“三維一體”的網絡智能系統的研究與應用

譚國鋒

TAN Guo-feng

（珠海城市職業技術學院，珠海 519090）

0 引言

當前以CIMS和CAD等系統和信息技術在不斷的更新和發展，要求有一種以分布式的總線系統來實現網關互相操作、控制及模擬的全數字化的“三維一體”的大容量的系統，因此基于網絡的智能控制系統的出現，為解決這問題提供了可靠的依據。當前因以太網的低成本和高性能，使以太網受到許多工控產品公司的青睞。但是以太網畢竟不是為工業控制的目的而設計的，信號的碰撞而引起的信息傳遞時間的隨機延遲成為了限制以太網在工業控制領域中的應用范圍。但是以太網的速度從最初的10Mb/s發展到100Mb/s到現在的千兆光纖網絡，在一定程度上緩解了上述矛盾，但還不能從根本上解決此問題，因此本文就核心控制器的控制下網關互相操作、控制及模擬的“三維一體”的總線結構系統，核心控制器開發及其應用進行闡述。

1 “三維一體”的網絡智能系統的特點

1.1 強大的現場級信息集成能力

系統能從現場設備獲得大量信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。對于任何數字化的通信網絡，它不單取代4-20mA信號，還要實現設備狀態、故障、遠傳參數。系統除了完成遠程的控制，借助核心控制器，還能完成大量的遠程參數化（簡稱”三維一體”核心控制器）來處理各項數據、信息和控制信號。

1.2 開放性、互換性、互操作性的需求

系統的開放性，允許其他廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、軟件開發工具等集成到通用系統中，通過網關的互相操作，實現智能控制的功能，對家具智能系統和磨粉機控制優化有獨到的優勢，因此不同廠商的產品使用統一的標準，設備在系統中具有互操作性和互換性，兼容性良好。

1.3 系統可靠性高、可維護性好

采用總線連接方式替代一對一的I/O物理連線，在I/O系統中減少由連線點，增加可靠性。該系統具備在線故障診斷、報警、記錄功能，實現遠程參數初始化、修改、收集等參數化工作，系統的維護性大大增強。

隨時診斷設備的運行狀態，智能化技術含量增加系統能將傳感、測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成。

1.4 大大降低系統成本

該系統的分布式特性，對大規模、大范圍的系統，利用綜合網絡布線，大量直連信號線及相關的敷設工程費用，降低系統成本。

圖1 “三維一體”系統結構圖

綜上所述，以控制器為核心，以以太網作為控制網、以各種現場總線作為設備網、多廠商設備并存的，實現網關互相操作、控制及模擬的“三維一體”的總線結構系統將是近幾年來總線技術和控制技術的發展方向之一。

2 系統結構

“三維一體”系統的企業級配置由控制網、監控網以及網關操作網，共三級網絡構成；系統結構如圖1所示。

在實時操作系統的Nucleus的平臺支持下，控制器在實現其”三維一體”的過程中起到神經中樞作用，負責解算組態邏輯、主站卡的現場數據采集、通過主站卡將解算后產生的控制信息送到現場的作用，因此控制器是”三維一體”系統的核心；它的功能與工業控制PC機相似。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個接口，一個向下接收I/O總線來的信號，另一個接口是向上把信號送到網絡上與人機界面相連。ROM用來存貯完成各種運算功能的控制算法（有的DCS稱為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如算術運算加、減、乘、除、平方、開方、函數運算一次濾波、PID、帶死區PID，積分分離PID，正弦、余弦、X-Y函數發生器、超前-滯后；先進的算法有史密斯預估、矩陣乘、C語言接口、矩陣加；邏輯運算有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯與非等。通常用站功能塊不僅把模擬量和開關量結合起來，還與人連系起來。功能塊越多，用戶編寫應用程序（即組態）越方便。組態按照工藝要求，把功能塊連接起來形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。（說明：因為E2PROM可以擦寫，組態要隨工藝改變而改變，所以把組態存在E2PROM中）。不同用戶有不同組態。組態時，用戶從功能塊庫中選擇要的功能塊，填上參數，把功能塊連接起來。形成控制方案存到E2PROM中。因此控制器在組態模式，運行后就成為運行模式 。

