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篇1

關(guān)鍵詞：飛騰處理器；linux驅(qū)動(dòng)框架；DMA；IP頭對(duì)齊；NAP；GSO

中圖分類號(hào)：TP334.7

飛騰處理器是國(guó)防科大計(jì)算機(jī)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(gè)千兆網(wǎng)絡(luò)控制器，通過(guò)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(dòng)框架知識(shí)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)飛騰處理器中網(wǎng)絡(luò)控制器的驅(qū)動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，使其達(dá)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(gè)邏輯部件。AHB/AXI接口通過(guò)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(wèn)操作，也可以作為主設(shè)備為DMA啟動(dòng)訪存操作；DMA通道負(fù)責(zé)通過(guò)AMBA總線在系統(tǒng)主存和內(nèi)部FIFO之間進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器包含兩個(gè)DMA通道和兩個(gè)FIFO緩沖；核心邏輯實(shí)現(xiàn)了千兆介質(zhì)無(wú)關(guān)接口GMII，并負(fù)責(zé)在FIFO緩沖區(qū)和GMII之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。

飛騰處理器通過(guò)GMII接口與物理層芯片連接，并通過(guò)介質(zhì)相關(guān)MD總線訪問(wèn)物理層芯片的狀態(tài)和控制寄存器SCR。

2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dú)立于具體的設(shè)備，通過(guò)dev_queue_xmit（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(dòng)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(dòng)功能層中各函數(shù)的容器。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)作的程序，它通過(guò)hard_start_xmit（）函數(shù)啟動(dòng)發(fā)送操作，并通過(guò)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(dòng)實(shí)現(xiàn)了linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本框架要求的函數(shù)接口，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，主要技術(shù)難點(diǎn)在于資源尋址機(jī)制、鏈路狀態(tài)監(jiān)控和基于DMA的數(shù)據(jù)包收發(fā)機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.1 資源尋址機(jī)制

資源尋址機(jī)制涉及到兩方面問(wèn)題：一方面是飛騰CPU硬核對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)CSR寄存器的尋址，并通過(guò)CSR寄存器中的MD地址和數(shù)據(jù)寄存器的編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)物理層芯片內(nèi)部MD寄存器的訪問(wèn)。

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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此DMA需要具有系統(tǒng)主存的訪問(wèn)能力，也就是說(shuō)，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?yàn)轱w騰處理器的AMBA總線長(zhǎng)度為64位，所以整個(gè)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(dòng)程序的硬件初始化部分，通過(guò)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器DMA對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)線組成：MDC配置接口時(shí)鐘，最高速率可達(dá)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(shí)鐘同步的。

網(wǎng)絡(luò)控制器提供了兩個(gè)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(xiě)命令，5位PHY芯片的地址，5位PHY芯片的寄存器地址寫(xiě)入GMII地址寄存器，在MDC時(shí)鐘的配合下，將命令寫(xiě)入到GMII數(shù)據(jù)寄存器，來(lái)控制和管理PHY芯片，如TX/RX模式選擇、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)字節(jié)組成，4個(gè)字節(jié)一組，將這4組分別標(biāo)識(shí)為DES0，DES1，DES2，DES3。

DES0是前4字節(jié)，具體為1位OWN位（用來(lái)標(biāo)識(shí)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(gè)11位分別用來(lái)標(biāo)識(shí)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(gè)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(duì)于接收，驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)主存中維護(hù)一個(gè)由256個(gè)描述符組成的接收描述符數(shù)組，驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的256個(gè)2K字節(jié)大小的skb緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)進(jìn)行DMA流式映射，將生成的DMA地址填寫(xiě)到對(duì)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(xiě)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(guò)PHY芯片的接收進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)控制器的接收FIFO時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器會(huì)自動(dòng)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(wèn)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(xiě)入對(duì)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(zhǎng)度等信息寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的接收描述符的DES1的對(duì)應(yīng)字段中，并產(chǎn)生接收中斷。內(nèi)核調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷處理程序，使用輪詢的方式進(jìn)行收包，并將數(shù)據(jù)包提交給上層協(xié)議棧。

對(duì)于發(fā)送，驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)主存中維護(hù)了一個(gè)256個(gè)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(xiě)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(shí)，上層協(xié)議棧會(huì)向驅(qū)動(dòng)傳遞要發(fā)送的skb緩沖區(qū)，將skb緩沖區(qū)進(jìn)行DMA流式映射，并將生成的DMA地址填寫(xiě)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(xiě)對(duì)應(yīng)描述符的DES1的校驗(yàn)和字段以及緩沖區(qū)大小字段等。最后，寫(xiě)DMA發(fā)送輪詢寄存器，將喚醒發(fā)送DMA，使其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)送DMA進(jìn)入運(yùn)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(wèn)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(guò)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(dòng)優(yōu)化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化技術(shù)有：IP報(bào)文頭部對(duì)齊，NAPI，GSO，DMA分散聚集等。

在飛騰處理器平臺(tái)上，重點(diǎn)介紹三點(diǎn)。

3.1 IP報(bào)文頭對(duì)齊對(duì)齊

在接收過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)向內(nèi)核申請(qǐng)skb緩沖區(qū)后，需要調(diào)用skb_reserve（skb，2），使得skb->data向后移動(dòng)兩個(gè)字節(jié)，因?yàn)閙ac頭長(zhǎng)度是14個(gè)字節(jié)，skb->data前面空置的2個(gè)字節(jié)加上mac頭長(zhǎng)度正好是16個(gè)字節(jié)，使得接下來(lái)的IP報(bào)文的起始地址是4字節(jié)地址對(duì)齊，這樣做使得內(nèi)核在后續(xù)對(duì)IP報(bào)文訪問(wèn)時(shí)使用了對(duì)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(huì)使得對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行DMA流式映射時(shí)生成的DMA地址不對(duì)齊，可能會(huì)對(duì)DMA操作產(chǎn)生影響，但此款網(wǎng)卡適配器的DMA對(duì)緩沖區(qū)的地址對(duì)齊沒(méi)有很嚴(yán)格的要求，通過(guò)硬件處理將性能的降低減到了最小，故采用IP報(bào)文頭對(duì)齊，在這點(diǎn)上對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的提高是很顯著的。

