（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的智能控制器的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文介绍了l o n w o r k s 现场总线的特点，并对单神经元p i d 控制方法做了 一些研究。在现场总线平台上将该控制方法应用到水箱水位的控制当中。单神 经元p i d 较好的克服了p i d 控制鲁棒性差的缺点。本文从仿真和实验的角度证 明了这一点。单神经元p i d 算法简单，适应现场控制设备计算能力有限的特点， 为其投入实际应用提供了可能。本文开辟的途径可以用来验证更多的智能控制 算法。 关键词：l o n w o r k s ，现场总线，单神经元，d d e ，水箱 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo n ef c s l o n w o r k s ，a n dd o e ss o m e r e s e a r c ht ot h es i n g l en e u r o np 1 dc o n t r o ls t r a t e g y b yt h ep l a t f o r mo fl o n w o r k s ，t h i s c o n t r o ls t r m e g yh a sb e e nu s e dt ot h ec o n t r o lo ft h ew a t e rl e v e l p a r a m e t e r so fp i d c o n t r o l l e rc a n tb ea d j u s t e dd u r i n gt h ec o n t r o lp r o c e s s t h es i n g l en e u r o np i dc o n t r o l s t r a t e g ys o l v e st h i sp r o b l e ma n dh a sab e t t e rr o b u s t n e s sw h i c hh a sb e e np r o v e db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t b e c a u s eo fi t ss i m p l ea l g o r i t h m ，t h es i n g l en e u r o np i d c o n t r o ls t r a t e g yc a nf i tt h ec o n t r o l l e rw i ml i m i t e dc a l c u l a t i n ga b i l i t y s oi t sp o s s i b l e t ob ea p p l i e dt ot h ei n d u s t r yl o c a l e ，t h ew a yu s e di nt h i sa r t i c l ec a nb eu s e dt op r o v e s o m eo t h e ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s w a n gw e i z h e n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy i n s o n g k e yw o r d s ：l o n w o r k s ，f c s ，s i n g l en e u r o n ，p i d ，w a t e rt a n k 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于现场总线的智能控制器的研 究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 ! 导华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书雨使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 墨必 日 期：塑堑：i ：z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阌；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 r 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：占鲤兰豸 日期：丝! ：! ：7 导师签名： 日期：竺! ：i ：2 芝! ! 坐垄奎堂堡圭堂丝篷苎 第一章引言 1 1 现场总线技术的发展趋势和特点 1 1 1 控制系统的发展 控制系统的发展可分为以下4 个阶段“”o “： 1 、模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于2 0 世纪六、七十年代占主导地位。其显著特点是：模拟 信号精度低，易受干扰。 2 、集中式数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 于2 0 世纪七八十年代占主导地位，采用单片机、可编程序逻辑控制器( p l c ) 、 顺序逻辑控制器( s l c ，s e q u e n c el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 或微机作为控制器。 