網(wǎng)絡(luò)控制器范文

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篇1

關(guān)鍵詞：飛騰處理器；linux驅(qū)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(xué)院研制的一款高性能通用服務(wù)器處理器。飛騰處理器芯片內(nèi)部集成了兩個千兆網(wǎng)絡(luò)控制器，通過高速AMBA總線與CPU系統(tǒng)總線互連。

本文研究了飛騰處理器網(wǎng)絡(luò)控制器相關(guān)的硬件原理以及l(fā)inux下驅(qū)動框架知識，設(shè)計和實現(xiàn)飛騰處理器中網(wǎng)絡(luò)控制器的驅(qū)動，并對其進行了優(yōu)化，使其達到了千兆網(wǎng)卡的使用需求。

1 硬件原理

飛騰處理器網(wǎng)絡(luò)控制器器包括AHB/AXI接口，DMA通道，F(xiàn)IFO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(tǒng)總線互連，即可以作為從設(shè)備接收CPU的訪問操作，也可以作為主設(shè)備為DMA啟動訪存操作；DMA通道負責(zé)通過AMBA總線在系統(tǒng)主存和內(nèi)部FIFO之間進行數(shù)據(jù)包的傳輸；DMA通道和FIFO緩沖都是接收和發(fā)送專用的，因此一個網(wǎng)絡(luò)控制器包含兩個DMA通道和兩個FIFO緩沖；核心邏輯實現(xiàn)了千兆介質(zhì)無關(guān)接口GMII，并負責(zé)在FIFO緩沖區(qū)和GMII之間進行數(shù)據(jù)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(zhì)相關(guān)MD總線訪問物理層芯片的狀態(tài)和控制寄存器SCR。

2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)計

linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動基本框架從上到下劃為三層，分別為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層，設(shè)備驅(qū)動功能層。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包收發(fā)接口，使得上層ARP或IP協(xié)議獨立于具體的設(shè)備，通過dev_queue_xmit（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過netif_rx（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)接口層從宏觀上規(guī)劃了具體操作硬件的設(shè)備驅(qū)動功能層的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層提供統(tǒng)一的用于描述具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬性和操作的結(jié)構(gòu)體net_device，該結(jié)構(gòu)體是設(shè)備驅(qū)動功能層中各函數(shù)的容器。

設(shè)備驅(qū)動功能層各函數(shù)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體成員，是驅(qū)使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件完成相應(yīng)動作的程序，它通過hard_start_xmit（）函數(shù)啟動發(fā)送操作，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的中斷觸發(fā)接受操作。

飛騰網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動實現(xiàn)了linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動基本框架要求的函數(shù)接口，并在此基礎(chǔ)上進行了一系列的優(yōu)化，主要技術(shù)難點在于資源尋址機制、鏈路狀態(tài)監(jiān)控和基于DMA的數(shù)據(jù)包收發(fā)機制的設(shè)計和實現(xiàn)。

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(wǎng)絡(luò)控制和狀態(tài)寄存器CSR資源的尋址，另一方面是網(wǎng)絡(luò)控制器DMA對系統(tǒng)主存資源的尋址。

在飛騰處理器中，網(wǎng)絡(luò)CSR寄存器和所有其他AMBA總線設(shè)備的寄存器一樣，被固定在AMBA總線地址空間的一段范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)CSR寄存器的尋址，并通過CSR寄存器中的MD地址和數(shù)據(jù)寄存器的編程，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)物理層芯片內(nèi)部MD寄存器的訪問。

網(wǎng)絡(luò)控制器的DMA需要在系統(tǒng)主存和內(nèi)部FIFO緩沖之間進行數(shù)據(jù)傳輸，因此DMA需要具有系統(tǒng)主存的訪問能力，也就是說，系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)存，在AMBA地址范圍為[0x84_0000_0000，0x84_FFFF_FFFF]。驅(qū)動程序的硬件初始化部分，通過AMBA總線控制器完成系統(tǒng)主存到AMBA總線地址的映射，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器DMA對系統(tǒng)主存資源的尋址。

2.2 鏈路狀態(tài)監(jiān)控

飛騰處理器網(wǎng)絡(luò)控制器主要使用GMII提供的管理接口MDIO來實現(xiàn)對物理芯片的控制并收集其狀態(tài)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(shù)據(jù)的輸入輸出雙向接口，數(shù)據(jù)是與MDC時鐘同步的。

網(wǎng)絡(luò)控制器提供了兩個寄存器，分別為GMII地址寄存器和GMII數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器，來控制和管理PHY芯片，如TX/RX模式選擇、自動協(xié)商控制、環(huán)回模式控制等；或從GMII數(shù)據(jù)寄存器中讀出PHY芯片的狀態(tài)信息，包括鏈接狀態(tài)、傳輸速度、斷電、低功率休眠狀態(tài)等，實現(xiàn)對PHY芯片狀態(tài)的監(jiān)控。

2.3 基于DMA的數(shù)據(jù)包收發(fā)

DMA描述符是由16個字節(jié)組成，4個字節(jié)一組，將這4組分別標(biāo)識為DES0，DES1，DES2，DES3。

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

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

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

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

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包經(jīng)過PHY芯片的接收進入到網(wǎng)絡(luò)控制器的接收FIFO時，網(wǎng)絡(luò)控制器會自動從AHB/AXI接口發(fā)起DMA操作，從DMA接收描述符表基址寄存器中或者從當(dāng)前接收描述符寄存器中讀取當(dāng)前描述符的DMA地址，訪問系統(tǒng)主存，獲取當(dāng)前描述符DES2字段指向的skb緩沖區(qū)的地址，將網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)部的接收FIFO中的數(shù)據(jù)DMA到系統(tǒng)主存的緩沖區(qū)中，最后將接收狀態(tài)寫入對應(yīng)的接收描述符中DES0狀態(tài)字段，將接收到的數(shù)據(jù)包的長度等信息寫入對應(yīng)的接收描述符的DES1的對應(yīng)字段中，并產(chǎn)生接收中斷。內(nèi)核調(diào)用對應(yīng)的中斷處理程序，使用輪詢的方式進行收包，并將數(shù)據(jù)包提交給上層協(xié)議棧。

