劉 云， 王培進(jìn)

(煙臺大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東 煙臺 264005)

LON智能變送器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉 云， 王培進(jìn)

(煙臺大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東 煙臺 264005)

智能化儀器儀表設(shè)計研究成為新一代工業(yè)制造技術(shù)突破的重要瓶頸之一；LON智能變送器是基于LonWorks總線，具有多種信息智能處理的智能變送器，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)的模擬信號、傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)的弱模擬信號及其脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與其它控制儀表實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通訊；LON智能變送器除了具有數(shù)字調(diào)零、數(shù)字濾波等功能外，其重要特征是具有傳感器故障診斷與處理功能，在傳感器失效后，能夠在一定時間內(nèi)繼續(xù)輸出有效數(shù)據(jù)，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

變送器；傳感器；LonWorks總線；智能控制儀表

0 引言

變送器是將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的模擬信號(4～20 mA或0～5 V，0～10 V)或者數(shù)字信號輸出。智能變送器一般帶有微處理器，實(shí)現(xiàn)原來需要主控制器實(shí)現(xiàn)的信號預(yù)處理功能及其數(shù)據(jù)處理功能(如數(shù)字濾波等)。智能變送器(或者智能傳感器)是當(dāng)今智能化生產(chǎn)過程必不可缺少的控制儀表，其中具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出是智能變送器主要特征之一，應(yīng)用于各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。目前生產(chǎn)智能變送器(或者智能傳感器)的廠家很多，種類不一，大部分具有具有自校零、 自標(biāo)定、 自校正、自動補(bǔ)償、數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理等功能。但具有傳感器故障在線識別與處理的智能變送器(或者智能傳感器)較少，尤其是基于LonWorks總線、具有傳感器故障在線識別與處理的智能變送器未見相關(guān)產(chǎn)品報道。

Lonworks是美國Echelon(埃施朗)公司20世紀(jì)90年代推出的局部測控操作網(wǎng)絡(luò)[1]，最初主要用于樓宇自動化，但很快就發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。Lonworks總線比較適合于一些大型、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其功能尤其是網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)于現(xiàn)在流行的幾種現(xiàn)場總線。LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，引進(jìn)“網(wǎng)絡(luò)變量”的概念，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，節(jié)省了大量的設(shè)計工作量，使開發(fā)周期大大縮短。LonWorks網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間是邏輯連接，使得對系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的增加、刪減自由靈活、簡單，節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)對等通訊，而且使網(wǎng)絡(luò)易于維護(hù)。

我們在研究仿人思維控制的基礎(chǔ)上[2]，提出了擬人化分布式智能控制系統(tǒng)，模擬人體的通訊機(jī)理，設(shè)計具有人體通訊特征的分布式智能控制系統(tǒng)(見下1介紹)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)采用了具有唯一標(biāo)識的神經(jīng)元芯片，內(nèi)含3個微處理器，負(fù)責(zé)通訊、事務(wù)處理和應(yīng)用處理，非常適合模擬人體各個部分構(gòu)成的思維智能、動覺智能和視覺智能。因此，我們研究開發(fā)Lon智能變送器。

LON智能變送器就是基于LonWorks總線，主要是為我們提出的擬人化分布式智能控制系統(tǒng)服務(wù)的，LON智能變送器實(shí)現(xiàn)的主要功能：1)可以處理標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)模擬直流信號，放大倍數(shù)可調(diào)；2)具有數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)字濾波功能；3)具有傳感器故障診斷與處理功能；4)具有自動進(jìn)行檢驗、自選量程、自校零、自標(biāo)定、自校正功能；5)適應(yīng)于溫度、壓力、流量、液位、濃度等過程控制物理量的檢測，測量精度可調(diào)；6)Lonworks總線接口，便于組網(wǎng)。

