基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、第22卷第1期 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol.22,No.1 2006年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2006基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)柴寶仁1許維平2(1.齊齊哈爾大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,齊齊哈爾 161006;2.齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與工程學(xué)院,齊齊哈爾 161006摘 要:隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jīng)元芯片技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究探討了分布控制系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù),對(duì)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹。關(guān) 鍵 詞:神經(jīng)元芯片;現(xiàn)場總線技術(shù);分布式控制系統(tǒng)

2、;神經(jīng)模糊控制中圖分類號(hào):TP316.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-984X(200601-0041-05隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)過程日趨復(fù)雜,對(duì)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和各種信息的集成要求越來越高。對(duì)自動(dòng)化的要求已不僅是保持個(gè)別變量的穩(wěn)定,而且要求實(shí)現(xiàn)多個(gè)變量的最優(yōu)控制。分析和設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容,對(duì)于復(fù)雜的控制對(duì)象,由于它們往往同時(shí),并行,獨(dú)立工作,控制對(duì)象分布面很廣,因此把它們聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)分布式控制是現(xiàn)代控制技術(shù)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(jià)格低、設(shè)計(jì)開發(fā)相對(duì)簡單,人們?cè)絹碓蕉嗟匕言瓉硎褂糜?jì)算機(jī)進(jìn)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(gè)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(shù)的出現(xiàn),構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)已成為可能。現(xiàn)場總線技術(shù)是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,它主要解決現(xiàn)場的智能儀表,控制器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通訊。是微機(jī)化測量設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)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(shù)的分布式控制系統(tǒng)是自動(dòng)化技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)化儀表,工業(yè)生產(chǎn)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通信技術(shù)的交叉和集成,其研究課題主要側(cè)重于:1基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化,自動(dòng)化儀表的研制,因?yàn)樗切畔@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(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟、硬件研

4、制。3網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究,包括網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互連符。4網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù),包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作。5現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的集成技術(shù)。基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)組成包括現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)討論現(xiàn)場總線的軟件設(shè)計(jì)。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(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完備,開放性好,采用了神經(jīng)元芯片,Neuron C編程語言。整個(gè)系統(tǒng)由控制節(jié)點(diǎn)、控制機(jī)柜節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控微機(jī)組成。如圖1所示?？刂乒?jié)點(diǎn)的功能主要為下載監(jiān)控微機(jī)

5、(上位機(jī)給定的控制曲線,實(shí)時(shí)的對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行采樣,按特收稿日期:2005-0403作者簡介:柴寶仁,男,1958年生,高級(jí)講師,主要從事計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用軟件開發(fā)研究。42 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2006年定的控制曲線對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,定期將實(shí)時(shí)參數(shù)上傳給上位機(jī)?？刂茩C(jī)柜節(jié)點(diǎn)的主要功能為實(shí)時(shí)循環(huán)或定點(diǎn)顯示控制參數(shù),實(shí)時(shí)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài),對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,檢測故障及時(shí)報(bào)警。 監(jiān)控微機(jī)裝有LonWorks 網(wǎng)卡,它執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控程序,它在提供經(jīng)驗(yàn)控制曲線的同時(shí),提供繪制控制 曲線的簡便方法,給下位機(jī)準(zhǔn)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(diǎn)。監(jiān)控微機(jī)定時(shí)收取控制節(jié)點(diǎn)采

6、集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),繪制節(jié)點(diǎn)變化曲線,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期保存并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢。同時(shí)監(jiān)控微機(jī)還能對(duì)實(shí)際控制曲線和理想控制曲線進(jìn)行顯示對(duì)比,并分析誤差,并能逐步找出各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的最佳控制曲線 。監(jiān)控微機(jī)通過一塊Lon- Works 適配器連接到總線上,通過DDE Server 與網(wǎng)絡(luò)通信以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的監(jiān)測。 2 控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)軟件在現(xiàn)場的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)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(jī)上運(yùn)行,負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測。由于Neuron C 中有許多標(biāo)準(zhǔn)的事件,如節(jié)點(diǎn)復(fù)位事件,定時(shí)器事件,I/O狀態(tài)改變事件,網(wǎng)絡(luò)變量更新事

7、件,顯示報(bào)文到達(dá)事件等。因此采用Neuron C 語言編程,控制節(jié)點(diǎn)軟件包括以下幾個(gè)部分。1下載監(jiān)控微機(jī)給定的控制曲線在兩種情況下執(zhí)行,即在一個(gè)節(jié)點(diǎn)尚未下載過控制曲線和監(jiān)控微機(jī)需更新一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)的控制曲線時(shí)執(zhí)行。由于下載監(jiān)控微機(jī)給定的曲線需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大,如利用網(wǎng)絡(luò)變量則無法完成,因此一般采用顯示報(bào)文通信方式來下載這些數(shù)據(jù)。由于傳送完全部報(bào)文數(shù)據(jù)所需的時(shí)間較長,在傳送過程中易出現(xiàn)差錯(cuò),可能出現(xiàn)丟失報(bào)文,發(fā)送報(bào)文的順序與接收?qǐng)?bào)文的順序不一致的情況。為了使每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文具有相對(duì)獨(dú)立性,使該報(bào)文與其上下報(bào)文無關(guān),在定數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)按如下結(jié)構(gòu)定義:Struct Long t; / 該報(bào)文數(shù)據(jù)在控制曲線的