對于發(fā)送，驅(qū)動在系統(tǒng)主存中維護了一個256個描述符組成的發(fā)送描述符數(shù)組，并將發(fā)送描述符數(shù)組的起始地址寫入DAM發(fā)送描述符表基址寄存器中。當(dāng)應(yīng)用程序要發(fā)送數(shù)據(jù)時，上層協(xié)議棧會向驅(qū)動傳遞要發(fā)送的skb緩沖區(qū)，將skb緩沖區(qū)進行DMA流式映射，并將生成的DMA地址填寫在當(dāng)前發(fā)送描述符的DES2緩沖區(qū)地址字段，根據(jù)skb的相關(guān)成員變量，填寫對應(yīng)描述符的DES1的校驗和字段以及緩沖區(qū)大小字段等。最后，寫DMA發(fā)送輪詢寄存器，將喚醒發(fā)送DMA，使其進入運行狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)送DMA進入運行狀態(tài)，DMA將從DMA發(fā)送描述符表基址寄存器或者當(dāng)前發(fā)送描述符寄存器中獲取當(dāng)前描述符的DMA地址，訪問系統(tǒng)主存，獲取當(dāng)前描述符DES2字段指向的skb緩沖區(qū)的地址，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)DMA到網(wǎng)絡(luò)控制器的發(fā)送FIFO中，并通過PHY收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

3 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動優(yōu)化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動優(yōu)化技術(shù)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(qū)動向內(nèi)核申請skb緩沖區(qū)后，需要調(diào)用skb_reserve（skb，2），使得skb->data向后移動兩個字節(jié)，因為mac頭長度是14個字節(jié)，skb->data前面空置的2個字節(jié)加上mac頭長度正好是16個字節(jié)，使得接下來的IP報文的起始地址是4字節(jié)地址對齊，這樣做使得內(nèi)核在后續(xù)對IP報文訪問時使用了對齊的地址，減少了很多的數(shù)據(jù)拷貝，提高了性能。但這樣做，會使得對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)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(chǎn)生影響，但此款網(wǎng)卡適配器的DMA對緩沖區(qū)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(wǎng)絡(luò)性能的提高是很顯著的。

3.2 NAPI技術(shù)

對于高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言，單純采用中斷驅(qū)動的方式，CPU可能在短時間內(nèi)接收到大量密集的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，如果每一個進入的數(shù)據(jù)包都向CPU產(chǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

NAPI的設(shè)計思想是使用中斷和輪詢相結(jié)合的方式接收數(shù)據(jù)包，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達觸發(fā)中斷，在中斷處理程序中調(diào)用_stmmac_schedule（）函數(shù)關(guān)閉接收中斷，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包的接收進入輪詢模式，調(diào)用輪詢函數(shù)接收數(shù)據(jù)包。在輪詢函數(shù)中，設(shè)置了一個接收數(shù)據(jù)包的閥值，每次輪詢函數(shù)接收到數(shù)據(jù)包達到這個閥值時，輪詢函數(shù)將返回，等待下一次的輪詢。當(dāng)一次輪詢接收的數(shù)據(jù)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(guān)閉中斷，實現(xiàn)了中斷緩和，減少了內(nèi)核處理中斷的壓力，變相提高了性能。

3.3 GSO技術(shù)

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

TSO是使得網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能夠?qū)⒋髩K buffer 推送至網(wǎng)卡，然后網(wǎng)卡執(zhí)行分片工作，這樣減輕了CPU的負荷，但TSO需要硬件來實現(xiàn)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(shù)一般化，因為其本質(zhì)實際是延緩分片，這種技術(shù)，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(zhí)行，放在將數(shù)據(jù)推送的網(wǎng)卡的前一刻，也就是在調(diào)用驅(qū)動的stmmac_xmit函數(shù)前，達到延緩分片的目的，最終提高了性能。

4 測試

硬件環(huán)境：FT1000A采用內(nèi)置網(wǎng)卡與X86機器的BCM57780網(wǎng)卡互連。

軟件環(huán)境：測試工具為iperf。

由測試結(jié)果可得：新設(shè)計的驅(qū)動較之前的驅(qū)動在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)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(dǎo)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(fā)送性能有大幅度提升；UDP發(fā)送速率，峰值原本已經(jīng)接近X86上千兆網(wǎng)卡性能。

5 結(jié)束語

本文詳細闡述了國產(chǎn)飛騰處理器SOC網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動的設(shè)計實現(xiàn)以及對其進行的優(yōu)化，雖然網(wǎng)卡在此驅(qū)動程序的驅(qū)動下，網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)幾乎達到了千兆網(wǎng)絡(luò)性能要求，但與X86千兆網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)性能還是有差距的，希望通過后續(xù)學(xué)習(xí)和研究，能進一步提升國產(chǎn)飛騰處理器平臺的網(wǎng)絡(luò)性能。

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篇2

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)擁塞；魯棒H∞控制；H∞性能指標(biāo)；狀態(tài)反饋

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)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(fā)送數(shù)據(jù)包,通過網(wǎng)絡(luò)反饋的信息來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)包發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù),通過反饋信息調(diào)節(jié)窗口大小。基于速率的擁塞控制方法以其簡單及易于實現(xiàn)性正在ATM等高速網(wǎng)絡(luò)中得到越來越普遍的應(yīng)用,也引起了許多學(xué)者的研究興趣。在設(shè)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(shè)計基于H∞理論的流速控制器用于解決多源單瓶頸網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(chǔ)上設(shè)計多源單瓶頸網(wǎng)絡(luò)的魯棒H∞擁塞控制反饋控制器,目的是防止擁塞且使網(wǎng)絡(luò)達到最大利用效率,以及消除時滯的影響,使系統(tǒng)可魯棒鎮(zhèn)定。

1 問題描述

圖1所示為多源單瓶頸網(wǎng)絡(luò)擁塞控制反饋系統(tǒng),q(t)≥0表示瓶頸節(jié)點的實際數(shù)據(jù)緩沖隊列長度； qe(t)＞0為期望數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)的各源端數(shù)據(jù)輸出率;ri(t-τi)為瓶頸點的各源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出速率。該系統(tǒng)的動態(tài)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(quán)函數(shù)為Wq(s),P=P0(1+Wq),規(guī)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(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定的充要條件是：

① 有一個使圖2所示的反饋控制系統(tǒng)對于任意的Δ(s)∈ BH∞都穩(wěn)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(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定的充要條件是:

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

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

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制反饋系統(tǒng)

圖2 具有加法不確定性的控制系統(tǒng)

圖3 具有乘法不確定性的控制系統(tǒng)

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

據(jù)此可對上述反饋系統(tǒng)的P0進行互質(zhì)分解P0=ND -1,K能鎮(zhèn)定P0的集合為:

U+DWV-NW:NU+DV=1

式中：U,V,W均為穩(wěn)定、正則、實有理函數(shù)。

2 H∞擁塞控制反饋控制器的設(shè)計

考慮到各源公平性的原則,設(shè)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(tǒng)框圖如圖4所示［5］。

圖4 反饋系統(tǒng)框圖

圖4中P(s)代表時滯環(huán)節(jié),是多輸入單輸出系(MISO),其傳遞函數(shù)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(tǒng)(SIMO),其傳遞函數(shù)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(tǒng)的魯棒可鎮(zhèn)定性分析

