（检测技术与自动化装置专业论文）基于lonworks现场总线智能控制器的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现场总线技术的兴起，改变了控制系统的结构，使其向网络化、智能化和分 散化的方向发展，成为控制领域的热点技术。本文在简要阐述基于现场总线技术 的分布式控制系统的结构及其特征之后，设计了基于l o n w o r k s 总线的现场节点控 制器，对神经网络控制技术运用在现场总线控制系统中的方法和技术进行了探讨， 具体分析了神经网络前馈反馈智能控制算法在l o n w o r k s 现场总线控制系统中的 实现方法，从而设计了一种基于l o n 总线的智能控制器。该控制器既可以实施基 于l o n w o r k s 节点的现场级控制，又可以完成上位机神经网络算法的高级控制。本 文最后利用组态软件f o r c e c o n t r o l ( 力控) 实现整个系统的监控功能。研究结果表 明，本文设计的智能控制器方案具有成本低、控制灵活、参数修改方便、易于扩 展等特点，具有一定的工业应用前景。 关键词：现场总线控制系统动态数据交换智能节点神经网络控制 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mi s a l t e r e da n db e c o m e si n t e l l i g e n ta n dd i s t r i b u t e df i e l d b u st e c h n o l o g yb e c o m e sv e r y p o p u l a ri n i n d u s t r i a lf i e l d t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h es m c m r ea n dl b a h l r e so f f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n sas m a r tn o d eo fc o n t r o l l e rb a s e do nl o n w o r k s t e c h n o l o g y f u r t h e r m o r eh o w t oa p p l yn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o lt e c h n i q u ei n t of i e l d b u s i sd e s c r i b e di nd e t a i l t h i s p a p e ra n a l y s e sp r i n c i p l eo fn e u r a l n e t w o r k sf o r w a r d b a c k w a r di n t e l l i g e n tc o n t r o l s t r a t e g ya n di t si m p l e m e n t a t i o n m e t h o d si nl o n w o r k s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m a p r a c t i c a li n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do nl o n w o r k sf l e l d b u s t e c h n o l o g yi s e s t a b l i s h e d t h ec o n t r o l l e rc a na c c o m p l i s hn o to n l yt h eb a s i cc o n t r o l f u n c t i o n sb u ta l s on e u r a ln e t w o r k s i n t e l l i g e n tc o n t r o la tp cp o i n t i nt h ee n d ，t h ea u t h o r u s e sf o r c e c o n t r o lt om o n i t o rt h ew h o l es y s t e m t h er e s u l t so f e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r p r o p o s e d i nt h i sp a p e rh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t ， f l e x i b l ec o n t r o l ，e a s yt oa d j u s tp a r a m e t e r s ，g o o de x p a n d i n ga b i l i t ya n dw i l lb ew e l l a p p l i e di ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n k e y w o r d s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m d y n a m i c d a t ae x c h a n g e s m a r tn o d en e u r o nn e t w o r k sc o n t r 0 1 i i 上海大学硕士学位论文 致谢 本论文是在尊敬的导师赵维琴副教授的悉心指导下完成的，从论 文开题、撰写到最后定稿，我都聆听到赵老师的谆谆教诲。