8、起始位置。 SNVT_Temp tmp100; / 100個(gè)控制點(diǎn)值 tempbase;這樣在下載過程中,控制節(jié)點(diǎn)每收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文,就可將其點(diǎn)值進(jìn)行更新,而無需等到所有報(bào)文都接收到為止。監(jiān)控微機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),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(bào)文有關(guān)的一些對(duì)象,函數(shù)如下:發(fā)送顯示報(bào)文對(duì)象 msg_out 接收顯示報(bào)文對(duì)象 msg_in 發(fā)送顯示報(bào)文函數(shù) mag_send 接收顯示報(bào)文函數(shù) mag_receive 顯示報(bào)文到達(dá)事件 mag_arrives 控制節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)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(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行采樣顯示。一般對(duì)控制點(diǎn)取4個(gè)采樣點(diǎn),取其平均值,A/D轉(zhuǎn)換由TLV1570芯片完成,轉(zhuǎn)換需進(jìn)行非線性補(bǔ)償,所用函數(shù)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(jìn)行非線性補(bǔ)償運(yùn)算第1期 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的

10、分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 43顯示時(shí),我們?cè)O(shè)計(jì)幾個(gè)相關(guān)的顯示函數(shù)Displayclear ( 清除所有LED的顯示Displayxh (in xh 顯示控制節(jié)點(diǎn)序號(hào)Displaytemp 顯示節(jié)點(diǎn)值3按給定的控制曲線對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合,形成神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),作為我們選用的控制算法。依賴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)具有較好的容錯(cuò)性能,分布式處理能力,及對(duì)知識(shí)庫和模糊規(guī)則集的學(xué)習(xí)能力,而模糊控制技術(shù)則提供一套高級(jí)的if -then規(guī)則集思想,系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,可以不斷地通過學(xué)習(xí),補(bǔ)充修正規(guī)則集,增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際情況的適應(yīng)能力(有關(guān)神經(jīng)模糊控制另有文章發(fā)表。4上傳

11、實(shí)時(shí)參數(shù)。由于監(jiān)控微機(jī)平時(shí)并不需要常開機(jī),不能實(shí)時(shí)監(jiān)視控制節(jié)點(diǎn)狀況,為了使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的歷史曲線不丟失,應(yīng)將其保存起來,以備監(jiān)控微機(jī)查詢?cè)L問。因此在設(shè)計(jì)控制節(jié)點(diǎn)軟件時(shí),開設(shè)一個(gè)數(shù)組,用于存放一個(gè)周期內(nèi)的所有采樣值。當(dāng)監(jiān)控微機(jī)需要查詢某個(gè)節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)時(shí),該節(jié)點(diǎn)就把存放的所有數(shù)據(jù)以顯示報(bào)文的方式傳送給監(jiān)控微機(jī)。上傳數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)監(jiān)控軟件是在Windows 98平臺(tái)上,以Delphi語言編制而成的一套軟件,監(jiān)控微機(jī)內(nèi)安裝一塊PC-SLTA LonWorks網(wǎng)卡,并通過LonWorks技術(shù)的LonManeger的DDE Server與LON總線進(jìn)行通信。DDE Server是Lon網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),由網(wǎng)絡(luò)管理工具來建立,通過共享存儲(chǔ)在LON數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點(diǎn)邏輯名,地址和網(wǎng)絡(luò)變量信息來完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。用網(wǎng)絡(luò)管理工具(如組態(tài)軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安裝,組態(tài)的過程,實(shí)際上就是對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)定義其唯一的網(wǎng)絡(luò)屬

13、性的過程,這個(gè)過程定義了每個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于哪一個(gè)系統(tǒng),與哪些節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)。DDE Server就是利用Lon數(shù)據(jù)庫中的這些信息來完成系統(tǒng)底層與上層的連接。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的在Windows環(huán)境下共享數(shù)據(jù)的方式,當(dāng)應(yīng)用程序使用DDE來共享數(shù)據(jù)時(shí),它們首先需要與SDDE Server之間建立一個(gè)DDE 對(duì)話,當(dāng)對(duì)話建好之后,客戶端應(yīng)用程序就能為從DDE Server發(fā)送和接收數(shù)據(jù),也就是應(yīng)用程序能夠讀取和修改LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量值以及發(fā)送和接收顯示報(bào)文。一個(gè)DDE會(huì)話由兩方進(jìn)行,建立會(huì)話的一方稱為客戶,另一方稱為服務(wù)器。當(dāng)DDE Server與其它Windows應(yīng)用程序通

