基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng) 的設計與實現(xiàn)

1、第22卷第1期 齊 齊 哈 爾 大 學 學 報 Vol.22,No.1 2006年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2006基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)柴寶仁1許維平2(1.齊齊哈爾大學應用技術學院,齊齊哈爾 161006;2.齊齊哈爾大學計算機與工程學院,齊齊哈爾 161006摘 要:隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構開始向大規(guī)模的分布式控制系統(tǒng)方向發(fā)展。本文在神經元芯片技術的基礎上,研究探討了分布控制系統(tǒng)的開發(fā)技術,對基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)的軟件設計作了詳細介紹。關 鍵 詞:神經元芯片;現(xiàn)場總線技術;分布式控制系統(tǒng)

2、;神經模糊控制中圖分類號:TP316.4 文獻標識碼:A文章編號:1007-984X(200601-0041-05隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展和生產裝置規(guī)模的不斷擴大,生產過程日趨復雜,對企業(yè)生產自動化和各種信息的集成要求越來越高。對自動化的要求已不僅是保持個別變量的穩(wěn)定,而且要求實現(xiàn)多個變量的最優(yōu)控制。分析和設計最優(yōu)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代控制理論的基本內容,對于復雜的控制對象,由于它們往往同時,并行,獨立工作,控制對象分布面很廣,因此把它們聯(lián)系起來實現(xiàn)分布式控制是現(xiàn)代控制技術中的重要發(fā)展方向,分布式控制系統(tǒng)具有可靠高、速度快、系統(tǒng)模塊化、價格低、設計開發(fā)相對簡單,人們越來越多地把原來使用計算機進行的集

3、中式控制系統(tǒng)改為分布式控制系統(tǒng)。但是分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)一直沒有一個簡便易行的方法,是人們正在研究的課題,由于現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn),構建分布式控制系統(tǒng)已成為可能?，F(xiàn)場總線技術是一種工業(yè)數據總線,它主要解決現(xiàn)場的智能儀表,控制器,執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數字通訊。是微機化測量設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數字通信系統(tǒng),它的核心是現(xiàn)場總線協(xié)議?；诂F(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)是自動化技術,計算機技術自動化儀表,工業(yè)生產技術,網絡技術,通信技術的交叉和集成,其研究課題主要側重于:1基于現(xiàn)場總線技術的智能化,自動化儀表的研制,因為它是信息獲取的工具,非曲直是信息工業(yè)的源頭。2基于現(xiàn)場總線的網絡設備的軟、硬件研

4、制。3網絡技術的研究,包括網絡拓樸結構、網絡設備、網絡互連符。4網絡管理技術,包括網絡管理軟件、網絡數據操作。5現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)的集成技術。基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)組成包括現(xiàn)場總線結構,現(xiàn)場總線通信協(xié)議,用于現(xiàn)場總線分布式控制系統(tǒng)的控制芯片以及現(xiàn)場總線軟件設計。本文重點討論現(xiàn)場總線的軟件設計。1 基于LonWorks 現(xiàn)場總線分布式控制系統(tǒng)的基本組成以LonWorks現(xiàn)場總線為例,討論系統(tǒng)組成。LonWorks技術的網絡協(xié)議完備,開放性好,采用了神經元芯片,Neuron C編程語言。整個系統(tǒng)由控制節(jié)點、控制機柜節(jié)點、監(jiān)控微機組成。如圖1所示。控制節(jié)點的功能主要為下載監(jiān)控微機

5、(上位機給定的控制曲線,實時的對控制對象進行采樣,按特收稿日期:2005-0403作者簡介:柴寶仁,男,1958年生,高級講師,主要從事計算機控制應用軟件開發(fā)研究。42 齊 齊 哈 爾 大 學 學 報 2006年定的控制曲線對被控對象進行控制,定期將實時參數上傳給上位機?？刂茩C柜節(jié)點的主要功能為實時循環(huán)或定點顯示控制參數,實時顯示執(zhí)行機構的開關狀態(tài),對各控制節(jié)點狀態(tài)進行監(jiān)控,檢測故障及時報警。 監(jiān)控微機裝有LonWorks 網卡,它執(zhí)行網絡監(jiān)控程序,它在提供經驗控制曲線的同時,提供繪制控制 曲線的簡便方法,給下位機準備多種控制曲線,并能將控制曲線下載到指定的控制節(jié)點。監(jiān)控微機定時收取控制節(jié)點采

