网络控制器范文

导语：如何才能写好一篇网络控制器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：飞腾处理器；linux驱动框架；DMA；IP头对齐；NAP；GSO

中图分类号：TP334.7

飞腾处理器是国防科大计算机学院研制的一款高性能通用服务器处理器。飞腾处理器芯片内部集成了两个千兆网络控制器，通过高速AMBA总线与CPU系统总线互连。

本文研究了飞腾处理器网络控制器相关的硬件原理以及linux下驱动框架知识，设计和实现飞腾处理器中网络控制器的驱动，并对其进行了优化，使其达到了千兆网卡的使用需求。

1 硬件原理

飞腾处理器网络控制器器包括AHB/AXI接口，DMA通道，FIFO缓冲和核心四个逻辑部件。AHB/AXI接口通过AMBA总线控制器与系统总线互连，即可以作为从设备接收CPU的访问操作，也可以作为主设备为DMA启动访存操作；DMA通道负责通过AMBA总线在系统主存和内部FIFO之间进行数据包的传输；DMA通道和FIFO缓冲都是接收和发送专用的，因此一个网络控制器包含两个DMA通道和两个FIFO缓冲；核心逻辑实现了千兆介质无关接口GMII，并负责在FIFO缓冲区和GMII之间进行数据包传输。

飞腾处理器通过GMII接口与物理层芯片连接，并通过介质相关MD总线访问物理层芯片的状态和控制寄存器SCR。

2 网络驱动设计

linux网络设备驱动基本框架从上到下划为三层，分别为网络协议接口层，网络设备接口层，设备驱动功能层。

网络协议接口层提供统一的数据包收发接口，使得上层ARP或IP协议独立于具体的设备，通过dev_queue_xmit（）函数发送数据，并通过netif_rx（）函数接收数据。

网络接口层从宏观上规划了具体操作硬件的设备驱动功能层的结构，网络设备接口层提供统一的用于描述具体网络设备属性和操作的结构体net_device，该结构体是设备驱动功能层中各函数的容器。

设备驱动功能层各函数是网络设备接口层net_device数据结构的具体成员，是驱使网络设备硬件完成相应动作的程序，它通过hard_start_xmit（）函数启动发送操作，并通过网络设备上的中断触发接受操作。

飞腾网络控制器驱动实现了linux网络设备驱动基本框架要求的函数接口，并在此基础上进行了一系列的优化，主要技术难点在于资源寻址机制、链路状态监控和基于DMA的数据包收发机制的设计和实现。

2.1 资源寻址机制

资源寻址机制涉及到两方面问题：一方面是飞腾CPU硬核对网络控制和状态寄存器CSR资源的寻址，另一方面是网络控制器DMA对系统主存资源的寻址。

在飞腾处理器中，网络CSR寄存器和所有其他AMBA总线设备的寄存器一样，被固定在AMBA总线地址空间的一段范围内。网络驱动程序在硬件初始化之前，需要将这段AMBA总线地址范围映射到飞腾CPU地址空间上，从而实现网络CSR寄存器的寻址，并通过CSR寄存器中的MD地址和数据寄存器的编程，实现对网络物理层芯片内部MD寄存器的访问。

网络控制器的DMA需要在系统主存和内部FIFO缓冲之间进行数据传输，因此DMA需要具有系统主存的访问能力，也就是说，系统主存的部分或者全部可以映射到AMBA总线地址空间上。因为飞腾处理器的AMBA总线长度为64位，所以整个系统主存都可以映射到AMBA总线地址空间上，但是，不能与任意CSR寄存器地址范围重叠，例如8G内存，在AMBA地址范围为[0x84_0000_0000，0x84_FFFF_FFFF]。驱动程序的硬件初始化部分，通过AMBA总线控制器完成系统主存到AMBA总线地址的映射，从而实现网络控制器DMA对系统主存资源的寻址。

2.2 链路状态监控

飞腾处理器网络控制器主要使用GMII提供的管理接口MDIO来实现对物理芯片的控制并收集其状态信息。

管理接口有两条信号线组成：MDC配置接口时钟，最高速率可达8.3MHz，MDIO是管理数据的输入输出双向接口，数据是与MDC时钟同步的。

网络控制器提供了两个寄存器，分别为GMII地址寄存器和GMII数据寄存器，它将2位读写命令，5位PHY芯片的地址，5位PHY芯片的寄存器地址写入GMII地址寄存器，在MDC时钟的配合下，将命令写入到GMII数据寄存器，来控制和管理PHY芯片，如TX/RX模式选择、自动协商控制、环回模式控制等；或从GMII数据寄存器中读出PHY芯片的状态信息，包括链接状态、传输速度、断电、低功率休眠状态等，实现对PHY芯片状态的监控。

2.3 基于DMA的数据包收发

DMA描述符是由16个字节组成，4个字节一组，将这4组分别标识为DES0，DES1，DES2，DES3。

DES0是前4字节，具体为1位OWN位（用来标识描述符属于DMA还是HOST）和31位的描述符状态位；

DES1具体为10位控制位和两个11位分别用来标识缓冲区1和缓冲区2的大小。

DES2和DES3分别为缓冲区1和2的地址，尽管有两个缓冲区可供使用，但我们这里只使用缓冲区1，即：DES2指向的缓冲区。

对于接收，驱动在系统主存中维护一个由256个描述符组成的接收描述符数组，驱动申请对应的256个2K字节大小的skb缓冲区，并将这些缓冲区进行DMA流式映射，将生成的DMA地址填写到对应描述符的缓冲区地址字段，并将接收描述符数组的起始地址写入DAM接收描述符表基址寄存器中。

当网络数据包经过PHY芯片的接收进入到网络控制器的接收FIFO时，网络控制器会自动从AHB/AXI接口发起DMA操作，从DMA接收描述符表基址寄存器中或者从当前接收描述符寄存器中读取当前描述符的DMA地址，访问系统主存，获取当前描述符DES2字段指向的skb缓冲区的地址，将网络控制器内部的接收FIFO中的数据DMA到系统主存的缓冲区中，最后将接收状态写入对应的接收描述符中DES0状态字段，将接收到的数据包的长度等信息写入对应的接收描述符的DES1的对应字段中，并产生接收中断。内核调用对应的中断处理程序，使用轮询的方式进行收包，并将数据包提交给上层协议栈。

对于发送，驱动在系统主存中维护了一个256个描述符组成的发送描述符数组，并将发送描述符数组的起始地址写入DAM发送描述符表基址寄存器中。当应用程序要发送数据时，上层协议栈会向驱动传递要发送的skb缓冲区，将skb缓冲区进行DMA流式映射，并将生成的DMA地址填写在当前发送描述符的DES2缓冲区地址字段，根据skb的相关成员变量，填写对应描述符的DES1的校验和字段以及缓冲区大小字段等。最后，写DMA发送轮询寄存器，将唤醒发送DMA，使其进入运行状态。

当发送DMA进入运行状态，DMA将从DMA发送描述符表基址寄存器或者当前发送描述符寄存器中获取当前描述符的DMA地址，访问系统主存，获取当前描述符DES2字段指向的skb缓冲区的地址，将缓冲区中的数据DMA到网络控制器的发送FIFO中，并通过PHY收发器将数据发送到网络上。

3 网络驱动优化技术

网络驱动优化技术有：IP报文头部对齐，NAPI，GSO，DMA分散聚集等。

在飞腾处理器平台上，重点介绍三点。

3.1 IP报文头对齐对齐

在接收过程中，驱动向内核申请skb缓冲区后，需要调用skb_reserve（skb，2），使得skb->data向后移动两个字节，因为mac头长度是14个字节，skb->data前面空置的2个字节加上mac头长度正好是16个字节，使得接下来的IP报文的起始地址是4字节地址对齐，这样做使得内核在后续对IP报文访问时使用了对齐的地址，减少了很多的数据拷贝，提高了性能。但这样做，会使得对缓冲区数据进行DMA流式映射时生成的DMA地址不对齐，可能会对DMA操作产生影响，但此款网卡适配器的DMA对缓冲区的地址对齐没有很严格的要求，通过硬件处理将性能的降低减到了最小，故采用IP报文头对齐，在这点上对于网络性能的提高是很显著的。

