工控網(wǎng)絡用于智能控制中的研究

王雪波 陸 冰

1河南省委辦公廳（450000） 2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 引言

基于以太網(wǎng)(Ethernet)的工業(yè)控制網(wǎng)絡[1]具有數(shù)據(jù)傳輸率高、可靠性好、易維護、可遠程傳輸、互操作性好等優(yōu)點。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與推廣，以太網(wǎng)通信速率的提高，交換技術(shù)的發(fā)展，它受到了全球的擁護和軟硬件支持，并得到了迅速發(fā)展和普及。因此，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。專家控制是智能控制的一個重要分支，將專家控制應用于工業(yè)以太網(wǎng)，使這兩種控制技術(shù)結(jié)合在一起，具有現(xiàn)實意義。

0.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡

工業(yè)控制網(wǎng)絡中的工業(yè)以太網(wǎng)是指將以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制和管理的局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)(Ethernet)是最廣泛安裝的局域網(wǎng)技術(shù)。最近十年來，以太網(wǎng)開始從不同的途徑進入到工業(yè)自動化和過程控制市場，應用范圍有了很大的擴展，形象地說，以太網(wǎng)從“辦公室”開始走進“車間”。以太網(wǎng)[2]最典型的應用形式是Ethernet+TCP/IP，即靈活的Ethernet底層加上幾乎已成通用標準的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議TCP/IP，使得以太網(wǎng)能夠非常容易地集成到以Internet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡中

0.2 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)[3]主要用來解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題，如智能機器人系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、環(huán)保與能源系統(tǒng)等。這些復雜系統(tǒng)具有以下特點∶①控制對象存在嚴重的不確定性，控制模型未知或模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變化；②控制對象具有高度的非線性特征；③控制任務要求復雜[4]。例如，在智能機器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對一個復雜的任務具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動躲避障礙達到目的地的能力。

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)設計實例

整個系統(tǒng)硬件由四部分構(gòu)成∶工控機、以太網(wǎng)智能節(jié)點、交換機和控制對象。該以太網(wǎng)控制系統(tǒng)通過交換機構(gòu)成星型拓撲結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場設備通過智能節(jié)點掛接到以太網(wǎng)上。在本系統(tǒng)中，工控機上運行的軟件有下面將要介紹的實時專家控制開發(fā)工具ECSS V2.0及其開發(fā)的專家控制器、力控監(jiān)控組態(tài)軟件和WAGO[5]節(jié)點的配置軟件WAGO BootPSever(配置節(jié)點的IP地址)。圖中專家控制器通過OLE、ODBC、OPC[6]等方式與組態(tài)軟件進行通信，即取得被控量和寫入控制量;組態(tài)軟件通過IO驅(qū)動與被控過程通信，即從檢測變送機構(gòu)取得被控量與把控制量輸出到執(zhí)行機構(gòu)。

由于該系統(tǒng)是采用大家所熟悉的PC技術(shù)為基礎(chǔ)，所以它不僅在開發(fā)、設計、調(diào)試、維護方面十分容易,而且在一些性能方面遠遠超過傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)[7]，如模擬量的處理、浮點運算、PID調(diào)節(jié)、通訊、多媒體、人機界面方面。該系統(tǒng)既采用上下位機方式，而且還是一個分布式I/O系統(tǒng)，所以系統(tǒng)的實時性、可靠性、靈活性是其他任何系統(tǒng)難以比擬的。整套系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實現(xiàn)方便，開發(fā)周期短，硬件設備和人力資源的投資低，易于調(diào)試和維護，尤其適合中小型企事業(yè)單位進行專家控制的研發(fā)。

1.1 硬件系統(tǒng)

上位機選用安全可靠的西門子POWER-6100 Pentium4工控機,其主頻為2 000MHz、內(nèi)存為256 M;智能節(jié)點選用采用Modbus-TCP協(xié)議的德國WA-GO公司的WAGO 750I/O模塊[8]。交換機使用TPLINK 10/l00M16口自適應交換機。被控對象是三容液位實驗裝置，通過選擇進水口出水口和相關(guān)閥門的開度，可以搭建成具有較大滯后的非線性禍合系統(tǒng)。