3 、集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 在2 0 实际八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制。遗 憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的两对其控制通信网络采用各自专 用的封闭形式，不同的d c s 之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之 间难以实现网络互连和信息共享，因此从该角度而言，集散控制系统是种封闭 专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且d c s 造价昂贵。 4 、现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，它有开放的、具有互操 作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制 功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种开放 的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为2 l 世纪控制系统的 主流产品。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统豹测量控制仪表，使之具有数字 计算和数字通信能力，采用一定的介质( 例如双绞线、同轴电缆、光纾、无线、 红外等) 作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之 间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适 应新世纪需要的自动化控制系统。 1 1 2 现场总线的技术特点和优点 一、现场总线系统在技术上具有以下特点。 华北电力大学硕士学位论文 l 、系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公! 丌：性，强调对标准的共 识与遵从a 所谓开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设 备或系统相连，通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现 场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己 的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连 系统。 2 、互操作性与互用性。互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送 与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 3 、现场设备的智能化与功能自治性。它将与传感测量、补偿计算、工程照处 理与控制等功能分散到现场设各中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 、系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集数控制系统体系，简化 了系统的结构，提高了可靠性。 5 、对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总 线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、 电力线等，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 二、现场总线的优点。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。 l 、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散的智能设备能直接执行多 神传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单 独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能 单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投 资，并可减少控制室的占地面积。 2 、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或条电缆上 通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计 与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电 缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。 据有关典型试验工程的i 晃! | 算资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 3 、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并 通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行， 诊断维护信息，以便旱瓣分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时问，同时 2 一兰! ! 