基于PROFIBUS的熱電廠(chǎng)多智能體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于PROFIBUS的熱電廠(chǎng)多智能體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)                        摘  要  在深入研究PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了熱電廠(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)。主要介紹了基于PROFIBUS的熱電廠(chǎng)智能體的劃分，多智能體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)。采用多智能體的方法，將以前的控制模塊和監(jiān)測(cè)模塊封裝成單個(gè)的智能體，組成多

2、智能體系統(tǒng)，解決控制、監(jiān)測(cè)和維護(hù)相互隔離的問(wèn)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(chǎng)總線(xiàn)    控制系統(tǒng)  智能體  1 引言      現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代出現(xiàn),90年代興起的自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是用于過(guò)程自動(dòng)化或制造自動(dòng)化中的，實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場(chǎng)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(guò)

3、它可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的分布式控制?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的新一代控制系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(fieldbus control system , FCS) 已經(jīng)成為自動(dòng)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。2 PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)       Profibus是由SIEMENS公司推出的一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),1989年成為德國(guó)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(guó)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(xiàn)系統(tǒng),它速度快成本低,幾乎所有PLC產(chǎn)品和自動(dòng)化外設(shè)產(chǎn)品都提供

4、Profibus接口。它根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合提供3個(gè)兼容版本:Profibus-DP, Profibus-FMS和Profibus-PA。1      Profibus-DP適用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分布式自動(dòng)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(jià)的通信連接，旨在解決設(shè)備一級(jí)的高速數(shù)據(jù)通信。在這一級(jí)，中央控制器（如PLC/PC）通過(guò)高速串行線(xiàn)RS485傳輸技術(shù)或光纖媒體，同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)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。Pro

5、fibuSDP主要應(yīng)用在對(duì)傳輸速率有較高要求的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(hù)接口,傳輸技術(shù)使用RS485 (稱(chēng)為H2),這種結(jié)構(gòu)能保證通信的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的低成本。在用戶(hù)接口中使用了定義用戶(hù)和系統(tǒng)使用的應(yīng)用功能和描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的行規(guī)。       Profibus-FMS( Fieldbus Message Specification) 是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和單元級(jí)通信的通用解決方案,主要解決單元級(jí)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(chǎng)信息傳送、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、參數(shù)設(shè)定、

6、下載程序、從機(jī)控制和報(bào)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(chǎng)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(shí)間。FMS提供了較多種類(lèi)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(chǎng)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(hù)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(guò)優(yōu)化、擴(kuò)展而來(lái),主要用于化工等對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合, 通信采用

7、擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議。傳輸技術(shù)改用IEC1158-2(稱(chēng)為H1),可確保本質(zhì)安全性并使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線(xiàn)供電,通過(guò)分段耦合器, 能方便地和Profibus-DP,Profibus-FMS相連。2-33 熱電廠(chǎng)控制系統(tǒng)中智能體的劃分      在熱電廠(chǎng)控制系統(tǒng)中，我們將整個(gè)系統(tǒng)劃分為現(xiàn)場(chǎng)Agent、監(jiān)測(cè)Agent、控制Agent和事物管理Agent?，F(xiàn)場(chǎng)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(cè)和控制智能體在整個(gè)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)

8、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(jì)基于系統(tǒng)集成的思想，整個(gè)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(shí)現(xiàn)分層容錯(cuò)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(gè)方面。結(jié)合PROFIBUS總線(xiàn)的使用，我們將基于多智能體的智能控制系統(tǒng)分成三個(gè)層次，最底層是現(xiàn)場(chǎng)控制層，在其基礎(chǔ)上是過(guò)程監(jiān)控層和企業(yè)管理層，其整

9、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(chǎng)控制層選用功能簡(jiǎn)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(shí)又受控于過(guò)程監(jiān)控層的控制。而過(guò)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)

10、為主體，可以使用一些高級(jí)的控制策略，完成提高系統(tǒng)效率的控制功能，同時(shí)承擔(dān)部分對(duì)象的直接控制，減少現(xiàn)場(chǎng)控制層的費(fèi)用。在緊急情況下過(guò)程監(jiān)控層輸出的控制信號(hào)直接切換到伺服機(jī)構(gòu)上，由過(guò)程監(jiān)控層同時(shí)實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制策略和常規(guī)控制，而當(dāng)過(guò)程監(jiān)控層發(fā)生故障，可由現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程監(jiān)控層與現(xiàn)場(chǎng)控制層之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分布式系統(tǒng)，由若干智能執(zhí)行器（Intellig

11、ent actuator）和智能變送器（Intelligent sensor）組成，它們一方面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)加以采集并經(jīng)過(guò)處理送到PROFIBUS總線(xiàn)上以提供一致和有效的信息；另一方面對(duì)從該總線(xiàn)上取得的操作命令加以處理和執(zhí)行。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)切換到備用主控單元，從而提高系統(tǒng)的可靠性。      過(guò)程監(jiān)控層是與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和企業(yè)網(wǎng)同時(shí)相連的工作站，主要工作就是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制等管理。它們從

12、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)獲取生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)控制層在實(shí)際系統(tǒng)中構(gòu)建為實(shí)現(xiàn)各種功能的智能體組成，以完成整個(gè)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(chǎng)Agent分別為鍋爐、汽輪機(jī)和除氧給水，它們可以根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)和知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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(hào)對(duì)各子系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)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(cè)Agent?，F(xiàn)場(chǎng)Agent

13、以西門(mén)子S7-300為中心和現(xiàn)場(chǎng)的控制儀表綜合實(shí)現(xiàn)。控制Agent根據(jù)監(jiān)測(cè)Agent的要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)Agent發(fā)出控制指令，以完成對(duì)各個(gè)監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)調(diào)節(jié)，同時(shí)將操作信息發(fā)送給事物管理Agent。      監(jiān)測(cè)Agent根據(jù)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)Agent傳送過(guò)來(lái)的信息，能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)進(jìn)行綜合分析和預(yù)測(cè)，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，它和控制Agent、監(jiān)測(cè)Agent都是在工控機(jī)中通過(guò)軟件加以實(shí)現(xiàn)。     最上層是整個(gè)企業(yè)的管理層，它是整個(gè)系統(tǒng)的管理中心。5 結(jié)束語(yǔ)       現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是智能化儀表和計(jì)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(kāi)放的、功能完善的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，引入分級(jí)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(xiàn)的多智能體控制系統(tǒng)，將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、過(guò)程監(jiān)控層和企業(yè)管理層