用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构制造技术

本发明专利技术公开一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，它包括两个设备，其中设备１中包含一个模拟量输入功能块，与传感器相连；设备２中包含控制功能块、模拟量输出功能块，所述模拟量输出功能块与执行器相连；在设备１中，增加一个预测控制功能块和一个控制功能块，其中控制功能块的参数与设备２中控制功能块的参数完全一样；在设备２中增设一个与设备１中的预测功能块完全相同的预测功能块；使用通用的组态软件配置设备１和设备２中各个功能块之间参数连接。本发明专利技术能减少总线网络通信负担，从而提高总线网络数据通信的实时性和确定性；并对错误的采样数据报警，起到第二传感器的作用，提高控制系统稳定性。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及现场总线(FOUNDATION Filedbus，简称FF)技术，具体地说是一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，属于基金会现场总线柔性功能块(Flexible Function Block)中的一种。
技术介绍
功能块是基金会现场总线最具特色的技术之一。功能块是一个以数据结构为核心的软件逻辑处理单位，完成一个独立而完整的控制功能。FF的控制系统在逻辑上可以视为由若干个功能块组成。构成控制系统的功能块可以是在同一个设备中，也可以分散在多个设备中，由组态软件进行组态后，协作完成控制算法。一个现场设备中可以包含多个功能块，这些功能块可以是现场总线基金会(Fieldbus Foundation)定义的标准的功能块，也可以是开发商根据特定的控制要求定义的柔性功能块。功能块可分为输入功能块(例如模拟量输入功能块AI)，控制(计算)功能块(例如控制功能块PID)和输出功能块(例如模拟量输出功能块AO)三种。输入功能块所在的设备与传感器相连，输出功能块所在的设备与执行器相连，控制功能块可以存在于任何设备中。在典型的闭环控制系统中，在每一个控制周期内，输入功能块通过传感器检测当前的被控物理量，进行滤波和线性化之后，将采样值传送给控制功能块。控制功能块计算出控制量，通过输出功能块将控制量发送到执行器完成控制。在现有技术中，完成每一个控制周期，控制系统都至少需要通过总线网络进行一次通信。频繁的总线通信，必然占用较多的网络带宽，影响了控制系统的实时性和确定性，尤其是在以太网现场总线载波侦听/冲突回避的通信机制下，这一问题更加突出。另一方面，在现有控制系统中，难以快速检测传感器或(和)执行器出现的故障；即使检测出传感器出现了故障，控制系统将进入安全状态，停止对被控对象的控制。这必然对生产造成损失，甚至出现危险情况。
技术实现思路
为了克服由于频繁通信和传感器或(和)执行器故障所造成的控制系统的不稳定和安全隐患，本专利技术提供一种基于预测的解决方案，即一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，它根据被控对象的传递函数、控制量和采样值对被控物理量进行预测，从而减少总线网络的通信量，而且对控制系统中的传感器和执行器的工作状态进行监控，提高控制系统的稳定性和安全性。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是包括两个设备，其中设备1中包含一个模拟量输入功能块，与传感器相连；设备2中包含控制功能块、模拟量输出功能块，所述模拟量输出功能块与执行器相连；在设备1中，增加一个预测控制功能块和一个控制功能块，其中控制功能块的参数与设备2中控制功能块的参数完全一样，预测功能块中功能块的角色标记设置为传感器一侧；在设备2中增设一个与设备1中的预测功能块完全相同的预测功能块，并将其功能块的角色标记设置为执行器一侧；使用通用的组态软件配置设备1和设备2中各个功能块之间参数的连接如下在设备1中，模拟量输入功能块的输出参数与预测功能块的输入参数采样值相连，控制功能块的输出参数与预测功能块的输入参数控制量相连，预测功能块的输出参数同时与设备1中控制功能块的输入参数和设备2中预测功能块的输入参数采样值相连；在设备2中，控制功能块的输出参数同时与预测功能块的输入参数控制量和模拟量输出功能块的输出参数相连，预测功能块的输出参数与控制功能块的输入参数相连，预测功能块的输入参数采样值与设备中预测功能块的输出参数相连；其中通过通用的组态软件，配置设备1中功能块的调度，首先是模拟量输入功能块执行，然后由预测功能块决定是否需要通过总线向设备2发送由模拟量输入功能块传送来的采样值，是否需要发送报警，最后是控制功能块执行；其中配置设备2中功能块的调度，通过是否接收到从设备1中预测功能块发送来的采样值来决定控制功能块执行，计算出本控制周期的控制量的依据，并将控制量同时发送给模拟量输出功能块，同时发送到和设备2中的预测功能块；最后是模拟量输出功能块执行，将设备2控制功能块发送来的控制量进行量程变换后转换发送到执行器，施加于被控对象之上；其中在传感器一侧设备1中的预测功能块执行流程如下预测功能块首先计算预测值，并计算此预测值与模拟量输入功能块发送来的采样值之间偏差的绝对值，并参考最大允许误差来判断预测值的精度是否达到要求如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