基于M2M的大型工程類裝備的智能控制器設計

0引言

制造物聯(lián)是對制造資源信息與產(chǎn)品信息的動態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制的一種新型制造模式和信息服務模式，是通過將RFID，M2M為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術、先進制造技術與現(xiàn)代管理技術集成應用，構(gòu)建服務于供應鏈、制造過程、物流配送、售后服務、再制造等產(chǎn)品各生命周期階段的基礎性、開放性網(wǎng)絡系統(tǒng)。將推動制造業(yè)向全球化信息化、智能化、綠色化方向發(fā)展。

M2M是制造物聯(lián)的基礎之一，其中M可以是人(Man)，也可以是機器(Machine)，M2M泛指人、機器之間建立連接的所有技術和手段，旨在通過通信技術將機器之間通信、機器控制通信、人機交互通信、移動互聯(lián)通信等不同類型的通信技術有機結(jié)合在一起。在現(xiàn)有的許多大型工程裝備類行業(yè)，通常采用可編程邏輯控制器(PLC)作為設備的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有性能可靠、安全性高的PLC產(chǎn)品幾乎都被國外企業(yè)所壟斷，成本較高。并且由于PLC制造商之間存在競爭，不同制造商生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品采用的通訊協(xié)議不同，之間無法進行直接通訊，因此要想與自身原有的PLC網(wǎng)絡兼容，必須購買具有相同品牌PLC的工程裝備，選擇受到限制。

此外，傳統(tǒng)的PLC產(chǎn)品并不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，要想將設備的PLC接入網(wǎng)絡，并將設備數(shù)據(jù)發(fā)送至設備制造商實現(xiàn)實時分析、實時預警、故障在線診斷，則必須將PLC通過網(wǎng)絡模塊接入到企業(yè)的局域網(wǎng)中，然后通過VPN的形式才能將數(shù)據(jù)送回至設備制造商，且傳回的數(shù)據(jù)必須通過WinCC等特定的組態(tài)軟件進行讀取接收，此類軟件知識產(chǎn)權(quán)固有，無法進行任意地改造開發(fā)，極大地增加了維護成本;同時傳回的數(shù)據(jù)無法與企業(yè)自身的信息化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，導致形成信息孤島;由于PLC的數(shù)據(jù)傳輸屬于窄帶寬即時傳輸，無法傳輸現(xiàn)場的視頻等數(shù)據(jù)量較大的信息，傳回的數(shù)據(jù)也不足以判斷造成故障的原因。因此這種做法不僅造價極高，而且很難實現(xiàn)預期效果、滿足制造物聯(lián)的需求。

由于傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品存在上述問題并且很難進行改造，通常采用工業(yè)PC與PLC結(jié)合或者單片機控制器進行控制。單片機控制器之間無法進行設備互聯(lián)以及與互聯(lián)網(wǎng)的通信，同時無法實現(xiàn)控制結(jié)果的人機界面反饋以及故障診斷、報警等功能，而工業(yè)PC由于具有強大的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理功能，可以處理比較復雜的運算過程，在Windows下可以使用如VC++，VB等可視化編程語言開發(fā)良好的人機界面，可以方便地監(jiān)視和處理控制過程，因而工業(yè)PC+PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛的應用于離散和連續(xù)的過程控制中。綜合以上特性，本文選擇工業(yè)PC與PLC結(jié)合的方式，設計了一種智能控制器，替代通用的PLC產(chǎn)品，對制造現(xiàn)場的設備進行智能調(diào)節(jié)和控制，并可與不同通訊協(xié)議的PLC設備進行通訊，可接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)實現(xiàn)產(chǎn)品功能的在線服務。打破了國外產(chǎn)品對PLC行業(yè)的長期壟斷，自主研發(fā)并大大降低了產(chǎn)品成本。

1智能控制器應用架構(gòu)

本文設計的智能控制器應用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能控制器應用架構(gòu)圖

此應用架構(gòu)共分為三層：感知層、控制層和應用層。其中，感知層包括傳感器、閥門、儀表、RFID等信息采集設備，控制層包括不同種類的控制器，本文設計的智能控制器就在這一層，其主要功能包括故障檢測、故障報警、應急處理、狀態(tài)查詢等，應用層包含設備運營平臺，主要包括用戶管理、計量計費、商務營銷、資源管理、安全認證等功能模塊。

本文設計的智能控制器使用嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換器將被控設備上儀表、傳感器的模擬信號(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供控制系統(tǒng)識別，同時將控制系統(tǒng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成被控設備上儀表、傳感器可以識別的模擬信號控制設備運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)控制層與感知層的互聯(lián)。