伴隨著世界工業(yè)4.0技術(shù)潮流和我國工業(yè)制造2025戰(zhàn)略的實(shí)施，智能化儀器儀表設(shè)計研究成為新一代工業(yè)制造技術(shù)突破的重要瓶頸之一?；贚onWorks總線，具有多種信息智能處理的LON智能變送器，具有十分重要的應(yīng)用價值和研究意義。

1 擬人化分布式智能控制簡介

人體是一個十分復(fù)雜的控制系統(tǒng)[2]，大腦是主控制器，眼睛、耳朵等是傳感器，手、腳等是執(zhí)行器，人可以實(shí)現(xiàn)對簡單或復(fù)雜對象的控制?？刂破?、傳感器、執(zhí)行器之間，必須有優(yōu)良的信息通訊系統(tǒng)，而大腦作為主控制器是智能的，同時眼睛、耳朵等傳感器及其手、腳等執(zhí)行器也具有局部智能，它們之間既相互依賴，又可以相對獨(dú)立工作。人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包含大腦、神經(jīng)元、神經(jīng)纖維、神經(jīng)中樞、帶有神經(jīng)元的器官等，要模仿人體這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，至少要模仿如下幾個部分：大腦(主節(jié)點(diǎn)、主控制器)、神經(jīng)中樞(基于PC機(jī)的節(jié)點(diǎn))、帶有神經(jīng)元的器官(現(xiàn)場控制單元)、人的眼睛、耳朵等智能感知器官(智能傳感器)、人的手、腳等智能執(zhí)行器官(智能執(zhí)行器)、神經(jīng)纖維(通信鏈路)和協(xié)調(diào)各部件的機(jī)制(通信協(xié)議)。

我們對仿人思維控制的研究有十幾年的歷史，給出了形象直覺推理控制思維和抽象邏輯推理控制思維機(jī)理，提出了仿人思維控制器結(jié)構(gòu)，并得到了實(shí)現(xiàn)。結(jié)合仿人思維控制研究成果，我們提出擬人化分布式智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于多輸入-多輸出過程控制系統(tǒng)，圖1給出了擬人化分布式智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1擬人化分布式智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有：

1)主控制器模擬人的宏觀調(diào)控思維，子控制器模擬人的形象直覺推理控制和抽象邏輯推理控制，采用我們提出的仿人思維控制器結(jié)構(gòu)；

2)智能變送器、智能執(zhí)行器，是模擬人的局部智能的智能控制儀表，模擬人的視覺智能和動覺智能；

3)控制通訊網(wǎng)絡(luò)模擬人體的通訊機(jī)理，采用了LonWorks總線控制網(wǎng)絡(luò);

4)由于采用了獨(dú)有的智能控制器、智能變送器與智能執(zhí)行器，當(dāng)其中的任何一方出現(xiàn)故障時，其余二者繼續(xù)保持工作，并發(fā)出報警信號，確?？刂葡到y(tǒng)安全。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將人的控制思維智能、視覺智能、動覺智能及其人體的通訊機(jī)理有機(jī)的融合在一起，具有先進(jìn)性、獨(dú)創(chuàng)性。

論文研究的Lon智能變送器是圖1所示中擬人化分布式智能控制系統(tǒng)的一個重要部分(智能變送器)。

圖1 擬人化分布式智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 智能變送器硬件設(shè)計

從信號處理角度來講，智能變送器既能夠處理標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(4～20 mA或0～5 V)，又能夠處理傳感器輸出的弱信號(毫伏級)，將它們轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，通過Lonworks總線輸出。從通訊角度，智能變送器也能夠接受外來的參數(shù)設(shè)置或者命令，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通訊。圖2給出了硬件設(shè)計原理圖，采用神經(jīng)元處理器芯片Neuron3150，能夠?qū)崿F(xiàn)7路弱信號處理，7路標(biāo)準(zhǔn)模擬信號處理，2路脈沖信號處理(適應(yīng)于脈沖信號輸出的傳感器)。

