基于Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能化數據采集系統

1、概述

　　集散控制系統（DCS）和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的地步,但是他們仍然存在著(zhù)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(wǎng)絡(luò )化測控系統。分布式人工智能技術(shù)（DAI）,Agent理論、現場(chǎng)總線(xiàn)與單總線(xiàn)的集成技術(shù)為設計和實(shí)現這種系統提供了一條切實(shí)有效的途徑。

　　基于此點(diǎn)出發(fā),本章提出一種基于Lonworks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能化數據采集系統。在該系統中,每個(gè)測控單元都被構造成具有自主性和自適應能力的Agent,通過(guò)多個(gè)Agent之間的協(xié)同工作來(lái)提高整個(gè)系統的可靠性、穩定性和工作效率。這樣該現場(chǎng)總線(xiàn)測控系統就具有了信息感知、分布性、并發(fā)性、主動(dòng)性和自適應性的特性。

　　近來(lái),Agent技術(shù)己被認為是進(jìn)行分布式工業(yè)系統建模的一種重要方法,是設計與實(shí)施分布式智能測控環(huán)境的最自然的手段,是構建下一代測控系統的重要技術(shù)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(guò)協(xié)作完成系統分配給它或它們的任務(wù),構成一個(gè)具有并發(fā)性與分布性的MAS（Multi-AgentSystem）系統。事實(shí)上,對于MAS環(huán)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(wù)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(shí)改變組織配置,實(shí)現系統的重構,而一旦任務(wù)結束,臨時(shí)組建的系統則立即解散?；谏鲜鏊枷?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(gè)綜合狀態(tài)識別系統,它完成對系統總體運行狀態(tài)的監控,提供對各監控對象的實(shí)時(shí)監測、評價(jià)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(méi)有嚴格的一一對應關(guān)系,而是由管理Agent根據任務(wù)的需要臨時(shí)召集組成動(dòng)態(tài)的節點(diǎn)Agent。其中,感知與執行Agent是運行在控制現場(chǎng)的智能設備,是管理Agent在執行任務(wù)時(shí)信息的主要來(lái)源,也是Agent感知能力的基本體現。它們負責現場(chǎng)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(fā)往何處。同時(shí)該Agent接收來(lái)自控制Agent的指令,轉化為與現場(chǎng)設備匹配的開(kāi)關(guān)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(wù)的來(lái)源是多方面的。既可以是來(lái)自某一控制層次的命令,也可以是來(lái)自另一多Agent體系中管理Agent的協(xié)作請求。

3、系統工作過(guò)程

　　正常情況下,系統的工作過(guò)程如圖2所示。

　　當來(lái)自任務(wù)源的任務(wù)傳給管理Agent以后,任務(wù)處理模塊首先對任務(wù)進(jìn)行分解,然后通過(guò)知識庫查詢(xún)其所管理的控制Agent能否完成分解后的所有子任務(wù)。如果能夠完成則進(jìn)行任務(wù)分配并啟動(dòng)系統;如果不能完成則放棄任務(wù)的執行并通知任務(wù)源。系統啟動(dòng)后,控制Agent召集相關(guān)的感知與執行Agent處理分配給自己的任務(wù),并通過(guò)自身的交互機制實(shí)現與其它控制Agent的協(xié)作以及信息和資源的共享。當某個(gè)控制Agent發(fā)生故障時(shí),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(wù)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(jìn)行任務(wù)的重新分配,從而使整個(gè)系統仍能正常運行。這樣就實(shí)現了依靠各Agent之間的協(xié)作來(lái)提高整個(gè)系統的可靠性,而不是通過(guò)單個(gè)設備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余。

4、系統的硬件結構

　　本文采用現場(chǎng)總線(xiàn)作為系統的通信平臺,構建一個(gè)開(kāi)放的,具有互操作性的實(shí)時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)數據采集系統。實(shí)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(xiàn)控制系統的特點(diǎn),作者利用現場(chǎng)測控設備、Lonworks節點(diǎn)和其網(wǎng)絡(luò )設備組成現場(chǎng)測控網(wǎng)絡(luò )。在此,我們只要在設計每個(gè)Agent的時(shí)候,給每個(gè)模塊加上Neuron芯片,通信線(xiàn)路只需普通的雙絞線(xiàn)即可,這樣便可以實(shí)現各Agent之間的任意通信。同時(shí)以單片機系統作為硬件支撐,用MCS51語(yǔ)言作為軟件開(kāi)發(fā)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(guò)臨時(shí)的現場(chǎng)節點(diǎn)采集所需要的監控信息,進(jìn)行感知處理,并通過(guò)總線(xiàn)傳到管理Agent進(jìn)行總體數據分析、處理和故障診斷。動(dòng)態(tài)節點(diǎn)Agent之間遵循Lontalk協(xié)議,采用網(wǎng)絡(luò )變量實(shí)現各節點(diǎn)的連接。節點(diǎn)間的數據通信采用窗口協(xié)議以顯示報文進(jìn)行數據傳輸,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量來(lái)管理,這樣就實(shí)現了節點(diǎn)Agent間的相互操作,并采用類(lèi)KQML的通訊模式實(shí)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(wù)需要與其它Agent組成動(dòng)態(tài)的多Agent合作系統?？刂艫gent所需要的控制命令和數據均通過(guò)Lon總線(xiàn)傳輸?？刂艫gent只帶有Lonworks接口芯片和外部擴展EZPROM,并無(wú)任何其它外設。

　　本文采用神經(jīng)元芯片TMP3150與AT89c51單片機連接構成Lon總線(xiàn)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(xiàn);AT89c51的P3.2與3150的IO8相連,作為單片機請求發(fā)送數據的信號線(xiàn)和接收3150控制命令的應答線(xiàn);P3.3與IO9相連,作為神經(jīng)元芯片接收數據的應答信號線(xiàn);P3.4與I010。相連,用作3150發(fā)送控制命令的信號線(xiàn)。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(shí),為了避免系統受到干擾時(shí)死機,在單片機每次等待應答信號時(shí)都加入了一個(gè)延時(shí)。若延時(shí)結束還未收到應答信號,那么單片機就跳到初始狀態(tài)。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(jìn)行預處理,提取傳感器信號的特征形成監控變量,并通過(guò)Lonworks接口傳送給控制Agent。同時(shí)它也是控制器節點(diǎn)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(chǎng)設備匹配的控制量或開(kāi)關(guān)量輸出。

　　為了實(shí)現對現場(chǎng)數據的直接采集,作者采用新型單總線(xiàn)數字溫度傳感器作為現場(chǎng)測量設備。單總線(xiàn)數字傳感器在測量中無(wú)需進(jìn)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(jiǎn)單,可靠性更高。同時(shí),采用TMP3150構建Lon總線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)的智能數據采集系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）整個(gè)控制系統在處理系統故障等異常突發(fā)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。