網絡控制器范文

導語：如何才能寫好一篇網絡控制器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：飛騰處理器；linux驅動框架；DMA；IP頭對齊；NAP；GSO

中圖分類號：TP334.7

飛騰處理器是國防科大計算機學院研制的一款高性能通用服務器處理器。飛騰處理器芯片內部集成了兩個千兆網絡控制器，通過高速AMBA總線與CPU系統總線互連。

本文研究了飛騰處理器網絡控制器相關的硬件原理以及linux下驅動框架知識，設計和實現飛騰處理器中網絡控制器的驅動，并對其進行了優化，使其達到了千兆網卡的使用需求。

1 硬件原理

飛騰處理器網絡控制器器包括AHB/AXI接口，DMA通道，FIFO緩沖和核心四個邏輯部件。AHB/AXI接口通過AMBA總線控制器與系統總線互連，即可以作為從設備接收CPU的訪問操作，也可以作為主設備為DMA啟動訪存操作；DMA通道負責通過AMBA總線在系統主存和內部FIFO之間進行數據包的傳輸；DMA通道和FIFO緩沖都是接收和發送專用的，因此一個網絡控制器包含兩個DMA通道和兩個FIFO緩沖；核心邏輯實現了千兆介質無關接口GMII，并負責在FIFO緩沖區和GMII之間進行數據包傳輸。

飛騰處理器通過GMII接口與物理層芯片連接，并通過介質相關MD總線訪問物理層芯片的狀態和控制寄存器SCR。

2 網絡驅動設計

linux網絡設備驅動基本框架從上到下劃為三層，分別為網絡協議接口層，網絡設備接口層，設備驅動功能層。

網絡協議接口層提供統一的數據包收發接口，使得上層ARP或IP協議獨立于具體的設備，通過dev_queue_xmit（）函數發送數據，并通過netif_rx（）函數接收數據。

網絡接口層從宏觀上規劃了具體操作硬件的設備驅動功能層的結構，網絡設備接口層提供統一的用于描述具體網絡設備屬性和操作的結構體net_device，該結構體是設備驅動功能層中各函數的容器。

設備驅動功能層各函數是網絡設備接口層net_device數據結構的具體成員，是驅使網絡設備硬件完成相應動作的程序，它通過hard_start_xmit（）函數啟動發送操作，并通過網絡設備上的中斷觸發接受操作。

飛騰網絡控制器驅動實現了linux網絡設備驅動基本框架要求的函數接口，并在此基礎上進行了一系列的優化，主要技術難點在于資源尋址機制、鏈路狀態監控和基于DMA的數據包收發機制的設計和實現。

2.1 資源尋址機制

資源尋址機制涉及到兩方面問題：一方面是飛騰CPU硬核對網絡控制和狀態寄存器CSR資源的尋址，另一方面是網絡控制器DMA對系統主存資源的尋址。

在飛騰處理器中，網絡CSR寄存器和所有其他AMBA總線設備的寄存器一樣，被固定在AMBA總線地址空間的一段范圍內。網絡驅動程序在硬件初始化之前，需要將這段AMBA總線地址范圍映射到飛騰CPU地址空間上，從而實現網絡CSR寄存器的尋址，并通過CSR寄存器中的MD地址和數據寄存器的編程，實現對網絡物理層芯片內部MD寄存器的訪問。

網絡控制器的DMA需要在系統主存和內部FIFO緩沖之間進行數據傳輸，因此DMA需要具有系統主存的訪問能力，也就是說，系統主存的部分或者全部可以映射到AMBA總線地址空間上。因為飛騰處理器的AMBA總線長度為64位，所以整個系統主存都可以映射到AMBA總線地址空間上，但是，不能與任意CSR寄存器地址范圍重疊，例如8G內存，在AMBA地址范圍為[0x84_0000_0000，0x84_FFFF_FFFF]。驅動程序的硬件初始化部分，通過AMBA總線控制器完成系統主存到AMBA總線地址的映射，從而實現網絡控制器DMA對系統主存資源的尋址。

2.2 鏈路狀態監控

飛騰處理器網絡控制器主要使用GMII提供的管理接口MDIO來實現對物理芯片的控制并收集其狀態信息。

管理接口有兩條信號線組成：MDC配置接口時鐘，最高速率可達8.3MHz，MDIO是管理數據的輸入輸出雙向接口，數據是與MDC時鐘同步的。

網絡控制器提供了兩個寄存器，分別為GMII地址寄存器和GMII數據寄存器，它將2位讀寫命令，5位PHY芯片的地址，5位PHY芯片的寄存器地址寫入GMII地址寄存器，在MDC時鐘的配合下，將命令寫入到GMII數據寄存器，來控制和管理PHY芯片，如TX/RX模式選擇、自動協商控制、環回模式控制等；或從GMII數據寄存器中讀出PHY芯片的狀態信息，包括鏈接狀態、傳輸速度、斷電、低功率休眠狀態等，實現對PHY芯片狀態的監控。

2.3 基于DMA的數據包收發

DMA描述符是由16個字節組成，4個字節一組，將這4組分別標識為DES0，DES1，DES2，DES3。

DES0是前4字節，具體為1位OWN位（用來標識描述符屬于DMA還是HOST）和31位的描述符狀態位；

DES1具體為10位控制位和兩個11位分別用來標識緩沖區1和緩沖區2的大小。

DES2和DES3分別為緩沖區1和2的地址，盡管有兩個緩沖區可供使用，但我們這里只使用緩沖區1，即：DES2指向的緩沖區。

對于接收，驅動在系統主存中維護一個由256個描述符組成的接收描述符數組，驅動申請對應的256個2K字節大小的skb緩沖區，并將這些緩沖區進行DMA流式映射，將生成的DMA地址填寫到對應描述符的緩沖區地址字段，并將接收描述符數組的起始地址寫入DAM接收描述符表基址寄存器中。

當網絡數據包經過PHY芯片的接收進入到網絡控制器的接收FIFO時，網絡控制器會自動從AHB/AXI接口發起DMA操作，從DMA接收描述符表基址寄存器中或者從當前接收描述符寄存器中讀取當前描述符的DMA地址，訪問系統主存，獲取當前描述符DES2字段指向的skb緩沖區的地址，將網絡控制器內部的接收FIFO中的數據DMA到系統主存的緩沖區中，最后將接收狀態寫入對應的接收描述符中DES0狀態字段，將接收到的數據包的長度等信息寫入對應的接收描述符的DES1的對應字段中，并產生接收中斷。內核調用對應的中斷處理程序，使用輪詢的方式進行收包，并將數據包提交給上層協議棧。

對于發送，驅動在系統主存中維護了一個256個描述符組成的發送描述符數組，并將發送描述符數組的起始地址寫入DAM發送描述符表基址寄存器中。當應用程序要發送數據時，上層協議棧會向驅動傳遞要發送的skb緩沖區，將skb緩沖區進行DMA流式映射，并將生成的DMA地址填寫在當前發送描述符的DES2緩沖區地址字段，根據skb的相關成員變量，填寫對應描述符的DES1的校驗和字段以及緩沖區大小字段等。最后，寫DMA發送輪詢寄存器，將喚醒發送DMA，使其進入運行狀態。

當發送DMA進入運行狀態，DMA將從DMA發送描述符表基址寄存器或者當前發送描述符寄存器中獲取當前描述符的DMA地址，訪問系統主存，獲取當前描述符DES2字段指向的skb緩沖區的地址，將緩沖區中的數據DMA到網絡控制器的發送FIFO中，并通過PHY收發器將數據發送到網絡上。

3 網絡驅動優化技術

網絡驅動優化技術有：IP報文頭部對齊，NAPI，GSO，DMA分散聚集等。

在飛騰處理器平臺上，重點介紹三點。

3.1 IP報文頭對齊對齊

在接收過程中，驅動向內核申請skb緩沖區后，需要調用skb_reserve（skb，2），使得skb->data向后移動兩個字節，因為mac頭長度是14個字節，skb->data前面空置的2個字節加上mac頭長度正好是16個字節，使得接下來的IP報文的起始地址是4字節地址對齊，這樣做使得內核在后續對IP報文訪問時使用了對齊的地址，減少了很多的數據拷貝，提高了性能。但這樣做，會使得對緩沖區數據進行DMA流式映射時生成的DMA地址不對齊，可能會對DMA操作產生影響，但此款網卡適配器的DMA對緩沖區的地址對齊沒有很嚴格的要求，通過硬件處理將性能的降低減到了最小，故采用IP報文頭對齊，在這點上對于網絡性能的提高是很顯著的。