曼垄丕堂堕主堂焦笙壅 由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设 备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围，不 会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢 牢掌握在用户手中。 5 、提高了系统的准确性与可靠性。 由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同 时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化，功能模 块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 1 1 3 现场总线的现状和趋势 一、现状：在现场总线的发展中以下现状值得注意。 1 、多种总线共存。 2 、每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中 已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如p r o f i b u s 在 d p 的基础上又开发出p a ，以适用于流程工业。 3 、大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响， 以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。 4 、每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展 息息相关，如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，c o n t r o l n e t 以r o c k w e l l 公司 为主要背景，w o r l d f i p 以a l s t o m 公司为主要后台。 5 、大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2 个一4 个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。 6 、每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在 的情况是：p n e t 已成为丹麦标准，p r o f i b u s 已成为德国标准，w o r l d f i p 已成为 法国标准。上述3 种总线予1 9 9 4 年成为并列的欧洲标准，e n 5 0 1 7 0 ，其他总线也 都行成了各组织的技术规范。 7 、在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。这种现象在欧洲标准制定时就出 现过，欧洲标准e n 5 0 1 7 0 在制定时，将德、法、丹麦3 个标准并列于一卷之中， 形成了欧洲的多总线的标准体系，后又将c o n t r o l n e t 和f f 加入欧洲标准的体系。 各重要企业，除了力推自己的总线产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的 总线产品与其他总线相连接，如旌奈德公司开发的设备能与各种总线胡连接。在 华北电力大学硕士学能论文 一_ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ 一 国际标准中，也出现了协调共存的局面。 8 、以太网的引入成为新的热点。以太网正在工业自动化和工程控制市场上迅 速增长，几乎所有远程i ( 3 接口技术的供应商均提供一个支持t c p i p 协议的以太 网接口，如s i e m e n s 、r o c k w e l l 、g ef a n u c 等他们销售各自的p l c 产品，但同 时提供与远程i o 和基于p c 的控制系统相连接的接口。 二、趋势：虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线系统的发展 却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的闷益深入人心，以及基于现场总 线的产品和应用的不断增多，这种新一代控制系统正逐渐浮出水面，现场总线控 制系统体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在以下几个方面。 1 、现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。这体现在位于现场 的传感器执行器一级也全部实现数字化、智能化，他们彼此之间以及与控制器之 间通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控制网、管理网甚至 豆联网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车间、：l ：厂、公司总 部之间自由流动。 2 、现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。早期的m a p 模型由七 层组成，现在r o c k w e l l 公司提出了3 层结构化自动化，f i s h e r r o s e m o u n t 公司提 出了2 层自动化，还有的公司甚至提出1 层结构，由以太网一通到底。