基于Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、概述

　　集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步,但是他們?nèi)匀淮嬖谥毕莺筒蛔?。因此需要建立具有良好的柔性、系統(tǒng)重構(gòu)能力、容錯(cuò)能力和快速反應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)。分布式人工智能技術(shù)（DAI）,Agent理論、現(xiàn)場(chǎng)總線與單總線的集成技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,每個(gè)測(cè)控單元都被構(gòu)造成具有自主性和自適應(yīng)能力的Agent,通過多個(gè)Agent之間的協(xié)同工作來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。這樣該現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)就具有了信息感知、分布性、并發(fā)性、主動(dòng)性和自適應(yīng)性的特性。

　　近來,Agent技術(shù)己被認(rèn)為是進(jìn)行分布式工業(yè)系統(tǒng)建模的一種重要方法,是設(shè)計(jì)與實(shí)施分布式智能測(cè)控環(huán)境的最自然的手段,是構(gòu)建下一代測(cè)控系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。

2、系統(tǒng)的多Agent模型

　　該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理Agent、控制Agent和感知與執(zhí)行Agent三部分組成,它們都是具有獨(dú)立工作能力的自治體或半自治體,通過協(xié)作完成系統(tǒng)分配給它或它們的任務(wù),構(gòu)成一個(gè)具有并發(fā)性與分布性的MAS（Multi-AgentSystem）系統(tǒng)。事實(shí)上,對(duì)于MAS環(huán)境下的檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)是一種具有敏捷性的多Agent系統(tǒng),由于任務(wù)的不同分解與分配以及其它不可預(yù)測(cè)因素的出現(xiàn),使得這種多Agent體系能夠隨時(shí)改變組織配置,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu),而一旦任務(wù)結(jié)束,臨時(shí)組建的系統(tǒng)則立即解散?；谏鲜鏊枷?圖1從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和通信方式定義了該分布式的系統(tǒng)模型。在此系統(tǒng)中,管理Agent是一個(gè)綜合狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng),它完成對(duì)系統(tǒng)總體運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,提供對(duì)各監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與決策功能。

　　控制Agent和感知與執(zhí)行Agent為具有自主性和自適應(yīng)能力的Agent,但它們之間并沒有嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,而是由管理Agent根據(jù)任務(wù)的需要臨時(shí)召集組成動(dòng)態(tài)的節(jié)點(diǎn)Agent。其中,感知與執(zhí)行Agent是運(yùn)行在控制現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備,是管理Agent在執(zhí)行任務(wù)時(shí)信息的主要來源,也是Agent感知能力的基本體現(xiàn)。它們負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和預(yù)處理,提取傳感器信號(hào)的特征形成監(jiān)控變量,并確定信號(hào)發(fā)往何處。同時(shí)該Agent接收來自控制Agent的指令,轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備匹配的開關(guān)量和模擬量輸出;控制Agent是系統(tǒng)的核心部件,具有自主決策的能力。此外,在這種多Agent系統(tǒng)中,任務(wù)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(xié)作請(qǐng)求。

3、系統(tǒng)工作過程

　　正常情況下,系統(tǒng)的工作過程如圖2所示。

　　當(dāng)來自任務(wù)源的任務(wù)傳給管理Agent以后,任務(wù)處理模塊首先對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解,然后通過知識(shí)庫查詢其所管理的控制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(tǒng);如果不能完成則放棄任務(wù)的執(zhí)行并通知任務(wù)源。系統(tǒng)啟動(dòng)后,控制Agent召集相關(guān)的感知與執(zhí)行Agent處理分配給自己的任務(wù),并通過自身的交互機(jī)制實(shí)現(xiàn)與其它控制Agent的協(xié)作以及信息和資源的共享。當(dāng)某個(gè)控制Agent發(fā)生故障時(shí),管理Agent的監(jiān)控模塊首先根據(jù)檢測(cè)到的故障信息做出相應(yīng)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(quán)限轉(zhuǎn)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(tǒng)仍能正常運(yùn)行。這樣就實(shí)現(xiàn)了依靠各Agent之間的協(xié)作來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,而不是通過單個(gè)設(shè)備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余。