3.2 NAPI技術

對于高速網絡設備而言，單純采用中斷驅動的方式，CPU可能在短時間內接收到大量密集的網絡數據包，如果每一個進入的數據包都向CPU產生一次中斷請求，對這些請求的單獨處理無疑會造成CPU資源的浪費甚至導致系統癱瘓。

NAPI的設計思想是使用中斷和輪詢相結合的方式接收數據包，發揮各自的優勢。當有數據包到達觸發中斷，在中斷處理程序中調用_stmmac_schedule（）函數關閉接收中斷，系統對數據包的接收進入輪詢模式，調用輪詢函數接收數據包。在輪詢函數中，設置了一個接收數據包的閥值，每次輪詢函數接收到數據包達到這個閥值時，輪詢函數將返回，等待下一次的輪詢。當一次輪詢接收的數據包小于這個閥值，退出輪詢收包模式，開啟接收中斷，進入中斷收包模式。NAPI通過輪詢期間關閉中斷，實現了中斷緩和，減少了內核處理中斷的壓力，變相提高了性能。

3.3 GSO技術

TSO（TCP Segmentation Offload）是一種利用網卡分割大數據包，減小CPU負荷的一種技術，也被叫做LSO（Large segment offload），如果數據包的類型只能是TCP，則被稱之為TSO。

TSO是使得網絡協議棧能夠將大塊 buffer 推送至網卡，然后網卡執行分片工作，這樣減輕了CPU的負荷，但TSO需要硬件來實現分片功能；而性能上的提高，主要是因為延緩分片而減輕了CPU的負載，因此，可以考慮將TSO技術一般化，因為其本質實際是延緩分片，這種技術，在Linux中被叫做GSO（Generic Segmentation Offload），它比TSO更通用，原因在于它不需要硬件的支持分片就可使用，通過將分片的執行，放在將數據推送的網卡的前一刻，也就是在調用驅動的stmmac_xmit函數前，達到延緩分片的目的，最終提高了性能。

4 測試

硬件環境：FT1000A采用內置網卡與X86機器的BCM57780網卡互連。

軟件環境：測試工具為iperf。

由測試結果可得：新設計的驅動較之前的驅動在接收和發送數據的速率上有很大的提升，其中IP報文頭部對齊對TCP/UDP接收性能有較大提升，但由于IP報文頭對齊導致的DMA地址不對齊造成了一定的性能損失，接收的性能離千兆的性能還有差距；GSO功能對TCP發送性能有大幅度提升；UDP發送速率，峰值原本已經接近X86上千兆網卡性能。

5 結束語

本文詳細闡述了國產飛騰處理器SOC網絡適配器驅動的設計實現以及對其進行的優化，雖然網卡在此驅動程序的驅動下，網絡性能已經幾乎達到了千兆網絡性能要求，但與X86千兆網卡的網絡性能還是有差距的，希望通過后續學習和研究，能進一步提升國產飛騰處理器平臺的網絡性能。

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篇2

關鍵詞：網絡擁塞；魯棒H∞控制；H∞性能指標；狀態反饋

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-155-03

H∞ Feedback Controller Design for Network Congestion Control Based on Flow Rate

HONG Limin1,QU Baida2

(College of Communication and Control Engineering,Jiangnan University,Wuxi,214122,China)

Abstract：This paper transforms uncertain time-delay system into system′s unmodeling dynamic breadth finitude′s multiplicative uncertainty by frequency domain design method,in order to resolve network congestion control problem in the modern high speed communication networks.According to the robust stabilization and requirement of performance index of system,problems of feedback controller about robust H∞ congestion control of the high speed communication networks which based on flow rate control are converted into the common engineering application problem of mixed-sensitivity,then working out the desirable H∞ controller by the analytic method.The result proves that H∞ feedback controller of congestion control is simple,the goal of preventing congestion and the efficiency of network using maximum by adopting frequency domain design method can be obtained.

Keywords：network congestion;robust H∞ control;H∞ performance index;state feedback

0 引 言

目前比較常用的擁塞控制方法有兩種,一種是基于速率控制,源端以一定速率發送數據包,通過網絡反饋的信息來調節數據包發生速率;另一種是基于窗口控制,宿端告訴源端以一定窗口寬度發送數據,通過反饋信息調節窗口大小。基于速率的擁塞控制方法以其簡單及易于實現性正在ATM等高速網絡中得到越來越普遍的應用,也引起了許多學者的研究興趣。在設計基于速率的擁塞控制反饋控制器時,時滯以及多時滯問題是必須考慮的一個重要因素,目前有許多文章對其進行了探討。然而使用最多的還是H∞魯棒控制的方法,如設計基于H∞理論的流速控制器用于解決多源單瓶頸網絡中時變不確定多時滯問題［1］；通過利用瓶頸的輸出速率信息對以往只利用隊列期望長度誤差信息設計的H∞反饋控制器進行改進,加快了收斂速度減小了跟蹤誤差［2］。在基于前文的基礎上設計多源單瓶頸網絡的魯棒H∞擁塞控制反饋控制器,目的是防止擁塞且使網絡達到最大利用效率,以及消除時滯的影響,使系統可魯棒鎮定。

1 問題描述

圖1所示為多源單瓶頸網絡擁塞控制反饋系統,q(t)≥0表示瓶頸節點的實際數據緩沖隊列長度； qe(t)＞0為期望數據最大緩沖隊列長度；qe:ri(t)≥0為通過擁塞控制反饋控制器調節的各源端數據輸出率;ri(t-τi)為瓶頸點的各源數據輸入速率；τi表示各源時變不確定時滯,且滿足0≤τi(t)≤τm;c(t)為瓶頸點數據輸出速率。該系統的動態模型可表示為［3］:

q(t)=∑ni=1ri(t-τi)-c(t)(1)

引理1［4］ 給定被控對象為P(s),控制器為K(s),加法不確定性的加權函數為Wq(s),P=P0(1+Wq),規范化不確定性Δ(s),Δ(s)∈ BH∞。

(1) 對于任意對象加性不確定性,系統魯棒鎮定的充要條件是：

① 有一個使圖2所示的反饋控制系統對于任意的Δ(s)∈ BH∞都穩定的控制器K;

② (I+KP0) -1KWq∞＜1 即(I+KP0) -1KWq∈BH∞;

(2) 對于任意對象乘性不確定性,系統魯棒鎮定的充要條件是:

① 有一個使圖3所示的反饋控制系統對于任意的Δ(s)∈ BH∞都穩定的控制器K;

② (I+P0K) -1PKWq∞＜1即(I+P0K) -1P0KWq∈BH∞。

圖1 網絡擁塞控制反饋系統

圖2 具有加法不確定性的控制系統

圖3 具有乘法不確定性的控制系統

引理2 令P=N1D -11=N2D -12∈RL∞且N2D2=N1D1W,如果P=ND -1∈RH∞,且是右互質分解的,則D -1∈RH∞且可取W=D -1。

據此可對上述反饋系統的P0進行互質分解P0=ND -1,K能鎮定P0的集合為:

U+DWV-NW:NU+DV=1

式中：U,V,W均為穩定、正則、實有理函數。

2 H∞擁塞控制反饋控制器的設計

考慮到各源公平性的原則,設ri(t)由以下控制律決定:

ri(t)=K eie(t)+1nK cic(t)(2)

其中e(t)=qe(t)-q(t),則反饋系統框圖如圖4所示［5］。

圖4 反饋系統框圖

圖4中P(s)代表時滯環節,是多輸入單輸出系(MISO),其傳遞函數為P(s)=e -τ1s,…,e -τns;Ke(s)及Kc(s)代表反饋控制器,是單輸入多輸出系統(SIMO),其傳遞函數分別為:Ke(s)=［KT e1(s),…,KT en(s)\〗T;Kc(s)=［KT c1(s),…,KT cn(s)］T;R(s)=［RT1(s),…,RTn(s)］T為源端被控輸出速率。

2.1 系統的魯棒可鎮定性分析

設G(s)=1se -τ1s,…,e -τns,G0(s)=1s1,…,1,則:

G(s)G0(s)-1=［e -τ1s-1,…,e -τns-1］≤

Wt(jω)

式中：Wt(jω)=［W t1(jω),…,W tn(jω)］,且對于笑亍R,0≤τi(t)≤τm,有:

Wn(jω)≥e -jτmω-1(3)

因此,由引理1知,對于上述不確定時滯系統可魯棒鎮定的充要條件是能鎮定G0(s)的標稱系統,且滿足以下H∞性能指標［6］:

Wt(s)G0(s)Ke(s)(1+G0(s)Ke(s)) -1∞≤1(4)