3.2 NAPI技术

对于高速网络设备而言，单纯采用中断驱动的方式，CPU可能在短时间内接收到大量密集的网络数据包，如果每一个进入的数据包都向CPU产生一次中断请求，对这些请求的单独处理无疑会造成CPU资源的浪费甚至导致系统瘫痪。

NAPI的设计思想是使用中断和轮询相结合的方式接收数据包，发挥各自的优势。当有数据包到达触发中断，在中断处理程序中调用_stmmac_schedule（）函数关闭接收中断，系统对数据包的接收进入轮询模式，调用轮询函数接收数据包。在轮询函数中，设置了一个接收数据包的阀值，每次轮询函数接收到数据包达到这个阀值时，轮询函数将返回，等待下一次的轮询。当一次轮询接收的数据包小于这个阀值，退出轮询收包模式，开启接收中断，进入中断收包模式。NAPI通过轮询期间关闭中断，实现了中断缓和，减少了内核处理中断的压力，变相提高了性能。

3.3 GSO技术

TSO（TCP Segmentation Offload）是一种利用网卡分割大数据包，减小CPU负荷的一种技术，也被叫做LSO（Large segment offload），如果数据包的类型只能是TCP，则被称之为TSO。

TSO是使得网络协议栈能够将大块 buffer 推送至网卡，然后网卡执行分片工作，这样减轻了CPU的负荷，但TSO需要硬件来实现分片功能；而性能上的提高，主要是因为延缓分片而减轻了CPU的负载，因此，可以考虑将TSO技术一般化，因为其本质实际是延缓分片，这种技术，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，通过将分片的执行，放在将数据推送的网卡的前一刻，也就是在调用驱动的stmmac_xmit函数前，达到延缓分片的目的，最终提高了性能。

4 测试

硬件环境：FT1000A采用内置网卡与X86机器的BCM57780网卡互连。

软件环境：测试工具为iperf。

由测试结果可得：新设计的驱动较之前的驱动在接收和发送数据的速率上有很大的提升，其中IP报文头部对齐对TCP/UDP接收性能有较大提升，但由于IP报文头对齐导致的DMA地址不对齐造成了一定的性能损失，接收的性能离千兆的性能还有差距；GSO功能对TCP发送性能有大幅度提升；UDP发送速率，峰值原本已经接近X86上千兆网卡性能。

5 结束语

本文详细阐述了国产飞腾处理器SOC网络适配器驱动的设计实现以及对其进行的优化，虽然网卡在此驱动程序的驱动下，网络性能已经几乎达到了千兆网络性能要求，但与X86千兆网卡的网络性能还是有差距的，希望通过后续学习和研究，能进一步提升国产飞腾处理器平台的网络性能。

参考文献：

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[8]冯国进.linux驱动程序开发实例[M].北京：机械工业出版社，2011.

[9]宋敬彬，孙海滨.linux网络编程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[10]刘卫军.网络性能优化（NAPI）[EB/OL].http：///ustc_dylan/article/details/6116336，[2011-01-04/2013-07-22].

篇2

关键词：网络拥塞；鲁棒H∞控制；H∞性能指标；状态反馈

中图分类号：TP29 文献标识码：B

文章编号：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

目前比较常用的拥塞控制方法有两种,一种是基于速率控制,源端以一定速率发送数据包,通过网络反馈的信息来调节数据包发生速率;另一种是基于窗口控制,宿端告诉源端以一定窗口宽度发送数据,通过反馈信息调节窗口大小。基于速率的拥塞控制方法以其简单及易于实现性正在ATM等高速网络中得到越来越普遍的应用,也引起了许多学者的研究兴趣。在设计基于速率的拥塞控制反馈控制器时,时滞以及多时滞问题是必须考虑的一个重要因素,目前有许多文章对其进行了探讨。然而使用最多的还是H∞鲁棒控制的方法,如设计基于H∞理论的流速控制器用于解决多源单瓶颈网络中时变不确定多时滞问题［1］；通过利用瓶颈的输出速率信息对以往只利用队列期望长度误差信息设计的H∞反馈控制器进行改进,加快了收敛速度减小了跟踪误差［2］。在基于前文的基础上设计多源单瓶颈网络的鲁棒H∞拥塞控制反馈控制器,目的是防止拥塞且使网络达到最大利用效率,以及消除时滞的影响,使系统可鲁棒镇定。

1 问题描述

图1所示为多源单瓶颈网络拥塞控制反馈系统,q(t)≥0表示瓶颈节点的实际数据缓冲队列长度； qe(t)＞0为期望数据最大缓冲队列长度；qe:ri(t)≥0为通过拥塞控制反馈控制器调节的各源端数据输出率;ri(t-τi)为瓶颈点的各源数据输入速率；τi表示各源时变不确定时滞,且满足0≤τi(t)≤τm;c(t)为瓶颈点数据输出速率。该系统的动态模型可表示为［3］:

q(t)=∑ni=1ri(t-τi)-c(t)(1)

引理1［4］ 给定被控对象为P(s),控制器为K(s),加法不确定性的加权函数为Wq(s),P=P0(1+Wq),规范化不确定性Δ(s),Δ(s)∈ BH∞。

(1) 对于任意对象加性不确定性,系统鲁棒镇定的充要条件是：

① 有一个使图2所示的反馈控制系统对于任意的Δ(s)∈ BH∞都稳定的控制器K;

② (I+KP0) -1KWq∞＜1 即(I+KP0) -1KWq∈BH∞;

(2) 对于任意对象乘性不确定性,系统鲁棒镇定的充要条件是:

① 有一个使图3所示的反馈控制系统对于任意的Δ(s)∈ BH∞都稳定的控制器K;

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

图1 网络拥塞控制反馈系统

图2 具有加法不确定性的控制系统

图3 具有乘法不确定性的控制系统

引理2 令P=N1D -11=N2D -12∈RL∞且N2D2=N1D1W,如果P=ND -1∈RH∞,且是右互质分解的,则D -1∈RH∞且可取W=D -1。

据此可对上述反馈系统的P0进行互质分解P0=ND -1,K能镇定P0的集合为:

U+DWV-NW:NU+DV=1

式中：U,V,W均为稳定、正则、实有理函数。

2 H∞拥塞控制反馈控制器的设计

考虑到各源公平性的原则,设ri(t)由以下控制律决定:

ri(t)=K eie(t)+1nK cic(t)(2)

其中e(t)=qe(t)-q(t),则反馈系统框图如图4所示［5］。

图4 反馈系统框图

图4中P(s)代表时滞环节,是多输入单输出系(MISO),其传递函数为P(s)=e -τ1s,…,e -τns;Ke(s)及Kc(s)代表反馈控制器,是单输入多输出系统(SIMO),其传递函数分别为: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为源端被控输出速率。

2.1 系统的鲁棒可镇定性分析

设G(s)=1se -τ1s,…,e -τns,G0(s)=1s1,…,1,则:

G(s)G0(s)-1=［e -τ1s-1,…,e -τns-1］≤

Wt(jω)

式中：Wt(jω)=［W t1(jω),…,W tn(jω)］,且对于笑亍R,0≤τi(t)≤τm,有:

Wn(jω)≥e -jτmω-1(3)

因此,由引理1知,对于上述不确定时滞系统可鲁棒镇定的充要条件是能镇定G0(s)的标称系统,且满足以下H∞性能指标［6］:

Wt(s)G0(s)Ke(s)(1+G0(s)Ke(s)) -1∞≤1(4)

对G0(s)=1/s［1,…,1］作互质分解,设G0(s)=N(s)D(s) -1,其中D(s)=a/(s+a),N(s)=1/(s+a)［1,…,1］,a为任意大于0标量。由引理2知对于标称系统可鲁棒镇定的充要条件为反馈控制器满足以下形式:

Ke(s)={\} -1(5)

式中N(s)U(s)+D(s)V(s)=1,从而取U(s)=a/n［1,…,1］T,V(s)=1。

2.2 系统的性能要求分析

对e(t)求导得:

(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)

为确保q(t)跟踪qe(t)的稳态误差为0,由上式有∑ni=1K ci(0)=n及∑ni=1K ei(0)∞,考虑到各源公平性可取K ci(0)=1,且知K ei(s)有一极点s=0,从而由 式(5)可知V(0)=N(0)W(0),即W(0)=an［1,…,1］T, 可设W(s)=an［1,…,1］TF(s),显然有F(0)=1,从而:

Ke(s)=an1+sF(s)s+a1-aF(s)s+a［1,…,1］T(8)

由图4可知：

E(s)=qe\ -1+

C(s)\ -1(9)

为使网络达到最大利用效率,E(s)∞应尽量最小,可令1s-1nG0(s)Kc(s)=0,即∑ni=1K ci(s)=n,考虑到各源公平性可取K ci(s)=1,从而为保证网络利用效率,需满足以下H∞性能指标［7］:

γ -1Ws(s)\ -1≤1(10)

式中:Ws(s)是灵敏度权函数,为使控制器Ke(s)出现0极点,同时为了保证E(s)在低频段有较大的衰减度可取Ws(s)=1s2,标量γ＞0为选取的H∞性能指标。综合性能指标式(4)和式(10)有:

Wt(s)G0(s)Ke(s)\・

γ -1Ws(s)\ -1∞≤1(11)

这即是一个工程应用中常见的混合灵敏度优化问题。考虑式(5),上述性能指标也可写成如下形式:

γ -1WsD(V-NW)WtN(U+DW)∞≤1(12)

即:

Wt(s)as+a\・

γ -1Ws(s)ss+a\∞≤1(13)

采用频域整形方法根据式(13)可求取F(s),从而得到符合系统设计要求的拥塞控制H∞反馈控制器。

3 实例分析

设网络拥塞控制系统瓶颈点输出速率为c(t)= 1 000+100sin(0.1t),t≥0;期望缓冲队列长度为qe(t)=100;系统最大时滞为τm=0.1;H∞性能指标γ=1。

易知e -jτmω-1≤0.21jω0.1jω+1,笑亍R。从而可以选择Wt(s)=0.21s0.1s+1,又选择灵敏度加权函数Ws(s)=1s2;G0(s)=1s［1,…,1］。考虑到各源的公平性,只需对其中一个源的H∞控制器K et(s)进行研究,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 结 语

研究了多源单瓶颈网络的拥塞控制鲁棒H∞反馈控制器的设计问题,首先建立一个网络拥塞控制系统的动态模型,然后进行H∞拥塞控制反馈控制器的设计,再对其性能要求进行分析,最后通过一个实例表明采用此方法设计的拥塞控制H∞反馈控制器较为简单,且能有效达到防止拥塞及使网络利用效率最大化的目的。

参考文献

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作者简介

篇3

关键词： IA技术双控制器；网络化控制系统；可靠性

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）07-0206-02

0 引言

将实时的网络闭合控制系统应用到控制环路中，就称之为网络化控制系统。其优点是能够使我们对系统的维护与诊断工作变得更加简单方便，并通过对系统连线的减少，起到了对系统灵活性的有效提高。但是，其同行业中一些点对点进行控制的系统比起来，其将通信网络同反馈闭环相结合的方式也会使这个控制系统的设计工作与分析工作更加复杂化，在对工作带来更多难度的同时，也会使很多意想不到的因素比如网络延迟等问题对系统的正常稳定运行以及系统的性能造成影响。而按照正常的控制理论来说，其在正常使用网络控制系统时则应当对其进行重新全面的评估。

而随着我国计算机技术与网络技术的不断发展，智能（IA）成为了我国当下较为热门的研究技术，同时由于其在控制系统中良好的表现与易用性，也受到了各方面研究人员的注意。目前，已经有研究人员提出了以IA理论为基础、因特网技术为媒介的网络控制系统，同时在系统中以不同的计算机来对整个系统进行组成。但是在这种IA思想的控制系统中，如果将整个系统的正常工作都依赖于仅有的一个控制器中，那么一旦这个控制器出现故障，就会导致整个系统随之进入瘫痪之中，这就导致了这个控制系统的稳定性与可靠程度得不到应有的保证。为了解决这种问题，就需要建立一套有着更高稳定性的、同样以IA技术为基础的双控制器网络控制系统。

1 基于IA技术双控制器NCS建模

计算机网络控制系统是以IA思想为基础、并以因特网作为传输媒介、计算机为系统主要组件的控制系统，并由多个计算机作为IA的互相结合与协作来对系统的稳定性进行增强。我们之前提到过，在这个重要的系统中如果只有一个控制机器，那么当这个控制器出现问题时，就会使整个系统的正常运行受到影响。而为了对这种进行解决，就应当有针对性的提出一种含有两个控制器的、同样以IA技术为基础的网络控制模型。其基本构成如图1所示。

由此结构图我们可以见到，在这个系统之中包括两个同样的控制器，而如果正在运行的控制器出现了问题，那么在计算机中预装的软件程序就会被激活，并在第一时间对控制器进行切换。由于这种切换工作进行的比较快，是一种瞬时的状态，所以这个控制器的切换工作只会对整个系统带来极小的影响，甚至可以忽略不记的。所以按照这种结构设计的基于IA的双控制器控制系统仍然可以同之前的系统一样使用同样的网络化模型，其余位置可以不进行变动。

另外，我们还将对此控制器的故障数进对系统的状态进行实时的监测。此系统的状态主要有三种：当状态数为0时，说明系统正常工作，两个控制器运行良好；当状态数为1时，说明系统正常工作，但是其中一个控制器运行良好，另一个出现故障；当状态数为2时，说明系统已经停止工作，两个控制器都发生了故障，且其中的一个控制器正在进行修理，而另一个处于待修状态中。

2 基于IA技术双控制器NCS可靠性

控制系统的稳定程度是非常重要的，对此我们需要对系统的可靠性进行分析：由于此系统中存在两个独立且相同的控制器，那么只要有一个控制器能够正常进行工作，就不会对系统的正常运行产生影响。只有当两个控制器都出现问题时，才会使系统发生故障。同时，根据系统中两个控制器为并联设置的特点，当系统中这两个控制器都正常运行时，其中的一个控制器负责系统的正常运转，而另一个控制器则在此时处于储备状态，作为系统的备份控制器。假定系统中只存在一名维修人员，其按照保修先后的顺序对控制器进行修理，则当一个控制器发生故障时，维修人员在维修的过程中并不影响另一个控制器的正常运行，所以一直能够使系统保持良好的运行状态。而只有在两个控制器同时发生故障时，才会因为同一维修人员的先后维修顺序使系统运行时间得到一定的影响。

对此我们作出以下假设：

第一，此系统为快修系统。

第二，备份控制器的储备方式为冷储备。

第三，此控制器符合λ（λ>0）的指数分布，同时其控制器的维修时间分布情况为G（t），修复成功率为μ（t）。

第四，我们以S（t）为标记，代表此时系统处于t时刻的状态中。

通过以上假设，我们可以了解到S（t）为一个状态空间为E={0，1，2}的马氏过程，其状态情况由图2所示（其中，椭圆形代表系统正处于正常运行中，矩形代表系统处于故障中）。

