基于M2M的大型工程類(lèi)裝備的智能控制器設計

0引言

制造物聯(lián)是對制造資源信息與產(chǎn)品信息的動(dòng)態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制的一種新型制造模式和信息服務(wù)模式，是通過(guò)將RFID，M2M為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)與現代管理技術(shù)集成應用，構建服務(wù)于供應鏈、制造過(guò)程、物流配送、售后服務(wù)、再制造等產(chǎn)品各生命周期階段的基礎性、開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )系統。將推動(dòng)制造業(yè)向全球化信息化、智能化、綠色化方向發(fā)展。

M2M是制造物聯(lián)的基礎之一，其中M可以是人(Man)，也可以是機器(Machine)，M2M泛指人、機器之間建立連接的所有技術(shù)和手段，旨在通過(guò)通信技術(shù)將機器之間通信、機器控制通信、人機交互通信、移動(dòng)互聯(lián)通信等不同類(lèi)型的通信技術(shù)有機結合在一起。在現有的許多大型工程裝備類(lèi)行業(yè)，通常采用可編程邏輯控制器(PLC)作為設備的控制系統。

現有性能可靠、安全性高的PLC產(chǎn)品幾乎都被國外企業(yè)所壟斷，成本較高。并且由于PLC制造商之間存在競爭，不同制造商生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品采用的通訊協(xié)議不同，之間無(wú)法進(jìn)行直接通訊，因此要想與自身原有的PLC網(wǎng)絡(luò )兼容，必須購買(mǎi)具有相同品牌PLC的工程裝備，選擇受到限制。

此外，傳統的PLC產(chǎn)品并不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，要想將設備的PLC接入網(wǎng)絡(luò )，并將設備數據發(fā)送至設備制造商實(shí)現實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)預警、故障在線(xiàn)診斷，則必須將PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò )模塊接入到企業(yè)的局域網(wǎng)中，然后通過(guò)VPN的形式才能將數據送回至設備制造商，且傳回的數據必須通過(guò)WinCC等特定的組態(tài)軟件進(jìn)行讀取接收，此類(lèi)軟件知識產(chǎn)權固有，無(wú)法進(jìn)行任意地改造開(kāi)發(fā)，極大地增加了維護成本;同時(shí)傳回的數據無(wú)法與企業(yè)自身的信息化系統進(jìn)行數據的互聯(lián)互通，導致形成信息孤島;由于PLC的數據傳輸屬于窄帶寬即時(shí)傳輸，無(wú)法傳輸現場(chǎng)的視頻等數據量較大的信息，傳回的數據也不足以判斷造成故障的原因。因此這種做法不僅造價(jià)極高，而且很難實(shí)現預期效果、滿(mǎn)足制造物聯(lián)的需求。

由于傳統PLC產(chǎn)品存在上述問(wèn)題并且很難進(jìn)行改造，通常采用工業(yè)PC與PLC結合或者單片機控制器進(jìn)行控制。單片機控制器之間無(wú)法進(jìn)行設備互聯(lián)以及與互聯(lián)網(wǎng)的通信，同時(shí)無(wú)法實(shí)現控制結果的人機界面反饋以及故障診斷、報警等功能，而工業(yè)PC由于具有強大的數據通信、數據處理功能，可以處理比較復雜的運算過(guò)程，在Windows下可以使用如VC++，VB等可視化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)良好的人機界面，可以方便地監視和處理控制過(guò)程，因而工業(yè)PC+PLC的工業(yè)控制系統在國內外已經(jīng)廣泛的應用于離散和連續的過(guò)程控制中。綜合以上特性，本文選擇工業(yè)PC與PLC結合的方式，設計了一種智能控制器，替代通用的PLC產(chǎn)品，對制造現場(chǎng)的設備進(jìn)行智能調節和控制，并可與不同通訊協(xié)議的PLC設備進(jìn)行通訊，可接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)實(shí)現產(chǎn)品功能的在線(xiàn)服務(wù)。打破了國外產(chǎn)品對PLC行業(yè)的長(cháng)期壟斷，自主研發(fā)并大大降低了產(chǎn)品成本。