3.2 NAPI技術(shù)

對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言，單純采用中斷驅(qū)動(dòng)的方式，CPU可能在短時(shí)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(gè)進(jìn)入的數(shù)據(jù)包都向CPU產(chǎn)生一次中斷請(qǐng)求，對(duì)這些請(qǐng)求的單獨(dú)處理無(wú)疑會(huì)造成CPU資源的浪費(fèi)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

NAPI的設(shè)計(jì)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(shì)。當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達(dá)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(duì)數(shù)據(jù)包的接收進(jìn)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(gè)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(dá)到這個(gè)閥值時(shí)，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(gè)閥值，退出輪詢收包模式，開(kāi)啟接收中斷，進(jìn)入中斷收包模式。NAPI通過(guò)輪詢期間關(guān)閉中斷，實(shí)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(fù)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T(mén)SO。

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(fù)荷，但TSO需要硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)分片功能；而性能上的提高，主要是因?yàn)檠泳彿制鴾p輕了CPU的負(fù)載，因此，可以考慮將TSO技術(shù)一般化，因?yàn)槠浔举|(zhì)實(shí)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(guò)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(dòng)的stmmac_xmit函數(shù)前，達(dá)到延緩分片的目的，最終提高了性能。

4 測(cè)試

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

軟件環(huán)境：測(cè)試工具為iperf。

由測(cè)試結(jié)果可得：新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)較之前的驅(qū)動(dòng)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(bào)文頭部對(duì)齊對(duì)TCP/UDP接收性能有較大提升，但由于IP報(bào)文頭對(duì)齊導(dǎo)致的DMA地址不對(duì)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(duì)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(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了國(guó)產(chǎn)飛騰處理器SOC網(wǎng)絡(luò)適配器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及對(duì)其進(jìn)行的優(yōu)化，雖然網(wǎng)卡在此驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)幾乎達(dá)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(guò)后續(xù)學(xué)習(xí)和研究，能進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)飛騰處理器平臺(tái)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(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋的信息來(lái)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(guò)反饋信息調(diào)節(jié)窗口大小?；谒俾实膿砣刂品椒ㄒ云浜?jiǎn)單及易于實(shí)現(xiàn)性正在ATM等高速網(wǎng)絡(luò)中得到越來(lái)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(jì)基于速率的擁塞控制反饋控制器時(shí),時(shí)滯以及多時(shí)滯問(wèn)題是必須考慮的一個(gè)重要因素,目前有許多文章對(duì)其進(jìn)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(jì)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(shí)變不確定多時(shí)滯問(wèn)題［1］；通過(guò)利用瓶頸的輸出速率信息對(duì)以往只利用隊(duì)列期望長(zhǎng)度誤差信息設(shè)計(jì)的H∞反饋控制器進(jìn)行改進(jìn),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(jì)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(dá)到最大利用效率,以及消除時(shí)滯的影響,使系統(tǒng)可魯棒鎮(zhèn)定。

1 問(wèn)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(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度； qe(t)＞0為期望數(shù)據(jù)最大緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度；qe:ri(t)≥0為通過(guò)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(diǎn)的各源數(shù)據(jù)輸入速率；τi表示各源時(shí)變不確定時(shí)滯,且滿足0≤τi(t)≤τm;c(t)為瓶頸點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出速率。該系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)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(duì)于任意對(duì)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(gè)使圖2所示的反饋控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)于任意對(duì)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(gè)使圖3所示的反饋控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)上述反饋系統(tǒng)的P0進(jìn)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(shí)有理函數(shù)。

2 H∞擁塞控制反饋控制器的設(shè)計(jì)

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(shí)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(duì)于笑亍R,0≤τi(t)≤τm,有:

Wn(jω)≥e -jτmω-1(3)

因此,由引理1知,對(duì)于上述不確定時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(dá)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(diǎn),同時(shí)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(gè)工程應(yīng)用中常見(jiàn)的混合靈敏度優(yōu)化問(wèn)題。考慮式(5),上述性能指標(biāo)也可寫(xiě)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(jì)要求的擁塞控制H∞反饋控制器。

3 實(shí)例分析

設(shè)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)瓶頸點(diǎn)輸出速率為c(t)= 1 000+100sin(0.1t),t≥0;期望緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度為qe(t)=100;系統(tǒng)最大時(shí)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］?？紤]到各源的公平性,只需對(duì)其中一個(gè)源的H∞控制器K et(s)進(jìn)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(yǔ)

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(jì)問(wèn)題,首先建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,然后進(jìn)行H∞擁塞控制反饋控制器的設(shè)計(jì),再對(duì)其性能要求進(jìn)行分析,最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例表明采用此方法設(shè)計(jì)的擁塞控制H∞反饋控制器較為簡(jiǎn)單,且能有效達(dá)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(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）07-0206-02

0 引言

將實(shí)時(shí)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(diǎn)是能夠使我們對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)與診斷工作變得更加簡(jiǎn)單方便，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)連線的減少，起到了對(duì)系統(tǒng)靈活性的有效提高。但是，其同行業(yè)中一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行控制的系統(tǒng)比起來(lái)，其將通信網(wǎng)絡(luò)同反饋閉環(huán)相結(jié)合的方式也會(huì)使這個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作與分析工作更加復(fù)雜化，在對(duì)工作帶來(lái)更多難度的同時(shí)，也會(huì)使很多意想不到的因素比如網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行以及系統(tǒng)的性能造成影響。而按照正常的控制理論來(lái)說(shuō)，其在正常使用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)則應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行重新全面的評(píng)估。

而隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)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(guó)當(dāng)下較為熱門(mén)的研究技術(shù)，同時(shí)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(shí)在系統(tǒng)中以不同的計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組成。但是在這種IA思想的控制系統(tǒng)中，如果將整個(gè)系統(tǒng)的正常工作都依賴于僅有的一個(gè)控制器中，那么一旦這個(gè)控制器出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)隨之進(jìn)入癱瘓之中，這就導(dǎo)致了這個(gè)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(wèn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)為系統(tǒng)主要組件的控制系統(tǒng)，并由多個(gè)計(jì)算機(jī)作為IA的互相結(jié)合與協(xié)作來(lái)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行增強(qiáng)。我們之前提到過(guò)，在這個(gè)重要的系統(tǒng)中如果只有一個(gè)控制機(jī)器，那么當(dāng)這個(gè)控制器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到影響。而為了對(duì)這種進(jìn)行解決，就應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性的提出一種含有兩個(gè)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(jiàn)到，在這個(gè)系統(tǒng)之中包括兩個(gè)同樣的控制器，而如果正在運(yùn)行的控制器出現(xiàn)了問(wèn)題，那么在計(jì)算機(jī)中預(yù)裝的軟件程序就會(huì)被激活，并在第一時(shí)間對(duì)控制器進(jìn)行切換。由于這種切換工作進(jìn)行的比較快，是一種瞬時(shí)的狀態(tài)，所以這個(gè)控制器的切換工作只會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)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(jì)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(jìn)行變動(dòng)。

另外，我們還將對(duì)此控制器的故障數(shù)進(jìn)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。此系統(tǒng)的狀態(tài)主要有三種：當(dāng)狀態(tài)數(shù)為0時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)正常工作，兩個(gè)控制器運(yùn)行良好；當(dāng)狀態(tài)數(shù)為1時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)正常工作，但是其中一個(gè)控制器運(yùn)行良好，另一個(gè)出現(xiàn)故障；當(dāng)狀態(tài)數(shù)為2時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)停止工作，兩個(gè)控制器都發(fā)生了故障，且其中的一個(gè)控制器正在進(jìn)行修理，而另一個(gè)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(duì)此我們需要對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析：由于此系統(tǒng)中存在兩個(gè)獨(dú)立且相同的控制器，那么只要有一個(gè)控制器能夠正常進(jìn)行工作，就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。只有當(dāng)兩個(gè)控制器都出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，才會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生故障。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中兩個(gè)控制器為并聯(lián)設(shè)置的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)中這兩個(gè)控制器都正常運(yùn)行時(shí)，其中的一個(gè)控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而另一個(gè)控制器則在此時(shí)處于儲(chǔ)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(jìn)行修理，則當(dāng)一個(gè)控制器發(fā)生故障時(shí)，維修人員在維修的過(guò)程中并不影響另一個(gè)控制器的正常運(yùn)行，所以一直能夠使系統(tǒng)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。而只有在兩個(gè)控制器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，才會(huì)因?yàn)橥痪S修人員的先后維修順序使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間得到一定的影響。

對(duì)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(chǔ)備方式為冷儲(chǔ)備。

第三，此控制器符合λ（λ>0）的指數(shù)分布，同時(shí)其控制器的維修時(shí)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(shí)系統(tǒng)處于t時(shí)刻的狀態(tài)中。

通過(guò)以上假設(shè)，我們可以了解到S（t）為一個(gè)狀態(tài)空間為E={0，1，2}的馬氏過(guò)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(yùn)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(jìn)入狀態(tài)1時(shí)，會(huì)在很短的時(shí)間返回至狀態(tài)0中。所以，系統(tǒng)的時(shí)效時(shí)間主要就分布在貼近與狀態(tài)0間的時(shí)間中，由此可以了解這個(gè)系統(tǒng)的大部分時(shí)間都處于正常的運(yùn)行狀態(tài)中。其可靠性指標(biāo)與原理分析如下所示：

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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?cè)趯?shí)際的工作中以其為依據(jù)而進(jìn)行更好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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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(hào)TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）49-0186-02

0 引言

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，它對(duì)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)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(yán)重制約了各種確定型或自適應(yīng)控制的實(shí)際控制性能，使已有的控制器始終未能達(dá)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(dòng)調(diào)整自身行為，從原理上來(lái)本文利用說(shuō)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(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)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(duì)其在交直流混合輸電系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行分析與驗(yàn)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(shí)時(shí)控制的在線自學(xué)習(xí)，具有以下重要意義：

1）對(duì)交直流混合輸電系統(tǒng)而言，模型仿真手段無(wú)論如何力求精確，也始終無(wú)法和實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為完全一致，因而離線訓(xùn)練設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在線運(yùn)行中性能總會(huì)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(lái)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(duì)于其它控制原理的依賴，擁有自己獨(dú)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(jìn)，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(jì)

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(xiàn)[4]提出了一種解決該困境的新思路，設(shè)計(jì)出一種逆動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（），如圖1所示，?。▂，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(shí)現(xiàn)

本文即采用圖2所示的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)逆系統(tǒng)NNHVDC的設(shè)計(jì)并探討其在線自學(xué)習(xí)的實(shí)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(xiàn)[4]已經(jīng)提出了這種模型中控制的實(shí)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(shí)，經(jīng)過(guò)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(dòng)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(shí)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(shí)刻的控制信號(hào)。如何確定和是獲取NN輸入的兩個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)速差為調(diào)制信號(hào)的作為NN的初始訓(xùn)練器來(lái)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(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)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(jì)者希望有擾動(dòng)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(duì)IDNNHVDC進(jìn)行初步的離散訓(xùn)練，其目的是不至于一開(kāi)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(jì)為NNHVDC1）置入交直流系統(tǒng)，記錄其在各種擾動(dòng)的控制性能；

3）對(duì)于選定的擾動(dòng)，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(duì)NNHVDC2重復(fù)[step2]～[step 3]的控制過(guò)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(gè)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(gè)區(qū)域，發(fā)電機(jī)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(jī)M2區(qū)域輸電。發(fā)電機(jī)M1、M2包含有勵(lì)磁控制,機(jī)端電壓為13.8kV，通過(guò)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(gè)5000mW的負(fù)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(zhǎng)為500km。在換流站設(shè)置的無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置包