赵老师严 谨的治学态度、高度的责任感、诲人不倦的工作作风和朴实无华的人 品给我留下了极为深刻的印象。两年多来，赵老师在生活上也给予我 极大的关怀和帮助。值此论文完成之际，我谨向尊敬的赵老师致以最 衷心的感谢和崇高的敬意。 特别要感谢郎文鹏教授，郎老师在我研究生课程学习和毕业课题 设计期间给予了我很大的帮助和指导，谨向他致以最挚诚的谢意。 还要感谢马利民老师、黄慎之老师在我学习期间给予帮助。最后 感谢王玉涛同学，两年多的共同学习生活使我收益匪浅。 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工业过程控制系统的进展 1 1 1 控制系统的发展过程及现场总线技术的产生“ 随着社会工业化的发展，人们对生产过程自动化程度的要求不断提高，促进 了现代控制技术的飞速发展。般来讲，过程自动化是指在石油、化工、冶金以 及热力发电等工业生产中连续的或按一定周期进行的生产过程的自动化控制。它 主要包含两方面的内容，其一是测量，即及时准确地了解工业过程的现状；二是 控制，即使工业过程按照人们要求的状态运行，当出现偏差时需要及时的校正。 第一代过程控制体系结构( 直动式或p c s ) ，产生于五十年代。由于当时的生 产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产 设备现场，只具备简单测控功能的基地式气动仪表，其信号基于( 3 1 5 ) p s i 的 气动信号标准，各测控点只能成为封闭状态，无法与外界进行信息沟通。但随着 生产规模的不断扩大，操作人员需要综合掌握多点的运彳亍参数与信息，需要同时 按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，采 用模拟控制技术和经典控制理论，实现生产过程的集中检测与控制，即第二代控 制体系结构( 模拟式或a c s ) 。其生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如 0 0 2 o 1 m p a 的气压信号，0 l o m a 、4 2 0 m a 的直流电流信号，l 5 v 的直流电 压信号等，送往集中控制室。操作人员可以在控制室纵观生产流程各处的状况， 可以把各单元仪表的信号按需要组合成为复杂的控制系统。第二代过程控制体系 结构是后来几代过程控制体系结构的主要基础。 由于模拟信号的传递需要对一的物理连接，信号变化相对缓慢，提高计算 速度与精度的开销、难度都较大，而且信号传输的抗干扰能力也较差，于是人们 开始寻求用数字信号取代模拟信号。随着数字计算机的产生与发展，它已开始逐 步应用于工业自动化领域，由此又出现了集中控制系统，即第三代过程控制体系 结构( 集中式或c c s ) 。计算机集中控制系统的主要特点是将多个控制回路和多个 控制变量的显示、操作和控制全部集中在一台计算机上完成。与常规仪表控制控 制系统相比，其优越性在于：系统结构简单、清晰：控制功能齐全、可用于复杂 第】页 上海大学硕士学位论文 的过程控制；信息高度集中，易于实现系统的最优控制；可以用软件对控制回路 和控制方案进行组态。但是，集中计算机控制系统也存在着些缺点：由于集中 式控制系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统软件可靠性下降：系统的可扩 展性差：由于将所有的功能和处理信息都集中在一台计算机上，一旦出现问题， 将对整个系统造成严重后果。 鉴于集中式控制系统存在的种种问题以及微处理器、计算机应用的不断深入， 人们一直在寻求进一步的解决方案。到了七十年代中期，以h o n e y w e l l 公司向市 场推出第一代集散控制系统t d c 2 0 0 0 开始，标志着第四代过程控制体系结构 ( d c s ) ，即分布式控制系统的产生o3 。分布式控制系统是相对于集中式控制系统 而言的一种新型计算机控制系统，两者在系统功能的实现方法上有很大的区别。 集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的i o 设备、键盘、打印机等外部设 备即可完成系统功能，而分布式控制系统则一般要由四部分组成，即系统网络、 现场i o 控制站、操作员站、和工程师站，而且各个工作站都是由独立的计算机 构成，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警和系统组态等功能。分布式控 制系统的结构图如图i 1 所示： 图i1 分布式控制系统结构 分布式控制系统在系统的处理能力和系统安全性方面明显的优于集中式控 制系统，由于分布式控制系统使用多台计算机分担了控制的功能和范围。使处理 能力大大提高，并将危险性分散。