對于控制層中不同PLC產(chǎn)品的連接問題，智能控制器集成了自適應PLC網(wǎng)絡通信模塊，通過自適應PLC網(wǎng)絡通訊技術，將復雜的現(xiàn)場總線通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，根據(jù)外部通訊接口的變化自動匹配與之相對應的現(xiàn)場總線協(xié)議，打通多現(xiàn)場總線間的通訊壁壘，做到不同控制器之間的無縫連接，實現(xiàn)控制層的內(nèi)部通信。

智能控制器集成的網(wǎng)絡通訊模組，提供GPRS/3G通訊模塊支持控制器數(shù)據(jù)在線移動通訊;提供WiFi模塊，可以通過WiFi接入到局域網(wǎng)。支持標準以太網(wǎng)通訊、WiFi通訊、GPRS通訊、3G通訊，保證控制器數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中，實現(xiàn)控制層和應用層的連接。

2智能控制器設計方案

2.1智能控制器設計結(jié)構(gòu)圖

本文設計的智能控制器設計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能控制器設計結(jié)構(gòu)圖

該智能控制器以嵌入式主板為基礎，嵌入式主板為嵌入式X86主板、嵌入式ARM主板或其他具有類似功能的主板。外圍集成硬盤、顯示器、數(shù)/模，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號采集板、自適應PLC通訊模塊和網(wǎng)絡通訊模組，采用Windows操作系統(tǒng)，通過數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與被控裝備上的傳感器、儀表、閥門等設備進行數(shù)據(jù)交換，對被控裝備進行控制和調(diào)節(jié);智能控制器可通過自適應PLC通訊模塊與多種PLC設備如上位機、總控機進行數(shù)據(jù)交換，可通過網(wǎng)絡通訊模組接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡，進入產(chǎn)品運維平臺，實現(xiàn)遠程在線服務。

2.2各模塊具體設計實現(xiàn)

2.2.1智能控制器主板設計

(1)嵌入式并行處理技術的應用。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中，CPU“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式?jīng)Q定了PLC在執(zhí)行時，指令必須短小精悍，且只能串行，無法并行處理指令，限制了PLC的控制實現(xiàn)，使其無法實現(xiàn)復雜的控制算法和控制功能。

本文設計的智能控制器通過對嵌入式并行處理系統(tǒng)架構(gòu)和任務并行協(xié)同處理技術的研究，采用嵌入式并行處理架構(gòu)CPU，取代傳統(tǒng)的單片機、PLC等串行處理架構(gòu)CPU，作為控制系統(tǒng)的控制芯片，結(jié)合增強型的DSP指令集，增加了對并行任務處理的支持、快速的中斷處理和硬件I/O支持、低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持、單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器的支持，比16位單片機單指令執(zhí)行時間快8~10倍，完成一次乘加運算快16~30倍，即具備了傳統(tǒng)單片機、PLC的高穩(wěn)定性、高精度的特點，同時又提高了整個系統(tǒng)的運行效率，使系統(tǒng)的控制功能更加豐富、高效。

(2)高級PID控制器算法的實現(xiàn)。PID控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，其核心算法由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成[11]，通過對，和進行參數(shù)設定，來適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，通過配置可用于溫度、壓力、流量等參數(shù)的單回路控制方案[12]。PID控制器算法有三種，分別為增量式算法、位置式算法和微分先行[13]。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)如PLC中，通常會集成PID控制算法函數(shù)，供控制功能開發(fā)人員調(diào)用，對溫度、壓力、功率等模擬量參數(shù)進行調(diào)整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作為核心算法固化在PLC控制器內(nèi)部，設計人員無法選擇或更改，這就要求在控制系統(tǒng)的設計過程中針對不同類型的控制需求來選擇使用不同品牌的PLC控制器，且一旦選定后將無法更改，這給系統(tǒng)的設計、開發(fā)，后期的維護帶來很多的麻煩。

本智能控制器根據(jù)三種PID算法的不同特點，通過設定參數(shù)的方式讓系統(tǒng)設計人員在系統(tǒng)設計及后期維護過程中靈活選擇，而不影響系統(tǒng)已有的控制功能。

2.2.2嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換器應用

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器是控制器與被控設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，其性能指標主要通過取樣與保持、量化與編碼、分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換時間、絕對精準度、相對精準度等幾個指標來衡量，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器受其自身和外部條件限制，在抗干擾能力上比較差，在強電壓、高電磁干擾的信號源的采樣上容易出現(xiàn)“毛刺”或電源紋波，降低了信號的分辨率和精準度，使得在一些對信號精度要求高的自控設備上無法達到控制要求。

本文設計的智能控制器通過對嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換設計技術、多值A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字濾波器技術的研究，在降低A/D、D/A轉(zhuǎn)換器體積和功耗的情況下，采用數(shù)字濾波算法增強A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力，提高信號轉(zhuǎn)換的分辨率和精準度。

