基于M2M的大型工程类装备的智能控制器设计

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0引言
       
        制造物联是对制造资源信息与产品信息的动态感知、智能处理与优化控制的一种新型制造模式和信息服务模式，是通过将RFID，M2M为代表的物联网技术、先进制造技术与现代管理技术集成应用，构建服务于供应链、制造过程、物流配送、售后服务、再制造等产品各生命周期阶段的基础性、开放性网络系统。将推动制造业向全球化信息化、智能化、绿色化方向发展。
       
        M2M是制造物联的基础之一，其中M可以是人（Man），也可以是机器（Machine），M2M泛指人、机器之间建立连接的所有技术和手段，旨在通过通信技术将机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信、移动互联通信等不同类型的通信技术有机结合在一起。在现有的许多大型工程装备类行业，通常采用可编程逻辑控制器（PLC）作为设备的控制系统。
       
        现有性能可靠、安全性高的PLC产品几乎都被国外企业所垄断，成本较高。并且由于PLC制造商之间存在竞争，不同制造商生产的PLC产品采用的通讯协议不同，之间无法进行直接通讯，因此要想与自身原有的PLC网络兼容，必须购买具有相同品牌PLC的工程装备，选择受到限制。
       
        此外，传统的PLC产品并不能直接接入互联网，要想将设备的PLC接入网络，并将设备数据发送至设备制造商实现实时分析、实时预警、故障在线诊断，则必须将PLC通过网络模块接入到企业的局域网中，然后通过VPN的形式才能将数据送回至设备制造商，且传回的数据必须通过WinCC等特定的组态软件进行读取接收，此类软件知识产权固有，无法进行任意地改造开发，极大地增加了维护成本；同时传回的数据无法与企业自身的信息化系统进行数据的互联互通，导致形成信息孤岛；由于PLC的数据传输属于窄带宽即时传输，无法传输现场的视频等数据量较大的信息，传回的数据也不足以判断造成故障的原因。因此这种做法不仅造价极高，而且很难实现预期效果、满足制造物联的需求。
       
        由于传统PLC产品存在上述问题并且很难进行改造，通常采用工业PC与PLC结合或者单片机控制器进行控制。单片机控制器之间无法进行设备互联以及与互联网的通信，同时无法实现控制结果的人机界面反馈以及故障诊断、报警等功能，而工业PC由于具有强大的数据通信、数据处理功能，可以处理比较复杂的运算过程，在Windows下可以使用如VC++，VB等可视化编程语言开发良好的人机界面，可以方便地监视和处理控制过程，因而工业PC+PLC的工业控制系统在国内外已经广泛的应用于离散和连续的过程控制中。综合以上特性，本文选择工业PC与PLC结合的方式，设计了一种智能控制器，替代通用的PLC产品，对制造现场的设备进行智能调节和控制，并可与不同通讯协议的PLC设备进行通讯，可接入互联网、局域网实现产品功能的在线服务。打破了国外产品对PLC行业的长期垄断，自主研发并大大降低了产品成本。
       
        1智能控制器应用架构
       
        本文设计的智能控制器应用架构如图1所示。
       
       
          图1 智能控制器应用架构图
       
        此应用架构共分为三层：感知层、控制层和应用层。其中，感知层包括传感器、阀门、仪表、RFID等信息采集设备，控制层包括不同种类的控制器，本文设计的智能控制器就在这一层，其主要功能包括故障检测、故障报警、应急处理、状态查询等，应用层包含设备运营平台，主要包括用户管理、计量计费、商务营销、资源管理、安全认证等功能模块。
       
        本文设计的智能控制器使用嵌入式A/D、D/A转换器将被控设备上仪表、传感器的模拟信号（电压或是电流的形式）转换成数字信号供控制系统识别，同时将控制系统的数字信号转换成被控设备上仪表、传感器可以识别的模拟信号控制设备运行状态，从而实现控制层与感知层的互联。
       
        对于控制层中不同PLC产品的连接问题，智能控制器集成了自适应PLC网络通信模块，通过自适应PLC网络通讯技术，将复杂的现场总线通讯接口，抽象成单一通讯接口，在接口上使用自适应现场总线通讯协议，根据外部通讯接口的变化自动匹配与之相对应的现场总线协议，打通多现场总线间的通讯壁垒，做到不同控制器之间的无缝连接，实现控制层的内部通信。
       
