能夠快速發(fā)表論文的通信期刊推薦《中國新通信》雜志是由中國科學技術協(xié)會主管,中國電子學會主辦,《中國數(shù)據(jù)通信》雜志社編輯出版的集權威性、實用性、技術性、普及性于一體的數(shù)據(jù)通信專業(yè)技術刊物。技術版為月刊。覆蓋范圍:電信、電子、郵政、金融、交通、石油、電力、廣電、教育、鐵路、醫(yī)療、部隊等相關數(shù)據(jù)通信領域的部門與系統(tǒng)。讀者對象:從事數(shù)據(jù)通信的技術管理干部、工程技術人員、市場與業(yè)務的開發(fā)者、數(shù)據(jù)通信的大用戶和有關專業(yè)的大專院校師生等。本刊曾用刊名:中國數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡;中國數(shù)據(jù)通信。
摘要:在深入研究PROFIBUS總線技術的基礎上設計并實現(xiàn)了熱電廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)。主要介紹了基于PROFIBUS的熱電廠智能體的劃分,多智能體控制系統(tǒng)的結構及其實現(xiàn)。采用多智能體的方法,將以前的控制模塊和監(jiān)測模塊封裝成單個的智能體,組成多智能體系統(tǒng),解決控制、監(jiān)測和維護相互隔離的問題,從而達到信息交換容易、控制處理效率高的目的。
關鍵詞:現(xiàn)場總線,控制系統(tǒng),智能體
1、引言現(xiàn)場總線技術是上個世紀80年代出現(xiàn),90年代興起的自動化領域的一項新技術,F(xiàn)場總線是用于過程自動化或制造自動化中的,實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設備(變送器,執(zhí)行器,控制器)與高層設備(主機,網(wǎng)關,人機接口設備)之間互聯(lián)的,全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)。通過它可以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡的分布式控制;诂F(xiàn)場總線的新一代控制系統(tǒng),現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbuscontrolsystem,FCS)已經(jīng)成為自動控制系統(tǒng)體系結構的發(fā)展方向。
2、PROFIBUS的協(xié)議結構Profibus是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準,1989年成為德國標準DIN19245,1996年成為歐洲標準EN50170,1999年12月被接受為國際標準IEC61158的一部分。Profibus是目前歐洲乃至全球應用最廣泛的總線系統(tǒng),它速度快成本低,幾乎所有PLC產(chǎn)品和自動化外設產(chǎn)品都提供Profibus接口。它根據(jù)不同應用場合提供3個兼容版本:Profibus-DP,Profibus-FMS和Profibus-PA。[1]Profibus-DP適用于現(xiàn)場級分布式自動化外設之間的高速數(shù)據(jù)傳輸(DP的含義為分散的外圍設備)。是一種高速而廉價的通信連接,旨在解決設備一級的高速數(shù)據(jù)通信。在這一級,中央控制器(如PLC/PC)通過高速串行線RS-485傳輸技術或光纖媒體,同分散的現(xiàn)場設備(I/O、驅(qū)動器、閥門等)進行通信,傳輸速率最高可達12Mbit/S。一般情況下,DP構成單主站系統(tǒng),主站和從站以循環(huán)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。ProfibuS-DP主要應用在對傳輸速率有較高要求的現(xiàn)場級數(shù)據(jù)通信中。它的體系結構包括ISO/OSI參考模型第1,2層以及用戶接口,傳輸技術使用RS485(稱為H2),這種結構能保證通信的實時性和系統(tǒng)實現(xiàn)的低成本。在用戶接口中使用了定義用戶和系統(tǒng)使用的應用功能和描述現(xiàn)場設備行為的行規(guī)。Profibus-FMS(FieldbusMessageSpecification)是現(xiàn)場級和單元級通信的通用解決方案,主要解決單元級主站之間(PLC和PC)的互相通信,它提供了大量的通信服務,如現(xiàn)場信息傳送、數(shù)據(jù)庫處理、參數(shù)設定、下載程序、從機控制和報警等,用以完成以中等傳輸速度進行的循環(huán)與非循環(huán)的通信任務。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設備之間的通信以及控制器間的信息交換,因此它主要考慮系統(tǒng)的功能,而不是系統(tǒng)的響應時間。FMS提供了較多種類的通信服務,應用靈活,可用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng)場合中。FMS使用了ISO/OSI參考模型第1,2,7層,第1,2層與Profibus-DP兼容,第7層包括了應用協(xié)議并向用戶提供了廣泛的通信服務功能。Profibus-PA是在Profibus-DP的基礎上通過優(yōu)化、擴展而來,主要用于化工等對安全性要求高的場合,通信采用擴展的Profibus-DP協(xié)議。傳輸技術改用IEC1158-2(稱為H1),可確保本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設備通過總線供電,通過分段耦合器,能方便地和Profibus-DP,Profibus-FMS相連。[2-3]
3、熱電廠控制系統(tǒng)中智能體的劃分在熱電廠控制系統(tǒng)中,我們將整個系統(tǒng)劃分為現(xiàn)場Agent、監(jiān)測Agent、控制Agent和事物管理Agent,F(xiàn)場Agent分別為鍋爐智能體、汽機智能體和除氧給水智能體構成,它們的結構基本相同,處于相同的地位,監(jiān)測和控制智能體在整個系統(tǒng)中居于管理者地位,事務管理智能體負責數(shù)據(jù)的整理以及向上層提供數(shù)據(jù)接口。如圖1所示。
