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[动态]分布式控制系统的发展与智能化

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文章出处: [2007/2/9 1]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:
     本文详细分析了介绍分布式控制系统的发展过程,回顾了集散控制系统、现场总线控制系统和智能控制-维护-管理集成系统的发展,指出控制单元的智能化和系统的协同化是分布式控制系统的发展宏观方向,它的进一步发展与Agent技术和CSCW都具有密切的联系。

1、引言 
     70年代以来,工业制造进入计算机集成制造系统(CIMS)阶段。CIMS中的一个重要环节是利用计算机技术对生产过程进行监控、管理和控制,这涉及到众多现场设备的分布式自动控制和信息集成。20多年来,这种分布式控制系统经历了若干发展阶段,从集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)到智能控制-维护-管理集成系统(ICMMS),控制单元日益智能化,控制的方式日益走向多智能控制单元的协同工作模式。现代化的现场设备不再是简单的传感器和控制器,它具有一定的自主控制、数据管理和通信能力,在这一点上它已发展成一种智能自主体(Agent)。因此,分布式控制系统技术与计算机支持的协同工作(CSCW)技术具有相似点。未来的分布式控制系统将突出智能性和系统性,并日益与生产、管理过程的其他环节集成,实现高效率、高可靠性的现场控制。

2、集散控制系统 
     集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。DCS既不同于分散的仪表控制,又不同于集中式计算机控制系统,而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。DCS的结构是一个分布式、分支树状结构。按系统结构进行垂直分解,它分为过程控制级和控制管理级,各级既相互独立又相互联系,每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看,纵向分散意味着不同级的不同功能,如实时控制、实时生产过程管理等,横向分则意味着同级设备具有类似功能。


 

图1 DCS结构图
DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计,由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散的实用系统。它具有如下特点:
自主性:系统上各工作站是通过网络接口连接起来的,各工作站独立自主地完成自己的任务,且各站的容量可扩充,配套软件随时可组态加载,是一个能独立运行的高可靠性子系统。
协调性:实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享,各站之间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。
在线性与实时性:通过人机接口和I/O接口,对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制,可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修。
高可靠性:高可靠性是DCS的生命力所在,从结构上采用容错设计,使得在任一个单元失效的情况下,仍然保持系统的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配置。从软件上采用分段与模块化设计,积木式结构,采用程序卷回或指令复执的容错设计。
适应性、灵活性和可扩充性:硬件和软件采用开放式,标准化设计,系统积木式结构,具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和控制方案,相应使用组态软件填一些表格即可实现。
友好性:DCS软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员,采用实用而简捷的人机会话系统,CRT高分辨率交互图形显示,复合窗口技术,画面丰富,纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。
DCS 已经历了三代。1975年Honewell公司推出的TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统,以分散的控制设备来适应分散的过程对象,并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接,互相协调,一起实施实时工业过程的控制和监测,实现了控制系统的功能分散,负荷分散从而危险性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS。第二代产品在原来产品的基础上,进一步提高了可靠性,新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了DCS。其特点是采用模块化、标准化设计,数据通信向标准化迁移,板级模块化,单元结构化,使之具有更强适应性和可扩充性。控制功能更加完善,它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是:实现了开放式的系统通信,向上能与MAP和Ethernet接口,或者通过网间连接器与其它网络联系,构成复合管理系统;向下支持现场总线,它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程控制组态采用CAD方法,使其更直观方便,实现自整定功能。 
     当今DCS向综合化、开放化发展。90年代工厂自动化要求各种设备(计算机、DCS、单回路调节器、PLC等)之间的通信能力加强,以便构成大系统。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换,实现计算机集成生产系统。同时在大型DCS进一步完善和提高的同时,发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展,结合现代控制理论,应用人工智能技术,以微处理器为基础的智能设备相继出现,如智能变送器、可编程调节器、智能PID自整定控制、智能人机接口,以至于智能DCS。总的发展趋势可体现在如下几个方面:各制造厂商都在“开放性”上下功夫,力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易地联网;大力发展和完善DCS的通信功能,并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起,形成管控一体的产品;高度重视系统的可靠性,在软件的设计中采用容错技术;在控制功能中,不断引进各种先进控制理论,以提高系统的控制性能,如自整定、自适应、最优、模糊控制等;在系统规模和结构上,形成由小到大的产品,以适应不同规模的需求。

3、现场总线 

     现场总线克服了DCS系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷,把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案;同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构,变成新型的全分布式结构,图2所示;同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构,变成新型的全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。