括一個(gè)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(jìn)行仿真計(jì)算，系統(tǒng)模型如圖4所示，選取以下擾動(dòng)來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：整流側(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生2s時(shí)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(shí)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(guò)僅僅五次自學(xué)習(xí)之后，所得NNHVDC5的控制性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了常規(guī)直流調(diào)制CHVDC，達(dá)到了令人滿意的程度。

選取以下2個(gè)擾動(dòng)來(lái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的IDNNHVDC的控制性能：

擾動(dòng)一：t=2s時(shí)一交流線路首端發(fā)生三相短路，0.1s后保護(hù)動(dòng)作切除該回路，0.2s后重合閘合并恢復(fù)到雙回線運(yùn)行。

擾動(dòng)二：t=2s時(shí)一條交流線路首端三相短路，0.3s后故障排除；t=6s時(shí)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(guò)IDNNHVDC和CHVDC作用下發(fā)電機(jī)功角的變化過(guò)程的對(duì)比，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)五次訓(xùn)練后IDNNHVDC的控制效果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)CHVDC控制，從而進(jìn)一步證實(shí)了IDNNHVDC的優(yōu)越性能，通過(guò)以上仿真結(jié)果可得出以下幾個(gè)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(qiáng)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(duì)各種大、小擾動(dòng)均表現(xiàn)出明顯的抑制作用，具有很強(qiáng)的魯棒性;

3）通過(guò)在線訓(xùn)練后的IDNNHVDC在各擾動(dòng)下的控制性能表明，圖2所示以逼近受控系統(tǒng)逆動(dòng)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)，由參考模型產(chǎn)生期望控制響應(yīng)，實(shí)時(shí)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(yùn)用中，該方案的的控制效果已經(jīng)得到很好的驗(yàn)證，而其在直流阻尼調(diào)制的運(yùn)用與研究中尚屬空白。因此，筆者把該方案運(yùn)用于交直流系統(tǒng)直流阻尼調(diào)制之中，設(shè)計(jì)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(jì)的IDNNHVDC控制器能有效增強(qiáng)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(guò)程中，該NN控制器控制性能不斷改善，對(duì)各種大、小擾動(dòng)均表現(xiàn)出明顯的抑制作用

參考文獻(xiàn)

[1]管霖，程時(shí)杰，陳德樹(shù).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1996，16(6)：384-387.

篇5

關(guān)鍵詞免疫遺傳算法 模糊 精餾塔

中圖分類號(hào)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(guò)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(jì)了一種免疫遺傳算法優(yōu)化的模糊控制器對(duì)基于奇異攝動(dòng)法降階的精餾塔模型進(jìn)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(guò)渡過(guò)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(guò)去由于檢測(cè)上的困難，難以直接按產(chǎn)品的純度進(jìn)行控制?，F(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(lái)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(diǎn)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(shí)情況，本文設(shè)計(jì)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(hào): TL362.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(huì)和經(jīng)濟(jì)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(guò)程散發(fā)出的有害廢氣進(jìn)行收集，并回收原料試劑，是利國(guó)利民的措施。不僅可減少?gòu)U氣對(duì)環(huán)境的污染，而且還可減少原材料的投入。一定意義上對(duì)行業(yè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)積極的貢獻(xiàn)。

據(jù)介紹該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的廢氣分離回收技術(shù)，通過(guò)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?dú)夥祷睾铣砂毕到y(tǒng)，重新生成合成氨再利用，實(shí)現(xiàn)了廢氣綜合利用。這項(xiàng)技術(shù)不但產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，還可實(shí)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(xiàng)目，歷時(shí)3年4個(gè)月，終于投入運(yùn)行。整套設(shè)備引進(jìn)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(jìn)，技術(shù)一流，全套設(shè)備都是奧地利原地進(jìn)口，奧地利派最好的本國(guó)技術(shù)專家現(xiàn)場(chǎng)勘查，選址，設(shè)備項(xiàng)目分析實(shí)施，測(cè)試，到試運(yùn)行。

下面就我負(fù)責(zé)的電氣控制，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。控制室操作等方面進(jìn)行全面的說(shuō)明，讓引進(jìn)的技術(shù)能夠很好的利用起來(lái)，讓我廠的技術(shù)人員更好操作該項(xiàng)目設(shè)備。同時(shí)與國(guó)內(nèi)的同行業(yè)的專家學(xué)者進(jìn)行必要的技術(shù)交流和探討。共同吸收利用國(guó)外的先進(jìn)廢氣回收技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制手段?，F(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械裝置和設(shè)備相對(duì)討論較少，本人偏向控制室方面的管理和維護(hù)。雖然在語(yǔ)言上有很多不便和交流障礙，但是通過(guò)學(xué)習(xí)和利用網(wǎng)上的翻譯工具。還是能夠理解對(duì)方專家們的意圖，和想法。

控制室里面的強(qiáng)電控制室，電閘，空氣開(kāi)關(guān)，配電柜。這些關(guān)聯(lián)控制器有手動(dòng)的和自動(dòng)的，都是為更好對(duì)設(shè)備電路方面的管理。

控制室兩臺(tái)大型的顯示器，是對(duì)整個(gè)廢氣回收項(xiàng)目流程的管理控制過(guò)程，一目了然的可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，和操作實(shí)施。全部是英文界面，通過(guò)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(duì)一起網(wǎng)絡(luò)控制故障：來(lái)說(shuō)明一下所有設(shè)備的控制管理的自動(dòng)化水平還是相當(dāng)?shù)母?。奧地利專家通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，可以讓他們本國(guó)的專家對(duì)整套廢氣回收設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控維護(hù)和管理。一次一個(gè)專家接錯(cuò)了網(wǎng)線導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，他們本國(guó)的專家不能遠(yuǎn)程操作調(diào)試設(shè)備。通過(guò)我們對(duì)整個(gè)線路的梳理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。全面圖解了整個(gè)控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，為以后的工作也帶來(lái)很大的方便。