圖2 智能變送器硬件原理圖

Lonworks總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計核心是神經(jīng)元處理器芯片，我們采用Neuron3150核心模塊，模塊主要功能是向下完成用戶智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)信號與LonTalk協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，向上與LON控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而將智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)化成真正的Lonworks節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與LON控制網(wǎng)絡(luò)無縫連接，與LON網(wǎng)絡(luò)上的其它LON節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行對等互操作。

圖3是智能變送器標(biāo)準(zhǔn)模擬信號處理電路，Neuron3150核心模塊有11個可編程I/O口，利用這11個可編程I/O口設(shè)計實(shí)現(xiàn)外部接口電路。MAX186是一個12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)3路4～20 mA的電流信號和4路0～5 V的電壓信號模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中的0通道用于弱信號處理及其轉(zhuǎn)換。圖4給出了傳感器輸出弱信號處理電路。

圖3 智能變送器標(biāo)準(zhǔn)模擬信號處理電路

圖4 智能變送器弱信號處理電路

一些物理傳感器輸出的信號為毫伏級別，需要放大到0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號，便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。不同的傳感器輸出信號大小不一，這要求放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)。圖4中，采用高精度AD623放大器和數(shù)字電位器X9C103相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)25～211之間的倍數(shù)放大，滿足不同信號放大需要。CD4051是8路模擬開關(guān)，0路接地，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)零，其它7路，可以處理7路模擬弱信號?？紤]到電路的復(fù)雜性，沒有設(shè)計濾波電路，在軟件設(shè)計中采用數(shù)字濾波方法，代替硬件濾波。

結(jié)合圖2、圖3和圖4，Lon智能變送器的硬件設(shè)計，巧妙地利用了Neuron3150核心模塊，實(shí)現(xiàn)了弱模擬信號、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號、傳感器輸出脈沖信號等信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過LonWorks總線與控制網(wǎng)絡(luò)中其它智能節(jié)點(diǎn)通訊，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3 智能變送器數(shù)據(jù)與故障處理

傳感器在控制系統(tǒng)中作用十分重要，控制器的輸出是否準(zhǔn)確取決于傳感器的數(shù)據(jù)是否有效合理。傳感器失效包含物理傳感器本身和相應(yīng)的信號處理電路，有斷路、短路、漂移、零漂、燥聲干擾、突變等現(xiàn)象。傳感器故障診斷，或者傳感器有效性檢驗成為工業(yè)過程控制領(lǐng)域研究的重要方向之一。

解決傳感器失效的最好方法就是，在線檢測，在線識別，一旦發(fā)現(xiàn)失效，利用前期的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，繼續(xù)保持合理的輸出，在保證控制器繼續(xù)工作的同時，發(fā)出報警信號。論文研究的傳感器失效靠智能變送器來處理，Lon智能變送器主要特色之一就是能夠進(jìn)行零點(diǎn)漂移處理、溫度補(bǔ)償處理、干擾處理(數(shù)字濾波)、非線性補(bǔ)償處理、量綱變換處理和傳感器失效處理。限于篇幅，重點(diǎn)介紹傳感器失效處理方法。

對于只有一個傳感器(或變送器)的控制系統(tǒng)，采用灰色預(yù)測方法。具體方法是：每次采樣的當(dāng)前值，與前3個時刻采樣值的平均值進(jìn)行比較，其差值如果連續(xù)三次出現(xiàn)異常(設(shè)定閾值)，說明傳感器出現(xiàn)故障，利用前面有效的6個或10個采樣值，采用灰色預(yù)測算法，計算出當(dāng)前值輸出，同時報警。