設(shè)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(tǒng)可魯棒鎮(zhèn)定的充要條件是能鎮(zhèn)定G0(s)的標(biāo)稱系統(tǒng),且滿足以下H∞性能指標(biāo)［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(zhì)分解,設(shè)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(biāo)量。由引理2知對于標(biāo)稱系統(tǒng)可魯棒鎮(zhèn)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(tǒng)的性能要求分析

對e(t)求導(dǎo)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(wěn)態(tài)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(shè)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(wǎng)絡(luò)達到最大利用效率,E(s)∞應(yīng)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(wǎng)絡(luò)利用效率,需滿足以下H∞性能指標(biāo)［7］:

γ -1Ws(s)\ -1≤1(10)

式中:Ws(s)是靈敏度權(quán)函數(shù),為使控制器Ke(s)出現(xiàn)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(biāo)量γ＞0為選取的H∞性能指標(biāo)。綜合性能指標(biāo)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(yīng)用中常見的混合靈敏度優(yōu)化問題。考慮式(5),上述性能指標(biāo)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(jù)式(13)可求取F(s),從而得到符合系統(tǒng)設(shè)計要求的擁塞控制H∞反饋控制器。

3 實例分析

設(shè)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)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(tǒng)最大時滯為τm=0.1;H∞性能指標(biāo)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(quán)函數(shù)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(jié) 語

研究了多源單瓶頸網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制魯棒H∞反饋控制器的設(shè)計問題,首先建立一個網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)的動態(tài)模型,然后進行H∞擁塞控制反饋控制器的設(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵詞： IA技術(shù)雙控制器；網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；可靠性

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

0 引言

將實時的網(wǎng)絡(luò)閉合控制系統(tǒng)應(yīng)用到控制環(huán)路中，就稱之為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是能夠使我們對系統(tǒng)的維護與診斷工作變得更加簡單方便，并通過對系統(tǒng)連線的減少，起到了對系統(tǒng)靈活性的有效提高。但是，其同行業(yè)中一些點對點進行控制的系統(tǒng)比起來，其將通信網(wǎng)絡(luò)同反饋閉環(huán)相結(jié)合的方式也會使這個控制系統(tǒng)的設(shè)計工作與分析工作更加復(fù)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(wǎng)絡(luò)延遲等問題對系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行以及系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時則應(yīng)當(dāng)對其進行重新全面的評估。

而隨著我國計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能（IA）成為了我國當(dāng)下較為熱門的研究技術(shù)，同時由于其在控制系統(tǒng)中良好的表現(xiàn)與易用性，也受到了各方面研究人員的注意。目前，已經(jīng)有研究人員提出了以IA理論為基礎(chǔ)、因特網(wǎng)技術(shù)為媒介的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，同時在系統(tǒng)中以不同的計算機來對整個系統(tǒng)進行組成。但是在這種IA思想的控制系統(tǒng)中，如果將整個系統(tǒng)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(xiàn)故障，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)隨之進入癱瘓之中，這就導(dǎo)致了這個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠程度得不到應(yīng)有的保證。為了解決這種問題，就需要建立一套有著更高穩(wěn)定性的、同樣以IA技術(shù)為基礎(chǔ)的雙控制器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

1 基于IA技術(shù)雙控制器NCS建模

計算機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是以IA思想為基礎(chǔ)、并以因特網(wǎng)作為傳輸媒介、計算機為系統(tǒng)主要組件的控制系統(tǒng)，并由多個計算機作為IA的互相結(jié)合與協(xié)作來對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行增強。我們之前提到過，在這個重要的系統(tǒng)中如果只有一個控制機器，那么當(dāng)這個控制器出現(xiàn)問題時，就會使整個系統(tǒng)的正常運行受到影響。而為了對這種進行解決，就應(yīng)當(dāng)有針對性的提出一種含有兩個控制器的、同樣以IA技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制模型。其基本構(gòu)成如圖1所示。

由此結(jié)構(gòu)圖我們可以見到，在這個系統(tǒng)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(xiàn)了問題，那么在計算機中預(yù)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(tài)，所以這個控制器的切換工作只會對整個系統(tǒng)帶來極小的影響，甚至可以忽略不記的。所以按照這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的基于IA的雙控制器控制系統(tǒng)仍然可以同之前的系統(tǒng)一樣使用同樣的網(wǎng)絡(luò)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(shù)進對系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時的監(jiān)測。此系統(tǒng)的狀態(tài)主要有三種：當(dāng)狀態(tài)數(shù)為0時，說明系統(tǒng)正常工作，兩個控制器運行良好；當(dāng)狀態(tài)數(shù)為1時，說明系統(tǒng)正常工作，但是其中一個控制器運行良好，另一個出現(xiàn)故障；當(dāng)狀態(tài)數(shù)為2時，說明系統(tǒng)已經(jīng)停止工作，兩個控制器都發(fā)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(tài)中。

2 基于IA技術(shù)雙控制器NCS可靠性

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度是非常重要的，對此我們需要對系統(tǒng)的可靠性進行分析：由于此系統(tǒng)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(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響。只有當(dāng)兩個控制器都出現(xiàn)問題時，才會使系統(tǒng)發(fā)生故障。同時，根據(jù)系統(tǒng)中兩個控制器為并聯(lián)設(shè)置的特點，當(dāng)系統(tǒng)中這兩個控制器都正常運行時，其中的一個控制器負責(zé)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，而另一個控制器則在此時處于儲備狀態(tài)，作為系統(tǒng)的備份控制器。假定系統(tǒng)中只存在一名維修人員，其按照保修先后的順序?qū)刂破鬟M行修理，則當(dāng)一個控制器發(fā)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(tǒng)保持良好的運行狀態(tài)。而只有在兩個控制器同時發(fā)生故障時，才會因為同一維修人員的先后維修順序使系統(tǒng)運行時間得到一定的影響。

對此我們作出以下假設(shè)：

第一，此系統(tǒng)為快修系統(tǒng)。

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(shù)分布，同時其控制器的維修時間分布情況為G（t），修復(fù)成功率為μ（t）。

第四，我們以S（t）為標(biāo)記，代表此時系統(tǒng)處于t時刻的狀態(tài)中。

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

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

對于兩個部件相同，且處于并聯(lián)方式的冷儲備系統(tǒng)中，當(dāng)其維修所需時間滿足指數(shù)的分布情況時，這個系統(tǒng)就是馬氏過程，當(dāng)ρ=λ/μ時，其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為：

3 結(jié)束語

由上文的分析可知，基于IA技術(shù)的雙控制器網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)有著更高的穩(wěn)定性，這就需要我們在實際的工作中以其為依據(jù)而進行更好的應(yīng)用。

