基于现场总线技术的分布式控制系统 的设计与实现

1、第22卷第1期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.22,No.1 2006年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,2006基于现场总线技术的分布式控制系统的设计与实现柴宝仁1许维平2(1.齐齐哈尔大学应用技术学院,齐齐哈尔 161006;2.齐齐哈尔大学计算机与工程学院,齐齐哈尔 161006摘 要:随着现场总线技术的发展,传统的控制系统结构开始向大规模的分布式控制系统方向发展。本文在神经元芯片技术的基础上,研究探讨了分布控制系统的开发技术,对基于现场总线技术的分布式控制系统的软件设计作了详细介绍。关 键 词:神经元芯片;现场总线技术;分布式控制系统

2、;神经模糊控制中图分类号:TP316.4 文献标识码:A文章编号:1007-984X(200601-0041-05随着现代工业的飞速发展和生产装置规模的不断扩大,生产过程日趋复杂,对企业生产自动化和各种信息的集成要求越来越高。对自动化的要求已不仅是保持个别变量的稳定,而且要求实现多个变量的最优控制。分析和设计最优控制系统已成为现代控制理论的基本内容,对于复杂的控制对象,由于它们往往同时,并行,独立工作,控制对象分布面很广,因此把它们联系起来实现分布式控制是现代控制技术中的重要发展方向,分布式控制系统具有可靠高、速度快、系统模块化、价格低、设计开发相对简单,人们越来越多地把原来使用计算机进行的集

3、中式控制系统改为分布式控制系统。但是分布式控制系统的开发一直没有一个简便易行的方法,是人们正在研究的课题,由于现场总线技术的出现,构建分布式控制系统已成为可能。现场总线技术是一种工业数据总线,它主要解决现场的智能仪表,控制器,执行机构等现场设备间的数字通讯。是微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信系统,它的核心是现场总线协议。基于现场总线技术的分布式控制系统是自动化技术,计算机技术自动化仪表,工业生产技术,网络技术,通信技术的交叉和集成,其研究课题主要侧重于:1基于现场总线技术的智能化,自动化仪表的研制,因为它是信息获取的工具,非曲直是信息工业的源头。2基于现场总线的网络设备的软、硬件研

4、制。3网络技术的研究,包括网络拓朴结构、网络设备、网络互连符。4网络管理技术,包括网络管理软件、网络数据操作。5现场总线技术的分布式控制系统的集成技术。基于现场总线技术的分布式控制系统组成包括现场总线结构,现场总线通信协议,用于现场总线分布式控制系统的控制芯片以及现场总线软件设计。本文重点讨论现场总线的软件设计。1 基于LonWorks 现场总线分布式控制系统的基本组成以LonWorks现场总线为例,讨论系统组成。LonWorks技术的网络协议完备,开放性好,采用了神经元芯片,Neuron C编程语言。整个系统由控制节点、控制机柜节点、监控微机组成。如图1所示。控制节点的功能主要为下载监控微机

5、(上位机给定的控制曲线,实时的对控制对象进行采样,按特收稿日期:2005-0403作者简介:柴宝仁,男,1958年生,高级讲师,主要从事计算机控制应用软件开发研究。42 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2006年定的控制曲线对被控对象进行控制,定期将实时参数上传给上位机。控制机柜节点的主要功能为实时循环或定点显示控制参数,实时显示执行机构的开关状态,对各控制节点状态进行监控,检测故障及时报警。 监控微机装有LonWorks 网卡,它执行网络监控程序,它在提供经验控制曲线的同时,提供绘制控制 曲线的简便方法,给下位机准备多种控制曲线,并能将控制曲线下载到指定的控制节点。监控微机定时收取控制节点采