目前比较 达成共识的是3 层网络的3 + 2 结构：3 层设备是位于底层的现场总线设备，如传 感器执行器，以及各种分布式i o 设备等；位于中间的控制设备，如p l c 、工业 控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数 据服务器、一般工作站等。2 层网络是现场设备与控制设备之间的控制网，以及 控制设备与操作设备之间的管理网。 3 、现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。如在管理嘲的 通信协议上，越来越多的企业采用最流行的t c p i p 协议加以太网，操作设备般 采用工业p c 机，控制设备一般采用标准的p l c 或者是工业控制计算机等，而控 制网络就是各种现场总线的应用领域。 由此可见，新兴的现场总线控制系统与传统的控制系统( 如d c s 、p l c ) 之 间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。例如现场总线控 制系统与d c s 之间结构有相似之处，但在底层用现场总线取代了传统的( 4 - 2 0 r n a ) 信号，就使功能上发生重大变化。现场总线控制系统常常采用标准的p c 作操作 站，在控制站上装有现场总线的通信模块，可与现场总线的智能设备相连，从而 减低了系统的成本，提高了系统的开发性。 华北电力入学硕斗学位论文 1 2 单神经元p i d 控制方法 传统的p i d 调节器由于其结构简单、调节方便，因而在工业过程控制中获得j 。 泛应用，但对于被控对象的数学模型依赖性很强，且对于一些复杂过程且控制参数 慢时变的系统，由于p i d 参数不易实时在线调整，因而在应用中遇到一些问题。 人工神经网络具有很强的信息综合、学习记忆和自学习、自适应能力，逼近任 意非线性函数的能力，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，在一些不确定 系统的控制中已成功应用。人工神经网络在控制中西临的主要问题是其算法复杂， 学习过程较长，参数收敛速度缓慢，存在局部最小点等，使其在工业控制中的应用 受到限制。 将神经网络与p i d 控制相结合，可以取得更好的控制效果。其主要的结合方式 有两种，一种是在常规p i d 控制器的基础上增加一个神经网络，用神经嘲络在线调 整p i d 参数【2 6 j 【2 ”。另一种是采用单神经元结构，神经元输入权值一一对应p i d 参数， 神经元输入值为经过比例、积分、微分处理后的偏差值【2 8 1 1 2 9 1 。一般的自适应控制算 法需要对过程进行辨识，然后再设计出自适应控制规律，这样必须在每个采样周期 内进行大量的复杂运算。除此之外，控制效果还受到模型辨识准确性的影响。从而 限制了自适应控制算法的应用。具有自学习和自适应能力的单神经元p i d 控制算法 20 1 。这种控制算法不但结构简单，而且能适应环境的变化，具有较强的鲁棒性。但 是其过渡时间太长。文献【3 1 分析了造成其过度时间太长这种现象的原因，用专家 控制思想来控制调节对性能影响最大的比例系数k ，在保证平稳的基础上，较大的 提高了控制系统的响应速度。 本文还介绍了两种改进型单神经元p i d 控制方法，并将浚控制算法应用于 阶惯性加迟延的对象一单容水箱控制对象的控制中，得到了比普通p i d 和普通单 神经元p i d 控制方法更好的控制效果。 1 3 本文的选题背景和指导思想 目前，神经网络控制方法的应用研究虽然很广，但深度还不够，实际应用就 更少了。这些工作局限于将现有的网络模型，如b p 网络、h o p f i e l d 网络等，套 用于控制系统设计中，虽然取褥了一些成效，但也使人产生疑问e 采用这些神经 网络模型的控制方法计算量都很大，且目前尚缺乏与之相对应的神经网络硬件的 支持，直接套用这些神经网络模型使神经控制走上了“绝路”。这主要有两方面的 原因：首先是有许多理论问题有待研究解决，其次是硬件实现技术尚未完全解决。 现在将智能算法用在现场总线的节点上从而开发出智能节点的研究很多。尤 其是最近几年。但是大多数采用的是萋予神经元蕊片的开发方式，文献 1 3 l 着重 s 华北电力大学硕士学何论文 1 2 单神经元p i d 控制方法 传统的p i d 调节器由于其结构简单、调节方便因而在工q k 过程控制中获得广 泛应用，但对于被控对象的数学模型依赖性很强，且对于一些复杂过程且控制参数 馒时变的系统，由于p i d 参数不易实时在线调整，因而在应用中遇到一些问题。 人工神经网络具有很强的信息综台、学习记忆和自学习、自适应能力，逼近任 意非线性函数的能力，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，在些不确定 系统的控制中已成功应用。人工神经网络在控制中面临的主要问题是其算法复杂， 学习过程较长，参数收敛速度缓慢，存在局部最小点等，使其在工业控制中的应用 受到限制。 将神经网络与p i d 控制相结合，可以取得更好的控制效果。其主要的结台方式 有两种，一种是在常规p i d 控制器的基础上增加一个 申经嘲络，用神经网络在线调 整p i d 参数 2 6 】 2 ”。另一种是采用单神经元结构，神经元输入权值一一对应p i d 参数， 神经元输入值为经过比例、积分、微分处理后的偏差值【2 8 m 。一般的自适应控制算 法需要对过程进行辨识，然后再设计出自适应控制规律，这样必须在每个采样周期 内进行大量的复杂运算。除此之外，控制效果还受到模型辨识准确性的影响。从而 限制了自适应控制算法的应用。具有自学习和自适应能力的单神经元p i d 控制算法 口o l 。这种控制算法不但结构简单，而且能适戍环境的变化，具有较强的鲁棒性。但 是其过渡时间太长。