在系统扩展方面，比集中式控制系统更具有无 第2 页 上海大学硕士学位论文 可比拟的优越性，系统规模的扩充被简化为网络节点的增加，只要根据需要增加 节点，并修改相应的组态，即可实现系统的扩展。近几十年来，分布式控制系统 经历了几代的发展，其功能和性能都得到了巨大的提高，在工业自动化领域发挥 了重要作用。尽管如此，分布式控制系统仍然存在如下一些问题“： ( 1 ) 对于通信网络中的控制站或输入输出单元，现场仪表与上位机的联络只 有少部分是数字信号，大部分仍采用模拟传输。 ( 2 ) 仪表信号标准不同一，工作不兼容，给用户带来不便。 ( 3 ) 由于每个处理器都分配有一个特定的任务集合，在大多数情况下，系统 网络的通讯需要由一个具有“网关”的专用网络来完成，而网关的大部分程序是 由用户编写的，所以开发技术相当复杂。 ( 4 ) 由于受工业现场环境的制约以及被控生产现场对数据响应实时性的要求， 被控现场的网络问题也一直是分布式控制系统长期以来所难以解决的。 由此可以看出。分布式控制系统体系结构仍然有许多不尽如意的地方，比如， 它的所谓分散控制并不是完全彻底的，所谓的数字化也只是半数字化而已等等。 尽管这些年来，人们在分布式控制系统中做了大量使系统开放的努力，最终只能 取得有限的改良效果，无法从根本上解决问题，因此迫切需要有更先进的控制系 统来实现真正意义上的全数字化、全开放、互联以及高可靠性。现场总线正是在 这样的历史背景下产生的，它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了控制设备之 间及其与更高控制管理层次之间的联系。现场总线技术的出现，标志着第五代过 程控制体系结构( f c s ) 的形成，这项以智能传感技术、控制技术、计算机技术、 数字通信技术等紧密结合的综合技术，已成为自动化技术发展的热点而倍受关 注。 1 1 2 现场总线控制系统的特点“m 现场总线控制系统，一方面突破了传统d c s 系统采用厂商专用通信协议网络 的局限性，采用了基于公开化、标准化的开放性通信协议网络。克服了以往专用 系统的封闭性缺陷；另一方面，把d c s 的集中与分散相结合的系统结构，变成了 新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线控制系统( f c s ) 是 一个实现电气传动控制、仪表控制和计算机控制的一体化的系统结构。f c s 的结 第3 页 上海大学硕士学位论文 构体系如图1 2 所示，它通常由以下三部分组成：现场智能仪表、控制器；现场总 线；监控计算机。 图12f c s 的体系结构 f c s 控制系统与传统的分布式控制系统( d c s ) 相比，具有以下特点7 3 副： ( 1 ) 互操作性好。操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通。 具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化，而且在接口软件上也标准化。 ( 2 ) 开放性好。现场总线为开放式互连网络，技术和标准全是公开的，用 户可根据需要把遵循相同协议的不同品牌产品集成到一个系统，通过现场总线构 筑自动化领域的开放互联系统。从根本上打破了d c s 系统的封闭性，为企业实现 信息化控制与管理创造了条件。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，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 ) 安装、维护、使用方便。正是由于f c s 的互操作性和开放性好，使用 现场总线接口技术，只需一根双绞线就可以替代蜘蛛网似的电缆线，将各控制设 备挂在总线上，节省了大量的导线，同时也便于安装、维护和使用。 ( 5 ) 系统配置灵活、扩展性好。f c s 组态方式采用功能模块：如i o 、p i d 控制等过程控制功能模块，因而设计简单、易于重构。 ( 6 ) 对现场环境的适应性。对设备级基础通信网络的要求，首先是具有协议 简单、强容错、安全性好、成本低的特点，同时还应具备一定的时间确定性和实 时性要求。作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可 支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等多种通信介质，具有较强的抗干 第4 页 上海大学硕士学位论文 扰能力，并可满足本质安全防爆要求。f c s 的结构构造易于改变，而且原有系统 的大部分组件都可被改变或重利用。 在企业综合自动化的条件下，现场总线控制系统不再是单独分立的底层现场 设备网络，而是企业信息网的测控子网，是整个网络数据信息流的起点，因此现 场总线控制系统应具备完善的同上层信息网交换数据的接口，目前f c s 一方面可 通过网桥将现场总线测量控制设备互连成为通信网络，实现不同网段、不同现场 设备之间的信息共享：同时又可通过以太网或光纤通信网将现场运行的各种信息 传递到远离现场的控制室；f c s 还可通过网关接到上层管理网上，把工业现场的 各种参数与数据传到上层管理网络，为管理层提供第一手资料，从而实现企业管 控一体化”。 