1智能控制器應用架構

本文設計的智能控制器應用架構如圖1所示。

圖1 智能控制器應用架構圖

此應用架構共分為三層：感知層、控制層和應用層。其中，感知層包括傳感器、閥門(mén)、儀表、RFID等信息采集設備，控制層包括不同種類(lèi)的控制器，本文設計的智能控制器就在這一層，其主要功能包括故障檢測、故障報警、應急處理、狀態(tài)查詢(xún)等，應用層包含設備運營(yíng)平臺，主要包括用戶(hù)管理、計量計費、商務(wù)營(yíng)銷(xiāo)、資源管理、安全認證等功能模塊。

本文設計的智能控制器使用嵌入式A/D、D/A轉換器將被控設備上儀表、傳感器的模擬信號(電壓或是電流的形式)轉換成數字信號供控制系統識別，同時(shí)將控制系統的數字信號轉換成被控設備上儀表、傳感器可以識別的模擬信號控制設備運行狀態(tài)，從而實(shí)現控制層與感知層的互聯(lián)。

對于控制層中不同PLC產(chǎn)品的連接問(wèn)題，智能控制器集成了自適應PLC網(wǎng)絡(luò )通信模塊，通過(guò)自適應PLC網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，將復雜的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議，根據外部通訊接口的變化自動(dòng)匹配與之相對應的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，打通多現場(chǎng)總線(xiàn)間的通訊壁壘，做到不同控制器之間的無(wú)縫連接，實(shí)現控制層的內部通信。

智能控制器集成的網(wǎng)絡(luò )通訊模組，提供GPRS/3G通訊模塊支持控制器數據在線(xiàn)移動(dòng)通訊;提供WiFi模塊，可以通過(guò)WiFi接入到局域網(wǎng)。支持標準以太網(wǎng)通訊、WiFi通訊、GPRS通訊、3G通訊，保證控制器數據可以實(shí)時(shí)傳輸到網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現控制層和應用層的連接。

2智能控制器設計方案

2.1智能控制器設計結構圖

本文設計的智能控制器設計結構圖如圖2所示。

圖2 智能控制器設計結構圖

該智能控制器以嵌入式主板為基礎，嵌入式主板為嵌入式X86主板、嵌入式ARM主板或其他具有類(lèi)似功能的主板。外圍集成硬盤(pán)、顯示器、數/模，模/數轉換模塊、數字信號采集板、自適應PLC通訊模塊和網(wǎng)絡(luò )通訊模組，采用Windows操作系統，通過(guò)數模/模數轉換模塊與被控裝備上的傳感器、儀表、閥門(mén)等設備進(jìn)行數據交換，對被控裝備進(jìn)行控制和調節;智能控制器可通過(guò)自適應PLC通訊模塊與多種PLC設備如上位機、總控機進(jìn)行數據交換，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通訊模組接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)入產(chǎn)品運維平臺，實(shí)現遠程在線(xiàn)服務(wù)。

2.2各模塊具體設計實(shí)現

2.2.1智能控制器主板設計

(1)嵌入式并行處理技術(shù)的應用。傳統PLC控制系統中，CPU“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式?jīng)Q定了PLC在執行時(shí)，指令必須短小精悍，且只能串行，無(wú)法并行處理指令，限制了PLC的控制實(shí)現，使其無(wú)法實(shí)現復雜的控制算法和控制功能。