圖1:智能體的劃分
4、基于PROFIBUS的多智能體控制系統(tǒng)(MACS)結構
控制系統(tǒng)的結構設計基于系統(tǒng)集成的思想,整個控制系統(tǒng)由控制軟件和相應的硬件兩大部分互相協(xié)作,完成控制功能。硬件主要包括工業(yè)PC機、工業(yè)板卡、可編程控制器、變送器和執(zhí)行機構。軟件由組態(tài)軟件、系統(tǒng)運行軟件和各功能擴展模塊等構成。為了從結構上實現(xiàn)分層容錯控制,系統(tǒng)硬件的選擇與集成考慮了層內(nèi)組成與層間通訊兩個方面。結合PROFIBUS總線的使用,我們將基于多智能體的智能控制系統(tǒng)分成三個層次,最底層是現(xiàn)場控制層,在其基礎上是過程監(jiān)控層和企業(yè)管理層,其整體結構如圖2所示。圖2:智能控制系統(tǒng)分層結構
現(xiàn)場控制層選用功能簡單,可靠性很高的可編程控制器,完成保證系統(tǒng)安全的控制功能,同時又受控于過程監(jiān)控層的控制。而過程監(jiān)控層和企業(yè)管理層選用功能強大的工業(yè)PC機為主體,可以使用一些高級的控制策略,完成提高系統(tǒng)效率的控制功能,同時承擔部分對象的直接控制,減少現(xiàn)場控制層的費用。在緊急情況下過程監(jiān)控層輸出的控制信號直接切換到伺服機構上,由過程監(jiān)控層同時實現(xiàn)高級控制策略和常規(guī)控制,而當過程監(jiān)控層發(fā)生故障,可由現(xiàn)場控制層采用常規(guī)控制維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行,從而大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。過程監(jiān)控層與現(xiàn)場控制層之間采用現(xiàn)場總線傳遞數(shù)據(jù),各工業(yè)PC機之間則采用標準網(wǎng)卡和集線器(HUB)構成星形網(wǎng)絡傳遞數(shù)據(jù)和共享資源。最底層是一個基于現(xiàn)場總線的分布式系統(tǒng),由若干智能執(zhí)行器(Intelligentactuator)和智能變送器(Intelligentsensor)組成,它們一方面對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)加以采集并經(jīng)過處理送到PROFIBUS總線上以提供一致和有效的信息;另一方面對從該總線上取得的操作命令加以處理和執(zhí)行。每個現(xiàn)場控制站主要都是由主控單元和I/O模塊構成,兩者間用雙絞線作為傳輸介質(zhì),采用PROFIBUS現(xiàn)場總線結構,為了提高系統(tǒng)可靠性,可以使用雙冗余主控單元,在發(fā)生意外死機情況下將自動切換到備用主控單元,從而提高系統(tǒng)的可靠性。過程監(jiān)控層是與現(xiàn)場總線和企業(yè)網(wǎng)同時相連的工作站,主要工作就是負責實現(xiàn)控制等管理。它們從現(xiàn)場總線獲取生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù),通過現(xiàn)場總線和企業(yè)網(wǎng)彼此交換信息和發(fā)出指令,并為運行管理人員提供良好的人機界面。本層與現(xiàn)場控制層在實際系統(tǒng)中構建為實現(xiàn)各種功能的智能體組成,以完成整個系統(tǒng)的控制功能。如圖3所示。
圖3智能體系統(tǒng)結構
現(xiàn)場Agent分別為鍋爐、汽輪機和除氧給水,它們可以根據(jù)檢測的信號和知識庫中的規(guī)則和經(jīng)驗公式來確定各子系統(tǒng)的狀態(tài)是否正常,能夠?qū)σ恍┣闆r(給水流量、主汽流量等)進行判斷,并進行必要的處理。它們接受控制Agent的控制信號對各子系統(tǒng)的監(jiān)控對象進行參數(shù)調(diào)節(jié),并將各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息送給監(jiān)測Agent,F(xiàn)場Agent以西門子S7-300為中心和現(xiàn)場的控制儀表綜合實現(xiàn)?刂艫gent根據(jù)監(jiān)測Agent的要求對現(xiàn)場Agent發(fā)出控制指令,以完成對各個監(jiān)控對象的參數(shù)調(diào)節(jié),同時將操作信息發(fā)送給事物管理Agent。
監(jiān)測Agent根據(jù)各個現(xiàn)場Agent傳送過來的信息,能夠?qū)φ麄生產(chǎn)過程的狀態(tài)進行綜合分析和預測,并對生產(chǎn)過程可能發(fā)生的故障做出判斷。事物管理Agent管理所有的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)庫進行維護,它和控制Agent、監(jiān)測Agent都是在工控機中通過軟件加以實現(xiàn)。最上層是整個企業(yè)的管理層,它是整個系統(tǒng)的管理中心。
5、結束語現(xiàn)場總線是智能化儀表和計算機網(wǎng)絡相結合的新一代底層控制網(wǎng)絡。PROFIBUS是開放的、功能完善的國際現(xiàn)場總線標準之一。在實際應用過程中,引入分級多層體系結構(主要由PC,PLC和智能儀表等構成),建立基于PROFIBUS總線的多智能體控制系統(tǒng),將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層和企業(yè)管理層加以實現(xiàn),從而獲得較高的系統(tǒng)可靠性。
參考文獻
1.林強,陽憲惠,徐用愚.現(xiàn)場總線及其網(wǎng)絡集成.測控技術,1999年5期
2.FieldbusFoundation,TechnicalOverview,1996
3.姜曉鳳等.智能控制-維護-管理系統(tǒng)中PROFIBUS技術的研究.甘肅科技,2003,19卷,第5期,23-24
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