总上所述，f c s 的出现使传统的自动控制产生了革命性的变革，它改变了传 统的信息交换方式和系统结构，改变了传统的自动化仪表功能的概念和结构形 式，也改变了系统的设计和调试方法。目前我们面临的是一个崭新的工控新世界， 正如1 9 9 6 年在美国举行的以现场总线技术为重点的i s a 展览会上醒目标题所讲 述的那样“您将站在控制领域新纪元的起点上，8 m 1 。 1 2 l o n w o r k s 现场总线技术简介 1 2 1 l o n w o r k s 技术的发展及其特点 l o n w o r k s 总线是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种局部操作网络，目 前已被广泛应用于智能建筑、过程控制、汽车、商业、电子等领域，在欧洲、北 美的安装点数已占现场总线总数的3 0 ，被认为是目前使用最广泛的现场总线之 一 l o n 技术自诞生至今已有i o 多年的历史，随着科学技术的发展，它本身也在 不断地改进更新，如新一代n e u r o n 芯片的时钟频率己从1 0 m h z 升至2 0 m h z ，以及 正在大力开发基于r i s c 技术( 精简指令集计算机) 的具有1 0 0 m 时钟、3 2 位的微处 理器。同时，为了扩大l o n t a l k 协议的应用范围，e c h e l o n 公司早在1 9 9 7 年就宣 布，开发商可以将l o n t a l k 协议固化到任何种微处理器中，这就为l o n w o r k s 技术打开了新的发展空间“。 第5 页 上海大学硕士学位论文 l o n w o r k s 总线自身的一些技术优势8 m “： ( j ) 完整的i s o o s i 网络协议。l o n 网络的通信协议l o n t a l k 符合国际标准 化组织( i s o ) 定义的开放系统互联( o s i ) 模型，提供了o s i 参考模型所定义的 全部七层协议，也是现今为止全部支持7 层协议标准的唯一的一种现场总线，技 术和标准是全开放的、公开的、面向按照l o n m a r k 规范设计的产品制造商和用户。 ( 2 ) 通信的设计采用了面向对象的设计方法。l o n 技术将其称为“网络变 量”，使得复杂的网络通信编程变成了简单的网络变量捆绑。不仅减少了设计的 工作量，还增加了通信的可靠性。 ( 3 ) l o n w o r k s 技术核心元件一n e u r o n 芯片，采用了3 c p u 结构，并固化有 l o n t a l k 通信协议，n e u r o n 芯片同时具备控制和通信的功能。 ( 4 ) 控制网络拓展性强。每一个测控网络的节点数最多可达3 2 3 8 5 个，是 目前为止支持节点数最多的总线标准。 ( 5 ) 支持多种通信介质，如电力线、双绞线、同轴电缆、光纤等。通信速 率最高可达1 2 5 n o p s ( 通信距离为1 3 0 m ) ；对于通信速率为7 8 k b p s 的双绞线，直 接通信距离可达2 7 0 0 m ( 6 ) 改善了的e s m a ( 载波侦听多路访闻) ，采用带预测p 坚持c s m a 协议， 在网络负载很重时。不会导致整个网络的瘫痪，提高了系统的稳定性。 ( 7 ) 提供功能强大的技术开发平台：l o n b u i i d e r 、n o d e b u i l d e r 、l o n m a k e r 以及l n s 等。l o n w o r k s 软件丰富，可编程性能好，并配有功能强大的开发系统， 能大大缩短研制和开发周期。 除此之外，为了和互联网i n t e r n e t 及其它网络系统交换信息，e c h e l o n 公司 正在开发基于l o n 技术高性能、低成本的网络接口产品以及利用微处理器接口程 序m i p ( m ic r o p r o c e s s o ri n t e r f a c ep r o g r a m ) 软件开发各种低成本的网关，使用 j a v a 语言编程、可进行远程查询和控制，由于这些性价比很高的网关已经被很多 公司开发完成，使得l o n w o r k s 技术下的多种网络之间的互连变得非常容易，这就 使l o n w o r k s 技术又插上了远航的翅膀“。 1 2 2l o n w o r k s 技术的主要组成9 第6 页 上海大学硕士学位论文 l o n w o r k s 技术是一个实现控制闷络系统的完整平台。这些网络包括智能设备 或节点，智能设备或节点与它们所处的环境进行交互作用，以及通过不同的通信 介质与其他节点进行通信。l o n w o r k s 技术包含所有设计、配置和维护网络所需要 的技术，主要包括以下几个方面的内容： 1 n e u r o nc h i p 神经元专用芯片 神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心器件，它是由e c h e l o n 公司研制的一种集 通信、控制、调度和i o 支持为一体的超大规模集成电路v l s i 器件。它内含3 个8 位的流水线c p u 。在片内存储单元中固化了7 层通信协议中的6 层，只有第 7 层需用户编写。