于最大允许误差，用预测值代替采样值，并将被替换的采样值(即预测值)发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于最大允许误差，需要重新计算预测修正量，然后将采样值通过总线网络发送到设备2中的预测功能块中，再根据报警阈值判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于报警阈值，将采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于报警阈值，发送报警提醒现场工程师检修，然后将采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；其中在执行器一侧设备2中的预测功能块执行流程如下预测功能块首先计算预测值，然后判断是否接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，如果没有接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，将预测值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果接收到从设备1中的预测功能块发送来的采样值，重新计算预测修正量，然后计算预测值与从设备1中的预测功能块发送来的采样值之间偏差的绝对值，并参考报警阈值来判断传感器或(和)执行器的工作状态是否正常如果预测值与采样值之间偏差的绝对值小于报警阈值，将从设备1中的预测功能块发送来的采样值发送到控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果预测值与采样值之间偏差的绝对值大于报警阈值，需要根据信任预测时长的值来决定此后的执行过程如果信任预测时长大于0，将信任预测时长减1，然后将预测值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程；如果信任预测时长等于0，将从设备1中的预测功能块发送来的采样值发送到设备2中的控制功能块中，结束预测功能块的执行过程。本专利技术具有如下优点1.减轻总线网络通信负担。本专利技术通过对被控物理量的预测，减少总线网络的通信负担，从而提高了控制系统的实时性和确定性，尤其是在以太网现场总线载波侦听/冲突回避的通信机制下，这一优点更是明显。2.合理利用设备资源。本专利技术通过两个设备中的预测控制功能块对同一被控物理量进行预测的冗余计算来减轻通信负担，不但不会影响设备正常工作，而且合理有效的利用了分散在现场总线控制系统中各个设备中的空闲资源和计算能力。3.提高控制系统的稳定性和安全性。本专利技术通过比较预测值和采样值之间的偏差是否超出最大允许误差MAX_ERR所规定的范围来判断控制系统的传感器或(和)执行器的工作状态，起到第二传感器的作用，从而提高控制系统的稳定性和安全性，避免发生危险。4.减少因传感器故障造成的损失。本专利技术可以在控制系统传感器出现故障时，在信任预测时长所规定的控制周期内使用预测值继续进行控制，从而减少因为控制停顿对生产造成的损失，为工程师检修系统争取时间。附图说明图1为现有技术中典型的闭环控制系统结构图。图2为本专利技术的控制系统结构简图。图3为图2中控制原理4为本专利技术实际采样值与预测值的关系图。图5为图2中预测功能块结构图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于基金会现场总线的减少总线通信量的控制结构，包括两个设备，其中设备（１）中包含一个模拟量输入功能块（ＡＩ），与传感器相连；设备（２）中包含控制功能块（ＰＩＤ）、模拟量输出功能块（ＡＯ），所述模拟量输出功能块（ＡＯ）与执行器相连；其特征在于：在设备（１）中，增加一个预测控制功能块（ＰＣ）和一个控制功能块（ＰＩＤ），其中控制功能块（ＰＩＤ）的参数与设备（２）中控制功能块（ＰＩＤ）的参数完全一样，预测功能块（ＰＣ）中功能块的角色标记设置为传感器一侧；在设备（２）中增设一个与设备（１）中的预测功能块（ＰＣ）完全相同的预测功能块（ＰＣ），并将其功能块的角色标记设置为执行器一侧；使用通用的组态软件配置设备（１）和设备（２）中各个功能块之间参数的连接如下：在设备（１）中，模拟量输入功能块（ＡＩ）的输出参数（ＯＵＴ）与预测功能块（ＰＣ）的输入参数采样值（ＳＡＭＰＬＥ）相连，控制功能块（ＰＩＤ）的输出参数（ＯＵＴ）与预测功能块（ＰＣ）的输入参数控制量（ＣＯＮＴＲＯＬ）相连，预测功能块（ＰＣ）的输出参数（ＯＵＴ）同时与设备（１）中控制功能块（ＰＩＤ）的输入参数（ＩＮ）和设备（２）中预测功能块（ＰＣ）的输入参数采样值（ＳＡＭＰＬＥ）相连；在设备（２）中，控制功能块（ＰＩＤ）的输出参数（ＯＵＴ）同时与预测功能块（ＰＣ）的输入参数控制量（ＣＯＮＴＲＯＬ）和模拟量输出功能块（ＡＯ）的输出参数（ＯＵＴ）相连，预测功能块（ＰＣ）的输出参数（ＯＵＴ）与控制功能块（ＰＩＤ）的输入参数（ＩＮ）相连，预测功能块（ＰＣ）的输入参数采样值（ＳＡＭＰＬＥ）与设备（１）中预测功能块（ＰＣ）的输出参数（ＯＵＴ）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王天然，于海斌，王宏，吕勇，杨志家，周侗，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]