6、集的實時數據,繪制節(jié)點變化曲線,對數據進行定期保存并實現(xiàn)歷史數據的查詢。同時監(jiān)控微機還能對實際控制曲線和理想控制曲線進行顯示對比,并分析誤差,并能逐步找出各個控制節(jié)點的最佳控制曲線 。監(jiān)控微機通過一塊Lon- Works 適配器連接到總線上,通過DDE Server 與網絡通信以實現(xiàn)對網絡運行狀況的監(jiān)測。 2 控制節(jié)點軟件設計節(jié)點軟件在現(xiàn)場的各個節(jié)點上運行,采用Neuron C 語言編程,監(jiān)控軟件在Windows 環(huán)境下的Delphi 編程,在上位機上運行,負責對整個網絡的運行狀況進行監(jiān)測。由于Neuron C 中有許多標準的事件,如節(jié)點復位事件,定時器事件,I/O狀態(tài)改變事件,網絡變量更新事

7、件,顯示報文到達事件等。因此采用Neuron C 語言編程,控制節(jié)點軟件包括以下幾個部分。1下載監(jiān)控微機給定的控制曲線在兩種情況下執(zhí)行,即在一個節(jié)點尚未下載過控制曲線和監(jiān)控微機需更新一個節(jié)點內存儲的控制曲線時執(zhí)行。由于下載監(jiān)控微機給定的曲線需傳輸的數據量很大,如利用網絡變量則無法完成,因此一般采用顯示報文通信方式來下載這些數據。由于傳送完全部報文數據所需的時間較長,在傳送過程中易出現(xiàn)差錯,可能出現(xiàn)丟失報文,發(fā)送報文的順序與接收報文的順序不一致的情況。為了使每個數據報文具有相對獨立性,使該報文與其上下報文無關,在定數據報文時按如下結構定義:Struct Long t; / 該報文數據在控制曲線的

8、起始位置。 SNVT_Temp tmp100; / 100個控制點值 tempbase;這樣在下載過程中,控制節(jié)點每收到一個數據報文,就可將其點值進行更新,而無需等到所有報文都接收到為止。監(jiān)控微機在發(fā)送數據時,可以只發(fā)送有變化的控制曲線部分,不必要全部發(fā)送。與顯示報文有關的一些對象,函數如下:發(fā)送顯示報文對象 msg_out 接收顯示報文對象 msg_in 發(fā)送顯示報文函數 mag_send 接收顯示報文函數 mag_receive 顯示報文到達事件 mag_arrives 控制節(jié)點接收報文代碼如下: When ( mag_arrives(1msg_receive ( memcopy (tem

9、p,msg_im,data,size of (msg_in,datafor ( I=0; (I<100 && (I+temp.t<1152; I+ setump_tempI+temp.t=temp.tmpI 2對控制點進行采樣顯示。一般對控制點取4個采樣點,取其平均值,A/D轉換由TLV1570芯片完成,轉換需進行非線性補償,所用函數如下:Tlvinit ( TLV1570芯片初始化Long Tlvread (int xh 讀取TLV1570第xh 路采樣值 SNVT_temp TIvconvert (long_temp 進行非線性補償運算第1期 基于現(xiàn)場總線技術的

