基于Lonworks现场总线技术的智能化数据采集系统

1、概述

　　‍‍集散控制系统‍‍（DCS）和现场总线控制系统（FCS）已经发展到相当成熟的地步,但是他们仍然存在着缺陷和不足。因此需要建立具有良好的柔性、系统重构能力、容错能力和快速反应性的网络化测控系统。分布式人工智能技术（DAI）,Agent理论、现场总线与单总线的集成技术为设计和实现这种系统提供了一条切实有效的途径。

　　基于此点出发,本章提出一种基于Lonworks现场总线技术的‍‍智能化‍‍数据采集系统。在该系统中,每个测控单元都被构造成具有自主性和自适应能力的Agent,通过多个Agent之间的协同工作来提高整个系统的可靠性、稳定性和工作效率。这样该现场总线测控系统就具有了信息感知、分布性、并发性、主动性和自适应性的特性。

　　近来,Agent技术己被认为是进行分布式工业系统建模的一种重要方法,是设计与实施分布式智能测控环境的最自然的手段,是构建下一代测控系统的重要技术之一。

2、系统的多Agent模型

　　该系统主要由系统管理Agent、控制Agent和感知与执行Agent三部分组成,它们都是具有独立工作能力的自治体或半自治体,通过协作完成系统分配给它或它们的任务,构成一个具有并发性与分布性的MAS（Multi-AgentSystem）系统。事实上,对于MAS环境下的检测监控系统应是一种具有敏捷性的多Agent系统,由于任务的不同分解与分配以及其它不可预测因素的出现,使得这种多Agent体系能够随时改变组织配置,实现系统的重构,而一旦任务结束,临时组建的系统则立即解散。基于上述思想,图1从系统的组成结构和通信方式定义了该分布式的系统模型。在此系统中,管理Agent是一个综合状态识别系统,它完成对系统总体运行状态的监控,提供对各监控对象的实时监测、评价与决策功能。

　　控制Agent和感知与执行Agent为具有自主性和自适应能力的Agent,但它们之间并没有严格的一一对应关系,而是由管理Agent根据任务的需要临时召集组成动态的节点Agent。其中,感知与执行Agent是运行在控制现场的智能设备,是管理Agent在执行任务时信息的主要来源,也是Agent感知能力的基本体现。它们负责现场信号的采集和预处理,提取传感器信号的特征形成监控变量,并确定信号发往何处。同时该Agent接收来自控制Agent的指令,转化为与现场设备匹配的开关量和模拟量输出;控制Agent是系统的核心部件,具有自主决策的能力。此外,在这种多Agent系统中,任务的来源是多方面的。既可以是来自某一控制层次的命令,也可以是来自另一多Agent体系中管理Agent的协作请求。

3、系统工作过程

　　正常情况下,系统的工作过程如图2所示。

　　当来自任务源的任务传给管理Agent以后,任务处理模块首先对任务进行分解,然后通过知识库查询其所管理的控制Agent能否完成分解后的所有子任务。如果能够完成则进行任务分配并启动系统;如果不能完成则放弃任务的执行并通知任务源。系统启动后,控制Agent召集相关的感知与执行Agent处理分配给自己的任务,并通过自身的交互机制实现与其它控制Agent的协作以及信息和资源的共享。当某个控制Agent发生故障时,管理Agent的监控模块首先根据检测到的故障信息做出相应的诊断决策,然后通知任务处理模块将该控制Agent的控制权限转交给其它控制Agent或者进行任务的重新分配,从而使整个系统仍能正常运行。这样就实现了依靠各Agent之间的协作来提高整个系统的可靠性,而不是通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余。

4、系统的硬件结构

　　本文采用现场总线作为系统的通信平台,构建一个开放的,具有互操作性的实时现场总线数据采集系统。实现该测控系统的具体方案如下：

　　考虑到系统降低成本的要求,结合现有总线控制系统的特点,作者利用现场测控设备、Lonworks节点和其网络设备组成现场测控网络。在此,我们只要在设计每个Agent的时候,给每个模块加上Neuron芯片,通信线路只需普通的双绞线即可,这样便可以实现各Agent之间的任意通信。同时以单片机系统作为硬件支撑,用MCS51语言作为软件开发工具,使其与新型传感器和执行机构构成相应的智能Agent。主要完成对测控对象的基本控制,通过临时的现场节点采集所需要的监控信息,进行感知处理,并通过总线传到管理Agent进行总体数据分析、处理和故障诊断。动态节点Agent之间遵循Lontalk协议,采用网络变量实现各节点的连接。节点间的数据通信采用窗口协议以显示报文进行数据传输,并通过网络变量来管理,这样就实现了节点Agent间的相互操作,并采用类KQML的通讯模式实现Agent间的信息和知识的共享。

4.1控制Agent

　　控制Agent的主要功能是完成自身的控制算法,并根据任务需要与其它Agent组成动态的多Agent合作系统。控制Agent所需要的控制命令和数据均通过Lon总线传输。控制Agent只带有Lonworks接口芯片和外部扩展EZPROM,并无任何其它外设。

　　本文采用神经元芯片TMP3150与AT89c51单片机连接构成Lon总线接口电路,二者之间采用并行通讯方式。单片机AT89c51的P0口与3150的IO0～IO7,相连作为8位的数据总线;AT89c51的P3.2与3150的IO8相连,作为单片机请求发送数据的信号线和接收3150控制命令的应答线;P3.3与IO9相连,作为神经元芯片接收数据的应答信号线;P3.4与I010。相连,用作3150发送控制命令的信号线。这样选取P3.2和P3.3。作握手信号,保证了单片机与3150的严格同步。同时,为了避免系统受到干扰时死机,在单片机每次等待应答信号时都加入了一个延时。若延时结束还未收到应答信号,那么单片机就跳到初始状态。该Agent的电路原理如图3所示：

4.2感知与执行Agent

　　该Agent不仅能完成信号的采集,而且能对传感器信号进行预处理,提取传感器信号的特征形成监控变量,并通过Lonworks接口传送给控制Agent。同时它也是控制器节点的信号输出接口,负责从控制Agent接收控制指令,并转化为与现场设备匹配的控制量或开关量输出。

　　为了实现对现场数据的直接采集,作者采用新型单总线数字温度传感器作为现场测量设备。单总线数字传感器在测量中无需进行通道切换、A/D转换和结果修正,而且能够直接输出数字信号,从而使系统的结构更趋于简单,可靠性更高。同时,采用TMP3150构建Lon总线接口电路。电路原理如图4所示：

5、小结

　　本文设计的基于Lonworks总线技术的智能数据采集系统具有以下优点：

（1）不同于现有控制系统通过单个设备的可靠性和关键部件的冗余来提高整个系统的可靠性的做法,依靠各个智能Agent之间的合作来提高可靠性。

（2）整个控制系统在处理系统故障等异常突发事件方面具有智能性。

（3）系统的性能如可靠性和快速性可以具有很好的扩展性。