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通信學(xué)論文-基于PROFIBUS的熱電廠多智能體控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要在深入研究PROFIBUS總線技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)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(jié)構(gòu)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(hù)相互隔離的問題,從而達(dá)到信息交換容易、控制處理效率高的目的。關(guān)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(shù)是上個世紀(jì)80年代出現(xiàn),90年代興起的自動化領(lǐng)域的一項新技術(shù)。現(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(shè)備(變送器,執(zhí)行器,控制器)與高層設(shè)備(主機(jī),網(wǎng)關(guān),人機(jī)接口設(shè)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(luò)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(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。2PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)Profibus是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),1989年成為德國標(biāo)準(zhǔn)DIN19245,1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170,1999年12月被接受為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一部分。Profibus是目前歐洲乃至全球應(yīng)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(shè)產(chǎn)品都提供Profibus接口。它根據(jù)不同應(yīng)用場合提供3個兼容版本:Profibus-DP,Profibus-FMS和Profibus-PA。1Profibus-DP適用于現(xiàn)場級分布式自動化外設(shè)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸(DP的含義為分散的外圍設(shè)備)。是一種高速而廉價的通信連接,旨在解決設(shè)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RS485傳輸技術(shù)或光纖媒體,同分散的現(xiàn)場設(shè)備(I/O、驅(qū)動器、閥門等)進(jìn)行通信,傳輸速率最高可達(dá)12Mbit/S。一般情況下,DP構(gòu)成單主站系統(tǒng),主站和從站以循環(huán)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ProfibuSDP主要應(yīng)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(jié)構(gòu)包括ISO/OSI參考模型第1,2層以及用戶接口,傳輸技術(shù)使用RS485(稱為H2),這種結(jié)構(gòu)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(yīng)用功能和描述現(xiàn)場設(shè)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(wù),如現(xiàn)場信息傳送、數(shù)據(jù)庫處理、參數(shù)設(shè)定、下載程序、從機(jī)控制和報警等,用以完成以中等傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)與非循環(huán)的通信任務(wù)。由于它是完成控制器與智能現(xiàn)場設(shè)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(yīng)時間。FMS提供了較多種類的通信服務(wù),應(yīng)用靈活,可用于大范圍和復(fù)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(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了廣泛的通信服務(wù)功能。Profibus-PA是在Profibus-DP的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化、擴(kuò)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(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議。傳輸技術(shù)改用IEC1158-2(稱為H1),可確保本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場設(shè)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。2-33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。現(xiàn)場Agent分別為鍋爐智能體、汽機(jī)智能體和除氧給水智能體構(gòu)成,它們的結(jié)構(gòu)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(wù)管理智能體負(fù)責(zé)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(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(jī)、工業(yè)板卡、可編程控制器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。軟件由組態(tài)軟件、系統(tǒng)運(yùn)行軟件和各功能擴(kuò)展模塊等構(gòu)成。為了從結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǔ)上是過程監(jiān)控層和企業(yè)管理層,其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2:智能控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)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(qiáng)大的工業(yè)PC機(jī)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(dān)部分對象的直接控制,減少現(xiàn)場控制層的費(fèi)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(jī)構(gòu)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(dāng)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(yùn)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(jī)之間則采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡和集線器(HUB)構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成,兩者間用雙絞線作為傳輸介質(zhì),采用PROFIBUS現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu),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(jī)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(fù)責(zé)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(yùn)行管理人員提供良好的人機(jī)界面。本層與現(xiàn)場控制層在實際系統(tǒng)中構(gòu)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(jié)構(gòu)現(xiàn)場Agent分別為鍋爐、汽輪機(jī)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(jìn)行判斷,并進(jìn)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(jìn)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(jìn)行綜合分析和預(yù)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(jìn)行維護(hù),它和控制Agent、監(jiān)測Agent都是在工控機(jī)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(jié)束語現(xiàn)場總線是智能化儀表和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新一代底層控制網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是開放的、功能完善的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一。在實際應(yīng)用過程中,引入分級多層體系結(jié)構(gòu)(主要由PC,PLC和智能儀表等構(gòu)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
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