在此，由第一种假设方案我们可知：由于系统为一种快修系统，其大部分状态是停留在状态0中，当其偶尔进入状态1时，会在很短的时间返回至状态0中。所以，系统的时效时间主要就分布在贴近与状态0间的时间中，由此可以了解这个系统的大部分时间都处于正常的运行状态中。其可靠性指标与原理分析如下所示：

对于两个部件相同，且处于并联方式的冷储备系统中，当其维修所需时间满足指数的分布情况时，这个系统就是马氏过程，当ρ=λ/μ时，其系统稳态指标为：

3 结束语

由上文的分析可知，基于IA技术的双控制器网络化控制系统有着更高的稳定性，这就需要我们在实际的工作中以其为依据而进行更好的应用。

参考文献：

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篇4

关键词 交直流输电；阻尼调制；神经网络

中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）49-0186-02

0 引言

电力系统是一个复杂而庞大的非线性动力学系统，它对运行安全、稳定、经济性要求极高。由于电力系统的庞大与复杂，参数的不确定，频繁的噪声与干扰，网络结构的不断调整与变化等种种不确定因素严重制约了各种确定型或自适应控制的实际控制性能，使已有的控制器始终未能达到理想的效果。基于神经网络的控制可以根据在线样本自动调整自身行为，从原理上来本文利用说应具备在线自我调整和不断自我完善的能力。

本文利用神经网络学习电力系统逆动态，设计出一种神经网络在线自学习直流阻尼控制器，并基于MATLAB仿真软件对其在交直流混合输电系统的控制效果进行分析与验证。

1 神经网络在线自学习的意义

研究基于神经网络的交直流系统实时控制的在线自学习，具有以下重要意义：

1）对交直流混合输电系统而言，模型仿真手段无论如何力求精确，也始终无法和实际系统动态行为完全一致，因而离线训练设计的神经网络控制器在线运行中性能总会有偏移。在线自学习使神经网络控制器可以根据控制目标不断调整自身控制行为，产生越来越好的控制效果；

2）在线自学习可使神经网络控制器产生不同于最初训练的控制性能，从而摆脱对于其它控制原理的依赖，拥有自己独特的品质；

3）在线自学习使基于神经网络的直流阻尼控制器拥有自我改进，自我完善的能力，从而真正成为智能控制器。

2在线自学习方案的设计

2.1 获取在线样本的新思路

很多研究已经表明，已有的在线自学习方案在如何获取上已经陷入了困境。因此，文献[4]提出了一种解决该困境的新思路，设计出一种逆动态神经网络控制器（），如图1所示，取（y，u ）构成训练样本训练，可以得到相同的训练效果

2.2控制方案的实现

本文即采用图2所示的方案来实现逆系统NNHVDC的设计并探讨其在线自学习的实现及学习效果。该方案的输入中包含了控制目标，这样控制行为将主要由yd的值决定。文献[4]已经提出了这种模型中控制的实现与在线自学习样本的生成方案并给予了一定的理论证明。当yd选取得当时，经过不断的在训练，网络的控制输出将逐步逼近期望输出yd。因而其控制最终应该是稳定的。

以往研究表明交直流系统逆动态是存在的，而且可以由BP网络以要求的精度逼近。具体实现如下：采用6-6-1三层BP网络作为控制主体，选取NN输入变量集为：

NN的输出为t时刻的控制信号。如何确定和是获取NN输入的两个关键。

本文选择直流调制中最常用的以两侧交流系统发电机转速差为调制信号的作为NN的初始训练器来训练神经网络，控制器参数。应此可得到直流调制控制规律为：

本文所采用的参考模型是由同步发电机转子运动方程推算而得，描述如下：

式中为采样/控制周期，单位为秒；为功率变化值，可由功率变送器获得，D为期望的系统阻尼，由用户根据控制性能的要求设定，取值越大，表明设计者希望有扰动引起的系统振荡衰减越快，本文取D=0.5。

具体仿真步骤如下：

1）选取任意一种可接受的控制器作为初始训练器，对IDNNHVDC进行初步的离散训练，其目的是不至于一开始就生成电力系统不能接受的控制输出；

2）将离线训练后的NNHVDC（计为NNHVDC1）置入交直流系统，记录其在各种扰动的控制性能；

3）对于选定的扰动，以NNHVDC1的控制响应构成在线训练样本集，用以训练NNHVDC得到NNHVDC2；

4）对NNHVDC2重复[step2]～[step 3]的控制过程的NNHVDC3；5）重复（4）直到NNHVDCi的控制响应令人满意为止。

3 仿真模型的建立

本文基于软件Matlab/Simulink/ SimPower Systems工具箱搭建一个交直流并联输电系统模型，示意图如图3所示。系统包括两个区域，发电机M1区域由两条交流输电线路和一条直流线路向发电机M2区域输电。发电机M1、M2包含有励磁控制,机端电压为13.8kV，通过升压变压器变成500kV，向系统供电。区域间的距离为500km，在M2区域包括一个5000mW的负载，由M1和M2供电。另外系统中还包含三相断路器，可以模拟交流系统故障。

直流系统的额定传输容量为1000MW，两侧额定电压为500kV，滤波电抗器为0.5H，直流线路长为500km。在换流站设置的无功补偿和滤波装置包

括一个500 Mvar的电容器和150 Mvar的11 次滤波器、13次滤波器和高通滤波器。

4仿真结果与分析

根据第3节仿真步骤进行仿真计算，系统模型如图4所示，选取以下扰动来训练神经网络：整流侧发电机机端发生2s时三相短路故障，2.3s后故障切除。以上小节介绍的作为初始训练器，用以上故障时的系统状态变量根据式（1）构成NN的输入集，离线训练后得到IDNNHVDC1，仿真结果表明，按step1到step5的步骤经过仅仅五次自学习之后，所得NNHVDC5的控制性能已经远远超过了常规直流调制CHVDC，达到了令人满意的程度。

选取以下2个扰动来测试所设计的IDNNHVDC的控制性能：

扰动一：t=2s时一交流线路首端发生三相短路，0.1s后保护动作切除该回路，0.2s后重合闸合并恢复到双回线运行。

扰动二：t=2s时一条交流线路首端三相短路，0.3s后故障排除；t=6s时该回交流线路中端又发生三相短路，0.1s后故障排除。

通过IDNNHVDC和CHVDC作用下发电机功角的变化过程的对比，结果表明，经过五次训练后IDNNHVDC的控制效果已远远优于常规CHVDC控制，从而进一步证实了IDNNHVDC的优越性能，通过以上仿真结果可得出以下几个结论：

1）随着训练次数的增加，该NN控制器控制性能不断改善，由此表明，该控制器具有很好的在线自学习能力;

2）IDNNHVDC控制器能有效增强直流系统两侧交流系统的阻尼，很好的抑制直流两侧交流系统振荡。对各种大、小扰动均表现出明显的抑制作用，具有很强的鲁棒性;

3）通过在线训练后的IDNNHVDC在各扰动下的控制性能表明，图2所示以逼近受控系统逆动态为目标的神经网络控制方案在交直流混合输电系统实时控制中是可行的。

5 结论

本文利用神经网络学习电力系统逆动态，由参考模型产生期望控制响应，实时采样值构成在线训练样本的在线训练方案。由于在纯交流系统电力系统稳定器的运用中，该方案的的控制效果已经得到很好的验证，而其在直流阻尼调制的运用与研究中尚属空白。因此，笔者把该方案运用于交直流系统直流阻尼调制之中，设计出双CPU神经网络在线自学习直流阻尼控制器。不仅从理论上分析证明了该方案的有效性，而且仿真结果表明，所设计的IDNNHVDC控制器能有效增强直流系统两侧交流系统的阻尼，很好的抑制直流两两侧交流系统振荡。在在线自学习调整过程中，该NN控制器控制性能不断改善，对各种大、小扰动均表现出明显的抑制作用

参考文献

[1]管霖，程时杰，陈德树.神经网络电力系统稳定器的设计与实现[J].中国电机工程学报，1996，16(6)：384-387.

