王雪波 陸 冰

1河南省委辦公廳（450000） 2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 引言

基于以太網(wǎng)(Ethernet)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)[1]具有數(shù)據(jù)傳輸率高、可靠性好、易維護(hù)、可遠(yuǎn)程傳輸、互操作性好等優(yōu)點(diǎn)。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(hù)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(luò)是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。專家控制是智能控制的一個(gè)重要分支，將專家控制應(yīng)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(shí)意義。

0.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)以太網(wǎng)是指將以太網(wǎng)應(yīng)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(jìn)入到工業(yè)自動(dòng)化和過程控制市場(chǎng)，應(yīng)用范圍有了很大的擴(kuò)展，形象地說，以太網(wǎng)從“辦公室”開始走進(jìn)“車間”。以太網(wǎng)[2]最典型的應(yīng)用形式是Ethernet+TCP/IP，即靈活的Ethernet底層加上幾乎已成通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，如智能機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)保與能源系統(tǒng)等。這些復(fù)雜系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)∶①控制對(duì)象存在嚴(yán)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(duì)象具有高度的非線性特征；③控制任務(wù)要求復(fù)雜[4]。例如，在智能機(jī)器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動(dòng)躲避障礙達(dá)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(shè)計(jì)實(shí)例

整個(gè)系統(tǒng)硬件由四部分構(gòu)成∶工控機(jī)、以太網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)和控制對(duì)象。該以太網(wǎng)控制系統(tǒng)通過交換機(jī)構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過智能節(jié)點(diǎn)掛接到以太網(wǎng)上。在本系統(tǒng)中，工控機(jī)上運(yùn)行的軟件有下面將要介紹的實(shí)時(shí)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(diǎn)的配置軟件WAGO BootPSever(配置節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(dòng)與被控過程通信，即從檢測(cè)變送機(jī)構(gòu)取得被控量與把控制量輸出到執(zhí)行機(jī)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(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)方面十分容易,而且在一些性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)[7]，如模擬量的處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、通訊、多媒體、人機(jī)界面方面。該系統(tǒng)既采用上下位機(jī)方式，而且還是一個(gè)分布式I/O系統(tǒng)，所以系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)方便，開發(fā)周期短，硬件設(shè)備和人力資源的投資低，易于調(diào)試和維護(hù)，尤其適合中小型企事業(yè)單位進(jìn)行專家控制的研發(fā)。

1.1 硬件系統(tǒng)

上位機(jī)選用安全可靠的西門子POWER-6100 Pentium4工控機(jī),其主頻為2 000MHz、內(nèi)存為256 M;智能節(jié)點(diǎn)選用采用Modbus-TCP協(xié)議的德國(guó)WA-GO公司的WAGO 750I/O模塊[8]。交換機(jī)使用TPLINK 10/l00M16口自適應(yīng)交換機(jī)。被控對(duì)象是三容液位實(shí)驗(yàn)裝置，通過選擇進(jìn)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(diǎn)

WAGO750以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線適配器[9]，采用了MODBUS/TCP協(xié)議作為數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，適配器根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，在PC主站與I/O模塊之間進(jìn)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(qǐng)求，根據(jù)地址定位，找到目的從站，從站接收請(qǐng)求，然后根據(jù)請(qǐng)求類型向主站返回一個(gè)響應(yīng)，如圖2所示。總線適配器按照模塊排列順序自動(dòng)配置并生產(chǎn)本地過程映像。過程映像包括一個(gè)長(zhǎng)度為256字長(zhǎng)的輸入存儲(chǔ)區(qū)和一個(gè)長(zhǎng)度為256字長(zhǎng)的輸出存儲(chǔ)區(qū)。WAGO以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線適配器在結(jié)構(gòu)上提供了一個(gè)以太網(wǎng)接口，通過它可以連接到交換機(jī)從而連接到網(wǎng)絡(luò)上，也可以直接與上位機(jī)通信。WAGO750提供多種通道，HTTP通道、MODBUS/TCP通道等，上位機(jī)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(diǎn)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(dòng)態(tài)配置IP地址，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單、靈活。