10、分布式控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 43顯示時,我們設計幾個相關的顯示函數Displayclear ( 清除所有LED的顯示Displayxh (in xh 顯示控制節(jié)點序號Displaytemp 顯示節(jié)點值3按給定的控制曲線對控制節(jié)點進行調節(jié)。我們把神經網絡和模糊控制相結合,形成神經模糊網絡控制技術,作為我們選用的控制算法。依賴神經網絡的連接結構,使得系統(tǒng)具有較好的容錯性能,分布式處理能力,及對知識庫和模糊規(guī)則集的學習能力,而模糊控制技術則提供一套高級的if -then規(guī)則集思想,系統(tǒng)在運行過程中,可以不斷地通過學習,補充修正規(guī)則集,增強系統(tǒng)對實際情況的適應能力(有關神經模糊控制另有文章發(fā)表。4上傳

11、實時參數。由于監(jiān)控微機平時并不需要常開機,不能實時監(jiān)視控制節(jié)點狀況,為了使各個節(jié)點的歷史曲線不丟失,應將其保存起來,以備監(jiān)控微機查詢訪問。因此在設計控制節(jié)點軟件時,開設一個數組,用于存放一個周期內的所有采樣值。當監(jiān)控微機需要查詢某個節(jié)點的歷史數據時,該節(jié)點就把存放的所有數據以顯示報文的方式傳送給監(jiān)控微機。上傳數據的程序片斷如下:SNVT_temp Wd1152Long Wds;Tembase tmp;For (I =0 ; I< (Wds+99 / 100 ; I+ for ( j=0 ; j < 100 ; j+ tmp.tmj=Wd j+I*100; tmp.t =I*100;

12、memcopy (msg_out .data , tmp , sizdof (tmp; msg_out.send ( ;3 監(jiān)控軟件設計監(jiān)控軟件是在Windows 98平臺上,以Delphi語言編制而成的一套軟件,監(jiān)控微機內安裝一塊PC-SLTA LonWorks網卡,并通過LonWorks技術的LonManeger的DDE Server與LON總線進行通信。DDE Server是Lon網絡的一個節(jié)點,由網絡管理工具來建立,通過共享存儲在LON數據庫中的節(jié)點邏輯名,地址和網絡變量信息來完成對網絡的監(jiān)控。用網絡管理工具(如組態(tài)軟件進行網絡安裝,組態(tài)的過程,實際上就是對每一個節(jié)點定義其唯一的網絡屬

13、性的過程,這個過程定義了每個節(jié)點屬于哪一個系統(tǒng),與哪些節(jié)點共享數據。DDE Server就是利用Lon數據庫中的這些信息來完成系統(tǒng)底層與上層的連接。動態(tài)數據交換(DDE定義了一種標準的在Windows環(huán)境下共享數據的方式,當應用程序使用DDE來共享數據時,它們首先需要與SDDE Server之間建立一個DDE 對話,當對話建好之后,客戶端應用程序就能為從DDE Server發(fā)送和接收數據,也就是應用程序能夠讀取和修改LonWorks網絡節(jié)點的網絡變量值以及發(fā)送和接收顯示報文。一個DDE會話由兩方進行,建立會話的一方稱為客戶,另一方稱為服務器。當DDE Server與其它Windows應用程序通

14、過DDE交換信息時,DDE Server總是作為服務器方,一個DDE消息包括三個部分,即應用程序名、DDE主題和項目。當DDR Server與其它Windows應用程序通過DDE交換信息時,應用程序名,DDR主題和項目如下:Application LMSRVR1 Topic: SYSTEM (系統(tǒng)信息NETVAR (網絡變量MSGTAG (報文標簽 Item: 節(jié)點名,變量名節(jié)點名,msg_out節(jié)點名,msg_in用Delphi的四個控件:Dde Client ConV, DdeClientIem, DdeserverConV, DdeserverItem來建立起DDE通信的客戶和服務器應用