下面為整個(gè)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(lái)去走一個(gè)線槽，所以容易引起控制線纜插錯(cuò)位，不好復(fù)查的問(wèn)題，這就要求工程人員，熟悉現(xiàn)場(chǎng)布線。明白整個(gè)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(guò)培訓(xùn)的現(xiàn)場(chǎng)操作工，避免誤操作和違規(guī)操作。

3、 結(jié)語(yǔ)

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(jìn)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(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用水平，國(guó)家也鼓勵(lì)對(duì)其進(jìn)行工程示范和推廣。經(jīng)工程實(shí)踐證明了的成熟技術(shù)，污染防治效果穩(wěn)定可靠，國(guó)家鼓勵(lì)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化投資推廣，促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)與生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介

篇7

信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)方面推動(dòng)了許多技術(shù)的變革.傳統(tǒng)的軋機(jī)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(shí)用.針對(duì)采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)所完成的12輥冷軋機(jī)電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目，介紹了MMS協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)及DriveBus在光纖傳動(dòng)網(wǎng)中的應(yīng)用，說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的實(shí)際價(jià)值.

關(guān)鍵詞：

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

中圖分類號(hào)：

TP 273+.5

文獻(xiàn)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(guó)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(jì)90年代進(jìn)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(hù)帶來(lái)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(qǐng)北京ABB工程技術(shù)公司對(duì)十二輥可逆式冷軋機(jī)進(jìn)行了傳動(dòng)與控制部分的電氣改造.改造后，軋機(jī)維護(hù)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(jī)是1992年全套引進(jìn)德國(guó)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(dòng)控制、過(guò)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(gè)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(duì)傳動(dòng)控制和過(guò)程控制的技術(shù)升級(jí).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(jī)改造前的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).過(guò)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(jì)算系統(tǒng)（MKS）組成.傳動(dòng)系統(tǒng)的五臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)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(mén)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(jìn)行聯(lián)接.從圖1中可以看到，整個(gè)系統(tǒng)的線路是非常復(fù)雜的.這給設(shè)備維護(hù)人員排查故障帶來(lái)很大的不便，直接影響設(shè)備的產(chǎn)能.

圖1（b）是軋機(jī)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(gè)工業(yè)控制以太網(wǎng)絡(luò).圖中實(shí)線部分是由各控制器、工程師站和過(guò)程操作面板之間通過(guò)以太網(wǎng)連接起來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò).傳動(dòng)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(guò)光纖分配器NDBU95組成的一個(gè)光纖傳動(dòng)網(wǎng)絡(luò).整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程清晰，易于操作、便于維護(hù).

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(jiǎn)介

MMS制造報(bào)文規(guī)范是一個(gè)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(jìn)行通信.協(xié)議定義了控制器（如PLC）之間、工程站點(diǎn)與控制器之間的通信信息的傳輸.它的開(kāi)發(fā)主要應(yīng)用于工業(yè)，如工業(yè)過(guò)程控制、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域.

MMS標(biāo)準(zhǔn)即ISO/IEC9506，由ISO TC184和IEHC共同負(fù)責(zé)管理.ISO9506由多個(gè)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(diǎn)下載到PLC；

（2）在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立、刪除、運(yùn)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(xiě)變量；

（4）在遠(yuǎn)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(xiě)；

（6）處理報(bào)警信息；

（7）獲取遠(yuǎn)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(diǎn)、OPC服務(wù)器、控制器之間的作用類似一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器[1].

3.1.3 配置

控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)工程站點(diǎn)項(xiàng)目瀏覽器進(jìn)行配置.在當(dāng)前的項(xiàng)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(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)的使用，根據(jù)協(xié)議Redundant Network Routing Protocol （RNRP）進(jìn)行連接.

3.1.4 示例

結(jié)合本臺(tái)軋機(jī)的應(yīng)用，來(lái)了解一下MMS在控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)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(gè)支持控制器PLC_1、PLC_2，各自應(yīng)用中的程序通過(guò)MMS傳遞信息.

（1）控制器以太網(wǎng)端口設(shè)置

在項(xiàng)目瀏覽器里打開(kāi)硬件樹(shù)，在里找到要設(shè)置的控制器.打開(kāi)，在處理器單元里對(duì)進(jìn)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(shí)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(guò)以上兩步，一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)變量Y11_word_01的讀取.

3.2 DriveBus協(xié)議

3.2.1 簡(jiǎn)介

ABB公司推出的DriveBus協(xié)議主要應(yīng)用在ABB的傳動(dòng)設(shè)備、特殊I/O單元與一個(gè)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(shí)進(jìn)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(dòng)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(dòng)與控制器之間的數(shù)據(jù)通信；傳動(dòng)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(diǎn)

DriveBus協(xié)議有如下特點(diǎn)：

（1）支持不同類型的傳動(dòng)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(dòng)裝置內(nèi)部時(shí)間與日歷同步.方便記錄歷史事件；

（3）使用AC800M方便地對(duì)傳動(dòng)或特殊I/O單元進(jìn)行設(shè)置；

（4）自診斷功能.當(dāng)進(jìn)行了錯(cuò)誤的設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)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(tái)軋機(jī)為例，要實(shí)現(xiàn)控制器與傳動(dòng)之間的通信需要進(jìn)行如下設(shè)置.

對(duì)于傳動(dòng)DCS600來(lái)說(shuō)：

（1）使用專用傳動(dòng)軟件設(shè)置；

（2）定義參數(shù)組（90…93）的參數(shù)（僅對(duì)需要的變量）.

對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)：

（1）在硬件組中添加傳動(dòng)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(kāi)卷機(jī)點(diǎn)動(dòng)操作，來(lái)說(shuō)明控制器PLC_1與調(diào)速器DCS600的通訊連接.

（1）對(duì)DCS600的設(shè)置

利用DriveWindow軟件對(duì)DCS600進(jìn)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)組Dataset.比如定義參數(shù)組92中，第一個(gè)參數(shù)92.01賦予主狀態(tài)字參數(shù)08.01.對(duì)參數(shù)組90的第一個(gè)參數(shù)90.01賦予主控制字參數(shù)07.01.

