1、引言
隨著國(guó)內(nèi)外石油化工領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行技術(shù)改 造，逐步提高裝置的生產(chǎn)規(guī)模和工藝技術(shù)水平，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益是一種必然的趨勢(shì)。在 此趨勢(shì)下，很多企業(yè)希望通過(guò)先進(jìn)控制的方法達(dá)到以上目的。而裝置先進(jìn)控制以及回路自動(dòng) 控制的基礎(chǔ)就是PID 參數(shù)的合適設(shè)置。 現(xiàn)階段 PID 參數(shù)的設(shè)置很大程度上依賴(lài)于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工作人員 來(lái)說(shuō)調(diào)整PID 參數(shù)有些難度。PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)正是針對(duì)此問(wèn)題，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件， 其目的是為了實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)整定的簡(jiǎn)單化，對(duì)于沒(méi)有合適參數(shù)的回路通過(guò)計(jì)算得到接近的 參數(shù)值，對(duì)已有的參數(shù)給出優(yōu)化的參數(shù)值。PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù) 采集模塊以O(shè)PC 協(xié)議作為接口通訊方式，連接DCS 工程師站與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。
2、DCS 及OPC 概述
DCS（Distributed Control System）集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代，它滿(mǎn)足了大型 生產(chǎn)的自動(dòng)化要求，大大提高了單套裝置的生產(chǎn)能力[1]。在國(guó)內(nèi)大型石油化工聯(lián)合企業(yè)中， 主要煉油化工裝置已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了DCS 控制，優(yōu)化了生產(chǎn)過(guò)程并提高了生產(chǎn)效率，但由于 大多數(shù)DCS 系統(tǒng)是封閉系統(tǒng)，普遍缺乏統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式接口，難以滿(mǎn)足企業(yè)信息化和 管控一體化的發(fā)展要求。為了解決這些問(wèn)題，一些與微軟公司合作的自動(dòng)化硬件和軟件供應(yīng)商聯(lián)合制定了一套稱(chēng)為OPC 規(guī)范的接口協(xié)議，以此來(lái)提高過(guò)程控制工業(yè)中的自動(dòng)化／控制 應(yīng)用程序，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)／設(shè)備以及商業(yè)／辦公室應(yīng)用程序之間的互操作性[2]。
OPC是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)，意指用于過(guò)程控制的OLE技術(shù)[3]。OPC基于微軟的 OLE、COM和DCOM技術(shù)，包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過(guò)程控制和制造 業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)[4]。OPC技術(shù)的實(shí)質(zhì)是允許任何設(shè)備與其它設(shè)備自由通訊的一種機(jī)制，是一種 用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化的即插即用的軟件技術(shù)，是一種過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [5]。這個(gè)接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)，而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上分布式應(yīng)用程序之間的 通訊，以及不同平臺(tái)上應(yīng)用程序之間的通訊。其基本思想是：每個(gè)硬件供應(yīng)商為其設(shè)備開(kāi)發(fā) 一個(gè)通用的數(shù)據(jù)接口(即OPC Server)，供其它系統(tǒng)讀寫(xiě)信息，客戶(hù)應(yīng)用軟件也可以通過(guò)OPC 規(guī)范的接口來(lái)讀寫(xiě)硬件設(shè)備的信息(作為OPCClient)。我們?cè)谑筄PC時(shí)，不必關(guān)心底層硬件內(nèi) 部的具體細(xì)節(jié)，只需遵循OPC數(shù)據(jù)接口協(xié)議，就能夠從不同OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)[6]。
3、OPC接口的設(shè)計(jì)
OPC接口的設(shè)計(jì)包括OPC服務(wù)器端和客戶(hù)端兩個(gè)部分，其實(shí)質(zhì)就是連接數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)使 用者之間的通道。目前，許多DCS產(chǎn)品都推出和集成了OPC服務(wù)器，例如基于Windows操作 系統(tǒng)的YOKOGAWA CS3000 DCS和ROSEMOUNT DELTA V DCS。因此，設(shè)計(jì)PID優(yōu)化整定 系統(tǒng)的OPC接口有很大的普遍性和實(shí)用性。
3.1 OPC接口的選擇及實(shí)現(xiàn)
OPC規(guī)范規(guī)定了兩套接口標(biāo)準(zhǔn)：OPC自定義接口和OPC自動(dòng)化接口，如圖1所示。自定 義接口的效率高，通過(guò)該接口，客戶(hù)能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能，采用C++語(yǔ)言的客戶(hù) 一般采用自定義接口方案；自動(dòng)化接口使解釋性語(yǔ)言和宏語(yǔ)言訪(fǎng)問(wèn)OPC服務(wù)器成為可能，采 用VB、Delphi等語(yǔ)言的客戶(hù)一般采用自動(dòng)化接口[7]。