6、集的实时数据,绘制节点变化曲线,对数据进行定期保存并实现历史数据的查询。同时监控微机还能对实际控制曲线和理想控制曲线进行显示对比,并分析误差,并能逐步找出各个控制节点的最佳控制曲线 。监控微机通过一块Lon- Works 适配器连接到总线上,通过DDE Server 与网络通信以实现对网络运行状况的监测。 2 控制节点软件设计节点软件在现场的各个节点上运行,采用Neuron C 语言编程,监控软件在Windows 环境下的Delphi 编程,在上位机上运行,负责对整个网络的运行状况进行监测。由于Neuron C 中有许多标准的事件,如节点复位事件,定时器事件,I/O状态改变事件,网络变量更新事

7、件,显示报文到达事件等。因此采用Neuron C 语言编程,控制节点软件包括以下几个部分。1下载监控微机给定的控制曲线在两种情况下执行,即在一个节点尚未下载过控制曲线和监控微机需更新一个节点内存储的控制曲线时执行。由于下载监控微机给定的曲线需传输的数据量很大,如利用网络变量则无法完成,因此一般采用显示报文通信方式来下载这些数据。由于传送完全部报文数据所需的时间较长,在传送过程中易出现差错,可能出现丢失报文,发送报文的顺序与接收报文的顺序不一致的情况。为了使每个数据报文具有相对独立性,使该报文与其上下报文无关,在定数据报文时按如下结构定义:Struct Long t; / 该报文数据在控制曲线的

8、起始位置。 SNVT_Temp tmp100; / 100个控制点值 tempbase;这样在下载过程中,控制节点每收到一个数据报文,就可将其点值进行更新,而无需等到所有报文都接收到为止。监控微机在发送数据时,可以只发送有变化的控制曲线部分,不必要全部发送。与显示报文有关的一些对象,函数如下:发送显示报文对象 msg_out 接收显示报文对象 msg_in 发送显示报文函数 mag_send 接收显示报文函数 mag_receive 显示报文到达事件 mag_arrives 控制节点接收报文代码如下: 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对控制点进行采样显示。一般对控制点取4个采样点,取其平均值,A/D转换由TLV1570芯片完成,转换需进行非线性补偿,所用函数如下:Tlvinit ( TLV1570芯片初始化Long Tlvread (int xh 读取TLV1570第xh 路采样值 SNVT_temp TIvconvert (long_temp 进行非线性补偿运算第1期 基于现场总线技术的

10、分布式控制系统的设计与实现 43显示时,我们设计几个相关的显示函数Displayclear ( 清除所有LED的显示Displayxh (in xh 显示控制节点序号Displaytemp 显示节点值3按给定的控制曲线对控制节点进行调节。我们把神经网络和模糊控制相结合,形成神经模糊网络控制技术,作为我们选用的控制算法。依赖神经网络的连接结构,使得系统具有较好的容错性能,分布式处理能力,及对知识库和模糊规则集的学习能力,而模糊控制技术则提供一套高级的if -then规则集思想,系统在运行过程中,可以不断地通过学习,补充修正规则集,增强系统对实际情况的适应能力(有关神经模糊控制另有文章发表。4上传

11、实时参数。由于监控微机平时并不需要常开机,不能实时监视控制节点状况,为了使各个节点的历史曲线不丢失,应将其保存起来,以备监控微机查询访问。因此在设计控制节点软件时,开设一个数组,用于存放一个周期内的所有采样值。当监控微机需要查询某个节点的历史数据时,该节点就把存放的所有数据以显示报文的方式传送给监控微机。上传数据的程序片断如下: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 监控软件设计监控软件是在Windows 98平台上,以Delphi语言编制而成的一套软件,监控微机内安装一块PC-SLTA LonWorks网卡,并通过LonWorks技术的LonManeger的DDE Server与LON总线进行通信。DDE Server是Lon网络的一个节点,由网络管理工具来建立,通过共享存储在LON数据库中的节点逻辑名,地址和网络变量信息来完成对网络的监控。用网络管理工具(如组态软件进行网络安装,组态的过程,实际上就是对每一个节点定义其唯一的网络属