它有1 1 个可编程i o 引脚，可设置为3 4 种预编程工作方式； 并有5 个通信引脚可组成3 种通信模式：有2 个1 6 位定时器计数器；一个4 8 位编码的内部标识符n e u r o ni d ，用于唯一识别神经元芯片；一个用于远程标识 和诊断的s e r v i c e 引脚。 2 l o n t a l k 协议 l o n t a l k 是l o n w o r k s 技术的通信协议标准，与其它现场总线技术不同的是它 提供了i s 0 o s i 七层协议所有内容的服务，并采用一种基于载波侦听多路访问 介质访问控制( c s m m a c ) 的新型通信模式，称为带预测的p - p e r s i s t e n tc s m a 算法。l o n l a l k 协议支持多种传输介质，如双绞线，电力线，超声波、光纤、无 线射频和红外线等。每一种介质称为一种信道，每一种信道都有专用的收发器作 为智能节点和通信介质之间的接口器件，不同信道之间使用路由器( r o u t e r ) 进 行连接。l o n t a l k 协议支持分散的p e e rt op e e r 的通信，节点可以组成总线型、 环型、树型等多种拓扑网络结构，特别值得一提的是还可以组成自由拓扑结构， 它是各种常规拓扑结构的组合。 3 专用开发语言n e u r o nc m 3 1 n e u r o nc 是一种专为n e u r o n 芯片设计的程序设计语言，它在标准c 的基础 上进行了自然扩展，直接支持n e u r o n 芯片的固化软件，删除了标准c 中一些不 需要的功能( 如某些标准的c 函数库) ，并为分布式l o n w o r k s 环境提供了特定的 对象集合及访问这些对象的内部函数，还提供了内部类型检查，是一个开发 【- o n w o r k s 应用的有力工具。 n e u r o nc 的一些功能如下“： 第7 页 上海大学硕士学位论文 ( 1 )一个新的对象类网络变量( n e t w o r kv a r i a b l e ) 简化了节点间的 数据通信和数据共享。 ( 2 )一个新的语句类型w h e n 语句，引入事件( e v e n t s ) ，并定义这些 事件的当前时间顺序。 ( 3 )i o 操作的显式控制，通过对i o 对象( o b j e c t ) 的说明，使n e u r o n 芯片的多功能i 0 得以标准化。 ( 4 ) 支持显示报文，用于直接访问基础的l o n t a l k 协议服务。 4 l o n w o r k s 收发器 l o n g o r k s 收发器是标准的成品，它简化了l o n w o r k s 节点的开发，提供了良 好的互操作性，减少了项目的开发时间以及开发成本。收发器在n e u r o n 芯片和 l o n 网之问提供了一个物理量交换的接口，它适用于各种通信媒介和拓扑结构。 目前收发器主要类型有：双绞线收发器、电力线收发器和无线射频收发器等。 5 l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开发工具 l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 是开发l o n w o r k s 网络系统和节点的工作平台， 它是硬件和软件开发工具的集合。l o n b u i l d e r 是系统级的开发工具，它提供了一 个用p c 进行操作的开发环境，可支持单个仿真应用节点，也可支持由2 4 个仿真 节点和上百个远程节点组成的复杂的分散式网络系统。其硬件包括p c 适配卡， l o n b u i l d e r 处理器板等。l o n b u i l d e r 应用编程软件提供了编辑、编译、调试和测 试n e u r o nc 软件所需的一切工具，包括n e u r o nc 编译器和n e u r o nc 调试器等， 此外还包括网络管理工具和启动工作包。n o d e b u i l d e r 则是装置级的开发工具， 它可用来编程和调试单个节点，它的硬件和软件相对简单一些“”。 1 2 3 l o n w o r k s 控制网络的体系结构及特点m m ” ( 1 ) l o n 网络的系统结构 工业过程控制系统逐渐由d c s 向f c s 方向发展，现场控制系统的典型特征是 分散化、智能化、网络化，是一种分散式智能化控制网络系统。基于l o n w o r k s 网络的分布式控制系统的体系结构图如图1 3 所示： 第8 页 上海大学硕士学位论文 p c 计算机 络 传感器交送器执行机构智能控制器 质 图13l o n 网络控制结构图 基于l o n w o r k s 的分散智能控制网络在纵向上是两级功能结构，分为现场控 制级功能和上位管理协调级功能。现场控制级的核心即为分布于设备现场的一个 个智能节点，主要用于接受和处理来自传感器的输入数据、执行通信和控制任务 以及控制执行器操作等。在现场智能节点的基础上，通过d d e 服务器建立上层的 监控应用，实现系统的监控、管理、维护以及与其它计算机系统之间的信息交互。 ( 2 ) l o n 控制网络的特点 l o n w o r k s 智能节点和l o n t a l k 通信协议是l o n 控制网络运行的基础，前者支 持分散化、智能化的特点，后者满足了现场智能节点之间无拥塞、快速安全的通 信要求。