过程自动化工程中的新型通信技术与可行性算法的研究与应用

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随着近代科技的快速发展,控制理论及仪器仪表技术的不断完善,过程自动化的系统集成过程已超出传统模式的界限,逐步向网络化、智能化方向发展。过去大量学者对过程控制理论做出了诸多的研究成果,大幅度改善了系统的控制性能,但是相较控制理论的研究,目前数据的获取过程及控制信号的优化传输过程研究却相对较少。实际上,控制理论在对系统进行分析和综合时往往做了很多理想性的假设,如网络中的数据获取为无丢包传输、数据传输不受带宽的影响以及传输延迟远小于采样周期等,然而在控制系统中由于大量数据的获取和总线通信协议间的不兼容以及多控制回路的存在,通常上述假设是不能成立的,因此,这大大限制了控制理论的应用。本课题将OPC UA通信技术及基于PROFINET的等时同步通信技术应用到过程自动化的系统集成中,一方面提高了通信过程的数据传输量,解决了总线通信协议间的不兼容问题,另一方面优化了控制信号的传输执行过程。在加热炉的故障安全停车系统中,故障停车的保护动作速度,较常规控制方式提高了一倍多,使得系统的安全性大大增强,提高了控制系统的可靠性。本文还研究了控制系统通信存在不确定性干扰的情况下,系统控制决策所依赖的传感数据存在一定的随机扰动,给系统的控制带来了很大的不便。本课题将多源信息融合中的滤波处理技术引入到控制系统中,大大加强了系统的自适应能力和容错能力,提高了系统的稳定性。在考虑到过程控制工程实现的实用性和前瞻性,针对以上问题本课题主要研究内容包括:(1)分析了OPC UA架构在分布式数据检测中的优势,设计了基于TCP/IP链路的OPC UA客户端数据采集接口,解决了总线通信协议间的不兼容问题。(2)针对控制周期变长产生严重的滞后问题给过程控制算法的实现带来的困难,提出了一类基于PROFINET通信的等时同步传输技术,并重点分析了其传输机理及算法设计过程。(3)提出将OPC UA通信技术、基于PROFINET的等时同步通信技术及滤波融合技术应用到加热炉故障停车处理的安全联锁系统设计中,并给出了相应的设计算法和SCL语言实现过程。(4)针对现场常见通信传感器的测量白噪声问题,借助SCL语言的灵活性和易用性,设计了基于Kalman滤波的PID控制算法。
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