譚國(guó)鋒

TAN Guo-feng

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，珠海 519090）

0 引言

當(dāng)前以CIMS和CAD等系統(tǒng)和信息技術(shù)在不斷的更新和發(fā)展，要求有一種以分布式的總線系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)互相操作、控制及模擬的全數(shù)字化的“三維一體”的大容量的系統(tǒng)，因此基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，為解決這問(wèn)題提供了可靠的依據(jù)。當(dāng)前因以太網(wǎng)的低成本和高性能，使以太網(wǎng)受到許多工控產(chǎn)品公司的青睞。但是以太網(wǎng)畢竟不是為工業(yè)控制的目的而設(shè)計(jì)的，信號(hào)的碰撞而引起的信息傳遞時(shí)間的隨機(jī)延遲成為了限制以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。但是以太網(wǎng)的速度從最初的10Mb/s發(fā)展到100Mb/s到現(xiàn)在的千兆光纖網(wǎng)絡(luò)，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(wèn)題，因此本文就核心控制器的控制下網(wǎng)關(guān)互相操作、控制及模擬的“三維一體”的總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，核心控制器開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 “三維一體”的網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力

系統(tǒng)能從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲得大量信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求。對(duì)于任何數(shù)字化的通信網(wǎng)絡(luò)，它不單取代4-20mA信號(hào)，還要實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、遠(yuǎn)傳參數(shù)。系統(tǒng)除了完成遠(yuǎn)程的控制，借助核心控制器，還能完成大量的遠(yuǎn)程參數(shù)化（簡(jiǎn)稱”三維一體”核心控制器）來(lái)處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)、信息和控制信號(hào)。

1.2 開(kāi)放性、互換性、互操作性的需求

系統(tǒng)的開(kāi)放性，允許其他廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、軟件開(kāi)發(fā)工具等集成到通用系統(tǒng)中，通過(guò)網(wǎng)關(guān)的互相操作，實(shí)現(xiàn)智能控制的功能，對(duì)家具智能系統(tǒng)和磨粉機(jī)控制優(yōu)化有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此不同廠商的產(chǎn)品使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備在系統(tǒng)中具有互操作性和互換性，兼容性良好。

1.3 系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好

采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O物理連線，在I/O系統(tǒng)中減少由連線點(diǎn)，增加可靠性。該系統(tǒng)具備在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)初始化、修改、收集等參數(shù)化工作，系統(tǒng)的維護(hù)性大大增強(qiáng)。

隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，智能化技術(shù)含量增加系統(tǒng)能將傳感、測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成。

1.4 大大降低系統(tǒng)成本

該系統(tǒng)的分布式特性，對(duì)大規(guī)模、大范圍的系統(tǒng)，利用綜合網(wǎng)絡(luò)布線，大量直連信號(hào)線及相關(guān)的敷設(shè)工程費(fèi)用，降低系統(tǒng)成本。

圖1 “三維一體”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，以控制器為核心，以以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)、以各種現(xiàn)場(chǎng)總線作為設(shè)備網(wǎng)、多廠商設(shè)備并存的，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)互相操作、控制及模擬的“三維一體”的總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將是近幾年來(lái)總線技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展方向之一。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“三維一體”系統(tǒng)的企業(yè)級(jí)配置由控制網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)以及網(wǎng)關(guān)操作網(wǎng)，共三級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的Nucleus的平臺(tái)支持下，控制器在實(shí)現(xiàn)其”三維一體”的過(guò)程中起到神經(jīng)中樞作用，負(fù)責(zé)解算組態(tài)邏輯、主站卡的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、通過(guò)主站卡將解算后產(chǎn)生的控制信息送到現(xiàn)場(chǎng)的作用，因此控制器是”三維一體”系統(tǒng)的核心；它的功能與工業(yè)控制PC機(jī)相似。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個(gè)接口，一個(gè)向下接收I/O總線來(lái)的信號(hào)，另一個(gè)接口是向上把信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)上與人機(jī)界面相連。ROM用來(lái)存貯完成各種運(yùn)算功能的控制算法（有的DCS稱為功能塊庫(kù)）。在庫(kù)中存功能塊，如算術(shù)運(yùn)算加、減、乘、除、平方、開(kāi)方、函數(shù)運(yùn)算一次濾波、PID、帶死區(qū)PID，積分分離PID，正弦、余弦、X-Y函數(shù)發(fā)生器、超前-滯后；先進(jìn)的算法有史密斯預(yù)估、矩陣乘、C語(yǔ)言接口、矩陣加；邏輯運(yùn)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(kāi)關(guān)量結(jié)合起來(lái)，還與人連系起來(lái)。功能塊越多，用戶編寫(xiě)應(yīng)用程序（即組態(tài)）越方便。組態(tài)按照工藝要求，把功能塊連接起來(lái)形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。（說(shuō)明：因?yàn)镋2PROM可以擦寫(xiě)，組態(tài)要隨工藝改變而改變，所以把組態(tài)存在E2PROM中）。不同用戶有不同組態(tài)。組態(tài)時(shí)，用戶從功能塊庫(kù)中選擇要的功能塊，填上參數(shù)，把功能塊連接起來(lái)。形成控制方案存到E2PROM中。因此控制器在組態(tài)模式，運(yùn)行后就成為運(yùn)行模式 。

有關(guān)核心控制器進(jìn)程和數(shù)據(jù)流程，如圖2所示。

圖2 核心控制器進(jìn)程和數(shù)據(jù)流程

2.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)