l o n 控制网络在层次结构、系统功能特征的实现策略上，它都体现出了 一些新的特点： 1 ) 层次结构复杂的控制过程应该建立在合适的“分解”与“协调”策 略的基础上，在层次上体现出纵向“递阶”的特点。传统的d c s 系统大部分的高 级控制策略和智能手段需要在主机上生成和实现，对主机的性能要求很高。现场 总线控制网络则强调控制和智能的全分散化，各个现场设备是具有自治功能的智 能主体，相互之间高内聚松耦合，某些局部协调通过形成现场虚拟单元可自治完 成，而上层的主机可进行大范围的协调和高级控制功能。 2 ) 系统特征基于l o n w o r k s 的分散式智能控制系统在实现现场级控制功 能时，需首先确定整个系统的完整控制策略，然后分解到各个相互独立的模块和 子任务上，确定每个节点所完成的任务以及它们之间的数据共享关系，并对每个 第9 页 上海大学硕士学位论文 节点编写应用程序，并下载到节点的f l a s hm e m o r y 中，调试运行。建立在l o n w o r k s 智能节点上的控制网络是一种分散自治的系统，每一节点内部具有实现某特定功 能的软件程序，各个智能节点控制的输入输出、内部参数、状态特征值等都以网 络变量的形式进行传输。上位机基于现场的控制信息通过人机界面( 珈i ) 软件( 如 v b 、v c 或组态软件) 和智能软件( 如专家系统、神经网络等) 完成系统的高级监 控功能。 1 3 本文研究的内容及意义 现场总线技术的兴起和智能控制策略的广泛应用，为解决工业控制领域的一 些问题开辟了一条新的途径。本课题正是将现场总线技术和神经网络智能控制结 合起来，开发了基于l o n w o r k s 现场总线的智能控制器，它既可以实施基于l o n 智能节点的现场级控制，又可以完成上位机神经网络算法的高级控制。现场级控 制是由基于l e n 总线p i d 控制器智能节点来实现。节点的开发是基于n e u r o n 芯 片的智能节点，该节点在功能上大致可分为：自诊断模块、数据采集模块、控制 量输出模块、键盘显示模块、p i d 控制模块等；上使机设计的控制器是将b p 网络 作为前馈控制与常规的p i d 控制相结合，两者共同作用，能实现互相补充，互为 修正，即可利用反馈控制器保证系统稳定，又可利用神经网络控制加快控制速度。 本文针对该控制方案进行了大量的仿真，实验结果表明，与单独采用传统的p i d 控制相比较，该控制方案不仅具有较强的稳定性和鲁棒性，而且能有效提高系统 的精度和自适应能力。 上位( p c ) 机除了实现神经网络控制，另一方面完成整个系统的监控功能， 系统监控功能是采用f o r c e c o n t r o l ( 力控) 工业组态软件结合l n sd d es e r v e r ( 服 务器驱动程序) 来实现，现场级的各种数据通过网络适配卡( p c l t a l op cl o n t a l k ) 一方面送到监控中心进行显示，另一方面为实现神经网络高级控制算法提供信息 。1 。在执行高级控制时，神经网络结构参数和学习参数的调整可以通过改变 程序中的相关变量，以适应对不同被控对象进行控制；而现场p i d 控制参数的设 定和修改可直接在键盘或上位机监控界面中进行；被控对象的实时趋势、历史趋 势、历史报表等都可以在监控界面中实时显示。由此可见，本文提出的基于l o n 总线智能控制器的设计方案，控制器参数修改方便、系统配置灵活、易于扩展， 第l0 页 上海大学硕士学位论文 该控制器具有一定的通用性，在工业过程控制中具有一定的应用前景。 第l1 页 上海大学硕士学位论文 第二章基于l o n 总线控制器节点设计 2 1 现场控制器节点功能介绍 随着现场总线智能设备通用性的提高和成本的降低，简单的控制任务迁移到 现场节点的微处理器中，节点本身可以完成一些开关量控制、p i d 控制等，从而 实现现场就地控制。本文开发的现场控制器节点运用了功能强大的n e u r o n 芯片， 它集控制、通信功能于一体。该节点除了完成信号采集、数字滤波、标度变换、 数据显示、p i d 控制以及控制量输出等基本控制功能，同时将采集到的现场信息 以网络变量形式传送到监控计算机，为上层的高级控制和监控系统提供多个信 息。利用n e u r o n 芯片的通信接口通过收发器可方便地将现场控制器节点挂接到 l o n w o r k s 现场总线，以便于和l o n 网络上的其它节点进行互相通信。 2 2 控制器节点硬件设计 2 2 1 控制器节点的硬件结构 控制器节点构成原理框图如图2 1 所示，图中虚线框内的各部分组成现场控 制器节点。控制器节点的工作过程如下：来自传感器的模拟信号经放大处理后， 由a d 转换成相应的数字量，并完成数字滤波和p i d 控制等功能，把运算得到的 控制量，再经d a 转换送给现场的执行机构。另外该节点还配置了多路开关量输 入通道和键盘显示接口芯片。系统的有关参数可以通过键盘进行设置，当系统的 状态参数超出规定的上下限时，则发出报警信息。 第l2 页 上海大学硕士学位论文 图2 1 控制器节点系统框图 2 2 2 节点硬件电路设计 2 2 2 1 基于l o n 控制模块的节点电路设计 k o n w o r k s 网络 l o n 网络智能节点的设计一般分为两类“：一类是利用神经元芯片完成所有 的工作( 包括通信和用户应用程序) ，这类节点称为基于神经元芯片的节点；另 一类是利用n e u r o nc h i p 完成通信工作，而用户的应用程序由其它的处理器来完 成( 微处理器、p c 机等) ，这种节点称为基于主机的节点；前者结构简单、成本 低。