圖 1 OPC 接口類(lèi)型
其中，客戶(hù)端程序的開(kāi)發(fā)主要是指客戶(hù)端程序中 OPC 接口部分的開(kāi)發(fā)?？蛻?hù)端程序本 身可以完成很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與顯示功能，但需要通過(guò)OPC 接口部分訪(fǎng)問(wèn)OPC 服務(wù)器， 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)不同的需求特點(diǎn)，應(yīng)用不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)方式
OPC客戶(hù)程序?qū)PC服務(wù)器中數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)方式主要有同步、異步和訂閱三種?？蛻?hù)程序 可按照一定的周期對(duì)服務(wù)器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)同步存取操作，此時(shí)客戶(hù)方的調(diào)用函數(shù)一直運(yùn)行到 所有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)完成。在異步通信方式下，服務(wù)器程序定期刷新OPC項(xiàng)，并判斷其數(shù)值或品質(zhì) 是否變化，如果有變化則將變化后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶(hù)程序，此時(shí)客戶(hù)方的調(diào)用函數(shù)可立刻返 回。顯然，異步通報(bào)方式的通信效率更高，但有多個(gè)客戶(hù)程序與服務(wù)器相連時(shí)，同步讀寫(xiě)方 式更具時(shí)效性[8]。第三種訂閱方式，即OPC服務(wù)器監(jiān)控的數(shù)據(jù)在狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)主動(dòng)的通知 客戶(hù)程序[9]，而不用客戶(hù)被動(dòng)地、一次次地去查詢(xún)數(shù)據(jù)，判斷其是否發(fā)生改變。對(duì)于每個(gè)組 對(duì)象，客戶(hù)程序可根據(jù)需要采用其中一種數(shù)據(jù)存取方式。
4、PID優(yōu)化整定系統(tǒng)OPC接口的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)
4.1 PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)
PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的硬件為一臺(tái)裝有OPC接口客戶(hù)端程序的PC機(jī)，根據(jù)實(shí)際情況分別采 用添加網(wǎng)卡或使用路由器的方式接入到控制系統(tǒng)的工程師站上，使PID優(yōu)化整定系統(tǒng)與工程 師站處在同一局域網(wǎng)內(nèi)。如果原有的工程師站上配有雙網(wǎng)卡，則直接使用網(wǎng)線(xiàn)與工程師站連 接；如果沒(méi)有雙網(wǎng)卡，或不方便接入的，則添加路由器，將兩臺(tái)機(jī)器接入同一網(wǎng)內(nèi)。
圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的軟件是指優(yōu)化整定PC機(jī)上裝有的自行開(kāi)發(fā)的PID優(yōu)化整定軟件。數(shù) 據(jù)采集的通訊接口方式使用OPC自動(dòng)化接口方式，數(shù)據(jù)采集所搭建的環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示。
4.2 OPC接口的實(shí)現(xiàn)
由圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器端采用DCS提供的OPC接口，在工程師站上放置使 用OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口編寫(xiě)的OPC應(yīng)用程序，它主要有兩個(gè)方面的功能：一是作為控制系統(tǒng)的 客戶(hù)端，連接下位機(jī)與上位機(jī)，讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；二是作為PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的服務(wù)器端，連 接PID優(yōu)化整定系統(tǒng)與下位機(jī)，將數(shù)據(jù)讀取到PID優(yōu)化整定站，供后期數(shù)據(jù)計(jì)算使用。而數(shù) 據(jù)采集部分的客戶(hù)端，則放置在PID優(yōu)化整定站，是使用VB語(yǔ)言，按照OPC自動(dòng)化訪(fǎng)問(wèn)接口 編寫(xiě)的應(yīng)用程序。讀取數(shù)據(jù)后，將相關(guān)數(shù)據(jù)保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于以后隨時(shí)查詢(xún)使 用。在全部數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中，應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要為T(mén)CP/IP協(xié)議。
4.2.1 OPC服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)不同工廠(chǎng)DCS設(shè)備或者工程師站操作系統(tǒng)的具體情況，服務(wù)器端分別采用兩種接口 方式，即自動(dòng)化接口和自定義接口編寫(xiě)服務(wù)器端程序。例如，對(duì)于YOKOGAWA CS3000 DCS， 采用的是VB編寫(xiě)的自動(dòng)化接口方式；對(duì)于ROSEMOUNT DELTA V DCS采用的是C++編寫(xiě)的 自定義接口方式。
4.2.2 OPC客戶(hù)端的實(shí)現(xiàn)