文献 3 l 】分析了造成其过度时间太长这种现象的原因，用专家 控制思想来控制调节对性能影响最大的比例系数k ，在保证平稳的基础上，较大的 提高了控制系统的响应速度。 本文还介绍了两种改进型单神经元p i d 控制方法，并将该控制算法应用于” 阶惯性加迟延的对象一单容水箱控制对象的控制中，得到了比普通p i d 和普通单 神经元p i d 控制方法更好的控制效果。 1 3 本文的选题背景和指导思想 目前，神经网绍控制方法的应用研究虽然很广，但深度还不够，实际应用就 更少了。这些工作局限于将现有的网络模型，如b p 网络、h o p f i e l d 网络等套 用于控制系统设计中，虽然取得了一些成效，但也使人产生疑问。采用这些神经 网络模型的控制方法计算量都根大，且目前尚缺乏与之相对应的神经网络硬件的 支持，直接套用这些神经网络模型使神经控制走上了“绝路”。这主要有两方面的 原因：首先是有许多理论问题有待研，宄解决，其次是硬件实现技术尚未完全解决。 现在将智能算法用在现场总线的节点上从而开发出智能节点的研究组多。尤 其是最近几年。但是大多数采甩的是基于神经元芯片的开发方式，文献 13 】着重 其是最近几年。但是大多数采甩的是基于神经元芯片的开发方式，文献 13 】着重 华北电力大学硕士学位论文 介绍基于神经元芯片( n e u r o nt m p n3 1 5 0 ) 的系统扩展方法，提出了三种不同的系 统扩展模型。文献( 1 4 】介绍了一种l o n w o r k s 现场总线技术以及基于神经元芯片的 l o n w o r k s 网络p i d 控制节点的设计与开发。 利用神经元芯片完成所有的工作( 包括通信和用户程序) ，节点中不再包合其 他处理器，这样的节点开发代价低且独立性强，但是需要开发相应的外围电路， 开发周期长，而且由于神经元芯片的存储器、时钟频率有限，所以算法不能太复 杂，对于智能算法的要求太苛刻。还有一种是基于主机的节点开发，只利用神经 元芯片完成通信功能。而用户的应用程序由其它的处理器( 如微处理器，微控制 器或p c 机) 柬完成。由于处理单元独立出来，可以实时完成算法相对复杂的智 能算法，并且由于有神经元芯片做独立的通信单元，所以对实时性有保证。 本文旨在开辟一条验证智能算法的途径。将智能算法从理论和仿真研究推向 实际应用。而在现场总线这样的一个平台上采用基于主机的节点开发方式，可以 使开发周期缩短，并可以验证较为复杂的智能控制方法。这样，本文谈到的控制 器实际上是一种软控制器。这样的软控制器虽然不象硬件控制器那样独立，简单。 但是却可以随时调整控制算法，实时监控控制效果，更容易把握控制规律。作为 验证算法的途径，显然比硬件控制器要理想得多。经过验证之后的算法可以开发 出硬件控制器，作为一种产品应用到工业现场当中。实际上这种方法是理论研究 到工业应用的一条纽带。开辟出这样的途径对于以实践为主的工科院校具有重大 的意义。 1 4 本文的主要内容 本文详细介绍了l o n w o r k s 现场总线的结构、特点、技术性能以及组网方法。 洋细介绍了单神经元p i d 控制方法的结构、机理并且仿真研究了该算法，在普通 单神经元p i d 控制方法的基础上提出了改进的方法。在仿真和实验两个方面验证 了改进算法的优越性。同时详细介绍了下位机的设备技术性能，接线方式。简单 介绍了d d e 通信机制，并在此基础上详细介绍了i n t o u c h 和v b 之间，以及i n t o u c h 和l n sd d es e v e r 之间的d d e 通信方法。论文还对实验工作做了详细的描述， 并给出了实验结果，做了对比分析。最后得出一系列的结论并提出展望。 6 生! ! 里垄叁堂堡主堂堡笙苎 第二章l o n w o r k s 技术和l o n 总线 随着电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展，现场总线技术得到了 发展，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化 系统的最终用户带来更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散 控制系统d c s 、可编程控制器p l c 产品面i 临体系结构、功能等方面的重大变革， 导致工业自动化产品的又一次更新换代，因而现场总线技术已经成为世界范围的 自控技术热点，被誉为跨世纪的自控新技术。在众多的现场总线技术r | | ，l o n w o r k s 技术以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、支持多种介质之间相互通信 以及多网络拓扑结构等特点，适应了未来发展对测控网络的要求，成为其中的佼 佼者。 2 1l o n w o r k s 技术溉述 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于2 0 世纪9 0 年代推出的一种现场控制网 络产品1 2 3 1 。对于工厂及车间的环境、安全、保卫、给水控制、库房或材料管理等， 若用一个测控网络连接起来，则l o n w o r k s 是种良好的选择。 l o n 现场总线控制网络包括现场总线节点，这些节点可以是直接采用神经冗 芯片作为通信处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的h o s tb a s e 节点、 通信介质和通信协议。l o n w o r k s 技术是集成这样一个l o n 网络的完整的开发平 台。 