1.1.2 液位實(shí)驗(yàn)?zāi)K

三容液位控制實(shí)驗(yàn)裝置是一臺(tái)具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出非線性耦合被控物理模型[11]，它的出現(xiàn)為學(xué)習(xí)和科研提供了一個(gè)具體的控制對(duì)象。實(shí)驗(yàn)裝置的主體是由用透明的有機(jī)玻璃制成的三個(gè)圓柱形容器罐和一個(gè)蓄水池，并配以相應(yīng)的執(zhí)行。機(jī)構(gòu)和傳感器組成，計(jì)有二個(gè)水泵Pl和P2，六個(gè)手動(dòng)閥Vl-V6，二個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)型線性比例調(diào)節(jié)閥V7和V8,三個(gè)反壓力式液位傳感器LTI、LTZ和LT3以及兩個(gè)旁路閥V9、V10組成，如圖3所示。

三個(gè)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(dòng)閥V3、V4、V5和V6中的一個(gè)或者多個(gè)再流向蓄水池形成循環(huán)。改變手動(dòng)調(diào)節(jié)閥V1和V2的開度，便可改變?nèi)齻€(gè)容器Tl、T2和T3液位的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即改變?nèi)齻€(gè)容器中的液位的耦合程度。而調(diào)節(jié)手動(dòng)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)4～20 mA轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)并利用此PWM信號(hào)使閥門打開或關(guān)閉的時(shí)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(hào)為HMPKI-0.0049-A-0.5AGAB。它集檢測(cè)與變送為一體，采用二線制接線方式，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)。

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(cè)量、變送成4～20 mA信號(hào),然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和其他校正模塊又換算為當(dāng)時(shí)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(shè)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(hào)，以該模擬信號(hào)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(shí)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(shí)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(jī)上運(yùn)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(diǎn)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(jìn)行通信，即取得被控量和寫入控制量;力控通過IO驅(qū)動(dòng)與被控過程通信，即從檢測(cè)變送機(jī)構(gòu)取得被控量與把控制量輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2.1 力控組態(tài)軟件

力控(ForceControl)[13]是一個(gè)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(yīng)變能力和可伸縮結(jié)構(gòu)的管控一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)。力控可支持所有西門子系列的I/O設(shè)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(qiáng)大的圖形功能、實(shí)時(shí)分布式數(shù)據(jù)庫、先進(jìn)的控制策略生成器、開放式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(dòng)力控其他程序組件等。

3）界面運(yùn)行系統(tǒng)（View）

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

4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（DB）[14]

實(shí)時(shí)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(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求處理等。

5）網(wǎng)絡(luò)通信程序（NetClient/NetServer）

網(wǎng)絡(luò)通信程序采用TCP/IP通信協(xié)議，可利用Intranet/Internet實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上力控之間的數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)中，整個(gè)控制過程可描述為∶三支反壓式液位傳感器將液位測(cè)量、變送成4-20mA信號(hào),然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和其他校正模塊又換算為當(dāng)時(shí)的液位值并輸入到智能節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，專家控制器每個(gè)周期從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫取得被控量，然后進(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,最后組態(tài)軟件再通過IO驅(qū)動(dòng)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的控制量送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào),以該模擬信號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)液位的閉環(huán)控制。完成實(shí)時(shí)專家控制。

1.2.2 配置軟件Bootp severl

BootP Sever∶是WAGO隨機(jī)配帶的軟件，它用來完成WAGO工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)IP地址的配置。使得系統(tǒng)的配置簡(jiǎn)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(diǎn)的代號(hào)，起標(biāo)識(shí)作用。

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

Ha為WAGO節(jié)點(diǎn)的MAC地址，十六進(jìn)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(jìn)制形式表示。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，WAGO750工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，WAGO節(jié)點(diǎn)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(yīng)用實(shí)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(gè)層次，將孤立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和設(shè)備工程師以及企業(yè)管理人員均作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)連接在一起，形成一個(gè)有機(jī)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(jià)比的監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)、控制和維護(hù)。這是新一代控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

智能控制，特別是其中的專家系統(tǒng)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化學(xué)科中一個(gè)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(gè)重要分支,將專家控制應(yīng)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(shí)意義。

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