對G0(s)=1/s［1,…,1］作互質分解,設G0(s)=N(s)D(s) -1,其中D(s)=a/(s+a),N(s)=1/(s+a)［1,…,1］,a為任意大于0標量。由引理2知對于標稱系統可魯棒鎮定的充要條件為反饋控制器滿足以下形式:

Ke(s)={\} -1(5)

式中N(s)U(s)+D(s)V(s)=1,從而取U(s)=a/n［1,…,1］T,V(s)=1。

2.2 系統的性能要求分析

對e(t)求導得:

(t)=-∑ni=1K eie(t-τi)-1n∑ni=1K cic(t-τi)+c(t)(6)

即有:

E(s)C(s)=1-1n∑ni=1K ci(s)e -τiss+∑ni=1K ei(s)e -τis(7)

為確保q(t)跟蹤qe(t)的穩態誤差為0,由上式有∑ni=1K ci(0)=n及∑ni=1K ei(0)∞,考慮到各源公平性可取K ci(0)=1,且知K ei(s)有一極點s=0,從而由 式(5)可知V(0)=N(0)W(0),即W(0)=an［1,…,1］T, 可設W(s)=an［1,…,1］TF(s),顯然有F(0)=1,從而:

Ke(s)=an1+sF(s)s+a1-aF(s)s+a［1,…,1］T(8)

由圖4可知：

E(s)=qe\ -1+

C(s)\ -1(9)

為使網絡達到最大利用效率,E(s)∞應盡量最小,可令1s-1nG0(s)Kc(s)=0,即∑ni=1K ci(s)=n,考慮到各源公平性可取K ci(s)=1,從而為保證網絡利用效率,需滿足以下H∞性能指標［7］:

γ -1Ws(s)\ -1≤1(10)

式中:Ws(s)是靈敏度權函數,為使控制器Ke(s)出現0極點,同時為了保證E(s)在低頻段有較大的衰減度可取Ws(s)=1s2,標量γ＞0為選取的H∞性能指標。綜合性能指標式(4)和式(10)有:

Wt(s)G0(s)Ke(s)\?

γ -1Ws(s)\ -1∞≤1(11)

這即是一個工程應用中常見的混合靈敏度優化問題。考慮式(5),上述性能指標也可寫成如下形式:

γ -1WsD(V-NW)WtN(U+DW)∞≤1(12)

即:

Wt(s)as+a\?

γ -1Ws(s)ss+a\∞≤1(13)

采用頻域整形方法根據式(13)可求取F(s),從而得到符合系統設計要求的擁塞控制H∞反饋控制器。

3 實例分析

設網絡擁塞控制系統瓶頸點輸出速率為c(t)= 1 000+100sin(0.1t),t≥0;期望緩沖隊列長度為qe(t)=100;系統最大時滯為τm=0.1;H∞性能指標γ=1。

易知e -jτmω-1≤0.21jω0.1jω+1,笑亍R。從而可以選擇Wt(s)=0.21s0.1s+1,又選擇靈敏度加權函數Ws(s)=1s2;G0(s)=1s［1,…,1］。考慮到各源的公平性,只需對其中一個源的H∞控制器K et(s)進行研究,于是求得:

K ei(s)=1ss4-1s4-Ψ(s)1+Ψ(s)

式中：Ψ(s)=s2(0.1s+1)(s+2.11)(0.21s3+0.7s2+1.17s+1)(s-2.11)。

4 結 語

研究了多源單瓶頸網絡的擁塞控制魯棒H∞反饋控制器的設計問題,首先建立一個網絡擁塞控制系統的動態模型,然后進行H∞擁塞控制反饋控制器的設計,再對其性能要求進行分析,最后通過一個實例表明采用此方法設計的擁塞控制H∞反饋控制器較為簡單,且能有效達到防止擁塞及使網絡利用效率最大化的目的。

參考文獻

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作者簡介

篇3

關鍵詞： IA技術雙控制器；網絡化控制系統；可靠性

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）07-0206-02

0 引言

將實時的網絡閉合控制系統應用到控制環路中，就稱之為網絡化控制系統。其優點是能夠使我們對系統的維護與診斷工作變得更加簡單方便，并通過對系統連線的減少，起到了對系統靈活性的有效提高。但是，其同行業中一些點對點進行控制的系統比起來，其將通信網絡同反饋閉環相結合的方式也會使這個控制系統的設計工作與分析工作更加復雜化，在對工作帶來更多難度的同時，也會使很多意想不到的因素比如網絡延遲等問題對系統的正常穩定運行以及系統的性能造成影響。而按照正常的控制理論來說，其在正常使用網絡控制系統時則應當對其進行重新全面的評估。

而隨著我國計算機技術與網絡技術的不斷發展，智能（IA）成為了我國當下較為熱門的研究技術，同時由于其在控制系統中良好的表現與易用性，也受到了各方面研究人員的注意。目前，已經有研究人員提出了以IA理論為基礎、因特網技術為媒介的網絡控制系統，同時在系統中以不同的計算機來對整個系統進行組成。但是在這種IA思想的控制系統中，如果將整個系統的正常工作都依賴于僅有的一個控制器中，那么一旦這個控制器出現故障，就會導致整個系統隨之進入癱瘓之中，這就導致了這個控制系統的穩定性與可靠程度得不到應有的保證。為了解決這種問題，就需要建立一套有著更高穩定性的、同樣以IA技術為基礎的雙控制器網絡控制系統。

1 基于IA技術雙控制器NCS建模

計算機網絡控制系統是以IA思想為基礎、并以因特網作為傳輸媒介、計算機為系統主要組件的控制系統，并由多個計算機作為IA的互相結合與協作來對系統的穩定性進行增強。我們之前提到過，在這個重要的系統中如果只有一個控制機器，那么當這個控制器出現問題時，就會使整個系統的正常運行受到影響。而為了對這種進行解決，就應當有針對性的提出一種含有兩個控制器的、同樣以IA技術為基礎的網絡控制模型。其基本構成如圖1所示。

由此結構圖我們可以見到，在這個系統之中包括兩個同樣的控制器，而如果正在運行的控制器出現了問題，那么在計算機中預裝的軟件程序就會被激活，并在第一時間對控制器進行切換。由于這種切換工作進行的比較快，是一種瞬時的狀態，所以這個控制器的切換工作只會對整個系統帶來極小的影響，甚至可以忽略不記的。所以按照這種結構設計的基于IA的雙控制器控制系統仍然可以同之前的系統一樣使用同樣的網絡化模型，其余位置可以不進行變動。

另外，我們還將對此控制器的故障數進對系統的狀態進行實時的監測。此系統的狀態主要有三種：當狀態數為0時，說明系統正常工作，兩個控制器運行良好；當狀態數為1時，說明系統正常工作，但是其中一個控制器運行良好，另一個出現故障；當狀態數為2時，說明系統已經停止工作，兩個控制器都發生了故障，且其中的一個控制器正在進行修理，而另一個處于待修狀態中。

2 基于IA技術雙控制器NCS可靠性

控制系統的穩定程度是非常重要的，對此我們需要對系統的可靠性進行分析：由于此系統中存在兩個獨立且相同的控制器，那么只要有一個控制器能夠正常進行工作，就不會對系統的正常運行產生影響。只有當兩個控制器都出現問題時，才會使系統發生故障。同時，根據系統中兩個控制器為并聯設置的特點，當系統中這兩個控制器都正常運行時，其中的一個控制器負責系統的正常運轉，而另一個控制器則在此時處于儲備狀態，作為系統的備份控制器。假定系統中只存在一名維修人員，其按照保修先后的順序對控制器進行修理，則當一個控制器發生故障時，維修人員在維修的過程中并不影響另一個控制器的正常運行，所以一直能夠使系統保持良好的運行狀態。而只有在兩個控制器同時發生故障時，才會因為同一維修人員的先后維修順序使系統運行時間得到一定的影響。

對此我們作出以下假設：

第一，此系統為快修系統。

第二，備份控制器的儲備方式為冷儲備。

第三，此控制器符合λ（λ>0）的指數分布，同時其控制器的維修時間分布情況為G（t），修復成功率為μ（t）。

第四，我們以S（t）為標記，代表此時系統處于t時刻的狀態中。

通過以上假設，我們可以了解到S（t）為一個狀態空間為E={0，1，2}的馬氏過程，其狀態情況由圖2所示（其中，橢圓形代表系統正處于正常運行中，矩形代表系統處于故障中）。

在此，由第一種假設方案我們可知：由于系統為一種快修系統，其大部分狀態是停留在狀態0中，當其偶爾進入狀態1時，會在很短的時間返回至狀態0中。所以，系統的時效時間主要就分布在貼近與狀態0間的時間中，由此可以了解這個系統的大部分時間都處于正常的運行狀態中。其可靠性指標與原理分析如下所示：

對于兩個部件相同，且處于并聯方式的冷儲備系統中，當其維修所需時間滿足指數的分布情況時，這個系統就是馬氏過程，當ρ=λ/μ時，其系統穩態指標為：

3 結束語

由上文的分析可知，基于IA技術的雙控制器網絡化控制系統有著更高的穩定性，這就需要我們在實際的工作中以其為依據而進行更好的應用。

參考文獻：

[1]牛玉廣，馬駿馳，夏明，白會賢.DCS基本控制單元可靠性建模與定量計算[J].電子測量與儀器學報，2011（06）：506-511.