篇5

关键词免疫遗传算法 模糊 精馏塔

中图分类号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

精馏是炼油、化工生产中应用最为广泛的传质传热过程。精馏塔不仅模型难以建立而且控制方案复杂。许多学者在精馏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。本文设计了一种免疫遗传算法优化的模糊控制器对基于奇异摄动法降阶的精馏塔模型进行控制仿真研究。结果表明，这种控制器的控制效果在控制精度和过渡过程的效果上都表现出良好的效果。

2．控制算法

精馏塔最直接的质量指标是产品纯度。过去由于检测上的困难，难以直接按产品的纯度进行控制。现在随着分析仪表的发展，特别是工业色谱仪的在线应用，已逐渐出现直接按产品纯度来控制的控制方案。

直接按产品纯度的控制方案的好处在于：直接可以控制产品的质量。但是这种控制的难点在于被控变量的可调范围小(只能在0～1区间变化)。根据这种现实情况，本文设计了一种免疫微粒群算法调节增益的模糊控制器。其具体算法如图1：

篇6

关键词：废气 回收装置 硫化氢 化纤行业

中图分类号: TL362.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0015-01

1、前言

当今资源的合理利用和环境综合治理将成为确保社会和经济可持续发展的主要措施。而以苯类硫类等为代表的化学剂又是一种较为贵重的原料。所以选择与采用一种有效途径，将其生产过程散发出的有害废气进行收集，并回收原料试剂，是利国利民的措施。不仅可减少废气对环境的污染，而且还可减少原材料的投入。一定意义上对行业和区域可持续发展是一个积极的贡献。

据介绍该项目开发的废气分离回收技术，通过深冷分离技术分离制取甲烷、氨气，二硫化碳，并使剩余的氢气和氮气返回合成氨系统，重新生成合成氨再利用，实现了废气综合利用。这项技术不但产生了良好的经济效益，还可实现工业废水和废气的零排放。

2、废气回收控制装置的安装和使用

该化纤企业最新废气回收项目，历时3年4个月，终于投入运行。整套设备引进奥地利一家专业的废气回收方面的高科技公司，设备先进，技术一流，全套设备都是奥地利原地进口，奥地利派最好的本国技术专家现场勘查，选址，设备项目分析实施，测试，到试运行。

下面就我负责的电气控制，网络调试。控制室操作等方面进行全面的说明，让引进的技术能够很好的利用起来，让我厂的技术人员更好操作该项目设备。同时与国内的同行业的专家学者进行必要的技术交流和探讨。共同吸收利用国外的先进废气回收技术和现场控制手段。现场的机械装置和设备相对讨论较少，本人偏向控制室方面的管理和维护。虽然在语言上有很多不便和交流障碍，但是通过学习和利用网上的翻译工具。还是能够理解对方专家们的意图，和想法。

控制室里面的强电控制室，电闸，空气开关，配电柜。这些关联控制器有手动的和自动的，都是为更好对设备电路方面的管理。

控制室两台大型的显示器，是对整个废气回收项目流程的管理控制过程，一目了然的可以发现问题，和操作实施。全部是英文界面，通过一段学习和使用，能够掌握和理解其中的作用和用途。

下面就针对一起网络控制故障：来说明一下所有设备的控制管理的自动化水平还是相当的高。奥地利专家通过联网，可以让他们本国的专家对整套废气回收设备进行监控维护和管理。一次一个专家接错了网线导致网络中断，他们本国的专家不能远程操作调试设备。通过我们对整个线路的梳理过程中发现了问题。全面图解了整个控制的网络拓扑图，为以后的工作也带来很大的方便。

下面为整个控制通向外网的网络控制线路图：

该控制线路图有很多是来去走一个线槽，所以容易引起控制线缆插错位，不好复查的问题，这就要求工程人员，熟悉现场布线。明白整个控制线路走线图。掌握所有的控制器件的用途和功效。需要专业经过培训的现场操作工，避免误操作和违规操作。

3、 结语

化工领域废气回收新技术新工艺在技术方法上具有创新性，技术指标具有先进性，均为当前迫切需要的节能减排技术和工艺，并已基本达到实际工程应用水平，国家也鼓励对其进行工程示范和推广。经工程实践证明了的成熟技术，污染防治效果稳定可靠，国家鼓励企业优先采用目录所列的污染防治技术。为此，公司将废气回收技术及成套控制装置的相关技术成果进行产业化投资推广，促进先进技术与生产力的转化，为社会、经济和环境的可持续发展做贡献。

作者简介

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信息时代，网络技术在工业自动化生产方面推动了许多技术的变革.传统的轧机控制，多系统间往往采用硬接线的联系方式，工程量大，可靠性差.而工业以太网的应用，则使得多系统间的数据传输，变得安全、可靠、实用.针对采用网络通讯技术所完成的12辊冷轧机电气传动与控制系统改造项目，介绍了MMS协议在工业以太网及DriveBus在光纤传动网中的应用，说明了网络技术在工业生产领域中的实际价值.

关键词：

网络技术；冷轧机；网络通讯协议；DriveBus

中图分类号：

TP 273+.5

文献标志码： 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

某国有铜加工企业，主要生产铜及铜合金板带、压延铜箔.产品主要应用在信息技术制造业，比如印刷电路板的框架材料.由于部分设备为上世纪90年代进口，所以目前性能趋于老化，尤其是电气控制部分，这给设备维护带来了较大困难，也直接影响了产品性能及产量.鉴于此，公司邀请北京ABB工程技术公司对十二辊可逆式冷轧机进行了传动与控制部分的电气改造.改造后，轧机维护方便，生产能力提高.网络技术的应用，正是这次成功改造的基础，给后续设备的改造提供了范例.

1 设 备

十二辊可逆式冷轧机是1992年全套引进德国弗洛林公司的设备，主要轧制黄铜及紫铜带卷产品.成品宽度为300～660 mm，厚度为0.05～1.20 mm，最高轧制速度为600 m/s.

电气控制系统由传动控制、过程控制、厚度控制和轧制油循环冷却控制四部分组成.每个部分各有一套或多套PLC控制系统组成.本次改造就是针对传动控制和过程控制的技术升级.下文所阐述的电气控制系统均指这两套系统.

2 网络架构

图1（a）是轧机改造前的电气控制系统结构.过程控制系统由两套ABB DP800系统与一套ABB研发的卷取计算系统（MKS）组成.传动系统的五台直流电动机各由一套ABB PAE系统控制.厚度控制系统（AGC）与轧制油循环冷却系统（Filter）各由一套西门子S5系统控制.所有子系统之间均采用挂中间继电器的硬接线形式进行联接.从图1中可以看到，整个系统的线路是非常复杂的.这给设备维护人员排查故障带来很大的不便，直接影响设备的产能.

图1（b）是轧机改造后的电气控制系统结构.改造后的新一代PLC控制器AC800M，并由此组建了一个工业控制以太网络.图中实线部分是由各控制器、工程师站和过程操作面板之间通过以太网连接起来的工业网络.传动部分由PLC直接控制直流调速装置DCS600组成.虚线部分就是由PLC、DCS600通过光纤分配器NDBU95组成的一个光纤传动网络.整个系统结构流程清晰，易于操作、便于维护.

3 网络通讯协议的介绍与应用

3.1 MMS协议

3.1.1 MMS协议简介

MMS制造报文规范是一个ISO9506标准，表示不同的网络类型和连接设备都可以用相同的处理方式进行通信.协议定义了控制器（如PLC）之间、工程站点与控制器之间的通信信息的传输.它的开发主要应用于工业，如工业过程控制、工业机器人等领域.

