裝置的主要產品為穩(wěn)定汽油、輕柴油和液化氣（液態(tài)烴）,它們的收率是重要的產量指標，粗汽油的干點、輕柴油的凝固點和穩(wěn)定汽油的飽和蒸氣壓是需要估計的重要質量指標。 對FCCU的生產工藝進行分析,與上述待估變量有關的主要測量變量集由以下一些變量組成:反應再生系統(tǒng)中原料油的進料流量、回煉油流量及催化反應溫度，主分餾塔的塔頂溫度、輕柴油抽出溫度、塔頂冷回流量、塔頂冷回流溫度、塔頂循環(huán)量、頂循抽出溫度、頂循返塔溫度、19層汽相、一中回循環(huán)量、一中循環(huán)抽出溫度、一中循環(huán)返塔溫度，穩(wěn)定塔的塔底溫度、塔頂壓力、進料流量、進料溫度、再沸汽的返塔溫度、塔頂溫度。 把上述信息通過軟測量系統(tǒng)的人機接口組態(tài)界面輸入軟測量系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對歷史數(shù)據(jù)進行相關分析和因子分析，確定采用4個軟測量模塊：收率模塊、干點模塊、凝固點模塊和蒸氣壓模塊，每個模塊對應一定的輔助變量，用這些變量的歷史數(shù)據(jù)建立RBF神經網(wǎng)絡軟測量模型，根據(jù)設置的采樣周期從現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)庫中獲取輔助變量測量值，實時估計待估變量。 這套系統(tǒng)曾在國家九五攻關項目“大型催化裂化裝置多變量約束控制與優(yōu)化”的實施過程中配合多變量約束控制在石家莊煉油廠催化裂化裝置上獲得了成功的應用，取得了較大的經濟效益，已于1998年10月通過國家教育部的鑒定。 5　結束語 軟測量技術的通用化及其在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應用，使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有大大優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的特點。進一步的研究目標是如何形成全廠級的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，把決策管理級的任務集成到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中來，從而更加充分地利用方便的信息通信技術和軟測量技術提供的完備現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)。 參考文獻 1 于靜江,周春暉.過程控制中的軟測量技術. 控制理論與應用,1996,13（2）:137～144 2 Gerg Martin.Consider Soft Sensors.Chemical Engineering Progress, 1997:66～70 3 邵惠鶴等.現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的集成技術研究.國家九五攻關項目技術報告,1999