參考文獻：

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篇4

關(guān)鍵詞 交直流輸電；阻尼調(diào)制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

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

0 引言

電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，它對運行安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟性要求極高。由于電力系統(tǒng)的龐大與復(fù)雜，參數(shù)的不確定，頻繁的噪聲與干擾，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)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(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制可以根據(jù)在線樣本自動調(diào)整自身行為，從原理上來本文利用說應(yīng)具備在線自我調(diào)整和不斷自我完善的能力。

本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)逆動態(tài)，設(shè)計出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線自學(xué)習(xí)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(tǒng)的控制效果進行分析與驗證。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線自學(xué)習(xí)的意義

研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交直流系統(tǒng)實時控制的在線自學(xué)習(xí)，具有以下重要意義：

1）對交直流混合輸電系統(tǒng)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(tǒng)動態(tài)行為完全一致，因而離線訓(xùn)練設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在線運行中性能總會有偏移。在線自學(xué)習(xí)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以根據(jù)控制目標(biāo)不斷調(diào)整自身控制行為，產(chǎn)生越來越好的控制效果；

2）在線自學(xué)習(xí)可使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器產(chǎn)生不同于最初訓(xùn)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(zhì)；

3）在線自學(xué)習(xí)使基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)方案的設(shè)計

2.1 獲取在線樣本的新思路

很多研究已經(jīng)表明，已有的在線自學(xué)習(xí)方案在如何獲取上已經(jīng)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(shè)計出一種逆動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（），如圖1所示，取（y，u ）構(gòu)成訓(xùn)練樣本訓(xùn)練，可以得到相同的訓(xùn)練效果

2.2控制方案的實現(xiàn)

本文即采用圖2所示的方案來實現(xiàn)逆系統(tǒng)NNHVDC的設(shè)計并探討其在線自學(xué)習(xí)的實現(xiàn)及學(xué)習(xí)效果。該方案的輸入中包含了控制目標(biāo)，這樣控制行為將主要由yd的值決定。文獻[4]已經(jīng)提出了這種模型中控制的實現(xiàn)與在線自學(xué)習(xí)樣本的生成方案并給予了一定的理論證明。當(dāng)yd選取得當(dāng)時，經(jīng)過不斷的在訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)的控制輸出將逐步逼近期望輸出yd。因而其控制最終應(yīng)該是穩(wěn)定的。

以往研究表明交直流系統(tǒng)逆動態(tài)是存在的，而且可以由BP網(wǎng)絡(luò)以要求的精度逼近。具體實現(xiàn)如下：采用6-6-1三層BP網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵。

本文選擇直流調(diào)制中最常用的以兩側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速差為調(diào)制信號的作為NN的初始訓(xùn)練器來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，控制器參數(shù)。應(yīng)此可得到直流調(diào)制控制規(guī)律為：

本文所采用的參考模型是由同步發(fā)電機轉(zhuǎn)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(tǒng)阻尼，由用戶根據(jù)控制性能的要求設(shè)定，取值越大，表明設(shè)計者希望有擾動引起的系統(tǒng)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(xùn)練器，對IDNNHVDC進行初步的離散訓(xùn)練，其目的是不至于一開始就生成電力系統(tǒng)不能接受的控制輸出；

2）將離線訓(xùn)練后的NNHVDC（計為NNHVDC1）置入交直流系統(tǒng)，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(yīng)構(gòu)成在線訓(xùn)練樣本集，用以訓(xùn)練NNHVDC得到NNHVDC2；

4）對NNHVDC2重復(fù)[step2]～[step 3]的控制過程的NNHVDC3；5）重復(fù)（4）直到NNHVDCi的控制響應(yīng)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(lián)輸電系統(tǒng)模型，示意圖如圖3所示。系統(tǒng)包括兩個區(qū)域，發(fā)電機M1區(qū)域由兩條交流輸電線路和一條直流線路向發(fā)電機M2區(qū)域輸電。發(fā)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(tǒng)供電。區(qū)域間的距離為500km，在M2區(qū)域包括一個5000mW的負載，由M1和M2供電。另外系統(tǒng)中還包含三相斷路器，可以模擬交流系統(tǒng)故障。

直流系統(tǒng)的額定傳輸容量為1000MW，兩側(cè)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(shè)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(jié)果與分析

根據(jù)第3節(jié)仿真步驟進行仿真計算，系統(tǒng)模型如圖4所示，選取以下擾動來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：整流側(cè)發(fā)電機機端發(fā)生2s時三相短路故障，2.3s后故障切除。以上小節(jié)介紹的作為初始訓(xùn)練器，用以上故障時的系統(tǒng)狀態(tài)變量根據(jù)式（1）構(gòu)成NN的輸入集，離線訓(xùn)練后得到IDNNHVDC1，仿真結(jié)果表明，按step1到step5的步驟經(jīng)過僅僅五次自學(xué)習(xí)之后，所得NNHVDC5的控制性能已經(jīng)遠遠超過了常規(guī)直流調(diào)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(shè)計的IDNNHVDC的控制性能：

擾動一：t=2s時一交流線路首端發(fā)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(fù)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(fā)生三相短路，0.1s后故障排除。

通過IDNNHVDC和CHVDC作用下發(fā)電機功角的變化過程的對比，結(jié)果表明，經(jīng)過五次訓(xùn)練后IDNNHVDC的控制效果已遠遠優(yōu)于常規(guī)CHVDC控制，從而進一步證實了IDNNHVDC的優(yōu)越性能，通過以上仿真結(jié)果可得出以下幾個結(jié)論：

1）隨著訓(xùn)練次數(shù)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(xué)習(xí)能力;

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

3）通過在線訓(xùn)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(tǒng)逆動態(tài)為目標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案在交直流混合輸電系統(tǒng)實時控制中是可行的。

5 結(jié)論

本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)逆動態(tài)，由參考模型產(chǎn)生期望控制響應(yīng)，實時采樣值構(gòu)成在線訓(xùn)練樣本的在線訓(xùn)練方案。由于在純交流系統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的運用中，該方案的的控制效果已經(jīng)得到很好的驗證，而其在直流阻尼調(diào)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(tǒng)直流阻尼調(diào)制之中，設(shè)計出雙CPU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線自學(xué)習(xí)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(jié)果表明，所設(shè)計的IDNNHVDC控制器能有效增強直流系統(tǒng)兩側(cè)交流系統(tǒng)的阻尼，很好的抑制直流兩兩側(cè)交流系統(tǒng)振蕩。在在線自學(xué)習(xí)調(diào)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(xiàn)出明顯的抑制作用