MMS标准即ISO/IEC9506，由ISO TC184和IEHC共同负责管理.ISO9506由多个部分组成，其中ISO/IEC 9506

3.1.2 MMS服务

MMS应用在七层协议的应用层.其服务包括如下方面：

（1）下载应用程序，比如从工程站点下载到PLC；

（2）在网络内建立、删除、运行和停止程序；

（3）在网络内设置不同的系统读写变量；

（4）在远程系统里获取关于应用执行的信息以及故障信息；

（5）网络内的文档读写；

（6）处理报警信息；

（7）获取远程系统的相关信息，比如系统版本、模式.

总之，MMS服务在工程站点、OPC服务器、控制器之间的作用类似一个多路转换器[1].

3.1.3 配置

控制网络通过工程站点项目浏览器进行配置.在当前的项目浏览器里设置通信端口.关于控制器的配置，还有一个冗余网络的使用，根据协议Redundant Network Routing Protocol （RNRP）进行连接.

3.1.4 示例

结合本台轧机的应用，来了解一下MMS在控制网络中的一个应用.本例是将PLC_1里的控制变量Y11_word_01传送给PLC_2.

图2为两个支持控制器PLC_1、PLC_2，各自应用中的程序通过MMS传递信息.

（1）控制器以太网端口设置

在项目浏览器里打开硬件树，在里找到要设置的控制器.打开，在处理器单元里对进行设置.主要是设置控制器的IP地址和子网掩码.PLC_1的IP设为172.16.0.1，子网掩码为255.255.252.0.PLC_2的IP设为172.16.0.2，子网掩码为255.255.252.0.

（2）变量在中的定义

主要是标识变量Y11_word_01的源路径.定义变量的数据类型和属性.

通过以上两步，一个名为Y11_word_01的变量，已经可以发送到网络上，等待被另一个控制器读取.

（3）PLC_2读取变量

在PLC_2里定义部分变量.主要为变量Id，数据类型Comm_Channel_MMS；变量Partner，定义发送变量的源地址，此处即为PLC_1的IP地址172.16.0.1；变量VariableName01，定义接收的变量名，此例为Y11_word_01.变量Rd01，定义所要接收变量的数据类型.

定义完变量，在PLC_2的程序中使用功能块MMSConnect和MMSReadCyc，即可实现对变量Y11_word_01的读取.

3.2 DriveBus协议

3.2.1 简介

ABB公司推出的DriveBus协议主要应用在ABB的传动设备、特殊I/O单元与一个连接有CI858通信接口模块的AC800M控制器之间的通讯网络上.可以使这些单元循环地同时进行一组数据（输入/输出）的交换.

DriveBus通信协议应用在组合传动上.它支持DDCS（Distributed Drives Communication System）协议；支持CI858通信接口单元；采用抗干扰性能好、能拓展网络物理距离的光纤作为传输介质.

3.2.2 服务

协议的服务主要涉及传动与控制器之间的数据通信；传动单元输入/输出端口的数据循环交换（以组的形式产生）；特殊I/O单元的数据循环交换.

3.2.3 特点

DriveBus协议有如下特点：

（1）支持不同类型的传动装置和特殊I/O单元.例如：直流调速系统DCS400、DCS500、DCS600，交流变频系统ACS400、ACS600、ACS800、ACS1000；

（2）传动装置内部时间与日历同步.方便记录历史事件；

（3）使用AC800M方便地对传动或特殊I/O单元进行设置；

（4）自诊断功能.当进行了错误的设置，系统会有提示，提醒操作者；

（5）不需要外加适配器.

3.2.4 配置

以本台轧机为例，要实现控制器与传动之间的通信需要进行如下设置.

对于传动DCS600来说：

（1）使用专用传动软件设置；

（2）定义参数组（90…93）的参数（仅对需要的变量）.

对于控制器来说：

（1）在硬件组中添加传动单元；

（2）定义参数；

（3）连接变量；

（4）下载程序到控制器（AC800M）.

3.2.5 示例

用开卷机点动操作，来说明控制器PLC_1与调速器DCS600的通讯连接.

（1）对DCS600的设置

利用DriveWindow软件对DCS600进行相关设置.软件中规定了参数08.01是调速器主状态字，参数07.01是对调速器的主控制字.根据示例任务，给DCS600的主状态字定义一个数据组Dataset.比如定义参数组92中，第一个参数92.01赋予主状态字参数08.01.对参数组90的第一个参数90.01赋予主控制字参数07.01.

（2）对控制器AC800M的设置

在项目浏览器里打开硬件树，在里找到要设置的控制器.打开，在模块内的下新建传动单元.设置它的一些主要参数，比如传动单元类型，数据组优先级.

在程序里声明两个变量，分别赋予主状态字和主控制字的值.程序里变量D21G11_MAIN_STATUS_WORD赋主状态字值，即参数08.01值，变量D21G11_MAIN_CTRL_WORD赋主控制字值，即参数07.01值.

至此，将程序下载到控制器中，DriveBus通信将自动建立.图3是信息流程图.

AC800M为可编程逻辑控制器；CI为CI858通讯模块；PP245为过程控制面板；NDBU_95为光纤分配器；DCS600为直流调速系统.值得一提的是每个连接到CI858接口的传动单元，都可以定义8对输入/输出数据组.最大传输率达到8对数据组/ms.

4 结束语

通过对MMS和DriveBus两个通信协议在铜带轧机改造中的应用介绍，有理由相信，网络技术应用在生产实践上可带来效率的提高和效益的增加.

篇8

随着互联网的发展，在使用计算机进行互联的同时，各种智能家电、工业控制、智能仪器仪表、数据采集都在逐步趋向网络化。但由于以太网在实时性和可靠性的先天不足，各种现场总线技术应运而生；更因为其彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向。以太网以其应用的广泛性和技术的先进性，逐渐垄断了商用计算机的通信领域和过程控制领域的上层信息管理与通信。为实现上层管理网络与下层控制网络的集成，在实际中必须实现现场总线与以太网互联。

Lonworks现场总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络。Lonworks现场总线在网络通信方面具有突出优点，如网络物理层支持多种通信介质，支持多种网络拓扑结构等。目前使用Lonworks技术的产品广泛应用于工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。本文提出的适配器连接方案，能将LON控制网与以太网无缝连接，实现透明传输。

图1 互连适配器的电路框图

1 互连适配器硬件电路设计

适配器使用的主要芯片为神经元芯片TMPN3150、51单片机89C51RD和以太网控制器RTL8019as。主要分为Lonworks控制模块、协议转换模块和以太网通信模块。其中，协议转换由单片机内部软件完成。

1．1 Lonworks控制模块

Lonworks控制模块主要完成对LON网数据的管理并向单片机传输数据，其核心是神经元芯片。神经元芯片与其他设备的互连是通过其11个I／O口，编程人员可以定义多个引脚为输入／输出对象。用户程序可通过io＿in（）和io＿out（）访问这些I／O对象，并在程序执行期间完成输入／输出操作。本文设计的适配器采用Neuron芯片预定义的并行I／O对象，实现了高数据速率和全双工工作方式。

并行I／O对象利用Neuron的11个I／O口进行通信。其中IO0～IO7为双向数据线，IO8～IO10为控制信号线。借助令牌传递握手协议，并行I／O口可外接处理器，实现Neuron芯片与外接各类微处理器之间的双向数据通信。并行口的速率可达3．3Mbps，工作方式有三种，即主模式、从A模式和从B模式。不同的模式下，IO8～IO10这三根控制信号线的意义不同。本文应用从A模式?与单片机连接如表1所示。