4、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　本文采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的通信平臺(tái),構(gòu)建一個(gè)開放的,具有互操作性的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)該測(cè)控系統(tǒng)的具體方案如下：

　　考慮到系統(tǒng)降低成本的要求,結(jié)合現(xiàn)有總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn),作者利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備、Lonworks節(jié)點(diǎn)和其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。在此,我們只要在設(shè)計(jì)每個(gè)Agent的時(shí)候,給每個(gè)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(shí)現(xiàn)各Agent之間的任意通信。同時(shí)以單片機(jī)系統(tǒng)作為硬件支撐,用MCS51語言作為軟件開發(fā)工具,使其與新型傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成相應(yīng)的智能Agent。主要完成對(duì)測(cè)控對(duì)象的基本控制,通過臨時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)采集所需要的監(jiān)控信息,進(jìn)行感知處理,并通過總線傳到管理Agent進(jìn)行總體數(shù)據(jù)分析、處理和故障診斷。動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)Agent之間遵循Lontalk協(xié)議,采用網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的連接。節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信采用窗口協(xié)議以顯示報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并通過網(wǎng)絡(luò)變量來管理,這樣就實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)Agent間的相互操作,并采用類KQML的通訊模式實(shí)現(xiàn)Agent間的信息和知識(shí)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(jù)任務(wù)需要與其它Agent組成動(dòng)態(tài)的多Agent合作系統(tǒng)?？刂艫gent所需要的控制命令和數(shù)據(jù)均通過Lon總線傳輸?？刂艫gent只帶有Lonworks接口芯片和外部擴(kuò)展EZPROM,并無任何其它外設(shè)。

　　本文采用神經(jīng)元芯片TMP3150與AT89c51單片機(jī)連接構(gòu)成Lon總線接口電路,二者之間采用并行通訊方式。單片機(jī)AT89c51的P0口與3150的IO0～I(xiàn)O7,相連作為8位的數(shù)據(jù)總線;AT89c51的P3.2與3150的IO8相連,作為單片機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)線和接收3150控制命令的應(yīng)答線;P3.3與IO9相連,作為神經(jīng)元芯片接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)線;P3.4與I010。相連,用作3150發(fā)送控制命令的信號(hào)線。這樣選取P3.2和P3.3。作握手信號(hào),保證了單片機(jī)與3150的嚴(yán)格同步。同時(shí),為了避免系統(tǒng)受到干擾時(shí)死機(jī),在單片機(jī)每次等待應(yīng)答信號(hào)時(shí)都加入了一個(gè)延時(shí)。若延時(shí)結(jié)束還未收到應(yīng)答信號(hào),那么單片機(jī)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(zhí)行Agent

　　該Agent不僅能完成信號(hào)的采集,而且能對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,提取傳感器信號(hào)的特征形成監(jiān)控變量,并通過Lonworks接口傳送給控制Agent。同時(shí)它也是控制器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)輸出接口,負(fù)責(zé)從控制Agent接收控制指令,并轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備匹配的控制量或開關(guān)量輸出。

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的直接采集,作者采用新型單總線數(shù)字溫度傳感器作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。單總線數(shù)字傳感器在測(cè)量中無需進(jìn)行通道切換、A/D轉(zhuǎn)換和結(jié)果修正,而且能夠直接輸出數(shù)字信號(hào),從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨于簡單,可靠性更高。同時(shí),采用TMP3150構(gòu)建Lon總線接口電路。電路原理如圖4所示：

5、小結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)的基于Lonworks總線技術(shù)的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不同于現(xiàn)有控制系統(tǒng)通過單個(gè)設(shè)備的可靠性和關(guān)鍵部件的冗余來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性的做法,依靠各個(gè)智能Agent之間的合作來提高可靠性。

（2）整個(gè)控制系統(tǒng)在處理系統(tǒng)故障等異常突發(fā)事件方面具有智能性。

（3）系統(tǒng)的性能如可靠性和快速性可以具有很好的擴(kuò)展性。