參考文獻

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篇5

關(guān)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(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的傳質(zhì)傳熱過程。精餾塔不僅模型難以建立而且控制方案復(fù)雜。許多學(xué)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(shè)計了一種免疫遺傳算法優(yōu)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(jié)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(xiàn)出良好的效果。

2．控制算法

精餾塔最直接的質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品純度。過去由于檢測上的困難，難以直接按產(chǎn)品的純度進行控制。現(xiàn)在隨著分析儀表的發(fā)展，特別是工業(yè)色譜儀的在線應(yīng)用，已逐漸出現(xiàn)直接按產(chǎn)品純度來控制的控制方案。

直接按產(chǎn)品純度的控制方案的好處在于：直接可以控制產(chǎn)品的質(zhì)量。但是這種控制的難點在于被控變量的可調(diào)范圍小(只能在0～1區(qū)間變化)。根據(jù)這種現(xiàn)實情況，本文設(shè)計了一種免疫微粒群算法調(diào)節(jié)增益的模糊控制器。其具體算法如圖1：

篇6

關(guān)鍵詞：廢氣 回收裝置 硫化氫 化纖行業(yè)

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

1、前言

當(dāng)今資源的合理利用和環(huán)境綜合治理將成為確保社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要措施。而以苯類硫類等為代表的化學(xué)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(chǎn)過程散發(fā)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(huán)境的污染，而且還可減少原材料的投入。一定意義上對行業(yè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是一個積極的貢獻。

據(jù)介紹該項目開發(fā)的廢氣分離回收技術(shù)，通過深冷分離技術(shù)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(tǒng)，重新生成合成氨再利用，實現(xiàn)了廢氣綜合利用。這項技術(shù)不但產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，還可實現(xiàn)工業(yè)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(yè)最新廢氣回收項目，歷時3年4個月，終于投入運行。整套設(shè)備引進奧地利一家專業(yè)的廢氣回收方面的高科技公司，設(shè)備先進，技術(shù)一流，全套設(shè)備都是奧地利原地進口，奧地利派最好的本國技術(shù)專家現(xiàn)場勘查，選址，設(shè)備項目分析實施，測試，到試運行。

下面就我負責(zé)的電氣控制，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。控制室操作等方面進行全面的說明，讓引進的技術(shù)能夠很好的利用起來，讓我廠的技術(shù)人員更好操作該項目設(shè)備。同時與國內(nèi)的同行業(yè)的專家學(xué)者進行必要的技術(shù)交流和探討。共同吸收利用國外的先進廢氣回收技術(shù)和現(xiàn)場控制手段。現(xiàn)場的機械裝置和設(shè)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(xué)習(xí)和利用網(wǎng)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(guān)，配電柜。這些關(guān)聯(lián)控制器有手動的和自動的，都是為更好對設(shè)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(fā)現(xiàn)問題，和操作實施。全部是英文界面，通過一段學(xué)習(xí)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(wǎng)絡(luò)控制故障：來說明一下所有設(shè)備的控制管理的自動化水平還是相當(dāng)?shù)母摺W地利專家通過聯(lián)網(wǎng)，可以讓他們本國的專家對整套廢氣回收設(shè)備進行監(jiān)控維護和管理。一次一個專家接錯了網(wǎng)線導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，他們本國的專家不能遠程操作調(diào)試設(shè)備。通過我們對整個線路的梳理過程中發(fā)現(xiàn)了問題。全面圖解了整個控制的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)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(fù)查的問題，這就要求工程人員，熟悉現(xiàn)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(yè)經(jīng)過培訓(xùn)的現(xiàn)場操作工，避免誤操作和違規(guī)操作。

3、 結(jié)語

化工領(lǐng)域廢氣回收新技術(shù)新工藝在技術(shù)方法上具有創(chuàng)新性，技術(shù)指標(biāo)具有先進性，均為當(dāng)前迫切需要的節(jié)能減排技術(shù)和工藝，并已基本達到實際工程應(yīng)用水平，國家也鼓勵對其進行工程示范和推廣。經(jīng)工程實踐證明了的成熟技術(shù)，污染防治效果穩(wěn)定可靠，國家鼓勵企業(yè)優(yōu)先采用目錄所列的污染防治技術(shù)。為此，公司將廢氣回收技術(shù)及成套控制裝置的相關(guān)技術(shù)成果進行產(chǎn)業(yè)化投資推廣，促進先進技術(shù)與生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，為社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做貢獻。

作者簡介

篇7

信息時代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)方面推動了許多技術(shù)的變革.傳統(tǒng)的軋機控制，多系統(tǒng)間往往采用硬接線的聯(lián)系方式，工程量大，可靠性差.而工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用，則使得多系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，變得安全、可靠、實用.針對采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)所完成的12輥冷軋機電氣傳動與控制系統(tǒng)改造項目，介紹了MMS協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)及DriveBus在光纖傳動網(wǎng)中的應(yīng)用，說明了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的實際價值.

關(guān)鍵詞：

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；冷軋機；網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議；DriveBus

中圖分類號：

TP 273+.5

文獻標(biāo)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(yè)，主要生產(chǎn)銅及銅合金板帶、壓延銅箔.產(chǎn)品主要應(yīng)用在信息技術(shù)制造業(yè)，比如印刷電路板的框架材料.由于部分設(shè)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(shè)備維護帶來了較大困難，也直接影響了產(chǎn)品性能及產(chǎn)量.鑒于此，公司邀請北京ABB工程技術(shù)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(chǎn)能力提高.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，正是這次成功改造的基礎(chǔ)，給后續(xù)設(shè)備的改造提供了范例.

1 設(shè) 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(shè)備，主要軋制黃銅及紫銅帶卷產(chǎn)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(tǒng)由傳動控制、過程控制、厚度控制和軋制油循環(huán)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(tǒng)組成.本次改造就是針對傳動控制和過程控制的技術(shù)升級.下文所闡述的電氣控制系統(tǒng)均指這兩套系統(tǒng).

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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

圖1（b）是軋機改造后的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).改造后的新一代PLC控制器AC800M，并由此組建了一個工業(yè)控制以太網(wǎng)絡(luò).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(wǎng)連接起來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò).傳動部分由PLC直接控制直流調(diào)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(wǎng)絡(luò).整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程清晰，易于操作、便于維護.

3 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的介紹與應(yīng)用

3.1 MMS協(xié)議

3.1.1 MMS協(xié)議簡介

MMS制造報文規(guī)范是一個ISO9506標(biāo)準(zhǔn)，表示不同的網(wǎng)絡(luò)類型和連接設(shè)備都可以用相同的處理方式進行通信.協(xié)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(fā)主要應(yīng)用于工業(yè)，如工業(yè)過程控制、工業(yè)機器人等領(lǐng)域.

