PROFIBUS的热电厂多智能体控制系统设计论文网

 

　　关键词    现场总线    控制系统  智能体

 

　　1 引言

 

　　现场总线技术是上个世纪80年代出现,90年代兴起的自动化领域的一项新技术。现场总线是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（变送器，执行器，控制器）与高层设备（主机，网关，人机接口设备）之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。基于现场总线的新一代控制系统,现场总线控制系统(fieldbus control system , FCS) 已经成为自动控制系统体系结构的发展方向。2 PROFIBUS的协议结构       Profibus是由SIEMENS公司推出的一种开放式现场总线标准,1989年成为德国标准DIN19245,1996年成为欧洲标准EN50170,1999年12月被接受为国际标准IEC61158的一部分。Profibus是目前欧洲乃至全球应用最广泛的总线系统,它速度快成本低,几乎所有PLC产品和自动化外设产品都提供Profibus接口。它根据不同应用场合提供3个兼容版本:Profibus-DP, Profibus-FMS和Profibus-PA。[1]

 

　　Profibus-DP适用于现场级分布式自动化外设之间的高速数据传输(DP的含义为分散的外围设备)。是一种高速而廉价的通信连接，旨在解决设备一级的高速数据通信。在这一级，中央控制器（如PLC/PC）通过高速串行线RS－485传输技术或光纤媒体，同分散的现场设备（I/O、驱动器、阀门等）进行通信，传输速率最高可达12Mbit/S。一般情况下，DP构成单主站系统，主站和从站以循环的方式进行数据传输。ProfibuS－DP主要应用在对传输速率有较高要求的现场级数据通信中。它的体系结构包括ISO/OSI参考模型第1,2层以及用户接口,传输技术使用RS485 (称为H2),这种结构能保证通信的实时性和系统实现的低成本。在用户接口中使用了定义用户和系统使用的应用功能和描述现场设备行为的行规。       Profibus-FMS( Fieldbus Message Specification) 是现场级和单元级通信的通用解决方案,主要解决单元级主站之间(PLC 和PC)的互相通信, 它提供了大量的通信服务，如现场信息传送、数据库处理、参数设定、下载程序、从机控制和报警等，用以完成以中等传输速度进行的循环与非循环的通信任务。由于它是完成控制器与智能现场设备之间的通信以及控制器间的信息交换，因此它主要考虑系统的功能，而不是系统的响应时间。FMS提供了较多种类的通信服务，应用灵活，可用于大范围和复杂的通信系统场合中。FMS使用了ISO/OSI参考模型第1,2,7层,第1,2层与Profibus-DP兼容,第7层包括了应用协议并向用户提供了广泛的通信服务功能。

 

　　Profibus-PA是在Profibus-DP的基础上通过优化、扩展而来,主要用于化工等对安全性要求高的场合, 通信采用扩展的Profibus-DP协议。传输技术改用IEC1158-2(称为H1),可确保本质安全性并使现场设备通过总线供电,通过分段耦合器, 能方便地和Profibus-DP,Profibus-FMS相连。[2-3]

 

　　3 热电厂控制系统中智能体的划分

 

　　在热电厂控制系统中，我们将整个系统划分为现场Agent、监测Agent、控制Agent和事物管理Agent。现场Agent分别为锅炉智能体、汽机智能体和除氧给水智能体构成，它们的结构基本相同，处于相同的地位，监测和控制智能体在整个系统中居于管理者地位，事务管理智能体负责数据的整理以及向上层提供数据接口。如图1所示。

 

　　图1：智能体的划分4 基于PROFIBUS的多智能体控制系统（MACS）结构

 

　　控制系统的结构设计基于系统集成的思想，整个控制系统由控制软件和相应的硬件两大部分互相协作，完成控制功能。硬件主要包括工业PC机、工业板卡、可编程控制器、变送器和执行机构。软件由组态软件、系统运行软件和各功能扩展模块等构成。为了从结构上实现分层容错控制，系统硬件的选择与集成考虑了层内组成与层间通讯两个方面。结合PROFIBUS总线的使用，我们将基于多智能体的智能控制系统分成三个层次，最底层是现场控制层，在其基础上是过程监控层和企业管理层，其整体结构如图2所示。