1.1.1 WAGO工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點

WAGO750以太網(wǎng)現(xiàn)場總線適配器[9]，采用了MODBUS/TCP協(xié)議作為數(shù)據(jù)交換的標準，適配器根據(jù)這種標準制定MODBUS地址、過程映象區(qū)地址、I/O模塊地址三者之間的對應關(guān)系，在PC主站與I/O模塊之間進行過程數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換的過程為∶主站發(fā)出通信請求，根據(jù)地址定位，找到目的從站，從站接收請求，然后根據(jù)請求類型向主站返回一個響應，如圖2所示。總線適配器按照模塊排列順序自動配置并生產(chǎn)本地過程映像。過程映像包括一個長度為256字長的輸入存儲區(qū)和一個長度為256字長的輸出存儲區(qū)。WAGO以太網(wǎng)現(xiàn)場總線適配器在結(jié)構(gòu)上提供了一個以太網(wǎng)接口，通過它可以連接到交換機從而連接到網(wǎng)絡上，也可以直接與上位機通信。WAGO750提供多種通道，HTTP通道、MODBUS/TCP通道等，上位機組態(tài)軟件通過MODBUS/TCP通道訪問變量映象區(qū)數(shù)據(jù)[10]，Web瀏覽器可以以網(wǎng)頁的形式讀出WAGO 110模塊映象區(qū)數(shù)據(jù)，其中包括有關(guān)WAGO節(jié)點的適配器的配置、狀態(tài)及FO數(shù)據(jù)等信息。通過BootP Sever軟件可動態(tài)配置IP地址，使網(wǎng)絡設計變得非常簡單、靈活。

1.1.2 液位實驗模塊

三容液位控制實驗裝置是一臺具有多個輸入和多個輸出非線性耦合被控物理模型[11]，它的出現(xiàn)為學習和科研提供了一個具體的控制對象。實驗裝置的主體是由用透明的有機玻璃制成的三個圓柱形容器罐和一個蓄水池，并配以相應的執(zhí)行。機構(gòu)和傳感器組成，計有二個水泵Pl和P2，六個手動閥Vl-V6，二個PWM(脈寬調(diào)制)型線性比例調(diào)節(jié)閥V7和V8,三個反壓力式液位傳感器LTI、LTZ和LT3以及兩個旁路閥V9、V10組成，如圖3所示。

三個圓柱形容器分別經(jīng)調(diào)節(jié)閥V7和VS互為串聯(lián)連接，蓄水池中的液體由泵Pl和P2抽出注入容器T1，T3以改變T1和T3的液位，液體經(jīng)手動閥V3、V4、V5和V6中的一個或者多個再流向蓄水池形成循環(huán)。改變手動調(diào)節(jié)閥V1和V2的開度，便可改變?nèi)齻€容器Tl、T2和T3液位的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即改變?nèi)齻€容器中的液位的耦合程度。而調(diào)節(jié)手動閥V4，V5和V6則可以改變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

該裝置中的PWM型線性比例電磁式調(diào)節(jié)閥采用的調(diào)節(jié)閥是德國寶得公司生產(chǎn)的PWM型線性比例電磁式調(diào)節(jié)閥，其基本工作原理為將外部的標準輸入信號4～20 mA轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)并利用此PWM信號使閥門打開或關(guān)閉的時間間隔連續(xù)變化，從而等效成閥門開度的連續(xù)變化[12]。

裝置中的液位傳感器采用合肥天神電器公司的HM型壓力變送器,型號為HMPKI-0.0049-A-0.5AGAB。它集檢測與變送為一體，采用二線制接線方式，輸出信號為標準的4～20 mA電流信號。

三容液位控制系統(tǒng)的工作過程為∶三支反壓式液位傳感器將液位測量、變送成4～20 mA信號,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和其他校正模塊又換算為當時的液位值并輸入到控制器模塊中，控制器模塊再根據(jù)該液位值和設定液位值，經(jīng)過特定的控制算法得到控制量，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號，以該模擬信號去控制線性比例電磁式調(diào)節(jié)閥，使閥門打開或關(guān)閉的時間間隔詐續(xù)亦讓，從而等扮成閥門開度的連純奪化，最終實現(xiàn)液位的閉環(huán)控制。

1.2 軟件系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，工控機上運行的軟件有專家控制開發(fā)工具ECSS[7]V2.0、力控監(jiān)控組態(tài)軟件和WAGO節(jié)點的配置軟件Wago BootP Sever。專家控制器通過DBCOM控件與力控組態(tài)軟件進行通信，即取得被控量和寫入控制量;力控通過IO驅(qū)動與被控過程通信，即從檢測變送機構(gòu)取得被控量與把控制量輸出到執(zhí)行機構(gòu)。