[2]王建新.汽車電子集成控制系統可靠性的研究[J].哈爾濱工業大學學報，2009（03）：259-262.

篇4

關鍵詞 交直流輸電；阻尼調制；神經網絡

中圖分類號TM7 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）49-0186-02

0 引言

電力系統是一個復雜而龐大的非線性動力學系統，它對運行安全、穩定、經濟性要求極高。由于電力系統的龐大與復雜，參數的不確定，頻繁的噪聲與干擾，網絡結構的不斷調整與變化等種種不確定因素嚴重制約了各種確定型或自適應控制的實際控制性能，使已有的控制器始終未能達到理想的效果。基于神經網絡的控制可以根據在線樣本自動調整自身行為，從原理上來本文利用說應具備在線自我調整和不斷自我完善的能力。

本文利用神經網絡學習電力系統逆動態，設計出一種神經網絡在線自學習直流阻尼控制器，并基于MATLAB仿真軟件對其在交直流混合輸電系統的控制效果進行分析與驗證。

1 神經網絡在線自學習的意義

研究基于神經網絡的交直流系統實時控制的在線自學習，具有以下重要意義：

1）對交直流混合輸電系統而言，模型仿真手段無論如何力求精確，也始終無法和實際系統動態行為完全一致，因而離線訓練設計的神經網絡控制器在線運行中性能總會有偏移。在線自學習使神經網絡控制器可以根據控制目標不斷調整自身控制行為，產生越來越好的控制效果；

2）在線自學習可使神經網絡控制器產生不同于最初訓練的控制性能，從而擺脫對于其它控制原理的依賴，擁有自己獨特的品質；

3）在線自學習使基于神經網絡的直流阻尼控制器擁有自我改進，自我完善的能力，從而真正成為智能控制器。

2在線自學習方案的設計

2.1 獲取在線樣本的新思路

很多研究已經表明，已有的在線自學習方案在如何獲取上已經陷入了困境。因此，文獻[4]提出了一種解決該困境的新思路，設計出一種逆動態神經網絡控制器（），如圖1所示，取（y，u ）構成訓練樣本訓練，可以得到相同的訓練效果

2.2控制方案的實現

本文即采用圖2所示的方案來實現逆系統NNHVDC的設計并探討其在線自學習的實現及學習效果。該方案的輸入中包含了控制目標，這樣控制行為將主要由yd的值決定。文獻[4]已經提出了這種模型中控制的實現與在線自學習樣本的生成方案并給予了一定的理論證明。當yd選取得當時，經過不斷的在訓練，網絡的控制輸出將逐步逼近期望輸出yd。因而其控制最終應該是穩定的。

以往研究表明交直流系統逆動態是存在的，而且可以由BP網絡以要求的精度逼近。具體實現如下：采用6-6-1三層BP網絡作為控制主體，選取NN輸入變量集為：

NN的輸出為t時刻的控制信號。如何確定和是獲取NN輸入的兩個關鍵。

本文選擇直流調制中最常用的以兩側交流系統發電機轉速差為調制信號的作為NN的初始訓練器來訓練神經網絡，控制器參數。應此可得到直流調制控制規律為：

本文所采用的參考模型是由同步發電機轉子運動方程推算而得，描述如下：

式中為采樣/控制周期，單位為秒；為功率變化值，可由功率變送器獲得，D為期望的系統阻尼，由用戶根據控制性能的要求設定，取值越大，表明設計者希望有擾動引起的系統振蕩衰減越快，本文取D=0.5。

具體仿真步驟如下：

1）選取任意一種可接受的控制器作為初始訓練器，對IDNNHVDC進行初步的離散訓練，其目的是不至于一開始就生成電力系統不能接受的控制輸出；

2）將離線訓練后的NNHVDC（計為NNHVDC1）置入交直流系統，記錄其在各種擾動的控制性能；

3）對于選定的擾動，以NNHVDC1的控制響應構成在線訓練樣本集，用以訓練NNHVDC得到NNHVDC2；

4）對NNHVDC2重復[step2]～[step 3]的控制過程的NNHVDC3；5）重復（4）直到NNHVDCi的控制響應令人滿意為止。

3 仿真模型的建立

本文基于軟件Matlab/Simulink/ SimPower Systems工具箱搭建一個交直流并聯輸電系統模型，示意圖如圖3所示。系統包括兩個區域，發電機M1區域由兩條交流輸電線路和一條直流線路向發電機M2區域輸電。發電機M1、M2包含有勵磁控制,機端電壓為13.8kV，通過升壓變壓器變成500kV，向系統供電。區域間的距離為500km，在M2區域包括一個5000mW的負載，由M1和M2供電。另外系統中還包含三相斷路器，可以模擬交流系統故障。

直流系統的額定傳輸容量為1000MW，兩側額定電壓為500kV，濾波電抗器為0.5H，直流線路長為500km。在換流站設置的無功補償和濾波裝置包

括一個500 Mvar的電容器和150 Mvar的11 次濾波器、13次濾波器和高通濾波器。

4仿真結果與分析

根據第3節仿真步驟進行仿真計算，系統模型如圖4所示，選取以下擾動來訓練神經網絡：整流側發電機機端發生2s時三相短路故障，2.3s后故障切除。以上小節介紹的作為初始訓練器，用以上故障時的系統狀態變量根據式（1）構成NN的輸入集，離線訓練后得到IDNNHVDC1，仿真結果表明，按step1到step5的步驟經過僅僅五次自學習之后，所得NNHVDC5的控制性能已經遠遠超過了常規直流調制CHVDC，達到了令人滿意的程度。

選取以下2個擾動來測試所設計的IDNNHVDC的控制性能：

擾動一：t=2s時一交流線路首端發生三相短路，0.1s后保護動作切除該回路，0.2s后重合閘合并恢復到雙回線運行。

擾動二：t=2s時一條交流線路首端三相短路，0.3s后故障排除；t=6s時該回交流線路中端又發生三相短路，0.1s后故障排除。

通過IDNNHVDC和CHVDC作用下發電機功角的變化過程的對比，結果表明，經過五次訓練后IDNNHVDC的控制效果已遠遠優于常規CHVDC控制，從而進一步證實了IDNNHVDC的優越性能，通過以上仿真結果可得出以下幾個結論：

1）隨著訓練次數的增加，該NN控制器控制性能不斷改善，由此表明，該控制器具有很好的在線自學習能力;

2）IDNNHVDC控制器能有效增強直流系統兩側交流系統的阻尼，很好的抑制直流兩側交流系統振蕩。對各種大、小擾動均表現出明顯的抑制作用，具有很強的魯棒性;

3）通過在線訓練后的IDNNHVDC在各擾動下的控制性能表明，圖2所示以逼近受控系統逆動態為目標的神經網絡控制方案在交直流混合輸電系統實時控制中是可行的。

5 結論

本文利用神經網絡學習電力系統逆動態，由參考模型產生期望控制響應，實時采樣值構成在線訓練樣本的在線訓練方案。由于在純交流系統電力系統穩定器的運用中，該方案的的控制效果已經得到很好的驗證，而其在直流阻尼調制的運用與研究中尚屬空白。因此，筆者把該方案運用于交直流系統直流阻尼調制之中，設計出雙CPU神經網絡在線自學習直流阻尼控制器。不僅從理論上分析證明了該方案的有效性，而且仿真結果表明，所設計的IDNNHVDC控制器能有效增強直流系統兩側交流系統的阻尼，很好的抑制直流兩兩側交流系統振蕩。在在線自學習調整過程中，該NN控制器控制性能不斷改善，對各種大、小擾動均表現出明顯的抑制作用

參考文獻

[1]管霖，程時杰，陳德樹.神經網絡電力系統穩定器的設計與實現[J].中國電機工程學報，1996，16(6)：384-387.