 

　　图2：智能控制系统分层结构

 

　　现场控制层选用功能简单，可靠性很高的可编程控制器，完成保证系统安全的控制功能，同时又受控于过程监控层的控制。而过程监控层和企业管理层选用功能强大的工业PC机为主体，可以使用一些高级的控制策略，完成提高系统效率的控制功能，同时承担部分对象的直接控制，减少现场控制层的费用。在紧急情况下过程监控层输出的控制信号直接切换到伺服机构上，由过程监控层同时实现高级控制策略和常规控制，而当过程监控层发生故障，可由现场控制层采用常规控制维持系统稳定运行，从而大大提高了控制系统的稳定性和可靠性。过程监控层与现场控制层之间采用现场总线传递数据，各工业PC机之间则采用标准网卡和集线器(HUB)构成星形网络传递数据和共享资源。       最底层是一个基于现场总线的分布式系统，由若干智能执行器（Intelligent actuator）和智能变送器（Intelligent sensor）组成，它们一方面对生产过程的数据加以采集并经过处理送到PROFIBUS总线上以提供一致和有效的信息；另一方面对从该总线上取得的操作命令加以处理和执行。每个现场控制站主要都是由主控单元和I/O模块构成，两者间用双绞线作为传输介质，采用PROFIBUS现场总线结构，为了提高系统可靠性，可以使用双冗余主控单元，在发生意外死机情况下将自动切换到备用主控单元，从而提高系统的可靠性。

 

　　过程监控层是与现场总线和企业网同时相连的工作站，主要工作就是负责实现控制等管理。它们从现场总线获取生产过程中的数据，通过现场总线和企业网彼此交换信息和发出指令，并为运行管理人员提供良好的人机界面。本层与现场控制层在实际系统中构建为实现各种功能的智能体组成，以完成整个系统的控制功能。如图3所示。

 

　　图3  智能体系统结构

 

　　现场Agent分别为锅炉、汽轮机和除氧给水，它们可以根据检测的信号和知识库中的规则和经验公式来确定各子系统的状态是否正常，能够对一些情况（给水流量、主汽流量等）进行判断，并进行必要的处理。它们接受控制Agent的控制信号对各子系统的监控对象进行参数调节，并将各子系统的状态信息送给监测Agent。现场Agent以西门子S7-300为中心和现场的控制仪表综合实现。控制Agent根据监测Agent的要求对现场Agent发出控制指令，以完成对各个监控对象的参数调节，同时将操作信息发送给事物管理Agent。

 

　　监测Agent根据各个现场Agent传送过来的信息，能够对整个生产过程的状态进行综合分析和预测，并对生产过程可能发生的故障做出判断。

 

　　事物管理Agent管理所有的数据，对数据库进行维护，它和控制Agent、监测Agent都是在工控机中通过软件加以实现。

 

　　最上层是整个企业的管理层，它是整个系统的管理中心。

 

　　5 结束语

 

　　现场总线是智能化仪表和计算机网络相结合的新一代底层控制网络。PROFIBUS是开放的、功能完善的国际现场总线标准之一。在实际应用过程中，引入分级多层体系结构（主要由PC，PLC和智能仪表等构成），建立基于PROFIBUS总线的多智能体控制系统，将控制系统分为现场控制层、过程监控层和企业管理层加以实现，从而获得较高的系统可靠性。参考文献1.林强，阳宪惠，徐用愚. 现场总线及其网络集成. 测控技术，1999年5期2. Fieldbus Foundation, Technical Overview, 19963.姜晓凤等. 智能控制-维护-管理系统中PROFIBUS技术的研究. 甘肃科技, 2003，19卷，第5期，23-24