1.2.1 力控組態(tài)軟件

力控(ForceControl)[13]是一個北京三維力控公司推出的通用的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，具有高度應變能力和可伸縮結(jié)構(gòu)的管控一體化數(shù)據(jù)平臺。力控可支持所有西門子系列的I/O設備和其它廠商的產(chǎn)品。采用可視化組件，具有集成開發(fā)環(huán)境，強大的圖形功能、實時分布式數(shù)據(jù)庫、先進的控制策略生成器、開放式體系結(jié)構(gòu)，實時數(shù)據(jù)庫提供了包括DDE、OOBC和ActiveX控件編程接口在內(nèi)的多種開放接口。本系統(tǒng)軟件由以下幾個主要部分組成∶

1）工程管理器

工程管理器用于創(chuàng)建工程、工程管理等。

2）開發(fā)系統(tǒng)（Draw）

開發(fā)系統(tǒng)是一個集成環(huán)境，可以創(chuàng)建工程畫面，配置各種系統(tǒng)參數(shù)，啟動力控其他程序組件等。

3）界面運行系統(tǒng)（View）

界面運行系統(tǒng)用來運行由開發(fā)系統(tǒng)Draw創(chuàng)建的畫面。

4）實時數(shù)據(jù)庫（DB）[14]

實時數(shù)據(jù)庫是力控軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，構(gòu)建分布式應用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它負責實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等。

5）網(wǎng)絡通信程序（NetClient/NetServer）

網(wǎng)絡通信程序采用TCP/IP通信協(xié)議，可利用Intranet/Internet實現(xiàn)不同網(wǎng)絡結(jié)點上力控之間的數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)中，整個控制過程可描述為∶三支反壓式液位傳感器將液位測量、變送成4-20mA信號,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和其他校正模塊又換算為當時的液位值并輸入到智能節(jié)點WAGO IO中,然后經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)將被控量采集轉(zhuǎn)換后送入PCAuto組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫，專家控制器每個周期從實時數(shù)據(jù)庫取得被控量，然后進行推理，經(jīng)過特定的控制算法得到控制量,并把該控制量寫回到PCAuto實時數(shù)據(jù)庫,最后組態(tài)軟件再通過IO驅(qū)動把實時數(shù)據(jù)庫中的控制量送到執(zhí)行機構(gòu)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號,以該模擬信號去控制線性比例電磁式調(diào)節(jié)閥，使閥門打開或關(guān)閉的時間間隔連續(xù)變化，從而等效成閥門開度的連續(xù)變化,最終實現(xiàn)液位的閉環(huán)控制。完成實時專家控制。

1.2.2 配置軟件Bootp severl

BootP Sever∶是WAGO隨機配帶的軟件，它用來完成WAGO工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點IP地址的配置。使得系統(tǒng)的配置簡單、靈活。配置格式如下∶

無網(wǎng)關(guān)情況∶

MyWAGOl∶ht=l∶ha=0030DE0005D6∶ip=

192.10 0.100.105∶

其中∶

MyWAGOl為節(jié)點的代號，起標識作用。

Ht為網(wǎng)絡類型，ht=1表示該網(wǎng)絡為以太網(wǎng)。

Ha為WAGO節(jié)點的MAC地址，十六進制。

IP是WAGO指定的IP地址。

帶網(wǎng)關(guān)情況∶

MyWAGO2∶ht=l∶ha=0030DE000003∶ip=10.1.254.203∶T3=0A.01.FE.0l∶

參數(shù)T3后面跟的就是網(wǎng)關(guān)地址,網(wǎng)關(guān)地址必須以十六進制形式表示。

本文設計的控制系統(tǒng)中，WAGO750工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點和PC機在一個局域網(wǎng)內(nèi)，WAGO節(jié)點的IP配置采取無網(wǎng)關(guān)的形式。

2 結(jié)論

工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了企業(yè)控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)[15]的無縫集成，基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式web以太網(wǎng)控制系統(tǒng)貫穿于控制系統(tǒng)各個層次，將孤立的現(xiàn)場設備和設備工程師以及企業(yè)管理人員均作為一個網(wǎng)絡節(jié)點通過以太網(wǎng)連接在一起，形成一個有機的整體。將嵌入式internet技術(shù)用于工業(yè)控制中，可構(gòu)建具有更高性價比的監(jiān)控自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離監(jiān)測、控制和維護。這是新一代控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。

智能控制，特別是其中的專家系統(tǒng)是當今國內(nèi)外自動化學科中一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，要解決非線性、大滯后、多變量、不確定性乃至粗糙而無法建模的生產(chǎn)過程的控制問題，發(fā)展智能控制是一條有效可行的途徑。專家控制是智能控制的一個重要分支,將專家控制應用于工業(yè)以太網(wǎng)，使這兩種控制技術(shù)結(jié)合在一起，具有現(xiàn)實意義。

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