客戶(hù)端的主要實(shí)現(xiàn)方式是OPC自動(dòng)化接口方式，使用VB編寫(xiě)應(yīng)用程序。對(duì)于工廠(chǎng)各裝 置回路中pv（實(shí)測(cè)值）、sv（設(shè)定值）、mv（閥門(mén)開(kāi)度）參數(shù)的采集使用同步通訊的方式； 而對(duì)于回路控制的自動(dòng)、手動(dòng)情況的采集則使用訂閱通訊的方式，即在參數(shù)（控制狀態(tài)）發(fā) 生改變時(shí)主動(dòng)通知客戶(hù)端程序。 OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象由分層結(jié)構(gòu)組成，它由上而下包括OPC服務(wù)器對(duì)象（OPCServer）、 組對(duì)象（OPCGroup）、項(xiàng)對(duì)象（OPCItem），在設(shè)計(jì)OPC客戶(hù)端程序時(shí)，基本按照以上順 序進(jìn)行連接。對(duì)于OPC自動(dòng)化接口方式，OPC基金會(huì)專(zhuān)門(mén)為它的開(kāi)發(fā)提供了“自動(dòng)化包裝器” OPCDAAuto.dll，在編寫(xiě)程序前，應(yīng)該首先在VB項(xiàng)目中引用該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，這樣才能調(diào)用 OPC自動(dòng)化規(guī)范中定義的屬性、方法和事件?？蛻?hù)端程序設(shè)計(jì)的基本步驟如下：
?。?）在VB工程中添加對(duì)OPCDAAuto.dll的引用。
（2）聲明OPC對(duì)象。
?。?）連接OPC服務(wù)器，創(chuàng)建OPC對(duì)象。設(shè)計(jì)時(shí)需要調(diào)用OPC服務(wù)器對(duì)象的“Connect” 方法，和OPC服務(wù)器建立連接。之后，用OPC服務(wù)器對(duì)象的“OPCGroups”屬性生成一個(gè)組 集合，再調(diào)用“Add”方法在OPC組集合中添加新的OPC組。最后，在對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng) 問(wèn)前，要使用“OPCItems”屬性生成項(xiàng)集合，并使用“Add”添加新的OPC項(xiàng)。
?。?）讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于裝置回路PID參數(shù)采集采用同步讀取方式，對(duì)于裝置回路的控制 狀態(tài)采集采用訂閱讀取方式；最多可同時(shí)讀取16條回路的參數(shù)。
?。?）刪除OPC對(duì)象，斷開(kāi)與服務(wù)器的連接。連接著OPC服務(wù)器的OPC應(yīng)用程序，在退 出之前必須斷開(kāi)與OPC服務(wù)器的連接。否則，OPC服務(wù)器不知道OPC應(yīng)用程序的退出，計(jì)算 機(jī)資源就一直不能被釋放，長(zhǎng)此以往，會(huì)造成計(jì)算機(jī)資源枯竭而產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題。斷開(kāi)連接時(shí)， 使用“Disconnect”方法；并將OPCItems、OPCGroup和OPCServer都置為Nothing，刪除對(duì)象。
4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及導(dǎo)出的實(shí)現(xiàn)
為了給后期PID優(yōu)化整定提供大量完整的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要將大量數(shù)據(jù)保存 在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備使用。由于同時(shí)讀取多條回路，數(shù)據(jù)量很大，為避免在最后保存數(shù) 據(jù)時(shí)由于數(shù)據(jù)量過(guò)大而造成時(shí)間過(guò)慢，甚至是死機(jī)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)采取每讀取30個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保 存一次的方法。另外，在把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel過(guò)程中，由于Excel自身的限制，一張Sheet保存 的數(shù)據(jù)有限，為了避免數(shù)據(jù)溢出，設(shè)計(jì)成每保存一定數(shù)據(jù)自動(dòng)生成一張新的Sheet進(jìn)行存儲(chǔ)。
5、結(jié)束語(yǔ)
以O(shè)PC為接口通訊方式的數(shù)據(jù)采集模塊是PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該模塊及整個(gè)PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都相對(duì)獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)工程師站，使用OPC通訊也只進(jìn)行讀操作而不進(jìn)行寫(xiě) 操作。該設(shè)計(jì)的好處是，既能使兩臺(tái)機(jī)器互相沒(méi)有影響，又能使客戶(hù)端采集到全部DCS數(shù)據(jù)。 鑒于石油化工企業(yè)的重要性，數(shù)據(jù)采集只讀不寫(xiě)，具有較好的安全性，可以保證原系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的安全和純潔，也避免了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤造成的影響，保證了生產(chǎn)的安全。目前，PID優(yōu)化整定系 統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期檢驗(yàn)，已經(jīng)穩(wěn)定的運(yùn)行于國(guó)內(nèi)許多石油化工企業(yè)中，且運(yùn)行狀況良好。 現(xiàn)在，絕大多數(shù)工控廠(chǎng)商為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性，其DCS都提供了OPC接口。同時(shí)，OPC 基金會(huì)也在不斷推出新的產(chǎn)品，從OPC DA到OPC XML-DA，再到OPC UA。OPC必然會(huì)向 更為廣泛的跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)、企業(yè)級(jí)的方向發(fā)展。