有關核心控制器進程和數據流程，如圖2所示。

圖2 核心控制器進程和數據流程

2.1 實時操作系統平臺

實時多任務操作系統是指多個任務并發執行，并能在適當的時間內可靠的響應各類外部與內部事件的操作系統。工業環境中，有些信號變化頻率非常快，要求計算機系統在幾毫秒甚至幾微妙內采集一個數據，并記錄保存它；某些重要的狀態如發生突變，表明有事故發生，也要求計算機系統在幾毫秒內對它的相關部件發出控制信號，并記錄當時時間及各相關量的狀態或數值，以便分析事故發生的原因。如電力系統中，要實時測量多處電力負荷，分析故障并進行保護，都必須選用實時性非常好的實時操作系統。該決定因素是“系統響應時間”，除了與CPU的時鐘頻率、字長、指令有關外，更主要取決于操作系統對事件中斷的響應能力以及對程序運行的調度方法。

2.2 BOOTLOADER與系統引導

“三維一體”中的控制器啟動是由兩部分組成，（即bootloader加載定位工具和系統引導初始化部分）。Bootloader是一個HEX文件加載定位工具，它根據HEX文件中的段和偏移量信息把用戶目標代碼定位到適當的內存空間，然后把CPU控制權移交給用戶程序，用戶程序得到目標代碼后，引導代碼便開始初始化硬件目標系統。初始化包括目標板硬件初始化、GDT和IDT初始化、實模式轉換到保護模式、GDT和IDT從ROM到RAM的拷貝，中斷系統初始化等。

3 系統應用

“三維一體”系統給電廠廠生產控制、IT企業網關互相操作和模擬實訓的環境帶來了真正的開放式技術，同時又實現了系統的本質安全。在該系統中，集成了生產、管理、控制、模擬與實訓、分析等各項功能，實現企業各系統間的資源共享，比較早前的CIMS/CIPS的功能更完善、結構更先進。它是涵蓋了現場總線的更大范圍的系統集成，是在控制技術和網絡集成技術的新應用，隨著系統應用的加大，將推動整個行業技術提高和發展，因此將對國民經濟的發展發揮提供更良好的技術環境，該系統已在以下系統中得于應用。

3.1 家居智能控制系統的應用

隨著人們生活水平的不斷提高，對家庭的自動化的水平要求也越來越高，經常人們會碰到家里的粉氣忘關了，在辦公室才發現風扇、電燈、空調一直在運轉，門忘了反鎖…等等。現在有了圖3所示的系統，它們滿足你的家居的智能更個性化要求。

圖3 “三維一體”系統在家居智能系統應用

該系統總體特點是結合“三維一體”系統的基本構成原理，將由控制器、智能開關、智能鎖控系統、安全防范系統等組成；它們通過全無線（或藍牙技術）的方式進行通信，對系統的一種擴充，它們通過雙向信令的應答方式進行通信。

因基于可視對講的圖像系統因為數據采集量大，無法與家居智能控制系統結合在一起，因此采用該方式，實現可視網關系統與智能控制系統一體化角色，它涉及到網關和控制總線的協議轉換和硬件兼容的問題：下圖表示是：家庭可視網關智能控制系統的應用結構圖，如圖3所示。

3.2 磨粉機優化控制系統

圖4 以“三維一體”的制粉機優化控制系統

在磨粉機控制系統中的主要的控制見圖4，主要包括溫度、負壓回路和存料量回路，，控制的目標是在保證磨出口溫度和入口負壓正常的前提下，將存粉量控制在最佳值。因制粉磨是一個多變量、延遲大控制對象，傳統的PID控制器無法勝任，因此采用“三維一體”系統中的控制器控制算法，實現更好的優化控制效果。

4 結論

綜上，“三維一體”網絡智能系統，不僅能實現傳統意義上的控制，又能實現以控制為手段，網關互相操作為目的的信息數據的共享，進而實現操作過程的模擬與培訓；它的應用推廣將為行業和國家實現低能耗、高附加值的產品或項目提供良好的技術革新和支持。

[1] 游景玉.論數字化鋼球磨粉機制粉系統的實現[A].亞仿技術開發及應用論文集[C],珠海出版社,2004.