篇5

關鍵詞免疫遺傳算法 模糊 精餾塔

中圖分類號TP273

A control simulate study of fuzzy-neron controller optimized by immune

genetic algorithm (IGA) used in full order rectification column model

GUO Xiaoqing(1), YAN Qiong(2)

(1)The Second Middle School, Ji’an of Jiangxi Province 343000

(2)The ChangTang Middle School, Ji’an of Jiangxi Province 343000

Abstract A fuzzy controller optimized by immune genetic algorithm (IGA). By utilizing the global search ability of immune genetic algorithm(IGA) and self-learning ability of neuron controller, the new approach increases the control accuracy of fuzzy controller and improves its ability of anti-interference. The simulation result, which was obtained by applying the method to full order rectification column model, shows static error was effectively reduced and the robustness of the new approach in controlling shock in the process was satisfactory. Also, the advantages of this new approach are shown in practical applications.

Keywords Immune genetic algorithm; Fuzzy; Rectification Column

1．引 言

精餾是煉油、化工生產中應用最為廣泛的傳質傳熱過程。精餾塔不僅模型難以建立而且控制方案復雜。許多學者在精餾塔的模型建立和控制仿真上做了大量的研究并取得了良好的效果。本文設計了一種免疫遺傳算法優化的模糊控制器對基于奇異攝動法降階的精餾塔模型進行控制仿真研究。結果表明，這種控制器的控制效果在控制精度和過渡過程的效果上都表現出良好的效果。

2．控制算法

精餾塔最直接的質量指標是產品純度。過去由于檢測上的困難，難以直接按產品的純度進行控制。現在隨著分析儀表的發展，特別是工業色譜儀的在線應用，已逐漸出現直接按產品純度來控制的控制方案。

直接按產品純度的控制方案的好處在于：直接可以控制產品的質量。但是這種控制的難點在于被控變量的可調范圍小(只能在0～1區間變化)。根據這種現實情況，本文設計了一種免疫微粒群算法調節增益的模糊控制器。其具體算法如圖1：

篇6

關鍵詞：廢氣 回收裝置 硫化氫 化纖行業

中圖分類號: TL362.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)01-0015-01

1、前言

當今資源的合理利用和環境綜合治理將成為確保社會和經濟可持續發展的主要措施。而以苯類硫類等為代表的化學劑又是一種較為貴重的原料。所以選擇與采用一種有效途徑，將其生產過程散發出的有害廢氣進行收集，并回收原料試劑，是利國利民的措施。不僅可減少廢氣對環境的污染，而且還可減少原材料的投入。一定意義上對行業和區域可持續發展是一個積極的貢獻。

據介紹該項目開發的廢氣分離回收技術，通過深冷分離技術分離制取甲烷、氨氣，二硫化碳，并使剩余的氫氣和氮氣返回合成氨系統，重新生成合成氨再利用，實現了廢氣綜合利用。這項技術不但產生了良好的經濟效益，還可實現工業廢水和廢氣的零排放。

2、廢氣回收控制裝置的安裝和使用

該化纖企業最新廢氣回收項目，歷時3年4個月，終于投入運行。整套設備引進奧地利一家專業的廢氣回收方面的高科技公司，設備先進，技術一流，全套設備都是奧地利原地進口，奧地利派最好的本國技術專家現場勘查，選址，設備項目分析實施，測試，到試運行。

下面就我負責的電氣控制，網絡調試。控制室操作等方面進行全面的說明，讓引進的技術能夠很好的利用起來，讓我廠的技術人員更好操作該項目設備。同時與國內的同行業的專家學者進行必要的技術交流和探討。共同吸收利用國外的先進廢氣回收技術和現場控制手段。現場的機械裝置和設備相對討論較少，本人偏向控制室方面的管理和維護。雖然在語言上有很多不便和交流障礙，但是通過學習和利用網上的翻譯工具。還是能夠理解對方專家們的意圖，和想法。

控制室里面的強電控制室，電閘，空氣開關，配電柜。這些關聯控制器有手動的和自動的，都是為更好對設備電路方面的管理。

控制室兩臺大型的顯示器，是對整個廢氣回收項目流程的管理控制過程，一目了然的可以發現問題，和操作實施。全部是英文界面，通過一段學習和使用，能夠掌握和理解其中的作用和用途。

下面就針對一起網絡控制故障：來說明一下所有設備的控制管理的自動化水平還是相當的高。奧地利專家通過聯網，可以讓他們本國的專家對整套廢氣回收設備進行監控維護和管理。一次一個專家接錯了網線導致網絡中斷，他們本國的專家不能遠程操作調試設備。通過我們對整個線路的梳理過程中發現了問題。全面圖解了整個控制的網絡拓撲圖，為以后的工作也帶來很大的方便。

下面為整個控制通向外網的網絡控制線路圖：

該控制線路圖有很多是來去走一個線槽，所以容易引起控制線纜插錯位，不好復查的問題，這就要求工程人員，熟悉現場布線。明白整個控制線路走線圖。掌握所有的控制器件的用途和功效。需要專業經過培訓的現場操作工，避免誤操作和違規操作。

3、 結語

化工領域廢氣回收新技術新工藝在技術方法上具有創新性，技術指標具有先進性，均為當前迫切需要的節能減排技術和工藝，并已基本達到實際工程應用水平，國家也鼓勵對其進行工程示范和推廣。經工程實踐證明了的成熟技術，污染防治效果穩定可靠，國家鼓勵企業優先采用目錄所列的污染防治技術。為此，公司將廢氣回收技術及成套控制裝置的相關技術成果進行產業化投資推廣，促進先進技術與生產力的轉化，為社會、經濟和環境的可持續發展做貢獻。

作者簡介

篇7

信息時代，網絡技術在工業自動化生產方面推動了許多技術的變革.傳統的軋機控制，多系統間往往采用硬接線的聯系方式，工程量大，可靠性差.而工業以太網的應用，則使得多系統間的數據傳輸，變得安全、可靠、實用.針對采用網絡通訊技術所完成的12輥冷軋機電氣傳動與控制系統改造項目，介紹了MMS協議在工業以太網及DriveBus在光纖傳動網中的應用，說明了網絡技術在工業生產領域中的實際價值.

關鍵詞：

網絡技術；冷軋機；網絡通訊協議；DriveBus

中圖分類號：

TP 273+.5

文獻標志碼： A

Application of the Network Technology in the

Electrical Control of a Copper Strip Rolling Mill

ZHANG Lin

（Chinalco Shanghai Copper Co.， Ltd.， Shanghai 200940， China）

Abstract：

The application of network technology prompts many innovations in automated production in industry.Traditionally the mill control is utilized by hard wiring among the multiple systems.It requires large quantity of work with low reliability.With the application of industrial Ethernet，the data transmission among multiple systems becomes safe，reliable and practical.In this paper，the remodeling project of the drive and control system for the 12 high reversing cold rolling mill in our company is introduced.The application of the MMS protocol to the industrial Ethernet and that of drive bus to the fiber-optical communication are discussed.The remodeling project is based on the application of the network technology.Its success demonstrates the value of the network technology in industrial productions.

Key words：

network technique； cold rolling mill； MMS； DriveBus

0 前 言

某國有銅加工企業，主要生產銅及銅合金板帶、壓延銅箔.產品主要應用在信息技術制造業，比如印刷電路板的框架材料.由于部分設備為上世紀90年代進口，所以目前性能趨于老化，尤其是電氣控制部分，這給設備維護帶來了較大困難，也直接影響了產品性能及產量.鑒于此，公司邀請北京ABB工程技術公司對十二輥可逆式冷軋機進行了傳動與控制部分的電氣改造.改造后，軋機維護方便，生產能力提高.網絡技術的應用，正是這次成功改造的基礎，給后續設備的改造提供了范例.

1 設 備

十二輥可逆式冷軋機是1992年全套引進德國弗洛林公司的設備，主要軋制黃銅及紫銅帶卷產品.成品寬度為300～660 mm，厚度為0.05～1.20 mm，最高軋制速度為600 m/s.

電氣控制系統由傳動控制、過程控制、厚度控制和軋制油循環冷卻控制四部分組成.每個部分各有一套或多套PLC控制系統組成.本次改造就是針對傳動控制和過程控制的技術升級.下文所闡述的電氣控制系統均指這兩套系統.

