基于Lonworks現場總線技術的智能化數據采集系統

1、概述

　　集散控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）已經發展到相當成熟的地步,但是他們仍然存在著缺陷和不足。因此需要建立具有良好的柔性、系統重構能力、容錯能力和快速反應性的網絡化測控系統。分布式人工智能技術（DAI）,Agent理論、現場總線與單總線的集成技術為設計和實現這種系統提供了一條切實有效的途徑。

　　基于此點出發,本章提出一種基于Lonworks現場總線技術的智能化數據采集系統。在該系統中,每個測控單元都被構造成具有自主性和自適應能力的Agent,通過多個Agent之間的協同工作來提高整個系統的可靠性、穩定性和工作效率。這樣該現場總線測控系統就具有了信息感知、分布性、并發性、主動性和自適應性的特性。

　　近來,Agent技術己被認為是進行分布式工業系統建模的一種重要方法,是設計與實施分布式智能測控環境的最自然的手段,是構建下一代測控系統的重要技術之一。

2、系統的多Agent模型

　　該系統主要由系統管理Agent、控制Agent和感知與執行Agent三部分組成,它們都是具有獨立工作能力的自治體或半自治體,通過協作完成系統分配給它或它們的任務,構成一個具有并發性與分布性的MAS（Multi-AgentSystem）系統。事實上,對于MAS環境下的檢測監控系統應是一種具有敏捷性的多Agent系統,由于任務的不同分解與分配以及其它不可預測因素的出現,使得這種多Agent體系能夠隨時改變組織配置,實現系統的重構,而一旦任務結束,臨時組建的系統則立即解散。基于上述思想,圖1從系統的組成結構和通信方式定義了該分布式的系統模型。在此系統中,管理Agent是一個綜合狀態識別系統,它完成對系統總體運行狀態的監控,提供對各監控對象的實時監測、評價與決策功能。

　　控制Agent和感知與執行Agent為具有自主性和自適應能力的Agent,但它們之間并沒有嚴格的一一對應關系,而是由管理Agent根據任務的需要臨時召集組成動態的節點Agent。其中,感知與執行Agent是運行在控制現場的智能設備,是管理Agent在執行任務時信息的主要來源,也是Agent感知能力的基本體現。它們負責現場信號的采集和預處理,提取傳感器信號的特征形成監控變量,并確定信號發往何處。同時該Agent接收來自控制Agent的指令,轉化為與現場設備匹配的開關量和模擬量輸出;控制Agent是系統的核心部件,具有自主決策的能力。此外,在這種多Agent系統中,任務的來源是多方面的。既可以是來自某一控制層次的命令,也可以是來自另一多Agent體系中管理Agent的協作請求。

3、系統工作過程

　　正常情況下,系統的工作過程如圖2所示。

　　當來自任務源的任務傳給管理Agent以后,任務處理模塊首先對任務進行分解,然后通過知識庫查詢其所管理的控制Agent能否完成分解后的所有子任務。如果能夠完成則進行任務分配并啟動系統;如果不能完成則放棄任務的執行并通知任務源。系統啟動后,控制Agent召集相關的感知與執行Agent處理分配給自己的任務,并通過自身的交互機制實現與其它控制Agent的協作以及信息和資源的共享。當某個控制Agent發生故障時,管理Agent的監控模塊首先根據檢測到的故障信息做出相應的診斷決策,然后通知任務處理模塊將該控制Agent的控制權限轉交給其它控制Agent或者進行任務的重新分配,從而使整個系統仍能正常運行。這樣就實現了依靠各Agent之間的協作來提高整個系統的可靠性,而不是通過單個設備的可靠性和關鍵部件的冗余。

4、系統的硬件結構

　　本文采用現場總線作為系統的通信平臺,構建一個開放的,具有互操作性的實時現場總線數據采集系統。實現該測控系統的具體方案如下：

　　考慮到系統降低成本的要求,結合現有總線控制系統的特點,作者利用現場測控設備、Lonworks節點和其網絡設備組成現場測控網絡。在此,我們只要在設計每個Agent的時候,給每個模塊加上Neuron芯片,通信線路只需普通的雙絞線即可,這樣便可以實現各Agent之間的任意通信。同時以單片機系統作為硬件支撐,用MCS51語言作為軟件開發工具,使其與新型傳感器和執行機構構成相應的智能Agent。主要完成對測控對象的基本控制,通過臨時的現場節點采集所需要的監控信息,進行感知處理,并通過總線傳到管理Agent進行總體數據分析、處理和故障診斷。動態節點Agent之間遵循Lontalk協議,采用網絡變量實現各節點的連接。節點間的數據通信采用窗口協議以顯示報文進行數據傳輸,并通過網絡變量來管理,這樣就實現了節點Agent間的相互操作,并采用類KQML的通訊模式實現Agent間的信息和知識的共享。

4.1控制Agent

　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法,并根據任務需要與其它Agent組成動態的多Agent合作系統。控制Agent所需要的控制命令和數據均通過Lon總線傳輸。控制Agent只帶有Lonworks接口芯片和外部擴展EZPROM,并無任何其它外設。

　　本文采用神經元芯片TMP3150與AT89c51單片機連接構成Lon總線接口電路,二者之間采用并行通訊方式。單片機AT89c51的P0口與3150的IO0～IO7,相連作為8位的數據總線;AT89c51的P3.2與3150的IO8相連,作為單片機請求發送數據的信號線和接收3150控制命令的應答線;P3.3與IO9相連,作為神經元芯片接收數據的應答信號線;P3.4與I010。相連,用作3150發送控制命令的信號線。這樣選取P3.2和P3.3。作握手信號,保證了單片機與3150的嚴格同步。同時,為了避免系統受到干擾時死機,在單片機每次等待應答信號時都加入了一個延時。若延時結束還未收到應答信號,那么單片機就跳到初始狀態。該Agent的電路原理如圖3所示：

4.2感知與執行Agent

　　該Agent不僅能完成信號的采集,而且能對傳感器信號進行預處理,提取傳感器信號的特征形成監控變量,并通過Lonworks接口傳送給控制Agent。同時它也是控制器節點的信號輸出接口,負責從控制Agent接收控制指令,并轉化為與現場設備匹配的控制量或開關量輸出。

　　為了實現對現場數據的直接采集,作者采用新型單總線數字溫度傳感器作為現場測量設備。單總線數字傳感器在測量中無需進行通道切換、A/D轉換和結果修正,而且能夠直接輸出數字信號,從而使系統的結構更趨于簡單,可靠性更高。同時,采用TMP3150構建Lon總線接口電路。電路原理如圖4所示：

5、小結

　　本文設計的基于Lonworks總線技術的智能數據采集系統具有以下優點：

（1）不同于現有控制系統通過單個設備的可靠性和關鍵部件的冗余來提高整個系統的可靠性的做法,依靠各個智能Agent之間的合作來提高可靠性。

（2）整個控制系統在處理系統故障等異常突發事件方面具有智能性。

（3）系統的性能如可靠性和快速性可以具有很好的擴展性。