13、性的过程,这个过程定义了每个节点属于哪一个系统,与哪些节点共享数据。DDE Server就是利用Lon数据库中的这些信息来完成系统底层与上层的连接。动态数据交换(DDE定义了一种标准的在Windows环境下共享数据的方式,当应用程序使用DDE来共享数据时,它们首先需要与SDDE Server之间建立一个DDE 对话,当对话建好之后,客户端应用程序就能为从DDE Server发送和接收数据,也就是应用程序能够读取和修改LonWorks网络节点的网络变量值以及发送和接收显示报文。一个DDE会话由两方进行,建立会话的一方称为客户,另一方称为服务器。当DDE Server与其它Windows应用程序通

14、过DDE交换信息时,DDE Server总是作为服务器方,一个DDE消息包括三个部分,即应用程序名、DDE主题和项目。当DDR Server与其它Windows应用程序通过DDE交换信息时,应用程序名,DDR主题和项目如下:Application LMSRVR1 Topic: SYSTEM (系统信息NETVAR (网络变量MSGTAG (报文标签 Item: 节点名,变量名节点名,msg_out节点名,msg_in用Delphi的四个控件:Dde Client ConV, DdeClientIem, DdeserverConV, DdeserverItem来建立起DDE通信的客户和服务器应用

15、程序。Dlephi定义了DDE对话的三个属性:Service (应用程序 Topic (主题 Item (项目。Delphi相关的DDE操作包括建立访问网络变量的DDE会话,建立收发显式报文的DDE会话,监视网络变量,修改网络变量,接收显式报文和发送显式报文等6个部分。下面仅就接收显式报文和发送显示报44齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2006年文的格式介绍如下:1接收显式报文。在DDE Server中,是利用Msgtag主题来发送和接收相关显式报文信息的,可以用来监视某个节点发送和接收到的显示报文。在Msgtag主题里,接收显示报文格式如下: 节点名. msg in .tagname msg

16、code参数节点名:可选,用来指定监视某个节点的显式报文。Msg_in: ;固定关键字Tagname: 可选,指定DDE Server 节点使用的信息连接代号。Msg_code: 可选,指定需要监视的显式报文的信息代码,应用信息代码取值0-62,外部信息代码取值64-78。域:如果网络变量是一个结构的话,还需指定变量的域。参数:可选,有如下一些参数:- I nnnnn 指定监视显式报文的时间间隔- N bool 指定在显式报文未更改时,是否接收显式报文条目。- T type_name 指定解释收到的显式报文数据的数据类型。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/ 接收显示报文.end.2发送显示报文。在DDE Server里,发送显式报文有两种方式,对点发送和广播发送。 对点发送格式节点名. mas_out .tagname msg_code 参数 广播发送格式domain_name和subnet_name分别为LON网络中的域名和子网名,在网络数据库中定义。4 结束语本课题的研究与

18、实现是以Lonworks现场总线技术为代表,讨论基于现场总线技术的分布式控制系统设计与实现的一般方法。系统设计尚存有待解决的问题,例如,在这样的分布式控制系统中,由于系统的扩容而造成对整个网络需要重构的问题,即系统添加一个控制节点后,监控软件需要进行一些设置,可以通过添加节点逻辑名的方法,或者由监控程序使用自动搜索的方法去寻找到新添加的节点,并记录在动态数据库中,以保持与实时节点状态一致。另外,本控制系统属于企业底层控制网络,如何与企业局域网互连也是待解决的问题,此问题的解决可以通过建立代理服务器的方法,随时将控制网络的当前状态更新到代理服务器上,通过WEB-ODBC的调用技术访问该数据。参

19、考 文 献1 潘新民.微型计算机控制技术M.北京:人民邮电出版社,19992 杨育红.LON节点的即装即用J.测控技术,1999;(73 王亚刚.基于LONWORKS现场总线的自整定PID控制系统J.化工自动化及仪表,2002;(1第1期 基于现场总线技术的分布式控制系统的设计与实现 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漂白用金属螯合剂DTPA 的实验研究1 实验部分1.1 主要原料的要求见表1。 1.2 实验方法首先,将碳酸钠溶液加入三颈瓶中,