實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是指多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，并能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)可靠的響應(yīng)各類外部與內(nèi)部事件的操作系統(tǒng)。工業(yè)環(huán)境中，有些信號(hào)變化頻率非?？?，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在幾毫秒甚至幾微妙內(nèi)采集一個(gè)數(shù)據(jù)，并記錄保存它；某些重要的狀態(tài)如發(fā)生突變，表明有事故發(fā)生，也要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在幾毫秒內(nèi)對(duì)它的相關(guān)部件發(fā)出控制信號(hào)，并記錄當(dāng)時(shí)時(shí)間及各相關(guān)量的狀態(tài)或數(shù)值，以便分析事故發(fā)生的原因。如電力系統(tǒng)中，要實(shí)時(shí)測(cè)量多處電力負(fù)荷，分析故障并進(jìn)行保護(hù)，都必須選用實(shí)時(shí)性非常好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該決定因素是“系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間”，除了與CPU的時(shí)鐘頻率、字長(zhǎng)、指令有關(guān)外，更主要取決于操作系統(tǒng)對(duì)事件中斷的響應(yīng)能力以及對(duì)程序運(yùn)行的調(diào)度方法。

2.2 BOOTLOADER與系統(tǒng)引導(dǎo)

“三維一體”中的控制器啟動(dòng)是由兩部分組成，（即bootloader加載定位工具和系統(tǒng)引導(dǎo)初始化部分）。Bootloader是一個(gè)HEX文件加載定位工具，它根據(jù)HEX文件中的段和偏移量信息把用戶目標(biāo)代碼定位到適當(dāng)?shù)膬?nèi)存空間，然后把CPU控制權(quán)移交給用戶程序，用戶程序得到目標(biāo)代碼后，引導(dǎo)代碼便開(kāi)始初始化硬件目標(biāo)系統(tǒng)。初始化包括目標(biāo)板硬件初始化、GDT和IDT初始化、實(shí)模式轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式、GDT和IDT從ROM到RAM的拷貝，中斷系統(tǒng)初始化等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

“三維一體”系統(tǒng)給電廠廠生產(chǎn)控制、IT企業(yè)網(wǎng)關(guān)互相操作和模擬實(shí)訓(xùn)的環(huán)境帶來(lái)了真正的開(kāi)放式技術(shù)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的本質(zhì)安全。在該系統(tǒng)中，集成了生產(chǎn)、管理、控制、模擬與實(shí)訓(xùn)、分析等各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各系統(tǒng)間的資源共享，比較早前的CIMS/CIPS的功能更完善、結(jié)構(gòu)更先進(jìn)。它是涵蓋了現(xiàn)場(chǎng)總線的更大范圍的系統(tǒng)集成，是在控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)的新應(yīng)用，隨著系統(tǒng)應(yīng)用的加大，將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)技術(shù)提高和發(fā)展，因此將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮提供更良好的技術(shù)環(huán)境，該系統(tǒng)已在以下系統(tǒng)中得于應(yīng)用。

3.1 家居智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)家庭的自動(dòng)化的水平要求也越來(lái)越高，經(jīng)常人們會(huì)碰到家里的粉氣忘關(guān)了，在辦公室才發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇、電燈、空調(diào)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，門(mén)忘了反鎖…等等?，F(xiàn)在有了圖3所示的系統(tǒng)，它們滿足你的家居的智能更個(gè)性化要求。

圖3 “三維一體”系統(tǒng)在家居智能系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)總體特點(diǎn)是結(jié)合“三維一體”系統(tǒng)的基本構(gòu)成原理，將由控制器、智能開(kāi)關(guān)、智能鎖控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等組成；它們通過(guò)全無(wú)線（或藍(lán)牙技術(shù)）的方式進(jìn)行通信，對(duì)系統(tǒng)的一種擴(kuò)充，它們通過(guò)雙向信令的應(yīng)答方式進(jìn)行通信。

因基于可視對(duì)講的圖像系統(tǒng)因?yàn)閿?shù)據(jù)采集量大，無(wú)法與家居智能控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，因此采用該方式，實(shí)現(xiàn)可視網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)一體化角色，它涉及到網(wǎng)關(guān)和控制總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換和硬件兼容的問(wèn)題：下圖表示是：家庭可視網(wǎng)關(guān)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

3.2 磨粉機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)

圖4 以“三維一體”的制粉機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)

在磨粉機(jī)控制系統(tǒng)中的主要的控制見(jiàn)圖4，主要包括溫度、負(fù)壓回路和存料量回路，，控制的目標(biāo)是在保證磨出口溫度和入口負(fù)壓正常的前提下，將存粉量控制在最佳值。因制粉磨是一個(gè)多變量、延遲大控制對(duì)象，傳統(tǒng)的PID控制器無(wú)法勝任，因此采用“三維一體”系統(tǒng)中的控制器控制算法，實(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)化控制效果。

4 結(jié)論

綜上，“三維一體”網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的控制，又能實(shí)現(xiàn)以控制為手段，網(wǎng)關(guān)互相操作為目的的信息數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的模擬與培訓(xùn)；它的應(yīng)用推廣將為行業(yè)和國(guó)家實(shí)現(xiàn)低能耗、高附加值的產(chǎn)品或項(xiàng)目提供良好的技術(shù)革新和支持。

[1] 游景玉.論數(shù)字化鋼球磨粉機(jī)制粉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[A].亞仿技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用論文集[C],珠海出版社,2004.