本文設計的智能控制器通過(guò)對嵌入式并行處理系統架構和任務(wù)并行協(xié)同處理技術(shù)的研究，采用嵌入式并行處理架構CPU，取代傳統的單片機、PLC等串行處理架構CPU，作為控制系統的控制芯片，結合增強型的DSP指令集，增加了對并行任務(wù)處理的支持、快速的中斷處理和硬件I/O支持、低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉的硬件支持、單周期內操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器的支持，比16位單片機單指令執行時(shí)間快8~10倍，完成一次乘加運算快16~30倍，即具備了傳統單片機、PLC的高穩定性、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)又提高了整個(gè)系統的運行效率，使系統的控制功能更加豐富、高效。

(2)高級PID控制器算法的實(shí)現。PID控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應用中常見(jiàn)的反饋回路部件，其核心算法由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成[11]，通過(guò)對，和進(jìn)行參數設定，來(lái)適用于基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統，通過(guò)配置可用于溫度、壓力、流量等參數的單回路控制方案[12]。PID控制器算法有三種，分別為增量式算法、位置式算法和微分先行[13]。

傳統的控制系統如PLC中，通常會(huì )集成PID控制算法函數，供控制功能開(kāi)發(fā)人員調用，對溫度、壓力、功率等模擬量參數進(jìn)行調整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作為核心算法固化在PLC控制器內部，設計人員無(wú)法選擇或更改，這就要求在控制系統的設計過(guò)程中針對不同類(lèi)型的控制需求來(lái)選擇使用不同品牌的PLC控制器，且一旦選定后將無(wú)法更改，這給系統的設計、開(kāi)發(fā)，后期的維護帶來(lái)很多的麻煩。

本智能控制器根據三種PID算法的不同特點(diǎn)，通過(guò)設定參數的方式讓系統設計人員在系統設計及后期維護過(guò)程中靈活選擇，而不影響系統已有的控制功能。

2.2.2嵌入式A/D、D/A轉換器應用

A/D、D/A轉換器是控制器與被控設備之間數據傳輸的紐帶，其性能指標主要通過(guò)取樣與保持、量化與編碼、分辨率、轉換誤差、轉換時(shí)間、絕對精準度、相對精準度等幾個(gè)指標來(lái)衡量，傳統的PLC控制系統中的A/D、D/A轉換器受其自身和外部條件限制，在抗干擾能力上比較差，在強電壓、高電磁干擾的信號源的采樣上容易出現“毛刺”或電源紋波，降低了信號的分辨率和精準度，使得在一些對信號精度要求高的自控設備上無(wú)法達到控制要求。

本文設計的智能控制器通過(guò)對嵌入式A/D、D/A轉換設計技術(shù)、多值A/D轉換器及數字濾波器技術(shù)的研究，在降低A/D、D/A轉換器體積和功耗的情況下，采用數字濾波算法增強A/D、D/A轉換器的抗干擾能力，提高信號轉換的分辨率和精準度。

2.2.3自適應PLC網(wǎng)絡(luò )通訊模塊的設計

本控制器集成的自適應PLC通訊模塊，包括與嵌入式主板匹配的標準通訊口、與各種PLC設備匹配的多種通訊口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通訊接口及各種PLC通訊協(xié)議。嵌入式主板通過(guò)標準通訊口與自適應PLC通訊模塊上的標準通訊口進(jìn)行通訊，自適應PLC通訊模塊可選用各種通訊口與不同的PLC設備進(jìn)行通訊。當自適應PLC通訊模塊與PLC設備進(jìn)行通訊時(shí)，如果PLC設備支持RJ45，RS 232，RS 485通訊接口則優(yōu)先選用，否則，則選用PCI通訊口，通過(guò)擴展PLC通訊卡與這些PLC設備進(jìn)行通訊。其中PLC通訊卡可根據與之進(jìn)行通訊的PLC設備進(jìn)行選擇，如與西門(mén)子系列PLC設備進(jìn)行通訊時(shí)，可選用西門(mén)子品牌的通訊卡。

該自適應PLC通訊模塊具有協(xié)議自動(dòng)匹配功能，可根據與之通訊的PLC設備的通訊協(xié)議，自動(dòng)進(jìn)行協(xié)議匹配，建立通訊連接。模塊結構圖如3所示。