图2 现场总线示意图
     FCS的设计目标是针对现存的DCS的某些不足,利用现场总线技术改造DCS。DCS经过多年的发展,具有集中监控、分散控制、操作方便、可靠性高的优点,如DCS采用多操作站对等式的结构,利用网络通信技术和冗余技术,每一台操作站可以操作控制系统内的任一台仪表,加上多操作站的互相备份方式,使得可靠性大为提高。在应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处,如控制不能做到彻底分散,危险仍然相对集中;由于系统的不开放性,不同厂家的产品不能互换、互联,限制了用户的选择范围。 [an error occurred while processing this directive] 
     现场总线技术的出现,促使了DCS向现场总线控制系统FCS演化。目前FCS的模型一般是针对小型系统,在这类系统中,FF协议的现场仪表可以组成控制回路,使控制站的一部分功能下移分散到现场仪表中,减轻了控制站负担,使得控制站可以专职于执行复杂的控制算法。对于简单的控制应用,可以把控制站取消,在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器,操作站直接与现场仪表相连,构成FCS。



图3 典型现场总线结构图
     FCS想要在实际中取代DCS,既要具备DCS所具有的功能,又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术,在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是FCS是一种新技术,目前甚至连标准本身都还没有制定完毕,因此与成熟的DCS相比,在技术、开发、生产供应、应用经验等诸方面都还存在一些欠缺。由于这些原因,FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中,会出现一些过渡型的系统结构,如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线连接到独立的现场总线网络服务器,服务器配有DCS中连接操作站的上层网络的接口,与操作站直接通信,见图4。

图4 支持现场总线仪表的DCS
4、智能控制 - 维护 - 管理集成系统 

     智能控制—维护—管理集成系统90年代发展起来的一项新概念、新方法、新技术。它以智能化、信息化、网络化的手段,使企业和生产过程获得高性能、高可靠和高效益。它是21世纪企业发展的方向。ICMMS以分布式的智能测量与操纵系统(intelligent actuation and measurement system, IAMS)为基础,通过信息交换与共享,将控制、维护和技术管理系统(control maintenance and technical management system, CMMS)集成为一个有机整体,即ICMMS。 
     在ICMMS体系结构中,控制、维护和技术管理子系统分别由相应的工作站和一系列相应的子功能组成。其中,各工作站通过现场总线和以太网与现场的智能执行器和智能传感器以及其他的工作站交换信息,实现较高级的控制、维护和技术管理功能;而一系列相应的子功能则被分布到各智能执行器和传感器中。与常规设备不同,智能化设备具有信息处理、存储和通信功能,它们一方面为上级功能模块提供信息,另一方面实现一定的对现场设备的控制、维护与管理功能。 
     控制、维护和管理是相互联系的,相互制约的。CMMS就是把控制、维护和管理三者集成为一个统一的系统。CMMS是在三者的交集上来考察和处理问题,充分利用各部分的信息,做出最优决策,获得最高效益。
IAMS包括四个智能模块:
a. 目标分析模块:分析用户要求与装置及生产过程的一致性和相关性。
b. 态势分析模块:提供给用户关于装置及生产过程状态、特性的综合报告 ( 含历史、现状、趋势及仿真 ) 。
c. 状态及故障分析模块:根据技术的有效性(阀值、滤波)、操作运行的有效性(硬件冗余校核)、功能有效性(功能与过程状态的相关性)确定观察是否有效,对故障的类型、性质、部位进行诊断和分析。 d. 决策分析模块。用来支持选择控制策略,以便根据有效的观察达到有效的目标。 
     上述4个模块之间的信息是相互交流的,且是一致的。因而,所作出的决策将是在综合考虑了受控对象状态和运行要求后,能实现最优目标的最优决策。 
     将CMMS和IAMS两子系统结合起来,就构成了完整的ICMMS系统,如图5所示。其中,集成模式子系统CMMS将控制、维护和技术管理功能集成在一起,使企业和生产过程获得高性能、高利用率和高效益;分布模式子系统IAMS作为CMMS的支持系统主要完成过程的测量和执行,为CMMS系统提供所需的信息。

