基于Lonworks現(xiàn)場總線技術(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、容錯能力和快速反應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)。分布式人工智能技術(shù)（DAI），Agent理論、現(xiàn)場總線與單總線的集成技術(shù)為設(shè)計和實現(xiàn)這種系統(tǒng)提供了一條切實有效的途徑。

　　基于此點出發(fā)，本章提出一種基于Lonworks現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，每個測控單元都被構(gòu)造成具有自主性和自適應(yīng)能力的Agent，通過多個Agent之間的協(xié)同工作來提高整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。這樣該現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)就具有了信息感知、分布性、并發(fā)性、主動性和自適應(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)計與實施分布式智能測控環(huán)境的最自然的手段，是構(gòu)建下一代測控系統(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)成一個具有并發(fā)性與分布性的MAS（MulTI-AgentSystem）系統(tǒng)。事實上，對于MAS環(huán)境下的檢測監(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)測因素的出現(xiàn)，使得這種多Agent體系能夠隨時改變組織配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)， 而一旦任務(wù)結(jié)束，臨時組建的系統(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是一個綜合狀態(tài)識別系統(tǒng)，它完成對系統(tǒng)總體運行狀態(tài)的監(jiān)控，提供對各監(jiān)控對象的實時監(jiān)測、評價與決策功能。

　　圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　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)格的一一對應(yīng)關(guān)系，而是由管理Agent根據(jù)任務(wù)的需要臨時召集組成動態(tài)的節(jié)點Agent。其中，感知與執(zhí)行Agent是運行在控制現(xiàn)場的智能設(shè)備，是管理Agent在執(zhí)行任務(wù)時信息的主要來源，也是 Agent感知能力的基本體現(xiàn)。它們負(fù)責(zé)現(xiàn)場信號的采集和預(yù)處理，提取傳感器信號的特征形成監(jiān)控變量，并確定信號發(fā)往何處。同時該Agent接收來自控制Agent的指令，轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場設(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。

　　圖2系統(tǒng)工作原理圖

　　當(dāng)來自任務(wù)源的任務(wù)傳給管理Agent以后，任務(wù)處理模塊首先對任務(wù)進(jìn)行分解，然后通過知識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)某個控制Agent發(fā)生故障時，管理Agent的監(jiān)控模塊首先根據(jù)檢測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，從而使整個系統(tǒng)仍能正常運行。這樣就實現(xiàn)了依靠各Agent之間的協(xié)作來提高整個系統(tǒng)的可靠性，而不是通過單個設(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)場總線作為系統(tǒng)的通信平臺，構(gòu)建一個開放的，具有互操作性的實時現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實現(xiàn)該測控系統(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，作者利用現(xiàn)場測控設(shè)備、Lonworks節(jié)點和其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)。在此，我們只要在設(shè)計每個Agent的時候，給每個模塊加上Neuron芯片，通信線路只需普通的雙絞線即可，這樣便可以實現(xiàn)各Agent之間的任意通信。同時以單片機(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。主要完成對測控對象的基本控制，通過臨時的現(xiàn)場節(jié)點采集所需要的監(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。動態(tài)節(jié)點Agent之間遵循Lontalk 協(xié)議，采用網(wǎng)絡(luò)變量實現(xiàn)各節(jié)點的連接。節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信采用窗口協(xié)議以顯示報文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過網(wǎng)絡(luò)變量來管理，這樣就實現(xiàn)了節(jié)點Agent間的相互操作，并采用類KQML的通訊模式實現(xiàn)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(jù)任務(wù)需要與其它Agent組成動態(tài)的多Agent合作系統(tǒng)。控制Agent所需要的控制命令和數(shù)據(jù)均通過Lon總線傳輸。控制Agent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)請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號線和接收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)答信號線;P3.4與I010。相連，用作3150發(fā)送控制命令的信號線。這樣選取 P3.2和P3.3。作握手信號，保證了單片機(jī)與3150的嚴(yán)格同步。同時，為了避免系統(tǒng)受到干擾時死機(jī)，在單片機(jī)每次等待應(yīng)答信號時都加入了一個延時。若延時結(jié)束還未收到應(yīng)答信號，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：

　　圖3控制原理圖

　　4.2感知與執(zhí)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(yù)處理，提取傳感器信號的特征形成監(jiān)控變量，并通過Lonworks接口傳送給控制 Agent。同時它也是控制器節(jié)點的信號輸出接口，負(fù)責(zé)從控制Agent接收控制指令，并轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)場設(shè)備匹配的控制量或開關(guān)量輸出。

　　為了實現(xiàn)對現(xiàn)場數(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)場測量設(shè)備。單總線數(shù)字傳感器在測量中無需進(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，從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨于簡單，可靠性更高。同時，采用TMP3150構(gòu)建Lon總線接口電路。電路原理如圖4所示：

　　圖4感知與執(zhí)行Agent原理圖

　　5、小結(jié)

　　本文設(shè)計的基于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：

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

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

　?。?）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。