2 網絡架構

圖1（a）是軋機改造前的電氣控制系統結構.過程控制系統由兩套ABB DP800系統與一套ABB研發的卷取計算系統（MKS）組成.傳動系統的五臺直流電動機各由一套ABB PAE系統控制.厚度控制系統（AGC）與軋制油循環冷卻系統（Filter）各由一套西門子S5系統控制.所有子系統之間均采用掛中間繼電器的硬接線形式進行聯接.從圖1中可以看到，整個系統的線路是非常復雜的.這給設備維護人員排查故障帶來很大的不便，直接影響設備的產能.

圖1（b）是軋機改造后的電氣控制系統結構.改造后的新一代PLC控制器AC800M，并由此組建了一個工業控制以太網絡.圖中實線部分是由各控制器、工程師站和過程操作面板之間通過以太網連接起來的工業網絡.傳動部分由PLC直接控制直流調速裝置DCS600組成.虛線部分就是由PLC、DCS600通過光纖分配器NDBU95組成的一個光纖傳動網絡.整個系統結構流程清晰，易于操作、便于維護.

3 網絡通訊協議的介紹與應用

3.1 MMS協議

3.1.1 MMS協議簡介

MMS制造報文規范是一個ISO9506標準，表示不同的網絡類型和連接設備都可以用相同的處理方式進行通信.協議定義了控制器（如PLC）之間、工程站點與控制器之間的通信信息的傳輸.它的開發主要應用于工業，如工業過程控制、工業機器人等領域.

MMS標準即ISO/IEC9506，由ISO TC184和IEHC共同負責管理.ISO9506由多個部分組成，其中ISO/IEC 9506

3.1.2 MMS服務

MMS應用在七層協議的應用層.其服務包括如下方面：

（1）下載應用程序，比如從工程站點下載到PLC；

（2）在網絡內建立、刪除、運行和停止程序；

（3）在網絡內設置不同的系統讀寫變量；

（4）在遠程系統里獲取關于應用執行的信息以及故障信息；

（5）網絡內的文檔讀寫；

（6）處理報警信息；

（7）獲取遠程系統的相關信息，比如系統版本、模式.

總之，MMS服務在工程站點、OPC服務器、控制器之間的作用類似一個多路轉換器[1].

3.1.3 配置

控制網絡通過工程站點項目瀏覽器進行配置.在當前的項目瀏覽器里設置通信端口.關于控制器的配置，還有一個冗余網絡的使用，根據協議Redundant Network Routing Protocol （RNRP）進行連接.

3.1.4 示例

結合本臺軋機的應用，來了解一下MMS在控制網絡中的一個應用.本例是將PLC_1里的控制變量Y11_word_01傳送給PLC_2.

圖2為兩個支持控制器PLC_1、PLC_2，各自應用中的程序通過MMS傳遞信息.

（1）控制器以太網端口設置

在項目瀏覽器里打開硬件樹，在里找到要設置的控制器.打開，在處理器單元里對進行設置.主要是設置控制器的IP地址和子網掩碼.PLC_1的IP設為172.16.0.1，子網掩碼為255.255.252.0.PLC_2的IP設為172.16.0.2，子網掩碼為255.255.252.0.

（2）變量在中的定義

主要是標識變量Y11_word_01的源路徑.定義變量的數據類型和屬性.

通過以上兩步，一個名為Y11_word_01的變量，已經可以發送到網絡上，等待被另一個控制器讀取.

（3）PLC_2讀取變量

在PLC_2里定義部分變量.主要為變量Id，數據類型Comm_Channel_MMS；變量Partner，定義發送變量的源地址，此處即為PLC_1的IP地址172.16.0.1；變量VariableName01，定義接收的變量名，此例為Y11_word_01.變量Rd01，定義所要接收變量的數據類型.

定義完變量，在PLC_2的程序中使用功能塊MMSConnect和MMSReadCyc，即可實現對變量Y11_word_01的讀取.

3.2 DriveBus協議

3.2.1 簡介

ABB公司推出的DriveBus協議主要應用在ABB的傳動設備、特殊I/O單元與一個連接有CI858通信接口模塊的AC800M控制器之間的通訊網絡上.可以使這些單元循環地同時進行一組數據（輸入/輸出）的交換.

DriveBus通信協議應用在組合傳動上.它支持DDCS（Distributed Drives Communication System）協議；支持CI858通信接口單元；采用抗干擾性能好、能拓展網絡物理距離的光纖作為傳輸介質.

3.2.2 服務

協議的服務主要涉及傳動與控制器之間的數據通信；傳動單元輸入/輸出端口的數據循環交換（以組的形式產生）；特殊I/O單元的數據循環交換.

3.2.3 特點

DriveBus協議有如下特點：

（1）支持不同類型的傳動裝置和特殊I/O單元.例如：直流調速系統DCS400、DCS500、DCS600，交流變頻系統ACS400、ACS600、ACS800、ACS1000；

（2）傳動裝置內部時間與日歷同步.方便記錄歷史事件；

（3）使用AC800M方便地對傳動或特殊I/O單元進行設置；

（4）自診斷功能.當進行了錯誤的設置，系統會有提示，提醒操作者；

（5）不需要外加適配器.

3.2.4 配置

以本臺軋機為例，要實現控制器與傳動之間的通信需要進行如下設置.

對于傳動DCS600來說：

（1）使用專用傳動軟件設置；

（2）定義參數組（90…93）的參數（僅對需要的變量）.

對于控制器來說：

（1）在硬件組中添加傳動單元；

（2）定義參數；

（3）連接變量；

（4）下載程序到控制器（AC800M）.

3.2.5 示例

用開卷機點動操作，來說明控制器PLC_1與調速器DCS600的通訊連接.

（1）對DCS600的設置

利用DriveWindow軟件對DCS600進行相關設置.軟件中規定了參數08.01是調速器主狀態字，參數07.01是對調速器的主控制字.根據示例任務，給DCS600的主狀態字定義一個數據組Dataset.比如定義參數組92中，第一個參數92.01賦予主狀態字參數08.01.對參數組90的第一個參數90.01賦予主控制字參數07.01.

（2）對控制器AC800M的設置

在項目瀏覽器里打開硬件樹，在里找到要設置的控制器.打開，在模塊內的下新建傳動單元.設置它的一些主要參數，比如傳動單元類型，數據組優先級.

在程序里聲明兩個變量，分別賦予主狀態字和主控制字的值.程序里變量D21G11_MAIN_STATUS_WORD賦主狀態字值，即參數08.01值，變量D21G11_MAIN_CTRL_WORD賦主控制字值，即參數07.01值.

至此，將程序下載到控制器中，DriveBus通信將自動建立.圖3是信息流程圖.

AC800M為可編程邏輯控制器；CI為CI858通訊模塊；PP245為過程控制面板；NDBU_95為光纖分配器；DCS600為直流調速系統.值得一提的是每個連接到CI858接口的傳動單元，都可以定義8對輸入/輸出數據組.最大傳輸率達到8對數據組/ms.

4 結束語

通過對MMS和DriveBus兩個通信協議在銅帶軋機改造中的應用介紹，有理由相信，網絡技術應用在生產實踐上可帶來效率的提高和效益的增加.

篇8

隨著互聯網的發展，在使用計算機進行互聯的同時，各種智能家電、工業控制、智能儀器儀表、數據采集都在逐步趨向網絡化。但由于以太網在實時性和可靠性的先天不足，各種現場總線技術應運而生；更因為其徹底的開放性、分散性和完全可互操作性等特點，正成為未來新型工業控制系統的發展方向。以太網以其應用的廣泛性和技術的先進性，逐漸壟斷了商用計算機的通信領域和過程控制領域的上層信息管理與通信。為實現上層管理網絡與下層控制網絡的集成，在實際中必須實現現場總線與以太網互聯。

Lonworks現場總線是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網絡。Lonworks現場總線在網絡通信方面具有突出優點，如網絡物理層支持多種通信介質，支持多種網絡拓撲結構等。目前使用Lonworks技術的產品廣泛應用于工業、樓宇、家庭、能源等自動化領域。本文提出的適配器連接方案，能將LON控制網與以太網無縫連接，實現透明傳輸。

圖1 互連適配器的電路框圖

1 互連適配器硬件電路設計

適配器使用的主要芯片為神經元芯片TMPN3150、51單片機89C51RD和以太網控制器RTL8019as。主要分為Lonworks控制模塊、協議轉換模塊和以太網通信模塊。其中，協議轉換由單片機內部軟件完成。

1．1 Lonworks控制模塊

Lonworks控制模塊主要完成對LON網數據的管理并向單片機傳輸數據，其核心是神經元芯片。神經元芯片與其他設備的互連是通過其11個I／O口，編程人員可以定義多個引腳為輸入／輸出對象。用戶程序可通過io＿in（）和io＿out（）訪問這些I／O對象，并在程序執行期間完成輸入／輸出操作。本文設計的適配器采用Neuron芯片預定義的并行I／O對象，實現了高數據速率和全雙工工作方式。