2.2.3自適應PLC網(wǎng)絡通訊模塊的設計

本控制器集成的自適應PLC通訊模塊，包括與嵌入式主板匹配的標準通訊口、與各種PLC設備匹配的多種通訊口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通訊接口及各種PLC通訊協(xié)議。嵌入式主板通過標準通訊口與自適應PLC通訊模塊上的標準通訊口進行通訊，自適應PLC通訊模塊可選用各種通訊口與不同的PLC設備進行通訊。當自適應PLC通訊模塊與PLC設備進行通訊時，如果PLC設備支持RJ45，RS 232，RS 485通訊接口則優(yōu)先選用，否則，則選用PCI通訊口，通過擴展PLC通訊卡與這些PLC設備進行通訊。其中PLC通訊卡可根據(jù)與之進行通訊的PLC設備進行選擇，如與西門子系列PLC設備進行通訊時，可選用西門子品牌的通訊卡。

該自適應PLC通訊模塊具有協(xié)議自動匹配功能，可根據(jù)與之通訊的PLC設備的通訊協(xié)議，自動進行協(xié)議匹配，建立通訊連接。模塊結(jié)構(gòu)圖如3所示。

圖3 PID控制器原理圖

(1)多工業(yè)現(xiàn)場總線自適應技術實現(xiàn)。目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場總線，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會(IEC /ISA)就開始著手制定現(xiàn)場總線的標準，但由于各個國家各個公司的利益之爭，所以至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。這種現(xiàn)象的存在使得通用控制系統(tǒng)在設計和實現(xiàn)的過程中需要針對不同的現(xiàn)場總線進行設計和考量，增大了系統(tǒng)設計的難度，而且無法從根本上解決多現(xiàn)場總線間通訊的問題。

本文設計的智能控制器設計的自適應現(xiàn)場總線通訊協(xié)議技術將復雜的現(xiàn)場總線通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，根據(jù)外部通訊接口的變化自動匹配與之相對應的現(xiàn)場總線協(xié)議，打通多現(xiàn)場總線間的通訊壁壘，做到無縫切換，降低了控制系統(tǒng)的設計、開發(fā)難度。示意圖如圖4所示。

圖4 多現(xiàn)場總線通訊示意圖

(2)高可靠性實時通信技術應用。隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)功能的日益強大，對現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)的多樣性和復雜性要求也越來越高，未來的現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)將不再只是單純的信號片段，會出現(xiàn)對音頻、視頻，甚至是三維虛擬現(xiàn)實的數(shù)據(jù)傳遞，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信技術更多的是應用于小數(shù)據(jù)量的傳遞，對這種大數(shù)據(jù)的信號處理往往力不從心，存在帶寬不足，或投資成本過高的情況。

本文設計的智能控制器在實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通訊協(xié)議時充分考慮到了未來的發(fā)展，將數(shù)據(jù)按類型進行分類，針對不同的分類采取不同的傳輸策略;采用基于帶寬預留方式的調(diào)度機制，采用EDF實時調(diào)度算法，在大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪^程中保證帶寬的合理使用;采用基于時間片的分時調(diào)度方式，提高實時數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

(3)控制功能通訊安全技術應用。本文設計的智能控制器研究了高可靠性的加密算法對數(shù)據(jù)加密，保障數(shù)據(jù)內(nèi)容安全性;建立證書認證體系，保障數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)發(fā)起端和數(shù)據(jù)接收端的可信性;加入密鑰管理與協(xié)商機制，增強整個數(shù)據(jù)傳輸體系的可靠性;根據(jù)通訊類型的不同采用不同等級的安全認證策略，在控制器與控制器間，采用輕量級加密算法和證書認證流程，加入密鑰管理與協(xié)商機制，在不影響數(shù)據(jù)傳輸速度的情況下，提高數(shù)據(jù)安全;在控制器與服務器間，采用深度加密算法和嚴格的證書認證流程，同時增強密鑰管理機制與協(xié)商機制，保障數(shù)據(jù)安全。

3結(jié)語

本文針對大型工程類裝備存在的異構(gòu)網(wǎng)絡PLC之間無法互聯(lián)，無法實現(xiàn)制造物聯(lián)中M2M互聯(lián)模式的問題，自主研發(fā)設計了一種智能控制器對設備進行智能調(diào)節(jié)和控制，并可與不同通訊協(xié)議的PLC設備進行通訊，可接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)實現(xiàn)產(chǎn)品功能的在線服務，性能上完全可以取代市場上的傳統(tǒng)PLC，同時降低了成本，打破了國外企業(yè)對PLC行業(yè)的長期壟斷。