對于多傳感器(或變送器)控制系統(tǒng)，采用AANN (Auto-Associative Neural Network) 網(wǎng)絡(luò), 即自映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理[3]。AANN自映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含輸入層(Input Layer)、映射層(Mapping Layer)、瓶徑層(Bottle Neck Layer)、逆映射層(De-mapping Layer) 和輸出層(Output layer)。其特點(diǎn)是：輸出層和輸入層的維數(shù)一樣，映射層和逆映射層的維數(shù)一樣，瓶徑層的維數(shù)小于輸入輸出層的維數(shù)，一般為1、2或3個結(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了輸入向量X完全等于輸出向量Y。

如圖5所示，實(shí)時控制過程中，多路傳感器采樣得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后送給事先訓(xùn)練好的AANN網(wǎng)絡(luò)，如果所有的傳感器信號是正常的，則AANN網(wǎng)絡(luò)的輸出和輸入完全一樣，相對應(yīng)的輸入通道數(shù)據(jù)和輸出通道數(shù)據(jù)之差為零；反之，如果某路信號出現(xiàn)故障，由于AANN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，其對應(yīng)的輸出仍然能夠保持正確，從而不影響控制器的運(yùn)算處理；另一方面，相對應(yīng)的輸入和輸出之間必然有余差，事先設(shè)定一個余差極限值，根據(jù)余差的變化可以識別出故障類型。

4 實(shí)驗結(jié)果與分析

實(shí)驗室三水箱串聯(lián)液位控制系統(tǒng)，上、中、下3個液位和管道流量之間存在相關(guān)性，正常情況下，它們之間保持一定的關(guān)聯(lián)和變化關(guān)系。圖6給出了下液位傳感器零點(diǎn)漂移故障檢測結(jié)果，余差設(shè)定為0.03。在正常工作狀態(tài)下，AANN網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出之間余差變化不大，人為調(diào)整傳感器零點(diǎn)，使其模擬零點(diǎn)漂移，立即得到檢測。圖7是下液位傳感器信號突變模擬，人為突然提高下水箱液位，余差出現(xiàn)突變，檢測到了信號突變。

圖5 多傳感器故障處理流程

圖6 零點(diǎn)漂移檢測 圖7 信號漂移突變檢測

5 總結(jié)

無論是工業(yè)4.0還是我國的工業(yè)制造2025，其概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。我們提出的擬人化分布式智能控制系統(tǒng)，適應(yīng)于智能工廠的需求，而智能工廠實(shí)現(xiàn)的核心是先進(jìn)的、智能化的儀器儀表，Lon智能變送器的研究、設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，恰好滿足了這一需要。Lon智能變送器以其獨(dú)到的結(jié)構(gòu)和功能，將在新一代工業(yè)技術(shù)革命中發(fā)揮重要作用。

[1] 高安邦，楊 帥，陳俊生，LonWorks技術(shù)原理與應(yīng)用[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 王培進(jìn).仿人思維控制[M].東營：石油大學(xué)出版社，2011.

[3] 王培進(jìn).過程控制軟傳感器對象設(shè)計方法與應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，21：123-130.

Design and Implementation of Lon Intelligent Transducer

Liu Yun，Wang Peijin

(School of Computer and Control Engineering, Yantai University, Yantai 264005，China)

Design and research of an intelligent instrument and meters is one of important bottlenecks by which the new generation of industrial manufacturing technology makes a breakthrough. Lon intelligent transducer is based on LonWorks bus, and it can makes standard analog signal, nonstandard weak analog signal and pulse signal into digital signal and communicates with other intelligent instruments by bidirectional digital communication. The important feature of the transducer is the function of dealing with sensor failure, and it can continue to output valid data when the senor gets into failure at some time. So the function can keep the controlled system stable and safety.

transducer;sensor, LonWorks bus;intelligent instrument

2016-06-14；

2016-07-15。

煙臺市科技項目(2015ZH057)。

劉 云(1991-)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)應(yīng)用方向的研究。

王培進(jìn)(1964-)，男，山東煙臺人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事智能控制方向的研究。

1671-4598(2016)12-0234-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.068

TP392

A