（2）對(duì)控制器AC800M的設(shè)置

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

在程序里聲明兩個(gè)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(dòng)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(guò)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(gè)連接到CI858接口的傳動(dòng)單元，都可以定義8對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)組.最大傳輸率達(dá)到8對(duì)數(shù)據(jù)組/ms.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)MMS和DriveBus兩個(gè)通信協(xié)議在銅帶軋機(jī)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(shí)踐上可帶來(lái)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(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)的同時(shí)，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(shí)時(shí)性和可靠性的先天不足，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；更因?yàn)槠鋸氐椎拈_(kāi)放性、分散性和完全可互操作性等特點(diǎn)，正成為未來(lái)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(jìn)性，逐漸壟斷了商用計(jì)算機(jī)的通信領(lǐng)域和過(guò)程控制領(lǐng)域的上層信息管理與通信。為實(shí)現(xiàn)上層管理網(wǎng)絡(luò)與下層控制網(wǎng)絡(luò)的集成，在實(shí)際中必須實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián)。

Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線是美國(guó)Echelon公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)。Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線在網(wǎng)絡(luò)通信方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，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?fù)浣Y(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(dòng)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(wú)縫連接，實(shí)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(jì)

適配器使用的主要芯片為神經(jīng)元芯片TMPN3150、51單片機(jī)89C51RD和以太網(wǎng)控制器RTL8019as。主要分為L(zhǎng)onworks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(jī)內(nèi)部軟件完成。

1．1 Lonworks控制模塊

Lonworks控制模塊主要完成對(duì)LON網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理并向單片機(jī)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(guò)其11個(gè)I／O口，編程人員可以定義多個(gè)引腳為輸入／輸出對(duì)象。用戶程序可通過(guò)io＿in（）和io＿out（）訪問(wèn)這些I／O對(duì)象，并在程序執(zhí)行期間完成輸入／輸出操作。本文設(shè)計(jì)的適配器采用Neuron芯片預(yù)定義的并行I／O對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和全雙工工作方式。

并行I／O對(duì)象利用Neuron的11個(gè)I／O口進(jìn)行通信。其中IO0～I(xiàn)O7為雙向數(shù)據(jù)線，IO8～I(xiàn)O10為控制信號(hào)線。借助令牌傳遞握手協(xié)議，并行I／O口可外接處理器，實(shí)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(dá)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～I(xiàn)O10這三根控制信號(hào)線的意義不同。本文應(yīng)用從A模式?與單片機(jī)連接如表1所示。

表1 Neuron芯片與單片機(jī)的連接

IO8片選信號(hào)線（CS）接P2.5IO9讀寫(xiě)信號(hào)線（R/W）接P3.6IO10握手信號(hào)線（HS）接P1.0IO0～I(xiàn)O7數(shù)據(jù)總線接P0.0～P0.7從A模式中，Neuron芯片為從機(jī)，51單片機(jī)為主機(jī)。主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)虛擬的寫(xiě)令牌傳遞協(xié)議（Virtual Write Token－Passing Protocol）實(shí)現(xiàn)。主機(jī)和從機(jī)交替地獲得寫(xiě)令牌，只有擁有寫(xiě)令牌的一方可以寫(xiě)數(shù)據(jù)（不超過(guò)255字節(jié)），或者不寫(xiě)任何數(shù)據(jù)傳送一個(gè)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(zhǎng)度。命令碼有CMD＿XFER（寫(xiě)數(shù)據(jù)）、CMD＿NULL（傳遞空令牌）、CMD＿RESYNC（要求從機(jī)同步）、CMD＿ACKSYNC（確認(rèn)同步）四種，最后以EOM字節(jié)結(jié)束。寫(xiě)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(xiě)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(jī)和RTL8019as組成。以太網(wǎng)控制器RTL8019as由臺(tái)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(gè)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(shí)際上它是雙端口RAM，可以同時(shí)被網(wǎng)卡讀／寫(xiě)和用戶讀／寫(xiě)，相互之間不影響。網(wǎng)卡讀寫(xiě)比用戶讀寫(xiě)的優(yōu)先級(jí)高。RAM分頁(yè)存儲(chǔ)，每256字節(jié)稱為一頁(yè)。將前12頁(yè)作為發(fā)送緩沖區(qū)（0x4000～0x4bff），后52頁(yè)作為接收緩沖區(qū)（0x4c00～0x7fff）。

以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制、CRC校驗(yàn)及數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送都由網(wǎng)卡自動(dòng)完成，只需將IP包加上目的MAC地址和源地址，再通過(guò)遠(yuǎn)端DMA接口對(duì)RTL8019as內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)即可。網(wǎng)卡的地址線共20根。用到的網(wǎng)卡地址為十六進(jìn)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(gè)，地址偏移量為00H～1FH（對(duì)應(yīng)于240H～25FH）。對(duì)于8位操作方式，32個(gè)地址中只有18個(gè)有用：00H～0FH共16個(gè)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(jī)的連接如表4所示。

表4 RTL8019as單片的連接

IORB讀信號(hào)，接P3.6IOWB寫(xiě)信號(hào)，接P3.7RSTDRV復(fù)位信號(hào)，P3.4AEN地址信號(hào)，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(jī)P0口A19～A10，A6地址線接地A9，A5接P2.5（高電平時(shí)選中）A4～A0接單片機(jī)P2.0×P2.4表5 單片機(jī)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(shí)支持ICMP的回應(yīng)應(yīng)答和回應(yīng)請(qǐng)求報(bào)文（Ping命令），單片機(jī)發(fā)往RTL8019as的數(shù)據(jù)幀格式如表5所示。

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議要作一些簡(jiǎn)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(jì)

由于P89C51RD2只有四個(gè)8位I／O口，無(wú)法同時(shí)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(hào)，高電平為RTL8019as，低電平為T(mén)MPN3150。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(jìn)行片選。當(dāng)P2．5高電平時(shí)，RTL8019as地址（1XXXXX）有效，被選中。Max232作為單片機(jī)的下載線，互聯(lián)適配器也可使用RS232口與計(jì)算機(jī)通信。