l o n w o r k s 技术主要由以下几个部分组成f 2 0 j 【2 l 】，即： 1 、l o n w o r k s 节点和路由器： 2 、l o n t a l k 协议； 3 、l o n w o r k s 收发器； 4 、l o n w o r k s 网络服务架构l n s 5 、n e u r o n c 语言： 6 、网络开发工具l o n b u i l d e r 和节点开发工具n o d e b u i l d e r 。 l o n w o r k s 网络的基本单元是节点。一个网络节点包括神经元芯片、电源、一 个收发器和有监控设备接口的i 0 电路。 2 1 1l o n w o r k s 节点 一个典型的现场总线节点主要包含以下几部分功能：应用c p u 、i o 处理单 元、通信处理器、收发器和电源n 华北电力大学硕士学位论文 、以神经元芯片为核心的控制节点 神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，通过独具特色的硬件、固件相组合的 技术，一个神经元芯片几乎包含一个现场节点的大部分功能块一应用c p u 、i o 处理单元、通信处理器。因此一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现 场总线节点。图2 一l 为个神经元节点的结构框图。 一礓磋蘑荪斌行磊一 晶振电源 神经元芯片 3 1 5 0 3 1 2 0 1 6 k 一5 8 kr o m ( 3 1 2 0 ) l o n 网络 ， i 0 调理 收发器 图2 一l 神经元节点的结构框图 二、采用m i p 结构的控制节点 e p r o m 一一 一一。 主处理器一誓凳一 2 筹 _ h 收发器一 单儿 。一 u 6 自。 一r 一 复位电路 图2 2 h o s tb a s e 节点的结构框图 然而，神经元芯片毕竟是8 位总线，目前只支持最高主频是1 0 m h z ，因此它 能完成的功能也十分有限。对于一些复杂的控制，如带有p i d 算法的单回路、多 回路的控制就显得力不从心。采用h o s tb a s e 结构是解决这一矛盾的很好方法 将神经元芯片作为通信处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。图2 兰! ! 皇查盔堂堡主堂壁笙塞 一2 为一个典型的h o s tb a s e 节点的结构图。 2 1 2 路由器 路由器在l o n w o r k s 技术中是一个主要的部分，这也是其他现场总线所不具 备的，也捱是路由器的使用，使l o n 总线突破传统的现场总线的限制不受通 信介质、通信距离、通信速率的限制。在l o n w o r k s 技术中，路由器包括有：中 继器、桥接器、路由器。 2 ，1 3 网络管理 在l o n 总线中，需要一个网络管理工具，这也是l o n 总线和其他总线所不 同的地方。当单个节点建成以后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工 具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也需要将每个节点的网络变量和显示报文 连接起来；一旦网络系统建成正常运行之后，还需对其进行维护：对一个网络系 统还需要有上位机能够随时了解该网络的所有网络变量和显示报文的变化情况。 网络管理的主要功能有以下三个方面。 l 、网络安装 常规的现场控制网络系统，网络节点的连接通常采用直接互连，或者通过d i p 开关来设定网络地址，而l o n 总线则通过动态分配网络地址，并通过网络变量 和显示报文来进行设备间的通信。网络安装可通过s e r v i c ep i n 按钮或手动的方式 设定设备的地址，然后将网络变量互连起来，并可以设置报文四种方式：发送无 响应、重复发送、应答和请求响应。 2 、网络维护 网络安装只是在系统开始时进行的，而系统维护则在系统运行的始终。系统 维护主要包括维护和修理两方面。维护主要是一个错误设各的检测和替换的过程。 检测过程能够查出设备出错是由于应用层的问题( 例如一个执行器由于马达出错 而不能开闭) 还是通信层的问题( 例如设备脱离网络) 。由于采用动态分配网络地 址的方式，使替换出错设备非常容易，只需从数据库中提取旧设备的网络信息下 载到新设备即可，而不必修改网络上的其他设备。 3 、网络监控 应用设备智能得到本地的网络信息，也即网络传送给它的数据。然雨在许多 大型的控制设备中，往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。例如，在过 程控制中需要一个超级用户，可以统观系统和各个设备的运行状况a 因此提供给 用户一个系统级的检测和控制服务，用户可以在网上，甚至以远程的方式( 如 i n t e r n e t ) 监控整个系统。 9 望! ! 生查查堂塑主堂丝堡壅 通过节点、路由器和网络管理这三个部分有机的结合就可以构成一个带有多 介质、完整的网络系统。在一些资料中称l o n 不再是现场总线而是现场网络。 图2 3 是采用l o n 总线构成的现场网络。 神经兀节点冲经元节点神经元节点 图2 3 采用l o n 总线构成的现场网络 2 1 4 l o n 总线性能特点 、拥有三个处理单元的神经元芯片( n e u r o n 芯片) ：一一个用于链路层的控制， 一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包含1 1 个i 0 口，这样 在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能； 2 、支持多种通信介质( 双绞线、电力线、电源线、光纤、红外等) 和它们的 互连； 3 、l o n t a l k 是l o n 总线的通信协议，支持七层网络协议，提供了个围化 在神经元芯片的网络操作系统： 4 、提供给使用者一个完整的开发平台，这包含现场调试工具l o n b u i l d e r 、协 议分析、网络开发语言n e u r o nc 等： 5 、由于支持面向对象的编程( 网络变量n v ) ，从而很容易实现网络的互操 作。 