MMS標(biāo)準(zhǔn)即ISO/IEC9506，由ISO TC184和IEHC共同負責(zé)管理.ISO9506由多個部分組成，其中ISO/IEC 9506

3.1.2 MMS服務(wù)

MMS應(yīng)用在七層協(xié)議的應(yīng)用層.其服務(wù)包括如下方面：

（1）下載應(yīng)用程序，比如從工程站點下載到PLC；

（2）在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立、刪除、運行和停止程序；

（3）在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置不同的系統(tǒng)讀寫變量；

（4）在遠程系統(tǒng)里獲取關(guān)于應(yīng)用執(zhí)行的信息以及故障信息；

（5）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的文檔讀寫；

（6）處理報警信息；

（7）獲取遠程系統(tǒng)的相關(guān)信息，比如系統(tǒng)版本、模式.

總之，MMS服務(wù)在工程站點、OPC服務(wù)器、控制器之間的作用類似一個多路轉(zhuǎn)換器[1].

3.1.3 配置

控制網(wǎng)絡(luò)通過工程站點項目瀏覽器進行配置.在當(dāng)前的項目瀏覽器里設(shè)置通信端口.關(guān)于控制器的配置，還有一個冗余網(wǎng)絡(luò)的使用，根據(jù)協(xié)議Redundant Network Routing Protocol （RNRP）進行連接.

3.1.4 示例

結(jié)合本臺軋機的應(yīng)用，來了解一下MMS在控制網(wǎng)絡(luò)中的一個應(yīng)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(yīng)用中的程序通過MMS傳遞信息.

（1）控制器以太網(wǎng)端口設(shè)置

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

（2）變量在中的定義

主要是標(biāo)識變量Y11_word_01的源路徑.定義變量的數(shù)據(jù)類型和屬性.

通過以上兩步，一個名為Y11_word_01的變量，已經(jīng)可以發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)類型Comm_Channel_MMS；變量Partner，定義發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)對變量Y11_word_01的讀取.

3.2 DriveBus協(xié)議

3.2.1 簡介

ABB公司推出的DriveBus協(xié)議主要應(yīng)用在ABB的傳動設(shè)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(wǎng)絡(luò)上.可以使這些單元循環(huán)地同時進行一組數(shù)據(jù)（輸入/輸出）的交換.

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

3.2.2 服務(wù)

協(xié)議的服務(wù)主要涉及傳動與控制器之間的數(shù)據(jù)通信；傳動單元輸入/輸出端口的數(shù)據(jù)循環(huán)交換（以組的形式產(chǎn)生）；特殊I/O單元的數(shù)據(jù)循環(huán)交換.

3.2.3 特點

DriveBus協(xié)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(diào)速系統(tǒng)DCS400、DCS500、DCS600，交流變頻系統(tǒng)ACS400、ACS600、ACS800、ACS1000；

（2）傳動裝置內(nèi)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(shè)置；

（4）自診斷功能.當(dāng)進行了錯誤的設(shè)置，系統(tǒng)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(xiàn)控制器與傳動之間的通信需要進行如下設(shè)置.

對于傳動DCS600來說：

（1）使用專用傳動軟件設(shè)置；

（2）定義參數(shù)組（90…93）的參數(shù)（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(shù)；

（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(diào)速器DCS600的通訊連接.

（1）對DCS600的設(shè)置

利用DriveWindow軟件對DCS600進行相關(guān)設(shè)置.軟件中規(guī)定了參數(shù)08.01是調(diào)速器主狀態(tài)字，參數(shù)07.01是對調(diào)速器的主控制字.根據(jù)示例任務(wù)，給DCS600的主狀態(tài)字定義一個數(shù)據(jù)組Dataset.比如定義參數(shù)組92中，第一個參數(shù)92.01賦予主狀態(tài)字參數(shù)08.01.對參數(shù)組90的第一個參數(shù)90.01賦予主控制字參數(shù)07.01.

（2）對控制器AC800M的設(shè)置

在項目瀏覽器里打開硬件樹，在里找到要設(shè)置的控制器.打開，在模塊內(nèi)的下新建傳動單元.設(shè)置它的一些主要參數(shù)，比如傳動單元類型，數(shù)據(jù)組優(yōu)先級.

在程序里聲明兩個變量，分別賦予主狀態(tài)字和主控制字的值.程序里變量D21G11_MAIN_STATUS_WORD賦主狀態(tài)字值，即參數(shù)08.01值，變量D21G11_MAIN_CTRL_WORD賦主控制字值，即參數(shù)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(diào)速系統(tǒng).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(shù)據(jù)組.最大傳輸率達到8對數(shù)據(jù)組/ms.

4 結(jié)束語

通過對MMS和DriveBus兩個通信協(xié)議在銅帶軋機改造中的應(yīng)用介紹，有理由相信，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐上可帶來效率的提高和效益的增加.

篇8

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在使用計算機進行互聯(lián)的同時，各種智能家電、工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集都在逐步趨向網(wǎng)絡(luò)化。但由于以太網(wǎng)在實時性和可靠性的先天不足，各種現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)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(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。以太網(wǎng)以其應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進性，逐漸壟斷了商用計算機的通信領(lǐng)域和過程控制領(lǐng)域的上層信息管理與通信。為實現(xiàn)上層管理網(wǎng)絡(luò)與下層控制網(wǎng)絡(luò)的集成，在實際中必須實現(xiàn)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)。

Lonworks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)。Lonworks現(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)通信方面具有突出優(yōu)點，如網(wǎng)絡(luò)物理層支持多種通信介質(zhì)，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等。目前使用Lonworks技術(shù)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、樓宇、家庭、能源等自動化領(lǐng)域。本文提出的適配器連接方案，能將LON控制網(wǎng)與以太網(wǎng)無縫連接，實現(xiàn)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(shè)計

適配器使用的主要芯片為神經(jīng)元芯片TMPN3150、51單片機89C51RD和以太網(wǎng)控制器RTL8019as。主要分為Lonworks控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)通信模塊。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換由單片機內(nèi)部軟件完成。

1．1 Lonworks控制模塊

Lonworks控制模塊主要完成對LON網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理并向單片機傳輸數(shù)據(jù)，其核心是神經(jīng)元芯片。神經(jīng)元芯片與其他設(shè)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(zhí)行期間完成輸入／輸出操作。本文設(shè)計的適配器采用Neuron芯片預(yù)定義的并行I／O對象，實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線，IO8～IO10為控制信號線。借助令牌傳遞握手協(xié)議，并行I／O口可外接處理器，實現(xiàn)Neuron芯片與外接各類微處理器之間的雙向數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議（Virtual Write Token－Passing Protocol）實現(xiàn)。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(shù)據(jù)（不超過255字節(jié)），或者不寫任何數(shù)據(jù)傳送一個空令牌。傳送的數(shù)據(jù)要遵從一定的格式，即在要傳送的數(shù)據(jù)前面加上命令碼和傳送的數(shù)據(jù)長度。命令碼有CMD＿XFER（寫數(shù)據(jù)）、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(jié)結(jié)束。寫數(shù)據(jù)和傳遞空令牌的格式分別如表2、表3所示。