并行I／O對象利用Neuron的11個I／O口進行通信。其中IO0～IO7為雙向數據線，IO8～IO10為控制信號線。借助令牌傳遞握手協議，并行I／O口可外接處理器，實現Neuron芯片與外接各類微處理器之間的雙向數據通信。并行口的速率可達3．3Mbps，工作方式有三種，即主模式、從A模式和從B模式。不同的模式下，IO8～IO10這三根控制信號線的意義不同。本文應用從A模式?與單片機連接如表1所示。

表1 Neuron芯片與單片機的連接

IO8片選信號線（CS）接P2.5IO9讀寫信號線（R/W）接P3.6IO10握手信號線（HS）接P1.0IO0～IO7數據總線接P0.0～P0.7從A模式中，Neuron芯片為從機，51單片機為主機。主機與從機間的數據傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協議（Virtual Write Token－Passing Protocol）實現。主機和從機交替地獲得寫令牌，只有擁有寫令牌的一方可以寫數據（不超過255字節），或者不寫任何數據傳送一個空令牌。傳送的數據要遵從一定的格式，即在要傳送的數據前面加上命令碼和傳送的數據長度。命令碼有CMD＿XFER（寫數據）、CMD＿NULL（傳遞空令牌）、CMD＿RESYNC（要求從機同步）、CMD＿ACKSYNC（確認同步）四種，最后以EOM字節結束。寫數據和傳遞空令牌的格式分別如表2、表3所示。

表2 寫數據的格式

CMD_XFERLengthDataEOM表3 傳遞空令牌的格式

CMD_NULLEOM1．2 以太網通信模塊

以太網通信模塊由51單片機和RTL8019as組成。以太網控制器RTL8019as由臺灣Realtek公司生產，100腳PQFP封裝。它支持8／16位數據總線及16個I／O基地址選擇，使用Ne2000兼容的寄存器結構。它有一塊16K字節的RAM，地址為0x4000～0x7fff。實際上它是雙端口RAM，可以同時被網卡讀／寫和用戶讀／寫，相互之間不影響。網卡讀寫比用戶讀寫的優先級高。RAM分頁存儲，每256字節稱為一頁。將前12頁作為發送緩沖區（0x4000～0x4bff），后52頁作為接收緩沖區（0x4c00～0x7fff）。

以太網的介質訪問控制、CRC校驗及數據幀的接收和發送都由網卡自動完成，只需將IP包加上目的MAC地址和源地址，再通過遠端DMA接口對RTL8019as內部RAM進行讀寫即可。網卡的地址線共20根。用到的網卡地址為十六進制的0240H～025FH，基地址為0240H，從地址240H～25FH。地址線的A19～A5是固定的000000000010010，只需5根地址線即可。所以RTL8019as輸入輸出地址共32個，地址偏移量為00H～1FH（對應于240H～25FH）。對于8位操作方式，32個地址中只有18個有用：00H～0FH共16個寄存器地址，10H為DMA地址，1FH為復位地址。本適配器采用輪詢方式，不使用中斷。故RTL8019as與單片機的連接如表4所示。

表4 RTL8019as單片的連接

IORB讀信號，接P3.6IOWB寫信號，接P3.7RSTDRV復位信號，P3.4AEN地址信號，接地IOCS16接下拉電阻，選擇8位模式S0～S7數據總線，接單片機P0口A19～A10，A6地址線接地A9，A5接P2.5（高電平時選中）A4～A0接單片機P2.0×P2.4表5 單片機發往RTL8019as的數據格式

以太網首部IP首部UDP首部數據14字節20字節20字節128×n字節本適配器使用UDP傳送數據，同時支持ICMP的回應應答和回應請求報文（Ping命令），單片機發往RTL8019as的數據幀格式如表5所示。

用單片機實現UDP協議要作一些簡化，不考慮數據分片和優先權。因此，在IP首部中不討論服務類型和標志偏移域，只需填“0”即可。

1．3 互連適配器的硬件電路設計

由于P89C51RD2只有四個8位I／O口，無法同時與RTL8019as 和TMPN3150通信，故使用P0口作為數據總線。P2．5作為片選信號，高電平為RTL8019as，低電平為TMPN3150。圖1給出了互連適配器的電路框圖。其中3150和RTL8019as復用同一條8位數據線，依靠P2．5進行片選。當P2．5高電平時，RTL8019as地址（1XXXXX）有效，被選中。Max232作為單片機的下載線，互聯適配器也可使用RS232口與計算機通信。

圖2 適配器工作流程圖

2 互連適配器的軟件設計

適配器的軟件編寫包括兩部分：一部分是TMPN3150上用Neuron C語言編寫；另一部分是在P89C51上用C51語言開發TCP／IP協議棧和與TMPN3150、RTL8019as的通信軟件，可讀性強，可方便地移植到其他51核心單片機上。

2．1 適配器的初始化

P89C51單片機和TMPN3150之間先建立握手信號，即HS信號有效（由TMPN3150的固件自動實現）；然后，主機發送一個CMD＿RESYNC命令，要求從機同步，而從機接收到這個信號后，則發送CMD＿ACKSYNC，表示已同步，可以通信了。RTL8019在通信前要先讀取93C46的內容并設置內部寄存器的值（配置寄存器CONFIG1～4，網絡節點地址），再由89C51對RTL8019的頁0與頁1相關寄存器進行初始化，即可正常工作。

2．2 適配器工作流程

考慮到LON網主要作為監控網絡，特別在樓宇自動化中的監控，由LON網發往以太網的數據較多，應首先保證其優先權。且89C51RD只有1024字節的內存，無法處理大的以太網幀。經過實驗比較，在最后具體實現時，選擇LON最大為每幀64字節，盡量做到每收10個LON幀，發一個以太網幀，流程如圖2所示。

篇9

關鍵詞：ProfiNet；汽車生產線；PLC

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.14.096

ProfiNet是面向所有自動化任務而制定的通用標準，能在復雜的環境下工作，克服各種電磁干擾以及惡劣的環境因素。汽車生產線控制過程是連續的，需要長時間的穩定工作，而ProfiNet適用于各種網絡結構，通過互聯網可以在世界各地實現數據的訪問，提供最佳組態和診斷的所有功能，能夠在故障出現后進行快速定位，保證生產線的流水作業高效進行。

1 系統硬件設計

1.1 網絡拓撲結構

汽車自動生產線控制器所采用的PLC為西門子S7-300系列，系統的網絡拓撲結構如圖1所示。人機界面、PLC與上位機控制器通過交換機采用PROFINET網絡實現實時可靠的通信。由于S7-300系列PLC CPU不具有PROFINET網絡接口，故采用CP343通信模塊連接網絡，再通過分布式I/O ET-200S作為從站，控制自動線實現各系統功能。

圖1 網絡拓撲結構

1.2 硬件系統結構

硬件系統結構中，PC與HMI為管理層，S7-300PLC為主站，控制分布式I/O從站，維護人員通過監控畫面實時監測系統運行情況，管理層與分布在現場的各個從站通過PROFINET網絡實現通信，主要是從PLC控制器中讀取從站故障報警錯誤，當系統運行出現故障時，能夠實現快速定位，準確查找的功能。在每個獨立的控制系統中都有一個CPU313模塊，每個CPU模塊又帶有通信模塊CP343，將多個獨立的智能從站連接到網絡中，實現整個自動線控制系統的全面通信。

2 軟件程序設計

2.1 系統組態

應用博圖V13 step7進行組態。首先添加CPU模塊，將CP343-1通信模塊連接到網絡中，再添加從站ET200S，給ET200S分配主站，然后依次添加ET200S的組件，電源模塊以及各信號模塊。將CP343-1作為通信主站，需要設置網絡IP地址和通信速率等參數。

2.2 系統PLC程序設計

在OB1中編寫系統循環調用的主程序，需要調用PNIO-SEND和PNIO-RECV模塊實現主站和從站之間的相互控制輸出。編寫符號表，將系統各I/O點與實際原件相對應。汽車自動生產線由輸送站控制系統、指示燈控制系統、行車機構控制系統、循跡搬運車控制系統、升降機控制系統、搬運機械手控制系統和堆垛解垛控制系統組成。針對每個單獨的控制系統，分別建立功能塊FB實現每個系統的獨立控制功能，在建立FB塊時要分配數據塊DB用于存儲系統運行數據，使用DB塊之前要設置其存儲類型，所屬FB塊以及大小等參數。將設計好后的各FB塊在主程序塊OB1中調用，依據自動系統的邏輯順序實現輸送、搬運、暫存、協調生產的過程。編譯無誤后將系統組態和各系統功能塊分別下載到PLC控制器中運行。

3 人機監控界面設計

HMI監控界面同樣采用博圖V13軟件中的WINCC來設計。首先將專用的驅動程序添加到組態中，新建一個I/O設備連接，同時設定PLC屬性。然后設計WINCC監控界面，在軟件數據庫中對數據進行組態，當從站各系統功能出現故障時，通過網絡通信接收故障點的信息，以便維修人員進行現場作業。

4 結束語

基于ProfiNet網絡的汽車生產線自動控制系統，能夠對各從站系統實現實時監控和信息反饋，可以快速的定位故障位置，以便于維修人員進行進行檢測和維護。ProfiNet網絡相比于傳統的MPI通信具有環境適應性高，安全可靠，故障恢復時間短等特點，能夠降低維修診斷成本，提高車間生產效率。

參考文獻

[1]胡健.西門子7S一3004/00PLC工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007，（3）.