2 2l o n 总线分散式通信控制处理器一神经元芯片 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片。神经元芯片主要包含m c l 4 3 1 5 0 和 m c l 4 3 1 2 0 两大系列，m c l 4 3 1 5 0 支持外部存储器，适合更为复杂的应用；两 m c l 4 3 1 2 0 则不支持外部存储器，它本身带有r o m 。 1 、处理单元 神经元芯片内部装有三个微处理器：m a c 处理器、网络处理器和应用处理器。 2 、存储器 l o 一兰! ! 鱼查盔堂堡主堂垡堕塞 m c l 4 3 1 5 0 存储器的分配包括： 5 1 2b y t e se e p r o m ： 网络配嚣和地址表， 独一无二的4 8 位神经元i d 码， 用户应用代码和一般只读的数据。 20 4 8b y t e sr a m ： 堆栈段、应用程序和系统程序豹数据区， l o n t a l k 协议应用缓冲区和网络缓冲区。 最多6 4 k b 存储器地址空间，但处理器提供外部存储器接口能够访问到的是 5 93 9 2b y t e s ：而剩下的61 1 4 字节是作为系统内部映射。 1 63 8 4 字节的外部存储器用于存储l o n 的操作系统。 剩下的空间可作为用户编写的应用代码，以及应用程序所需要的额外读写 数据区、应用缓冲区和网络缓冲区。 3 、输入输出 神经元芯片和其它设备的互连是通过它的1 1 个t o 口：1 0 0 t 0 1 0 。这些管 脚可以根据不同外部设各i o 的要求，灵活地配置输入输出方式。 神经元芯片带有两个片内定时计数器。并有专用的编程工具n e u r o nc 提供 i o 定义可以将1 1 个i o 配置成不通的i o 对象：神经元芯片的1 1 个i o 口有3 4 种预编程配鬣，可以有效的实现这1 1 个i o 的测量、计时和控制等功能。 4 、通信端口 神经元芯片可以支持多种通信介质。神经原芯片通信端口为适合不同的通信 介质，可以将五个通信管脚配置三种不通的接口模式，以适合不同的编码方案和 不同的波特率。这三种模式是：单端模式、差分和专用模式。 5 、时钟系统 在神经元芯片中包括一个分频器，通过外部的一个输入晶振来输入时钟。神 经元正常工作频率可以从1 0 m h z 6 2 5 m h z ( 6 2 5 m h z 是对于低电压神经元芯片来 说的1 。 6 、睡眠唤醒机制 神经元芯片可以通过软件设置进入低电压的睡眠状态。在这种模式中，系统 时钟、使用的程序时钟和计数器关闭，但是使用的状态信息( 包括神经元芯片的 内部r a m ) 被保留。当有如下的输入转换是，正常的系统操作被恢复： i 0 管脚的输入( 可屏蔽) 1 0 4 1 0 7 竺! ! 皇垄查堂堡主堂垡堡奎 s e r v i c e p i n 信号 通信断口( 可屏蔽) 。 7 、s e r v i c ep i n s e r v i c ep i n 是神经元芯片里的一个非常重要的管脚，在节点配置、安装和维 护时候都需要使用该管脚。该管脚既能输入也能输出。输出时，s e r v i c ep i n 通过 一个低电平来点亮外部的l e d ，l e d 保持为亮表示该节点没有代码或芯片已坏： l e d 以l 2 h z 的频率闪烁表示该节点处于未配置状态。输入时，一个逻辑低电平 使神经元芯片传送一个包括该节点4 9 b i t 的n e u r o ni d 网络管理信息。 为完成输入输出功能，该管脚的输入输出以7 6 h z 的频率、5 0 的占空比复 用。当s e r v i c ep i n 没有连接l e d 和上拉电阻时s e r v i c ep i n 有一个片内可选( 可 通过软件设置) 的上拉以保证输入是无效的状态。 8 、w a t c h d o g 定时器 神经元芯片为防止软件失效和存储器错误，包含三个w a t c h d o g 定时器( 每 个c p u 一个) 。如果应用软件和系统没有定时地刷新这些w a t c h d o g 定时器，整个 神经元芯片将自动复位。 2 3 通信 l o n 总线的一个非常重要的特点是它对多通信介质的支持。出于突破了通信 介质的限制，l o n 总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。 l 、双绞线收发器：双绞线收发器是使用最广泛的一种介质，对双绞线的支持 主要有三类收发器：直接驱动、e i a 4 8 5 和变压器耦合。 2 、电源线收发器：所谓电源线，指的是通信线和电源线共用对双绞线。使 用电源线的意义在于，所有节点通过一个4 8 v d c 中央电源供电，这对于一些电 力资源匮乏的地区具有非常重要的意义：另一方面，通信线和电源线共用一对双 绞线，可以节约一对双绞线。电源收发器由于采用的是真流供电，所以它可以和 变压器耦合的双绞线直接互连。 3 、电力线收发器：将通信数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器 耦合到2 2 0 v 或其它交直流电力线上，甚至是没有电力的双绞线。这样做的好处 是利用已有的电力线进行数据通信，大大减少了通信中遇到的繁琐的布线。 l o n w o r k s 电力收发器提供了一种简单、有效的方法将神经元节点加入到电力线 中。 