表2 寫數(shù)據(jù)的格式

CMD_XFERLengthDataEOM表3 傳遞空令牌的格式

CMD_NULLEOM1．2 以太網(wǎng)通信模塊

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

以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制、CRC校驗及數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送都由網(wǎng)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(nèi)部RAM進行讀寫即可。網(wǎng)卡的地址線共20根。用到的網(wǎng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(shù)據(jù)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(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)格式

以太網(wǎng)首部IP首部UDP首部數(shù)據(jù)14字節(jié)20字節(jié)20字節(jié)128×n字節(jié)本適配器使用UDP傳送數(shù)據(jù)，同時支持ICMP的回應(yīng)應(yīng)答和回應(yīng)請求報文（Ping命令），單片機發(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)幀格式如表5所示。

用單片機實現(xiàn)UDP協(xié)議要作一些簡化，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)。因此，在IP首部中不討論服務(wù)類型和標(biāo)志偏移域，只需填“0”即可。

1．3 互連適配器的硬件電路設(shè)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(shù)據(jù)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(fù)用同一條8位數(shù)據(jù)線，依靠P2．5進行片選。當(dāng)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(lián)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(shè)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(fā)TCP／IP協(xié)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(xiàn)）；然后，主機發(fā)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(fā)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(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值（配置寄存器CONFIG1～4，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址），再由89C51對RTL8019的頁0與頁1相關(guān)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(wǎng)主要作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，特別在樓宇自動化中的監(jiān)控，由LON網(wǎng)發(fā)往以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)較多，應(yīng)首先保證其優(yōu)先權(quán)。且89C51RD只有1024字節(jié)的內(nèi)存，無法處理大的以太網(wǎng)幀。經(jīng)過實驗比較，在最后具體實現(xiàn)時，選擇LON最大為每幀64字節(jié)，盡量做到每收10個LON幀，發(fā)一個以太網(wǎng)幀，流程如圖2所示。

篇9

關(guān)鍵詞：ProfiNet；汽車生產(chǎn)線；PLC

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.14.096

ProfiNet是面向所有自動化任務(wù)而制定的通用標(biāo)準(zhǔn)，能在復(fù)雜的環(huán)境下工作，克服各種電磁干擾以及惡劣的環(huán)境因素。汽車生產(chǎn)線控制過程是連續(xù)的，需要長時間的穩(wěn)定工作，而ProfiNet適用于各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)可以在世界各地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問，提供最佳組態(tài)和診斷的所有功能，能夠在故障出現(xiàn)后進行快速定位，保證生產(chǎn)線的流水作業(yè)高效進行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

汽車自動生產(chǎn)線控制器所采用的PLC為西門子S7-300系列，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時可靠的通信。由于S7-300系列PLC CPU不具有PROFINET網(wǎng)絡(luò)接口，故采用CP343通信模塊連接網(wǎng)絡(luò)，再通過分布式I/O ET-200S作為從站，控制自動線實現(xiàn)各系統(tǒng)功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiān)控畫面實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，管理層與分布在現(xiàn)場的各個從站通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，主要是從PLC控制器中讀取從站故障報警錯誤，當(dāng)系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，準(zhǔn)確查找的功能。在每個獨立的控制系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)整個自動線控制系統(tǒng)的全面通信。

2 軟件程序設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組態(tài)

應(yīng)用博圖V13 step7進行組態(tài)。首先添加CPU模塊，將CP343-1通信模塊連接到網(wǎng)絡(luò)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(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP地址和通信速率等參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計

在OB1中編寫系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用的主程序，需要調(diào)用PNIO-SEND和PNIO-RECV模塊實現(xiàn)主站和從站之間的相互控制輸出。編寫符號表，將系統(tǒng)各I/O點與實際原件相對應(yīng)。汽車自動生產(chǎn)線由輸送站控制系統(tǒng)、指示燈控制系統(tǒng)、行車機構(gòu)控制系統(tǒng)、循跡搬運車控制系統(tǒng)、升降機控制系統(tǒng)、搬運機械手控制系統(tǒng)和堆垛解垛控制系統(tǒng)組成。針對每個單獨的控制系統(tǒng)，分別建立功能塊FB實現(xiàn)每個系統(tǒng)的獨立控制功能，在建立FB塊時要分配數(shù)據(jù)塊DB用于存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，使用DB塊之前要設(shè)置其存儲類型，所屬FB塊以及大小等參數(shù)。將設(shè)計好后的各FB塊在主程序塊OB1中調(diào)用，依據(jù)自動系統(tǒng)的邏輯順序?qū)崿F(xiàn)輸送、搬運、暫存、協(xié)調(diào)生產(chǎn)的過程。編譯無誤后將系統(tǒng)組態(tài)和各系統(tǒng)功能塊分別下載到PLC控制器中運行。

3 人機監(jiān)控界面設(shè)計

HMI監(jiān)控界面同樣采用博圖V13軟件中的WINCC來設(shè)計。首先將專用的驅(qū)動程序添加到組態(tài)中，新建一個I/O設(shè)備連接，同時設(shè)定PLC屬性。然后設(shè)計WINCC監(jiān)控界面，在軟件數(shù)據(jù)庫中對數(shù)據(jù)進行組態(tài)，當(dāng)從站各系統(tǒng)功能出現(xiàn)故障時，通過網(wǎng)絡(luò)通信接收故障點的信息，以便維修人員進行現(xiàn)場作業(yè)。

4 結(jié)束語

基于ProfiNet網(wǎng)絡(luò)的汽車生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ω鲝恼鞠到y(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)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(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)的MPI通信具有環(huán)境適應(yīng)性高，安全可靠，故障恢復(fù)時間短等特點，能夠降低維修診斷成本，提高車間生產(chǎn)效率。

參考文獻

[1]胡健.西門子7S一3004/00PLC工程應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(yè)出版社，2012，（4）.