        智能控制器集成的网络通讯模组，提供GPRS/3G通讯模块支持控制器数据在线移动通讯；提供WiFi模块，可以通过WiFi接入到局域网。支持标准以太网通讯、WiFi通讯、GPRS通讯、3G通讯，保证控制器数据可以实时传输到网络中，实现控制层和应用层的连接。
       
        2智能控制器设计方案
       
        2.1智能控制器设计结构图
       
        本文设计的智能控制器设计结构图如图2所示。
       
       
        图2 智能控制器设计结构图
       
        该智能控制器以嵌入式主板为基础，嵌入式主板为嵌入式X86主板、嵌入式ARM主板或其他具有类似功能的主板。外围集成硬盘、显示器、数/模，模/数转换模块、数字信号采集板、自适应PLC通讯模块和网络通讯模组，采用Windows操作系统，通过数模/模数转换模块与被控装备上的传感器、仪表、阀门等设备进行数据交换，对被控装备进行控制和调节；智能控制器可通过自适应PLC通讯模块与多种PLC设备如上位机、总控机进行数据交换，可通过网络通讯模组接入互联网、局域网等网络，进入产品运维平台，实现远程在线服务。
        2.2各模块具体设计实现
       
        2.2.1智能控制器主板设计
       
        （1）嵌入式并行处理技术的应用。传统PLC控制系统中，CPU“顺序扫描，不断循环”的工作方式决定了PLC在执行时，指令必须短小精悍，且只能串行，无法并行处理指令，限制了PLC的控制实现，使其无法实现复杂的控制算法和控制功能。
       
        本文设计的智能控制器通过对嵌入式并行处理系统架构和任务并行协同处理技术的研究，采用嵌入式并行处理架构CPU，取代传统的单片机、PLC等串行处理架构CPU，作为控制系统的控制芯片，结合增强型的DSP指令集，增加了对并行任务处理的支持、快速的中断处理和硬件I/O支持、低开销或无开销循环及跳转的硬件支持、单周期内操作的多个硬件地址产生器的支持，比16位单片机单指令执行时间快8~10倍，完成一次乘加运算快16~30倍，即具备了传统单片机、PLC的高稳定性、高精度的特点，同时又提高了整个系统的运行效率，使系统的控制功能更加丰富、高效。
       
        （2）高级PID控制器算法的实现。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，其核心算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成［11］，通过对，和进行参数设定，来适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，通过配置可用于温度、压力、流量等参数的单回路控制方案［12］。PID控制器算法有三种，分别为增量式算法、位置式算法和微分先行［13］。
       
        传统的控制系统如PLC中，通常会集成PID控制算法函数，供控制功能开发人员调用，对温度、压力、功率等模拟量参数进行调整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作为核心算法固化在PLC控制器内部，设计人员无法选择或更改，这就要求在控制系统的设计过程中针对不同类型的控制需求来选择使用不同品牌的PLC控制器，且一旦选定后将无法更改，这给系统的设计、开发，后期的维护带来很多的麻烦。
       
        本智能控制器根据三种PID算法的不同特点，通过设定参数的方式让系统设计人员在系统设计及后期维护过程中灵活选择，而不影响系统已有的控制功能。
       
        2.2.2嵌入式A/D、D/A转换器应用
       
        A/D、D/A转换器是控制器与被控设备之间数据传输的纽带，其性能指标主要通过取样与保持、量化与编码、分辨率、转换误差、转换时间、绝对精准度、相对精准度等几个指标来衡量，传统的PLC控制系统中的A/D、D/A转换器受其自身和外部条件限制，在抗干扰能力上比较差，在强电压、高电磁干扰的信号源的采样上容易出现“毛刺”或电源纹波，降低了信号的分辨率和精准度，使得在一些对信号精度要求高的自控设备上无法达到控制要求。
       