图5 CMMS-IAMS系统
     ICMMS的总体体系结构如图6所示。图6中,自下而上的第1层是生产过程,在此存在着不同形式的物质流和能量流。第2层是一个基于现场总线的分布式系统,由若干智能执行器(intelligent actuator, 缩写为IA)和智能传感器(intelligent sensor,缩写为IS)组成,它们一方面对生产过程中的数据加以采集,并经过适当处理后送到总线上,以提供一致的和有效的信息;另一方面对从现场总线上取得的操作命令加以处理并执行。第3层是与现场总线和企业网同时相连的负责实现控制、维护和技术管理的工作站,它们从现场总线获取生产过程中的数据,通过现场总线和企业网彼此交换信息和发出指令,并为运行管理人员提供良好的人机界面。最上层是整个企业的管理层。从其构成可以看出,在ICMMS,只存在数据流和信息流,因而可以将其理解为一种工业自动化领域的信息集成技术。


图6 ICMMS体系结构示意图
5、控制子系统的智能化 

     IAMS 的智能模块化已反映了控制子系统的智能化发展趋势(图7)。现代分布式控制系统中,传感器和执行器不再是是简单的信号转换和控制设备。它具有一定的自主性,具有简单的判断能力和通信能力。下面以智能传感器的发展来进一步说明这一点。

 
图7 IAMS模型结构
     智能传感器采用超大规模集成电路技术,嵌入式系统(Embedded system),将CPU、存储器、A/D转换器和输入、输出功能集成在一块芯片上,传感器信号可以直接以数字量形式输出,使信号的模数转换工作从计算机端下移到现场端,降低了系统复杂性,简化了系统结构,现代智能仪表的另一个主要优点是除了象传统传感器一样输出被测信号量外,还能给出传感器自身的状况信息,使得系统控制人员能随时掌握系统中各传感器的运行现状和维修、更换传感器的时间,为整个系统的安全运行提供了可靠的保障。智能传感器的第三个强有力功能是自带控制功能,许多简单的控制算法(如PID控制)可以直接由智能传感器完成,进一步简化了系统结构。 
     智能传感器与传统的传感器有着本质的区别,它是一个以工业现场总线为基础,以CPU为处理核心,以数字通信为变送方式的传感器和变送器的统一体。这种传感器比普通的智能传感器又增加了数字通信功能,或者说它是面向网络的,具有联网功能。总线式智能传感器是新一代的信息采集装置,每个这样的传感器都是智能化网络的一个节点,各自决定系统的运行而不需求助于中央控制器的控制。在这种全分布式系统中,测控点的模件面向网络,用软件规定系统的行为,而不求助于点对点的联接,不需要复杂联线,可以即插即用,实际上这种系统是多个智能传感器与智能执行器的集成。这种系统的节点具有良好的交互性,因为系统内每个结点都可以是组态结点的控制器,所以具有按照意愿的组态能力,且系统的建立和扩展简单易行。 
     因此,现代智能传感器和执行器的行为更多地表现得象一个agent。在人工智能领域中,用agent表示具有一定智能的实体以区别于一般的实体(object)。它可以是物理实体或抽象实体,可以进行推理决策和问题求解,是一种具有智能的逻辑单元。用agent可以建立一些系统的控制模型,基于agent的模型是一种拟人化的模型,因而可以将控制系统中人的行为和其它控制单元的行为统一起来,提供一种统一的描述方法。在分布式人工智能中,agent之间通过计算机网络连接,agent做为网络上的智能结点,构成分布式多agent系统。多agent系统(MAS)具有适应环境的动态自组织能力,因而在许多领域受到重视。在客观世界中,由于知识和活动本质上是分布的,使得DAI(distributed artificial intelligence)具有很强的应用性,同时,在逻辑上、语义上、时间上、空间上的分布使得DAI系统具有很强的适应性,而且它还具有高效率、高可靠性和低成本的特点,这形成了DAI与工业应用相结合的强大动力。同时,DAI也提供了一种研究开放式系统的途径。随着DAI理论在各个领域的应用,agent的含义也得到了扩展和延伸。在一些环境中agent表示具有封闭功能、能自主决策的功能实体,被称为“自主体”;在另一些环境中,agent的作用与其原来的词义相同,只是代表功能实体处理一切外部事务,根据功能实体(当事者)的运行情况负责对外的合作、协调,这种agent被称为“代理”。无论作为“自主体”还是“代理”,agent都通过网络连接,通过相互传递消息进行工作,由于agent的拟人化的特征,agent的通信语言也比较接近自然语言。 
     控制子系统的智能化为系统工作的协同化创造了条件。