本文开发的是基于n e u r o nc h i p 的节点。采用e c h e l o n 公司生产的控制模块 m f l 。l o ，控制模块结构图如图2 2 ，控制模块内含3 1 5 0 神经元芯片，带有3 2 k b f l a s hm e m o r ya t 2 9 c 2 5 6 存储器用于存储应用程序和通信固件，采用变压器耦合 收发器f t ，f l o ，用双绞线作为网络传输介质。该模块还带有i o m h z 晶振，一个1 8 针的与用户外围信号调理电路连接的插头，一个6 针的与通信用的非屏蔽双绞线 连接的插头，并需要5 v 直流电源。用该控割模块作为主处理器自行设计一些外 围信号调理接口电路，来实现智能节点所要完成的功能，这样就大大简化r 硬件 电路的设计开发工作。 第13 页 上海大学硕士学位论文 网网 l jl j f 鬲i 磊丽l n e u r o n |l 双绞线收发器l j ! ；竺竺堡兰季卜一3 1 5 0 芯片h 戗f 纵t t 级- 忧i o a 及”j ll 。t 一。 一 i 0 0 i 0 1 0 l l 图2 2t p f t l o 控制模块结构图 2 2 2 2 输入、输出通道设计 本节点输入、输出电路设计中，主要完成8 路模拟量( 4 - 2 0 m h d c ) 输入、8 路开关量输入、l 路模拟量输出( o f i v d c ) 。由于控制系统中各种仪表或变送器 信号的地电位不尽相同，有时相差很大，如果节点的输入输出通道间不采取隔离 措旖，则会引起地线回路，轻则是测量误差增大，重则会导致系统不能正常工作 甚至烧坏昂贵的控制模块。为了解决这一问题，我们在输入、输出电路中均采用 光电耦合器进行电气隔离，隔离电路采用t l p 5 2 1 - 4 。输入输出电路如图2 3 所 不。 第14 页 上海大学硕士学位论文 占 图2 3 输入输出电路图 ( 1 ) 模拟输入电路a d 芯片选择美国m a x i m 公司生产的m a x l 8 6 ，它内含8 通道多路切换开关，高带宽跟踪保持器、1 2 位逐次逼近式a d 转换器、自带4 0 9 6 v 的参考基准电压源，具有硬件关断和两种软件关断模式。它本身即为一套完 整的单片1 2 位数据采集系统可高速串行输出转换后的数据，芯片具有4 条串 行接f 3 线，与主机电路之间实现光耦隔离方便，硬件电路简单“。 在m a x i s 6 与n e u r o n 芯片的接口设计中，由于n e u r o n 芯片的n e u r o w i r e1 , 0 对象，是一一个全双工的s p i 同步串行接口，而m a x l 8 6 这种1 2 b 、多通道、全双工 的串行a d 集成芯片正好与其兼容，在1 0 8 管脚输出的时钟信号作刚f ，由1 0 9 和1 01 0 两个管脚间步将a ，i ) 通道信息地址移出和把剥应通道的变换数据输入的 功能。住将n e u r u w jr e , 1 ，r0 对象配黉：为扛模式( m t sl e t ) 州，、e u f u n 芯的1 0 0 一l 【j ? 管脚中的任何一个可用于m a x t 8 6 的片选信号。现场4 - 2 0 m a 测量信号经过2 0 0 q 精密电阻变为0 8 4 v 电压信号，进入m a x l 8 6 的输入通道，n e u r o n 芯片的【0 0 用于对m a x t 8 6 的片选， 0 8 提供时钟信号输出，1 0 9 用于串行数据输1 0 1 0 用 第【5 负 上海大学硕士学位论文 于串行数据输入。在设计a d 转换电路时，根据需要还可加上低通滤波器和电压 跟随器，如果电路的环节比较多，电路调试通过以后，还要进行标定，进一步提 高输入的精确度。 ( 2 ) 模拟输出电路芯片选用1 2 位串行数模转换器t l c 5 6 1 5 ，带有3 线制串行 总线接口”“，与n e u r o n 芯片的n e u r o w i r ei o 对象相兼容；内部带有缓冲基准输 入1 0 位电压输出数字模拟转换器( d a c ) ；一个1 6 位移位寄存器；输出的最大 电压为基准电压的2 倍。在接口电路中，t l c 5 6 1 5 芯片的c s 端接n e u r o n 芯片的 i 0 1 口，c l k 接1 0 8 口，d i n 接i o l o 口，o u t 端为模拟电压输出端 ( 3 ) 数字输入部分通过8 选一数据选择器? 4 l s l 5 i ，扩展成8 路开关量输入 通道。在具体设计中，将n e u r o n 芯片的i 0 2 i 0 4 作为8 路输入通道的地址选 通信号，与7 4 l 8 1 5 1 的地址输入端( a 、b 、c 管脚) 相连，i 0 5 接数据输入z 端， 读取脉冲e 端接地。在设计数字量输入电路时，要考虑开关量输入信号的“消抖” 问题。机械触点在闭合和断开瞬间都会有5 i o n s 的抖动，消抖的方法之一是使 扫描开关量输入的周期大于抖动时间：另外一种方法是扫描到开关量变化后延时 l o 2 0 m s ，然后再次读取开关状态，以便确定开关状态是否真的发生变化。 