        本文设计的智能控制器通过对嵌入式A/D、D/A转换设计技术、多值A/D转换器及数字滤波器技术的研究，在降低A/D、D/A转换器体积和功耗的情况下，采用数字滤波算法增强A/D、D/A转换器的抗干扰能力，提高信号转换的分辨率和精准度。
       
        2.2.3自适应PLC网络通讯模块的设计
       
        本控制器集成的自适应PLC通讯模块，包括与嵌入式主板匹配的标准通讯口、与各种PLC设备匹配的多种通讯口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通讯接口及各种PLC通讯协议。嵌入式主板通过标准通讯口与自适应PLC通讯模块上的标准通讯口进行通讯，自适应PLC通讯模块可选用各种通讯口与不同的PLC设备进行通讯。当自适应PLC通讯模块与PLC设备进行通讯时，如果PLC设备支持RJ45，RS 232，RS 485通讯接口则优先选用，否则，则选用PCI通讯口，通过扩展PLC通讯卡与这些PLC设备进行通讯。其中PLC通讯卡可根据与之进行通讯的PLC设备进行选择，如与西门子系列PLC设备进行通讯时，可选用西门子品牌的通讯卡。
       
        该自适应PLC通讯模块具有协议自动匹配功能，可根据与之通讯的PLC设备的通讯协议，自动进行协议匹配，建立通讯连接。模块结构图如3所示。
       
       
        图3 PID控制器原理图
       
        （1）多工业现场总线自适应技术实现。目前世界上存在着大约40余种现场总线，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC /ISA）就开始着手制定现场总线的标准，但由于各个国家各个公司的利益之争，所以至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。这种现象的存在使得通用控制系统在设计和实现的过程中需要针对不同的现场总线进行设计和考量，增大了系统设计的难度，而且无法从根本上解决多现场总线间通讯的问题。
       
        本文设计的智能控制器设计的自适应现场总线通讯协议技术将复杂的现场总线通讯接口，抽象成单一通讯接口，在接口上使用自适应现场总线通讯协议，根据外部通讯接口的变化自动匹配与之相对应的现场总线协议，打通多现场总线间的通讯壁垒，做到无缝切换，降低了控制系统的设计、开发难度。示意图如图4所示。
       
       
        图4 多现场总线通讯示意图
       
        （2）高可靠性实时通信技术应用。随着现代控制系统功能的日益强大，对现场控制数据的多样性和复杂性要求也越来越高，未来的现场控制数据将不再只是单纯的信号片段，会出现对音频、视频，甚至是三维虚拟现实的数据传递，而传统的现场总线通信技术更多的是应用于小数据量的传递，对这种大数据的信号处理往往力不从心，存在带宽不足，或投资成本过高的情况。
       
        本文设计的智能控制器在实现数据实时通讯协议时充分考虑到了未来的发展，将数据按类型进行分类，针对不同的分类采取不同的传输策略；采用基于带宽预留方式的调度机制，采用EDF实时调度算法，在大数据量传输的过程中保证带宽的合理使用；采用基于时间片的分时调度方式，提高实时数据的传输效率，保证数据传输的实时性和可靠性。
       
        （3）控制功能通讯安全技术应用。本文设计的智能控制器研究了高可靠性的加密算法对数据加密，保障数据内容安全性；建立证书认证体系，保障数据传输过程中数据发起端和数据接收端的可信性；加入密钥管理与协商机制，增强整个数据传输体系的可靠性；根据通讯类型的不同采用不同等级的安全认证策略，在控制器与控制器间，采用轻量级加密算法和证书认证流程，加入密钥管理与协商机制，在不影响数据传输速度的情况下，提高数据安全；在控制器与服务器间，采用深度加密算法和严格的证书认证流程，同时增强密钥管理机制与协商机制，保障数据安全。
       
        3结语
       
        本文针对大型工程类装备存在的异构网络PLC之间无法互联，无法实现制造物联中M2M互联模式的问题，自主研发设计了一种智能控制器对设备进行智能调节和控制，并可与不同通讯协议的PLC设备进行通讯，可接入互联网、局域网实现产品功能的在线服务，性能上完全可以取代市场上的传统PLC，同时降低了成本，打破了国外企业对PLC行业的长期垄断。