圖2 適配器工作流程圖

2 互連適配器的軟件設(shè)計(jì)

適配器的軟件編寫(xiě)包括兩部分：一部分是TMPN3150上用Neuron C語(yǔ)言編寫(xiě)；另一部分是在P89C51上用C51語(yǔ)言開(kāi)發(fā)TCP／IP協(xié)議棧和與TMPN3150、RTL8019as的通信軟件，可讀性強(qiáng)，可方便地移植到其他51核心單片機(jī)上。

2．1 適配器的初始化

P89C51單片機(jī)和TMPN3150之間先建立握手信號(hào)，即HS信號(hào)有效（由TMPN3150的固件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）；然后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)CMD＿RESYNC命令，要求從機(jī)同步，而從機(jī)接收到這個(gè)信號(hào)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(diǎn)地址），再由89C51對(duì)RTL8019的頁(yè)0與頁(yè)1相關(guān)寄存器進(jìn)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(dòng)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(wú)法處理大的以太網(wǎng)幀。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，在最后具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，選擇LON最大為每幀64字節(jié)，盡量做到每收10個(gè)LON幀，發(fā)一個(gè)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(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.14.096

ProfiNet是面向所有自動(dòng)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(guò)程是連續(xù)的，需要長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，而ProfiNet適用于各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以在世界各地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，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(jìn)行快速定位，保證生產(chǎn)線的流水作業(yè)高效進(jìn)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

汽車自動(dòng)生產(chǎn)線控制器所采用的PLC為西門(mén)子S7-300系列，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。人機(jī)界面、PLC與上位機(jī)控制器通過(guò)交換機(jī)采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(guò)分布式I/O ET-200S作為從站，控制自動(dòng)線實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(hù)人員通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，管理層與分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)從站通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，主要是從PLC控制器中讀取從站故障報(bào)警錯(cuò)誤，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，準(zhǔn)確查找的功能。在每個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)中都有一個(gè)CPU313模塊，每個(gè)CPU模塊又帶有通信模塊CP343，將多個(gè)獨(dú)立的智能從站連接到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)線控制系統(tǒng)的全面通信。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組態(tài)

應(yīng)用博圖V13 step7進(jìn)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(hào)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(jì)

在OB1中編寫(xiě)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(shí)現(xiàn)主站和從站之間的相互控制輸出。編寫(xiě)符號(hào)表，將系統(tǒng)各I/O點(diǎn)與實(shí)際原件相對(duì)應(yīng)。汽車自動(dòng)生產(chǎn)線由輸送站控制系統(tǒng)、指示燈控制系統(tǒng)、行車機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、循跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)、升降機(jī)控制系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)和堆垛解垛控制系統(tǒng)組成。針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的控制系統(tǒng)，分別建立功能塊FB實(shí)現(xiàn)每個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立控制功能，在建立FB塊時(shí)要分配數(shù)據(jù)塊DB用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用DB塊之前要設(shè)置其存儲(chǔ)類型，所屬FB塊以及大小等參數(shù)。將設(shè)計(jì)好后的各FB塊在主程序塊OB1中調(diào)用，依據(jù)自動(dòng)系統(tǒng)的邏輯順序?qū)崿F(xiàn)輸送、搬運(yùn)、暫存、協(xié)調(diào)生產(chǎn)的過(guò)程。編譯無(wú)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(yùn)行。

3 人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

HMI監(jiān)控界面同樣采用博圖V13軟件中的WINCC來(lái)設(shè)計(jì)。首先將專用的驅(qū)動(dòng)程序添加到組態(tài)中，新建一個(gè)I/O設(shè)備連接，同時(shí)設(shè)定PLC屬性。然后設(shè)計(jì)WINCC監(jiān)控界面，在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)，當(dāng)從站各系統(tǒng)功能出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接收故障點(diǎn)的信息，以便維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ProfiNet網(wǎng)絡(luò)的汽車生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ω鲝恼鞠到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jìn)行進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。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(shí)間短等特點(diǎn)，能夠降低維修診斷成本，提高車間生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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

篇10

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

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

常規(guī)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，在報(bào)警實(shí)時(shí)性、可靠性、以及系統(tǒng)自身運(yùn)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用的進(jìn)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(shí)，加上移動(dòng)通信技術(shù)服務(wù)覆蓋范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，基于GPS無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的汽車動(dòng)態(tài)防盜報(bào)警集成系統(tǒng)的研究，就顯得非常有理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 汽車報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

GSM(全球移動(dòng)通信)是我國(guó)無(wú)線通信覆蓋面較廣、傳輸可靠性較高、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)的數(shù)字移動(dòng)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(xiàng)非常重要且成熟的業(yè)務(wù)，其實(shí)質(zhì)是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上在不需要建立撥號(hào)連接的前提下，實(shí)現(xiàn)間斷信息的實(shí)時(shí)傳輸通信?；贕SM網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)控制的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