[2]崔堅.TIA-博圖軟件――STEP7 V11編程指南[M].北京：機械工業出版社，2012，（4）.

篇10

關鍵詞：GSM網絡；單片機；汽車防盜報警系統

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

常規的汽車防盜報警系統，在報警實時性、可靠性、以及系統自身運行安全穩定性等方面，均很難滿足現代汽車功能和技術日新月異變化的人性化、智能化、自動化、網絡化、集成化等特性需求，防盜功能存在較多缺陷。

近幾年，GPS技術研究和實際應用的進一步成熟完善，GPS技術已在汽車導航系統中發揮非常良好的性能。同時，加上移動通信技術服務覆蓋范圍的進一步擴大，基于GPS無線移動通信技術的汽車動態防盜報警集成系統的研究，就顯得非常有理論研究和實際應用價值。

1 汽車報警系統整體設計方案

GSM(全球移動通信)是我國無線通信覆蓋面較廣、傳輸可靠性較高、數據保密性強的數字移動通信服務網絡，而短消息服務(SMS)則是GSM數字通信服務中的一項非常重要且成熟的業務，其實質是在移動網絡上在不需要建立撥號連接的前提下，實現間斷信息的實時傳輸通信。基于GSM網絡與單片機控制的汽車防盜報警系統的整體設計方案如圖1所示：

從圖1可知，基于GSM網絡與單片機控制系統的汽車防盜報警系統，其核心在于以SMS短消息為傳輸媒介，用戶的手機可以發送短消息到支持中文短信息的工業級GSM模塊--TC35I手機通信模塊，實現使用手機遠程開關車門、鎖定打開油路、實時監控汽車運行安全狀態、以及防盜報警燈功能。例當車主發送"oil"到 TC35I手機通信模塊，則可以智能檢測汽車油路是否鎖定，如果處于鎖定狀態，則TC35I手機模塊就會返回短信"oil is lock"的短消息，反之則會返回"oil is open"的短消息。基于GSM網絡的汽車防盜報警系統，會實時動態監測汽車的安全狀態，一旦監測到車門被非法打開、汽車點火系統被非法開啟等危險時，防盜系統就會自動通過TC35I手機通信模塊，向車主手機發送防盜報警短信。在進行遠程操作時，TC35I手機通信模塊會將接收到車主手機返回的短消息內容，自動轉換成標準格式數據信息，通過相應串口將數據傳回單片機控制系統，由單片機內部程序自動化判斷短消息內容是否為合法遠程操作指令，如果為合法則執行相應的操作，提供對應的智能化、人性化服務；如果指令不合法，則會自動清空數據區中的數據為下一次接收車主短消息指令做好準備。當防盜報警系統檢測到車門被非法打開、點火系統被非常開啟時，就會通過單片機將汽車安全數據轉換成標準格式的短消息，通過TC35I手機模塊向車主手機發送短消息，同時用戶可以根據需要回復短消息到防盜報警系統中，通過單片機驅動對應執行機構，完成相應遠程操控，如點火系統自動閉鎖、停止油路供給等防盜遠程操作，從而大大提高汽車防盜報警性能。

2 主要功能模塊工作原理

2.1 單片機控制系統

基于GSM網絡的汽車防盜報警系統的硬件平臺主要選用PIC18F458型單片機，作為整個系統的邏輯判斷控制中心，其核心電路主要包括報警信號采集系統（包括傳感器等功能模塊）、GSM通信控制子系統（包括定位、短信等功能模塊）、以及汽車遠程控制執行系統（包括汽車點火閉鎖系統、油路供應系統等）。單片機控制系統是汽車防盜報警系統的中心處理中樞也是遠程操控執行命令發出單元，負責短消息信號處理、外設功能模塊接入與控制、以及所有功能模塊軟件程序運轉載體。

2.2 GPS定位功能模塊

定位模塊主要由GPS數據通信功能模塊完成，但當GPS定位模塊在高大建筑物下，會出現信號減弱甚至沒有信號等問題，因此，在汽車防盜報警系統設計中，采用輔助GSM的蜂窩基站定位可以彌補GPS存在障礙物阻擋環境中信號不足問題，從而有效提高GPS定位的可靠性和準確度。車載GPS接收機，可以通過接收觀測范圍內的幾個衛星信號，結合內部相關運算邏輯將所接收的衛星數據信息進行分析處理，進而可以得到車載GPS接收機的三維位置、三維方向、以及運動速度和時間等信息，便于車主對汽車進行動態定位監控。

2.3 傳感器系統

在汽車防盜報警系統設計中，為了達到更好的防盜安防效果，傳感器的布設位置必須要能夠動態檢測到可能威脅到汽車安全，以及阻礙盜車行為發生或擴大等功能。針對砸車門、車窗等盜竊行為，可以在車窗部位處設置瞬時大震動傳感器，也就是當汽車在正常行駛過程中可能出現的顛簸震動不能觸發傳感器，從而提高防盜系統運行可靠性；如果盜車賊僥幸破壞車窗震動報警系統進入車內后，會通過車內設置的熱釋電傳感器，以檢測車處于停車狀態車內是否有非常人員進入；同時，盜車賊如果想開動汽車，則必須啟動點火系統，并踩踏油門踏板方能開動車輛，在油門踏板下設置傳感器，并將點火系統閉鎖信號引入到單片機控制回路中，進而確保汽車在被盜竊過程中自動閉鎖保護，提高汽車防盜水平。通過層層傳感器系統的設置，可以達到對盜竊保護信號的動態檢測效果。當系統檢測到盜竊信號或用戶通過短信息返回啟動防盜系統時，控制器就會通過相應繼電器執行機構閉鎖點火系統、油路供應系統、車門車窗閉鎖系統等，從而在防止盜竊行為得逞和進一步擴大前提下，協助警察抓捕非常盜車人員。

3 系統軟件工作流程

為了區分汽車報警信號的緊急程度，在系統軟件程序中設置兩類短信工作模式，即：當防盜報警系統單一檢測器檢測到危險信號后，則會向車主手機發送以危險模式發生短信；若兩個或兩個以上檢測器檢測到危險信號時，則會以緊急嚴重模式發送短信。當用戶收到危險短信息時，只需要通過撥號連接方式就可以遠程操作閉鎖點火系統和油路供應系統。PIC18F458單片機利用準確可靠采集信息和計算方法對震動信號、紅外信號、踩踏壓力信號等進行動態采樣和運算分析，從而提高系統工作可靠性和動作穩定性。汽車防盜報警系統的軟件工作流程如圖2所示：

圖2 汽車防盜報警系統軟件工作流程

從圖2可知，整個汽車防盜報警系統以GSM網絡、單片機控制系統、傳感器等檢測元件和執行機構，構成一個完整的閉環遠程操控，大大提高了汽車防盜系統的運行可靠性和人性化、智能化、網絡化服務水平。

結束語

基于GSM網絡與單片機控制的汽車防盜報警系統，不僅可以有效提高汽車防盜報警通信的實時性、可靠性和準確性，同時采用GPS與輔助GSM的蜂窩基站對車輛進行準確定位，實現車主對汽車遠距離實時在線定位監控。基于GSM網絡與單片機控制的汽車防盜報警系統，與常規的純硬件單純聲光“防盜報警”系統相比，具有非常明顯的靈活性和功能擴展能力，在汽車智能化、人性化、網絡化防盜領域具有較高理論研究和實際實用推廣應用價值。

參考文獻

[1]毛彩云，吳暮春，王海林.汽車防盜系統的發展[J].汽車維修，2010(3)：41-43.