表1 Neuron芯片与单片机的连接

IO8片选信号线（CS）接P2.5IO9读写信号线（R/W）接P3.6IO10握手信号线（HS）接P1.0IO0～IO7数据总线接P0.0～P0.7从A模式中，Neuron芯片为从机，51单片机为主机。主机与从机间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议（Virtual Write Token－Passing Protocol）实现。主机和从机交替地获得写令牌，只有拥有写令牌的一方可以写数据（不超过255字节），或者不写任何数据传送一个空令牌。传送的数据要遵从一定的格式，即在要传送的数据前面加上命令码和传送的数据长度。命令码有CMD＿XFER（写数据）、CMD＿NULL（传递空令牌）、CMD＿RESYNC（要求从机同步）、CMD＿ACKSYNC（确认同步）四种，最后以EOM字节结束。写数据和传递空令牌的格式分别如表2、表3所示。

表2 写数据的格式

CMD_XFERLengthDataEOM表3 传递空令牌的格式

CMD_NULLEOM1．2 以太网通信模块

以太网通信模块由51单片机和RTL8019as组成。以太网控制器RTL8019as由台湾Realtek公司生产，100脚PQFP封装。它支持8／16位数据总线及16个I／O基地址选择，使用Ne2000兼容的寄存器结构。它有一块16K字节的RAM，地址为0x4000～0x7fff。实际上它是双端口RAM，可以同时被网卡读／写和用户读／写，相互之间不影响。网卡读写比用户读写的优先级高。RAM分页存储，每256字节称为一页。将前12页作为发送缓冲区（0x4000～0x4bff），后52页作为接收缓冲区（0x4c00～0x7fff）。

以太网的介质访问控制、CRC校验及数据帧的接收和发送都由网卡自动完成，只需将IP包加上目的MAC地址和源地址，再通过远端DMA接口对RTL8019as内部RAM进行读写即可。网卡的地址线共20根。用到的网卡地址为十六进制的0240H～025FH，基地址为0240H，从地址240H～25FH。地址线的A19～A5是固定的000000000010010，只需5根地址线即可。所以RTL8019as输入输出地址共32个，地址偏移量为00H～1FH（对应于240H～25FH）。对于8位操作方式，32个地址中只有18个有用：00H～0FH共16个寄存器地址，10H为DMA地址，1FH为复位地址。本适配器采用轮询方式，不使用中断。故RTL8019as与单片机的连接如表4所示。

表4 RTL8019as单片的连接

IORB读信号，接P3.6IOWB写信号，接P3.7RSTDRV复位信号，P3.4AEN地址信号，接地IOCS16接下拉电阻，选择8位模式S0～S7数据总线，接单片机P0口A19～A10，A6地址线接地A9，A5接P2.5（高电平时选中）A4～A0接单片机P2.0×P2.4表5 单片机发往RTL8019as的数据格式

以太网首部IP首部UDP首部数据14字节20字节20字节128×n字节本适配器使用UDP传送数据，同时支持ICMP的回应应答和回应请求报文（Ping命令），单片机发往RTL8019as的数据帧格式如表5所示。

用单片机实现UDP协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此，在IP首部中不讨论服务类型和标志偏移域，只需填“0”即可。

1．3 互连适配器的硬件电路设计

由于P89C51RD2只有四个8位I／O口，无法同时与RTL8019as 和TMPN3150通信，故使用P0口作为数据总线。P2．5作为片选信号，高电平为RTL8019as，低电平为TMPN3150。图1给出了互连适配器的电路框图。其中3150和RTL8019as复用同一条8位数据线，依靠P2．5进行片选。当P2．5高电平时，RTL8019as地址（1XXXXX）有效，被选中。Max232作为单片机的下载线，互联适配器也可使用RS232口与计算机通信。

图2 适配器工作流程图

2 互连适配器的软件设计

适配器的软件编写包括两部分：一部分是TMPN3150上用Neuron C语言编写；另一部分是在P89C51上用C51语言开发TCP／IP协议栈和与TMPN3150、RTL8019as的通信软件，可读性强，可方便地移植到其他51核心单片机上。

2．1 适配器的初始化

P89C51单片机和TMPN3150之间先建立握手信号，即HS信号有效（由TMPN3150的固件自动实现）；然后，主机发送一个CMD＿RESYNC命令，要求从机同步，而从机接收到这个信号后，则发送CMD＿ACKSYNC，表示已同步，可以通信了。RTL8019在通信前要先读取93C46的内容并设置内部寄存器的值（配置寄存器CONFIG1～4，网络节点地址），再由89C51对RTL8019的页0与页1相关寄存器进行初始化，即可正常工作。

2．2 适配器工作流程

考虑到LON网主要作为监控网络，特别在楼宇自动化中的监控，由LON网发往以太网的数据较多，应首先保证其优先权。且89C51RD只有1024字节的内存，无法处理大的以太网帧。经过实验比较，在最后具体实现时，选择LON最大为每帧64字节，尽量做到每收10个LON帧，发一个以太网帧，流程如图2所示。

篇9

关键词：ProfiNet；汽车生产线；PLC

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.14.096

ProfiNet是面向所有自动化任务而制定的通用标准，能在复杂的环境下工作，克服各种电磁干扰以及恶劣的环境因素。汽车生产线控制过程是连续的，需要长时间的稳定工作，而ProfiNet适用于各种网络结构，通过互联网可以在世界各地实现数据的访问，提供最佳组态和诊断的所有功能，能够在故障出现后进行快速定位，保证生产线的流水作业高效进行。

1 系统硬件设计

1.1 网络拓扑结构

汽车自动生产线控制器所采用的PLC为西门子S7-300系列，系统的网络拓扑结构如图1所示。人机界面、PLC与上位机控制器通过交换机采用PROFINET网络实现实时可靠的通信。由于S7-300系列PLC CPU不具有PROFINET网络接口，故采用CP343通信模块连接网络，再通过分布式I/O ET-200S作为从站，控制自动线实现各系统功能。

图1 网络拓扑结构

1.2 硬件系统结构

硬件系统结构中，PC与HMI为管理层，S7-300PLC为主站，控制分布式I/O从站，维护人员通过监控画面实时监测系统运行情况，管理层与分布在现场的各个从站通过PROFINET网络实现通信，主要是从PLC控制器中读取从站故障报警错误，当系统运行出现故障时，能够实现快速定位，准确查找的功能。在每个独立的控制系统中都有一个CPU313模块，每个CPU模块又带有通信模块CP343，将多个独立的智能从站连接到网络中，实现整个自动线控制系统的全面通信。

2 软件程序设计

2.1 系统组态

应用博图V13 step7进行组态。首先添加CPU模块，将CP343-1通信模块连接到网络中，再添加从站ET200S，给ET200S分配主站，然后依次添加ET200S的组件，电源模块以及各信号模块。将CP343-1作为通信主站，需要设置网络IP地址和通信速率等参数。

2.2 系统PLC程序设计

在OB1中编写系统循环调用的主程序，需要调用PNIO-SEND和PNIO-RECV模块实现主站和从站之间的相互控制输出。编写符号表，将系统各I/O点与实际原件相对应。汽车自动生产线由输送站控制系统、指示灯控制系统、行车机构控制系统、循迹搬运车控制系统、升降机控制系统、搬运机械手控制系统和堆垛解垛控制系统组成。针对每个单独的控制系统，分别建立功能块FB实现每个系统的独立控制功能，在建立FB块时要分配数据块DB用于存储系统运行数据，使用DB块之前要设置其存储类型，所属FB块以及大小等参数。将设计好后的各FB块在主程序块OB1中调用，依据自动系统的逻辑顺序实现输送、搬运、暂存、协调生产的过程。编译无误后将系统组态和各系统功能块分别下载到PLC控制器中运行。

3 人机监控界面设计

HMI监控界面同样采用博图V13软件中的WINCC来设计。首先将专用的驱动程序添加到组态中，新建一个I/O设备连接，同时设定PLC属性。然后设计WINCC监控界面，在软件数据库中对数据进行组态，当从站各系统功能出现故障时，通过网络通信接收故障点的信息，以便维修人员进行现场作业。

4 结束语

基于ProfiNet网络的汽车生产线自动控制系统，能够对各从站系统实现实时监控和信息反馈，可以快速的定位故障位置，以便于维修人员进行进行检测和维护。ProfiNet网络相比于传统的MPI通信具有环境适应性高，安全可靠，故障恢复时间短等特点，能够降低维修诊断成本，提高车间生产效率。

参考文献

[1]胡健.西门子7S一3004/00PLC工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007，（3）.