15、程序。Dlephi定義了DDE對話的三個屬性:Service (應用程序 Topic (主題 Item (項目。Delphi相關的DDE操作包括建立訪問網絡變量的DDE會話,建立收發(fā)顯式報文的DDE會話,監(jiān)視網絡變量,修改網絡變量,接收顯式報文和發(fā)送顯式報文等6個部分。下面僅就接收顯式報文和發(fā)送顯示報44齊 齊 哈 爾 大 學 學 報 2006年文的格式介紹如下:1接收顯式報文。在DDE Server中,是利用Msgtag主題來發(fā)送和接收相關顯式報文信息的,可以用來監(jiān)視某個節(jié)點發(fā)送和接收到的顯示報文。在Msgtag主題里,接收顯示報文格式如下: 節(jié)點名. msg in .tagname msg

16、code參數節(jié)點名:可選,用來指定監(jiān)視某個節(jié)點的顯式報文。Msg_in: ;固定關鍵字Tagname: 可選,指定DDE Server 節(jié)點使用的信息連接代號。Msg_code: 可選,指定需要監(jiān)視的顯式報文的信息代碼,應用信息代碼取值0-62,外部信息代碼取值64-78。域:如果網絡變量是一個結構的話,還需指定變量的域。參數:可選,有如下一些參數:- I nnnnn 指定監(jiān)視顯式報文的時間間隔- N bool 指定在顯式報文未更改時,是否接收顯式報文條目。- T type_name 指定解釋收到的顯式報文數據的數據類型。Dde Client Item1.DdeItem:=”gwl.mag_i

17、n”Ddeclient Item2.DdeItem:=”gw2.mag_in”.DdeClientItem9.DdeItem:=. ”gw9.mag_in”Procedure TmonForm.DdeItem 1 Change (Serder:Tobject:Begin/ 接收顯示報文.end.2發(fā)送顯示報文。在DDE Server里,發(fā)送顯式報文有兩種方式,對點發(fā)送和廣播發(fā)送。 對點發(fā)送格式節(jié)點名. mas_out .tagname msg_code 參數 廣播發(fā)送格式domain_name和subnet_name分別為LON網絡中的域名和子網名,在網絡數據庫中定義。4 結束語本課題的研究與

18、實現(xiàn)是以Lonworks現(xiàn)場總線技術為代表,討論基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的一般方法。系統(tǒng)設計尚存有待解決的問題,例如,在這樣的分布式控制系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)的擴容而造成對整個網絡需要重構的問題,即系統(tǒng)添加一個控制節(jié)點后,監(jiān)控軟件需要進行一些設置,可以通過添加節(jié)點邏輯名的方法,或者由監(jiān)控程序使用自動搜索的方法去尋找到新添加的節(jié)點,并記錄在動態(tài)數據庫中,以保持與實時節(jié)點狀態(tài)一致。另外,本控制系統(tǒng)屬于企業(yè)底層控制網絡,如何與企業(yè)局域網互連也是待解決的問題,此問題的解決可以通過建立代理服務器的方法,隨時將控制網絡的當前狀態(tài)更新到代理服務器上,通過WEB-ODBC的調用技術訪問該數據。參

19、考 文 獻1 潘新民.微型計算機控制技術M.北京:人民郵電出版社,19992 楊育紅.LON節(jié)點的即裝即用J.測控技術,1999;(73 王亞剛.基于LONWORKS現(xiàn)場總線的自整定PID控制系統(tǒng)J.化工自動化及儀表,2002;(1第1期 基于現(xiàn)場總線技術的分布式控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 45Design and implementation of the distributed control systembased on the fieldbus technologyCHAI Bao-ren 1XU Wei-ping 2(1.Vocational College of Qiqihaer Uni

20、versity,Qiqihar 161006;2.Department of Computer Science of Qiqihar University,Qiqihar 161006Abstract:Along with the development of fieldbus technology, the traditional control system begins to the large-scale distributed control system. The paper study the development of the distributed control syst

21、em on the base of the technology of neuron chip, gives an elaborate introduction about design of software and hardware of the distributed control system of the base of the fieldbus technology.Key word:neuron chip;fieldbus;distributed control system;neural fuzzy control漂白用金屬螯合劑DTPA 的實驗研究1 實驗部分1.1 主要原料的要求見表1。 1.2 實驗方法首先,將碳酸鈉溶液加入三頸瓶中,