篇10

關(guān)鍵詞：GSM網(wǎng)絡(luò)；單片機；汽車防盜報警系統(tǒng)

中圖分類號：TP27 文獻標(biāo)識碼：A

常規(guī)的汽車防盜報警系統(tǒng)，在報警實時性、可靠性、以及系統(tǒng)自身運行安全穩(wěn)定性等方面，均很難滿足現(xiàn)代汽車功能和技術(shù)日新月異變化的人性化、智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)研究和實際應(yīng)用的進一步成熟完善，GPS技術(shù)已在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮非常良好的性能。同時，加上移動通信技術(shù)服務(wù)覆蓋范圍的進一步擴大，基于GPS無線移動通信技術(shù)的汽車動態(tài)防盜報警集成系統(tǒng)的研究，就顯得非常有理論研究和實際應(yīng)用價值。

1 汽車報警系統(tǒng)整體設(shè)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(shù)據(jù)保密性強的數(shù)字移動通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，而短消息服務(wù)(SMS)則是GSM數(shù)字通信服務(wù)中的一項非常重要且成熟的業(yè)務(wù)，其實質(zhì)是在移動網(wǎng)絡(luò)上在不需要建立撥號連接的前提下，實現(xiàn)間斷信息的實時傳輸通信。基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機控制的汽車防盜報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示：

從圖1可知，基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機控制系統(tǒng)的汽車防盜報警系統(tǒng)，其核心在于以SMS短消息為傳輸媒介，用戶的手機可以發(fā)送短消息到支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊--TC35I手機通信模塊，實現(xiàn)使用手機遠程開關(guān)車門、鎖定打開油路、實時監(jiān)控汽車運行安全狀態(tài)、以及防盜報警燈功能。例當(dāng)車主發(fā)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(tài)，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(wǎng)絡(luò)的汽車防盜報警系統(tǒng)，會實時動態(tài)監(jiān)測汽車的安全狀態(tài)，一旦監(jiān)測到車門被非法打開、汽車點火系統(tǒng)被非法開啟等危險時，防盜系統(tǒng)就會自動通過TC35I手機通信模塊，向車主手機發(fā)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(nèi)容，自動轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)信息，通過相應(yīng)串口將數(shù)據(jù)傳回單片機控制系統(tǒng)，由單片機內(nèi)部程序自動化判斷短消息內(nèi)容是否為合法遠程操作指令，如果為合法則執(zhí)行相應(yīng)的操作，提供對應(yīng)的智能化、人性化服務(wù)；如果指令不合法，則會自動清空數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)為下一次接收車主短消息指令做好準(zhǔn)備。當(dāng)防盜報警系統(tǒng)檢測到車門被非法打開、點火系統(tǒng)被非常開啟時，就會通過單片機將汽車安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式的短消息，通過TC35I手機模塊向車主手機發(fā)送短消息，同時用戶可以根據(jù)需要回復(fù)短消息到防盜報警系統(tǒng)中，通過單片機驅(qū)動對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，完成相應(yīng)遠程操控，如點火系統(tǒng)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(tǒng)

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的汽車防盜報警系統(tǒng)的硬件平臺主要選用PIC18F458型單片機，作為整個系統(tǒng)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(tǒng)（包括傳感器等功能模塊）、GSM通信控制子系統(tǒng)（包括定位、短信等功能模塊）、以及汽車遠程控制執(zhí)行系統(tǒng)（包括汽車點火閉鎖系統(tǒng)、油路供應(yīng)系統(tǒng)等）。單片機控制系統(tǒng)是汽車防盜報警系統(tǒng)的中心處理中樞也是遠程操控執(zhí)行命令發(fā)出單元，負責(zé)短消息信號處理、外設(shè)功能模塊接入與控制、以及所有功能模塊軟件程序運轉(zhuǎn)載體。

2.2 GPS定位功能模塊

定位模塊主要由GPS數(shù)據(jù)通信功能模塊完成，但當(dāng)GPS定位模塊在高大建筑物下，會出現(xiàn)信號減弱甚至沒有信號等問題，因此，在汽車防盜報警系統(tǒng)設(shè)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(huán)境中信號不足問題，從而有效提高GPS定位的可靠性和準(zhǔn)確度。車載GPS接收機，可以通過接收觀測范圍內(nèi)的幾個衛(wèi)星信號，結(jié)合內(nèi)部相關(guān)運算邏輯將所接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(tài)定位監(jiān)控。

2.3 傳感器系統(tǒng)

在汽車防盜報警系統(tǒng)設(shè)計中，為了達到更好的防盜安防效果，傳感器的布設(shè)位置必須要能夠動態(tài)檢測到可能威脅到汽車安全，以及阻礙盜車行為發(fā)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(shè)置瞬時大震動傳感器，也就是當(dāng)汽車在正常行駛過程中可能出現(xiàn)的顛簸震動不能觸發(fā)傳感器，從而提高防盜系統(tǒng)運行可靠性；如果盜車賊僥幸破壞車窗震動報警系統(tǒng)進入車內(nèi)后，會通過車內(nèi)設(shè)置的熱釋電傳感器，以檢測車處于停車狀態(tài)車內(nèi)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(tǒng)，并踩踏油門踏板方能開動車輛，在油門踏板下設(shè)置傳感器，并將點火系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)置，可以達到對盜竊保護信號的動態(tài)檢測效果。當(dāng)系統(tǒng)檢測到盜竊信號或用戶通過短信息返回啟動防盜系統(tǒng)時，控制器就會通過相應(yīng)繼電器執(zhí)行機構(gòu)閉鎖點火系統(tǒng)、油路供應(yīng)系統(tǒng)、車門車窗閉鎖系統(tǒng)等，從而在防止盜竊行為得逞和進一步擴大前提下，協(xié)助警察抓捕非常盜車人員。

3 系統(tǒng)軟件工作流程

為了區(qū)分汽車報警信號的緊急程度，在系統(tǒng)軟件程序中設(shè)置兩類短信工作模式，即：當(dāng)防盜報警系統(tǒng)單一檢測器檢測到危險信號后，則會向車主手機發(fā)送以危險模式發(fā)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(fā)送短信。當(dāng)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(tǒng)和油路供應(yīng)系統(tǒng)。PIC18F458單片機利用準(zhǔn)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(tài)采樣和運算分析，從而提高系統(tǒng)工作可靠性和動作穩(wěn)定性。汽車防盜報警系統(tǒng)的軟件工作流程如圖2所示：

圖2 汽車防盜報警系統(tǒng)軟件工作流程

從圖2可知，整個汽車防盜報警系統(tǒng)以GSM網(wǎng)絡(luò)、單片機控制系統(tǒng)、傳感器等檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)遠程操控，大大提高了汽車防盜系統(tǒng)的運行可靠性和人性化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)水平。

結(jié)束語

基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機控制的汽車防盜報警系統(tǒng)，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(zhǔn)確性，同時采用GPS與輔助GSM的蜂窩基站對車輛進行準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)車主對汽車遠距離實時在線定位監(jiān)控。基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機控制的汽車防盜報警系統(tǒng)，與常規(guī)的純硬件單純聲光“防盜報警”系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)化防盜領(lǐng)域具有較高理論研究和實際實用推廣應(yīng)用價值。

參考文獻

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