從圖1可知，基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)控制系統(tǒng)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，其核心在于以SMS短消息為傳輸媒介，用戶的手機(jī)可以發(fā)送短消息到支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊--TC35I手機(jī)通信模塊，實(shí)現(xiàn)使用手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)車門(mén)、鎖定打開(kāi)油路、實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車運(yùn)行安全狀態(tài)、以及防盜報(bào)警燈功能。例當(dāng)車主發(fā)送"oil"到 TC35I手機(jī)通信模塊，則可以智能檢測(cè)汽車油路是否鎖定，如果處于鎖定狀態(tài)，則TC35I手機(jī)模塊就會(huì)返回短信"oil is lock"的短消息，反之則會(huì)返回"oil is open"的短消息?；贕SM網(wǎng)絡(luò)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，會(huì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)汽車的安全狀態(tài)，一旦監(jiān)測(cè)到車門(mén)被非法打開(kāi)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)被非法開(kāi)啟等危險(xiǎn)時(shí)，防盜系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)通過(guò)TC35I手機(jī)通信模塊，向車主手機(jī)發(fā)送防盜報(bào)警短信。在進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，TC35I手機(jī)通信模塊會(huì)將接收到車主手機(jī)返回的短消息內(nèi)容，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)信息，通過(guò)相應(yīng)串口將數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)控制系統(tǒng)，由單片機(jī)內(nèi)部程序自動(dòng)化判斷短消息內(nèi)容是否為合法遠(yuǎn)程操作指令，如果為合法則執(zhí)行相應(yīng)的操作，提供對(duì)應(yīng)的智能化、人性化服務(wù)；如果指令不合法，則會(huì)自動(dòng)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(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)到車門(mén)被非法打開(kāi)、點(diǎn)火系統(tǒng)被非常開(kāi)啟時(shí)，就會(huì)通過(guò)單片機(jī)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(guò)TC35I手機(jī)模塊向車主手機(jī)發(fā)送短消息，同時(shí)用戶可以根據(jù)需要回復(fù)短消息到防盜報(bào)警系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成相應(yīng)遠(yuǎn)程操控，如點(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)閉鎖、停止油路供給等防盜遠(yuǎn)程操作，從而大大提高汽車防盜報(bào)警性能。

2 主要功能模塊工作原理

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要選用PIC18F458型單片機(jī)，作為整個(gè)系統(tǒng)的邏輯判斷控制中心，其核心電路主要包括報(bào)警信號(hào)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(yuǎn)程控制執(zhí)行系統(tǒng)（包括汽車點(diǎn)火閉鎖系統(tǒng)、油路供應(yīng)系統(tǒng)等）。單片機(jī)控制系統(tǒng)是汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的中心處理中樞也是遠(yuǎn)程操控執(zhí)行命令發(fā)出單元，負(fù)責(zé)短消息信號(hào)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(yùn)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(huì)出現(xiàn)信號(hào)減弱甚至沒(méi)有信號(hào)等問(wèn)題，因此，在汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用輔助GSM的蜂窩基站定位可以彌補(bǔ)GPS存在障礙物阻擋環(huán)境中信號(hào)不足問(wèn)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(jī)，可以通過(guò)接收觀測(cè)范圍內(nèi)的幾個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，結(jié)合內(nèi)部相關(guān)運(yùn)算邏輯將所接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，進(jìn)而可以得到車載GPS接收機(jī)的三維位置、三維方向、以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間等信息，便于車主對(duì)汽車進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位監(jiān)控。

2.3 傳感器系統(tǒng)

在汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了達(dá)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(dòng)態(tài)檢測(cè)到可能威脅到汽車安全，以及阻礙盜車行為發(fā)生或擴(kuò)大等功能。針對(duì)砸車門(mén)、車窗等盜竊行為，可以在車窗部位處設(shè)置瞬時(shí)大震動(dòng)傳感器，也就是當(dāng)汽車在正常行駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的顛簸震動(dòng)不能觸發(fā)傳感器，從而提高防盜系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；如果盜車賊僥幸破壞車窗震動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)入車內(nèi)后，會(huì)通過(guò)車內(nèi)設(shè)置的熱釋電傳感器，以檢測(cè)車處于停車狀態(tài)車內(nèi)是否有非常人員進(jìn)入；同時(shí)，盜車賊如果想開(kāi)動(dòng)汽車，則必須啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，并踩踏油門(mén)踏板方能開(kāi)動(dòng)車輛，在油門(mén)踏板下設(shè)置傳感器，并將點(diǎn)火系統(tǒng)閉鎖信號(hào)引入到單片機(jī)控制回路中，進(jìn)而確保汽車在被盜竊過(guò)程中自動(dòng)閉鎖保護(hù)，提高汽車防盜水平。通過(guò)層層傳感器系統(tǒng)的設(shè)置，可以達(dá)到對(duì)盜竊保護(hù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)效果。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到盜竊信號(hào)或用戶通過(guò)短信息返回啟動(dòng)防盜系統(tǒng)時(shí)，控制器就會(huì)通過(guò)相應(yīng)繼電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉鎖點(diǎn)火系統(tǒng)、油路供應(yīng)系統(tǒng)、車門(mén)車窗閉鎖系統(tǒng)等，從而在防止盜竊行為得逞和進(jìn)一步擴(kuò)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(bào)警信號(hào)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(bào)警系統(tǒng)單一檢測(cè)器檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)后，則會(huì)向車主手機(jī)發(fā)送以危險(xiǎn)模式發(fā)生短信；若兩個(gè)或兩個(gè)以上檢測(cè)器檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，則會(huì)以緊急嚴(yán)重模式發(fā)送短信。當(dāng)用戶收到危險(xiǎn)短信息時(shí)，只需要通過(guò)撥號(hào)連接方式就可以遠(yuǎn)程操作閉鎖點(diǎn)火系統(tǒng)和油路供應(yīng)系統(tǒng)。PIC18F458單片機(jī)利用準(zhǔn)確可靠采集信息和計(jì)算方法對(duì)震動(dòng)信號(hào)、紅外信號(hào)、踩踏壓力信號(hào)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)采樣和運(yùn)算分析，從而提高系統(tǒng)工作可靠性和動(dòng)作穩(wěn)定性。汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)的軟件工作流程如圖2所示：

圖2 汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)軟件工作流程

從圖2可知，整個(gè)汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)以GSM網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器等檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)遠(yuǎn)程操控，大大提高了汽車防盜系統(tǒng)的運(yùn)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(yǔ)

基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)控制的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，不僅可以有效提高汽車防盜報(bào)警通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性，同時(shí)采用GPS與輔助GSM的蜂窩基站對(duì)車輛進(jìn)行準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)車主對(duì)汽車遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線定位監(jiān)控。基于GSM網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)控制的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)，與常規(guī)的純硬件單純聲光“防盜報(bào)警”系統(tǒng)相比，具有非常明顯的靈活性和功能擴(kuò)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(shí)際實(shí)用推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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