6、计算机支持的协同工作 

     控制子系统的智能性和它们之间的协同工作,使我们认识到在传感器和执行器已具备简单智能的前提下,系统高效运行的关键在于如何提高各单元间的协同性。 
     协同技术是近年发展起来的一门新兴课题,与之相关的学科通常被称为计算机支持协同工作(Computer Supported Cooperative Work ,简称 CSCW) 或群件。群件(Groupware)是指利用计算机和通信网络为群体提供支持,并使之可协同工作的系统。关于群件的理论、技术、方法和应用等相关研究是计算机支持的协同工作研究范畴。“协同”概念既是CSCW应用的重要特征也是CSCW应用与传统计算机应用的重要区别所在。所以协同问题是CSCW核心课题。 
     在CSCW系统中,事务处理的主体是agent。这些agent可以是自动机器,也可以是人、组织、人—机系统(包括各种计算机辅助系统、管理信息系统)。在分布式控制系统中,agent就是智能传感器和智能执行器以及与技术管理、控制、维护有关的人员和控制设备。将它们变成自治单元agent一方面要丰富和完善子系统本身的问题求解能力,另一方面要增强子系统与外界环境保持协调一致的能力。一个有效的方法是为各子系统增加一些功能,如自主决策功能、通信功能、局部数据存储功能、全局数据访问功能等,使子系统能自主决策,同时又能与其它子系统进行协调。通过这种方法,可以将控制系统由原来的递阶控制,紧密耦合的方式转变为松散耦合的方式,从而提高系统的适应性和容错性。 
     智能控制网络上的结点在行为上是自治的,功能上是完整的,各结点相互平等,不存在严格的相互依赖关系,但它们之间可以相互传递消息,不同的消息类型、不同的内容会导致消息接受者不同的响应。每个结点对其所能发出的消息和所能接收的消息都需要预先定义,每个结点的agent负责对消息进行识别、解释和处理。网络上的消息都进行编码,每条消息拥有唯一的ID号,消息按作用分类,消息的种类和数量都允许扩展。消息的传递按需要可采用广播方式和点对点方式。消息的形式有两类:一类是通知消息,另一类是查询消息。通知消息主动告知接收者某些信息,如最新任务消息,包括任务的类型、复杂程度、交货期要求、质量要求等信息;查询消息是消息发送者要得到别的结点的状态信息。 
     由于智能agent具有自治的特点,它拥有自己的局部数据库、局部知识库和模型库,当它需要外部数据时可以通过网络进行查询。每个结点都有一个组件起着局部控制的作用,对结点的运行进行规划。正因为其局部控制的特点,控制优化的目标是以其本身利益为主的,其决策的依据一方面是领域知识,另一方面是网络上的信息,在由多个结点合作完成同一任务的情况下,往往完全的局部控制不能达到最优效果,需要提供一种协调机制。完全的局部控制和完全的全局控制都不能使系统的性能达到最优。在智能制造系统中,网络的各结点分布自治,同时也相互协调,协调者是动态的,不是事先指定的,根据系统任务的分配动态地产生协调者,协调的方法是传递不同内容的消息,通过谈判协商来达到协调的目的。同时,还可以在智能制造网络上增加具有特殊功能的结点,起监视作用,这可视系统功能的需求而定。监视结点不能直接控制所监视的结点的行为,监视和协调仍然采用消息传递的方法,这是智能制造系统的控制模式,通过这样的模式,网络上各结点的内部结构尽管不同,而网络接口基本相似。 
     基于agent的智能控制系统采用分布式体系结构:赋予系统各组成实体或子系统以较大的自主权,使其形成智能自主体,以智能结点的形式用计算机通信网络连接起来,各结点在逻辑上是平等的(相互之间没有直接控制的关系),在物理上是分散的,在功能上是独立的,各结点之间是一种松散耦合的关系,结点间通过传递消息相互联系,在共同的通信语言基础上相互协调合作,共同完成任务。智能控制系统的结构见图8。


图8 智能制造系统结构
7、总结 

     本文详细分析介绍了智能分布式控制系统的发展和面临的问题,在传统集散控制系统、现场总线技术的基础上,参考CSCW、ICMMS,提出了一个基于多agent的分布式智能控制系统框架。利用分布式人工智能原理,建立一种没有中心控制器的智能控制环境,控制系统中的各功能子系统通过智能agent连接到智能控制网络上,通过消息机制进行交流,使得信息、知识、控制设备以及人的智能都成为网络上的共享资源。这种结构符合了子系统的智能化和系统控制的协同化两大趋势
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