2 2 2 3 键盘、显示电路设计 在许多微型计算机系统和仪器仪表设备中，其中必不可少的部分是键盘和显 示接口电路，目前，最常用的接口芯片是i n t e l 8 2 7 9 键盘显示控制芯片，或者利 用i n t e l 8 2 5 5 、i n t e l 8 1 5 5 并行i o 口扩展键盘和显示，然而利用上述芯片时，必 须增加其它的硬件开销共同完成，且占用并行接口口线较多。本文在研制 l o n w o r k s 现场智能节点系统设计中，为了节省i o 口线，使用一片串行接口芯片 h d 7 2 7 9 a 可扩展挂接8 位l e d 数码管及6 4 按键附加一些限流或拉高电阻，不需扩 充有源器件，使得这部分电路得到较大简化。h d 7 2 7 9 a 的引脚管脚说明如图2 4 所示。相对常用的i n t e l 8 2 7 9 芯片来讲，h d 7 2 7 9 a 具有以下特点。“： 串行接口无需外围元件可直接驱动l e d 各位独立控制译码不译码及消隐和闪烁属性 ( 循环) 左移( 循环) 右移指令 具有段寻址指令，方便控制独立l e d 第16 页 上海大学硕士学位论文 6 4 键键盘控制器，内含去抖动电路 图2 4h d 7 2 7 9 a 引脚图说明 h d 7 2 7 9 的控制指令分为两大类：纯指令和带数据指令。指令表如图2 5 所示： 指夸格式 指令名称 j 说明 d t&隗d 眈d 2d j 氏阱d bmd |m仇d id 0 lo 1o o 111所有字符消引 纯清除( 复位) 指测试 i 0 1 1i11 j全都点亮并闪烁 令移位 l01o o0d id od ；d o 决定移位方式。 戡方式0 译码1oo0 0a 2b 鼬d fxx x出d ：d id o 批a ，8 。位地址以8 码方式译码o 带 以方式l 译码 l1oola 2a i出d fxx x出d 2d ld oa 2 ，az ，a 。位地址，咀1 6 进制译码 数 据不译珥10 0 l oa 2a l出d fab c df e a 2 ，a t ，a 。位地址，以a f d p 为数码管段 指 地址 令 段控制1】a0 0 0o 0xx d 5d d ：d 2出d o a 为段点亮关闭控制d 3 一d o 为段地址 读键盘 00 0 】 0 1 0 l由山d sd d ，d 2d l d o 出一d 。为返回的接键代码 图2 5h d 7 2 7 9 a 指令表 纯指令宽度为8 b i t ，带数据指令为1 6b i t ，这种指令又分为两种，种要求为 处理器发送l 6 个c l k 脉冲；另一种要求为处理器发送前8 位读键盘指令，后8 位为t t d 7 2 7 9 a 返回的键盘代码。 f d 7 2 7 9 a 和n e u r o n 芯片的接口电路如图2 6 所示。 第17 页 上海大学硕士学位论文 图2 6 键盘、显示接口电路 n e u r o n 芯片的1 0 6 作为h d 7 2 7 9 a 的片选c s ，1 0 8 、1 0 9 、1 0 7 连接c l k 、d a t a 、 k e y ，串行数据从d a t a 引脚送入芯片，并与c l k 端同步，当片选信号变低时，d a t a 引脚上的数据在c l k 引脚的上升沿被写入h d 7 2 7 9 a 的缓冲寄存器，h d 7 2 7 9 a 外接6 个l e d 数码管显示器和6 个键，由电路结构决定k 。、k ：、i ( a 、k 、l ( 5 、i ( 6 键的键值 分别为：0 7 h 、1 5 h 、2 3 h 、3 i t 、3 9 h 、4 7 h ，每个键的功能如下表所示 k lk 2k 3kl ( 5k 6 设置置数确认运行复位显示 其中设置键( k 。) 配合置数键( k 。) 、确认键( ) 可完成采样周期设定、 参数上下限设置。 运行键f k 。) 以当前设置参数进入运行，而确认键则将接受目前设置参 数并送入参数存放存储区。 复位键隔) 使系统退出命令状态，等待输入新的命令。 显示键( k 。) 主要完成输入数据的显示。 6 位l e d 显示器，其中第一位数码管显示器显示输入数据的项目，最后一位 用来显示输入数据的单位，中间4 位显示输入的4 位数据。比如：显示温度值 第l8 页 上海大学硕士学位论文 l ti2l3 13i 3i c l 2 2 2 4 通信电路设计 通信电路的核心一收发器是实现智能节点与l o n w o r k s 网络之间的通信接口。 在基于n e u r o n 芯片节点设计中，由于n e u r o n 芯片自身拥有一多功能的通信端口， 它有五个引脚可以配置与多种传输媒介接口( 网络收发器) 相连接。通信电路接 口图如图2 7 所示，本文采用f t t 1 0 自由拓扑收发器，它支持没有极性、自由拓 扑的互连方式，可方便现场网络布线。在传统控制系统中，一般采用总线拓扑， 节点收发器包含一个线路接收和发送控制，通过带屏蔽的双绞线互连在一起；根 据e i a r s 一4 8 5 标准，所有设备必须通过双绞线，采用总线方式互连在一起，防止 线路反射和可靠通信。f t t 一1 0 收发器很好地解决了这一限制。用双绞线作为网络 传输介质，来实现智能节点与l o n w o r k s 网络之间的通信。 1 一 i n