圖3 PID控制器原理圖

(1)多工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)自適應技術(shù)實(shí)現。目前世界上存在著(zhù)大約40余種現場(chǎng)總線(xiàn)，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會(huì )/國際標準協(xié)會(huì )(IEC /ISA)就開(kāi)始著(zhù)手制定現場(chǎng)總線(xiàn)的標準，但由于各個(gè)國家各個(gè)公司的利益之爭，所以至今統一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，但彼此的開(kāi)放性和互操作性還難以統一。這種現象的存在使得通用控制系統在設計和實(shí)現的過(guò)程中需要針對不同的現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行設計和考量，增大了系統設計的難度，而且無(wú)法從根本上解決多現場(chǎng)總線(xiàn)間通訊的問(wèn)題。

本文設計的智能控制器設計的自適應現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議技術(shù)將復雜的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議，根據外部通訊接口的變化自動(dòng)匹配與之相對應的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，打通多現場(chǎng)總線(xiàn)間的通訊壁壘，做到無(wú)縫切換，降低了控制系統的設計、開(kāi)發(fā)難度。示意圖如圖4所示。

圖4 多現場(chǎng)總線(xiàn)通訊示意圖

(2)高可靠性實(shí)時(shí)通信技術(shù)應用。隨著(zhù)現代控制系統功能的日益強大，對現場(chǎng)控制數據的多樣性和復雜性要求也越來(lái)越高，未來(lái)的現場(chǎng)控制數據將不再只是單純的信號片段，會(huì )出現對音頻、視頻，甚至是三維虛擬現實(shí)的數據傳遞，而傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)更多的是應用于小數據量的傳遞，對這種大數據的信號處理往往力不從心，存在帶寬不足，或投資成本過(guò)高的情況。

本文設計的智能控制器在實(shí)現數據實(shí)時(shí)通訊協(xié)議時(shí)充分考慮到了未來(lái)的發(fā)展，將數據按類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，針對不同的分類(lèi)采取不同的傳輸策略;采用基于帶寬預留方式的調度機制，采用EDF實(shí)時(shí)調度算法，在大數據量傳輸的過(guò)程中保證帶寬的合理使用;采用基于時(shí)間片的分時(shí)調度方式，提高實(shí)時(shí)數據的傳輸效率，保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性和可靠性。

(3)控制功能通訊安全技術(shù)應用。本文設計的智能控制器研究了高可靠性的加密算法對數據加密，保障數據內容安全性;建立證書(shū)認證體系，保障數據傳輸過(guò)程中數據發(fā)起端和數據接收端的可信性;加入密鑰管理與協(xié)商機制，增強整個(gè)數據傳輸體系的可靠性;根據通訊類(lèi)型的不同采用不同等級的安全認證策略，在控制器與控制器間，采用輕量級加密算法和證書(shū)認證流程，加入密鑰管理與協(xié)商機制，在不影響數據傳輸速度的情況下，提高數據安全;在控制器與服務(wù)器間，采用深度加密算法和嚴格的證書(shū)認證流程，同時(shí)增強密鑰管理機制與協(xié)商機制，保障數據安全。

3結語(yǔ)

本文針對大型工程類(lèi)裝備存在的異構網(wǎng)絡(luò )PLC之間無(wú)法互聯(lián)，無(wú)法實(shí)現制造物聯(lián)中M2M互聯(lián)模式的問(wèn)題，自主研發(fā)設計了一種智能控制器對設備進(jìn)行智能調節和控制，并可與不同通訊協(xié)議的PLC設備進(jìn)行通訊，可接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)實(shí)現產(chǎn)品功能的在線(xiàn)服務(wù)，性能上完全可以取代市場(chǎng)上的傳統PLC，同時(shí)降低了成本，打破了國外企業(yè)對PLC行業(yè)的長(cháng)期壟斷。