4 、其它类型介质：无线收发器和光纤收发器等。 5 、路由瘩：l o n w o r k s 路由器能支持从简单到复帮的网络的连接，这些网络 1 2 望! ! 坐查查堂堡主堂垡笙苎 可以小到几个节点大到上万个节点。 2 4 l o n w o r k s 通信协议一l o n t aik 2 4 1l o n t alk 协议概述 l o n t a l k 协议是为l o n 总线设计的专用协议，和我们以往商用的通信协议不 同，它具有以下特点： l 、发送的报文都是很短的数据( 通常几个到几十个字节) ； 2 、通信带宽不高( 几k b p s 到2 m b p s ) ； 3 、网络上的节点往往是低成本、低维护的单片机： 4 、多节点，多通信介质： 5 、可靠性高； 6 、实时性高； l o n t a l k 是i s o 组织制定的o s i 开放系统互连参考模型的七层协议的一个予 集。它包容了l o n 总线的所有网络通信的功能，包含一个功能强大的网络操作 系统，通过所提供的网络开发工具生成固件，可使通信数据在各种介质中非常可 靠的传输。 2 4 2 l o n t al k 协议的网络管理和网络诊断 l o n t a l k 协议的网络管理和网络跟踪提供了四类服务。 地址分配：分配所有节点的地址单元，包括域号、予网号、节点号以及所属的组 名和组员号，值得注意的是n e u r o ni d 是不能分配的。 节点查询：查询节点的工作状态以及一些网络的通信的错误统计，包括通信c r c 效验错、通信超时等。 节点测试：发送一些测试命令来对节点进行测试。 设置配嚣路由器的配置表。 2 4 3 l o n l a ik 协议的报文服务 l o n t a k k 协议提供了四种类型的报文服务，这些报文服务除请求响应是会话 层实现外，其他三种都在传输层实现。 2 5 面向对象的编程语言- - n e u r o nc n e u r o n c 是一种编程语言，它以a n s ic 为基础，专门为神经元芯片而设汁 兰! ! 生查查堂堡主堂堡垒塞 同时加入通信、事件、分布数据对象和i 0 功能，是编写神经元芯片程序的最为 重要的工其。 值得注意的是n e u r o nc 不支持a n s ic 的标准运行库的一些功能，如浮点运 算、文件i o 等；然而，为了满足神经元芯片作为智能分布控制应用，n e u f o nc 有自己扩展豹运行库和语法。这些扩展功能包括：定时器、网络变量、显示报文、 多任务调度、e e p r o m 变量和其他多种功能。 2 6l o n w o r k s 开发工具 为了使l o n 总线的使用者快速、方便地开发节点和联网，l o n w o r k s 技术中 还包含一系列的开发工具，包括节点开发： 具n o d e b u i l d e r ；节点和网络安装工具 l o n b u i l d e r ：网络管理工具l o n m a k e rf o rw i n d o w s 以及客户服务器网络絮构一 l n s 技术， 2 7 l o n w o r k s 网络的安装和调试 传统的控制系统采用电缆或点对点的连接。当设备被安装后，设备间的线缆 有两个作用，首先设备间的物理连接和实现设备间的信号连接，这时设备的性能 已经定义好，不可以改变，除非改变线路。还有，采用主从结构的控制系统，需 要d i p 按键或拨盘来定义每个设备的地址。设备的地址根据设备的控制算法确定。 当这些节点安装后，主设备轮询每个地址，相应设备作为反应。这样的系统通常 适用于由少数设备组成的系统，要改变系统的性能通常还需改变每个设备上的 d i p 按键或拨盘，并改变主设备上的控制软件。 在l o n w o r k s 网络安装中，首先必须将这些节点物理地通过通信媒介( 如双 绞线，电力线) 连接到网络上“8 】；但这还不够，因为这仅仅提供了节点接收和发 送信息的通道，还没有提供节点属于哪个系统，应该与什么节点共享数据，所以 还需说明这些节点的相关网络信息。l o n w b r k s 网络可通过网络，向每个节点发送 有关的信息，在不须改变物理连接的情况下，可以通过网络来重新定义系统的行 为。 2 7 1使用l o n b u ii d e r 系统安装网络 用户的节点可用n o d e b u i l d e r 工具开发应用软件，再采用l o n b u i l d e r 开发平 台进行系统的集成，组成l o n w o r k s 网络。最简便的方法是将n o d e b u i l d e r 生成的 应用程序外部接口文件( 扩展名为x i f ) ，拷到l o n b u i l d e r 的工作目录下，再在 l o n b u i t d e r n a v i g a t o r 中创建一个外部应用映象，输入外部接口的名字，根据此应 用映像创建节点说明，进行网络变量绑定。 1 4 一 华北电力火学硕士学位论文 还有一种方法是将n o d e b u i l d e r 工作目录下的n e u r o nc 源程序拷贝到 l o n b u i l d e r 的工作目录下，由于n o d e b u i l d e r 的n e u r o nc 编译器与l o n b u i l d e r 的 n e u r o nc 编译器是完全兼容的，所以不需要改变源代码，就可以在l o n b u i l d e r 上 编译和调试，再使用l o n b u i l d e r 提供的功能进行安装。 2 7 2 使用l o n m a k e r 安装网络 使用l o n m a k e r 安装通常有两种安装方法：种称为预定义安装，一种称为 自主安装( c o n n e c ta s y o u g o ) 。预定义元件安装一般适用于预先计划的