[2]崔坚.TIA-博图软件――STEP7 V11编程指南[M].北京：机械工业出版社，2012，（4）.

篇10

关键词：GSM网络；单片机；汽车防盗报警系统

中图分类号：TP27 文献标识码：A

常规的汽车防盗报警系统，在报警实时性、可靠性、以及系统自身运行安全稳定性等方面，均很难满足现代汽车功能和技术日新月异变化的人性化、智能化、自动化、网络化、集成化等特性需求，防盗功能存在较多缺陷。

近几年，GPS技术研究和实际应用的进一步成熟完善，GPS技术已在汽车导航系统中发挥非常良好的性能。同时，加上移动通信技术服务覆盖范围的进一步扩大，基于GPS无线移动通信技术的汽车动态防盗报警集成系统的研究，就显得非常有理论研究和实际应用价值。

1 汽车报警系统整体设计方案

GSM(全球移动通信)是我国无线通信覆盖面较广、传输可靠性较高、数据保密性强的数字移动通信服务网络，而短消息服务(SMS)则是GSM数字通信服务中的一项非常重要且成熟的业务，其实质是在移动网络上在不需要建立拨号连接的前提下，实现间断信息的实时传输通信。基于GSM网络与单片机控制的汽车防盗报警系统的整体设计方案如图1所示：

从图1可知，基于GSM网络与单片机控制系统的汽车防盗报警系统，其核心在于以SMS短消息为传输媒介，用户的手机可以发送短消息到支持中文短信息的工业级GSM模块--TC35I手机通信模块，实现使用手机远程开关车门、锁定打开油路、实时监控汽车运行安全状态、以及防盗报警灯功能。例当车主发送"oil"到 TC35I手机通信模块，则可以智能检测汽车油路是否锁定，如果处于锁定状态，则TC35I手机模块就会返回短信"oil is lock"的短消息，反之则会返回"oil is open"的短消息。基于GSM网络的汽车防盗报警系统，会实时动态监测汽车的安全状态，一旦监测到车门被非法打开、汽车点火系统被非法开启等危险时，防盗系统就会自动通过TC35I手机通信模块，向车主手机发送防盗报警短信。在进行远程操作时，TC35I手机通信模块会将接收到车主手机返回的短消息内容，自动转换成标准格式数据信息，通过相应串口将数据传回单片机控制系统，由单片机内部程序自动化判断短消息内容是否为合法远程操作指令，如果为合法则执行相应的操作，提供对应的智能化、人性化服务；如果指令不合法，则会自动清空数据区中的数据为下一次接收车主短消息指令做好准备。当防盗报警系统检测到车门被非法打开、点火系统被非常开启时，就会通过单片机将汽车安全数据转换成标准格式的短消息，通过TC35I手机模块向车主手机发送短消息，同时用户可以根据需要回复短消息到防盗报警系统中，通过单片机驱动对应执行机构，完成相应远程操控，如点火系统自动闭锁、停止油路供给等防盗远程操作，从而大大提高汽车防盗报警性能。

2 主要功能模块工作原理

2.1 单片机控制系统

基于GSM网络的汽车防盗报警系统的硬件平台主要选用PIC18F458型单片机，作为整个系统的逻辑判断控制中心，其核心电路主要包括报警信号采集系统（包括传感器等功能模块）、GSM通信控制子系统（包括定位、短信等功能模块）、以及汽车远程控制执行系统（包括汽车点火闭锁系统、油路供应系统等）。单片机控制系统是汽车防盗报警系统的中心处理中枢也是远程操控执行命令发出单元，负责短消息信号处理、外设功能模块接入与控制、以及所有功能模块软件程序运转载体。

2.2 GPS定位功能模块

定位模块主要由GPS数据通信功能模块完成，但当GPS定位模块在高大建筑物下，会出现信号减弱甚至没有信号等问题，因此，在汽车防盗报警系统设计中，采用辅助GSM的蜂窝基站定位可以弥补GPS存在障碍物阻挡环境中信号不足问题，从而有效提高GPS定位的可靠性和准确度。车载GPS接收机，可以通过接收观测范围内的几个卫星信号，结合内部相关运算逻辑将所接收的卫星数据信息进行分析处理，进而可以得到车载GPS接收机的三维位置、三维方向、以及运动速度和时间等信息，便于车主对汽车进行动态定位监控。

2.3 传感器系统

在汽车防盗报警系统设计中，为了达到更好的防盗安防效果，传感器的布设位置必须要能够动态检测到可能威胁到汽车安全，以及阻碍盗车行为发生或扩大等功能。针对砸车门、车窗等盗窃行为，可以在车窗部位处设置瞬时大震动传感器，也就是当汽车在正常行驶过程中可能出现的颠簸震动不能触发传感器，从而提高防盗系统运行可靠性；如果盗车贼侥幸破坏车窗震动报警系统进入车内后，会通过车内设置的热释电传感器，以检测车处于停车状态车内是否有非常人员进入；同时，盗车贼如果想开动汽车，则必须启动点火系统，并踩踏油门踏板方能开动车辆，在油门踏板下设置传感器，并将点火系统闭锁信号引入到单片机控制回路中，进而确保汽车在被盗窃过程中自动闭锁保护，提高汽车防盗水平。通过层层传感器系统的设置，可以达到对盗窃保护信号的动态检测效果。当系统检测到盗窃信号或用户通过短信息返回启动防盗系统时，控制器就会通过相应继电器执行机构闭锁点火系统、油路供应系统、车门车窗闭锁系统等，从而在防止盗窃行为得逞和进一步扩大前提下，协助警察抓捕非常盗车人员。

3 系统软件工作流程

为了区分汽车报警信号的紧急程度，在系统软件程序中设置两类短信工作模式，即：当防盗报警系统单一检测器检测到危险信号后，则会向车主手机发送以危险模式发生短信；若两个或两个以上检测器检测到危险信号时，则会以紧急严重模式发送短信。当用户收到危险短信息时，只需要通过拨号连接方式就可以远程操作闭锁点火系统和油路供应系统。PIC18F458单片机利用准确可靠采集信息和计算方法对震动信号、红外信号、踩踏压力信号等进行动态采样和运算分析，从而提高系统工作可靠性和动作稳定性。汽车防盗报警系统的软件工作流程如图2所示：

图2 汽车防盗报警系统软件工作流程

从图2可知，整个汽车防盗报警系统以GSM网络、单片机控制系统、传感器等检测元件和执行机构，构成一个完整的闭环远程操控，大大提高了汽车防盗系统的运行可靠性和人性化、智能化、网络化服务水平。

结束语

基于GSM网络与单片机控制的汽车防盗报警系统，不仅可以有效提高汽车防盗报警通信的实时性、可靠性和准确性，同时采用GPS与辅助GSM的蜂窝基站对车辆进行准确定位，实现车主对汽车远距离实时在线定位监控。基于GSM网络与单片机控制的汽车防盗报警系统，与常规的纯硬件单纯声光“防盗报警”系统相比，具有非常明显的灵活性和功能扩展能力，在汽车智能化、人性化、网络化防盗领域具有较高理论研究和实际实用推广应用价值。

参考文献

[1]毛彩云，吴暮春，王海林.汽车防盗系统的发展[J].汽车维修，2010(3)：41-43.