14、過DDE交換信息時(shí),DDE Server總是作為服務(wù)器方,一個(gè)DDE消息包括三個(gè)部分,即應(yīng)用程序名、DDE主題和項(xiàng)目。當(dāng)DDR Server與其它Windows應(yīng)用程序通過DDE交換信息時(shí),應(yīng)用程序名,DDR主題和項(xiàng)目如下:Application LMSRVR1 Topic: SYSTEM (系統(tǒng)信息NETVAR (網(wǎng)絡(luò)變量MSGTAG (報(bào)文標(biāo)簽 Item: 節(jié)點(diǎn)名,變量名節(jié)點(diǎn)名,msg_out節(jié)點(diǎn)名,msg_in用Delphi的四個(gè)控件:Dde Client ConV, DdeClientIem, DdeserverConV, DdeserverItem來建立起DDE通信的客戶和服務(wù)器應(yīng)用

15、程序。Dlephi定義了DDE對(duì)話的三個(gè)屬性:Service (應(yīng)用程序 Topic (主題 Item (項(xiàng)目。Delphi相關(guān)的DDE操作包括建立訪問網(wǎng)絡(luò)變量的DDE會(huì)話,建立收發(fā)顯式報(bào)文的DDE會(huì)話,監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)變量,修改網(wǎng)絡(luò)變量,接收顯式報(bào)文和發(fā)送顯式報(bào)文等6個(gè)部分。下面僅就接收顯式報(bào)文和發(fā)送顯示報(bào)44齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2006年文的格式介紹如下:1接收顯式報(bào)文。在DDE Server中,是利用Msgtag主題來發(fā)送和接收相關(guān)顯式報(bào)文信息的,可以用來監(jiān)視某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收到的顯示報(bào)文。在Msgtag主題里,接收顯示報(bào)文格式如下: 節(jié)點(diǎn)名. msg in .tagname msg

16、code參數(shù)節(jié)點(diǎn)名:可選,用來指定監(jiān)視某個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯式報(bào)文。Msg_in: ;固定關(guān)鍵字Tagname: 可選,指定DDE Server 節(jié)點(diǎn)使用的信息連接代號(hào)。Msg_code: 可選,指定需要監(jiān)視的顯式報(bào)文的信息代碼,應(yīng)用信息代碼取值0-62,外部信息代碼取值64-78。域:如果網(wǎng)絡(luò)變量是一個(gè)結(jié)構(gòu)的話,還需指定變量的域。參數(shù):可選,有如下一些參數(shù):- I nnnnn 指定監(jiān)視顯式報(bào)文的時(shí)間間隔- N bool 指定在顯式報(bào)文未更改時(shí),是否接收顯式報(bào)文條目。- T type_name 指定解釋收到的顯式報(bào)文數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)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(bào)文.end.2發(fā)送顯示報(bào)文。在DDE Server里,發(fā)送顯式報(bào)文有兩種方式,對(duì)點(diǎn)發(fā)送和廣播發(fā)送。 對(duì)點(diǎn)發(fā)送格式節(jié)點(diǎn)名. mas_out .tagname msg_code 參數(shù) 廣播發(fā)送格式domain_name和subnet_name分別為LON網(wǎng)絡(luò)中的域名和子網(wǎng)名,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中定義。4 結(jié)束語本課題的研究與

18、實(shí)現(xiàn)是以Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)為代表,討論基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一般方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kuò)容而造成對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要重構(gòu)的問題,即系統(tǒng)添加一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)后,監(jiān)控軟件需要進(jìn)行一些設(shè)置,可以通過添加節(jié)點(diǎn)邏輯名的方法,或者由監(jiān)控程序使用自動(dòng)搜索的方法去尋找到新添加的節(jié)點(diǎn),并記錄在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中,以保持與實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)一致。另外,本控制系統(tǒng)屬于企業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò),如何與企業(yè)局域網(wǎng)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(wù)器的方法,隨時(shí)將控制網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)更新到代理服務(wù)器上,通過WEB-ODBC的調(diào)用技術(shù)訪問該數(shù)據(jù)。參

19、考 文 獻(xiàn)1 潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.北京:人民郵電出版社,19992 楊育紅.LON節(jié)點(diǎn)的即裝即用J.測控技術(shù),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(dòng)化及儀表,2002;(1第1期 基于現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)驗(yàn)研究1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 主要原料的要求見表1。 1.2 實(shí)驗(yàn)方法首先,將碳酸鈉溶液加入三頸瓶中,