摘 要：在簡要介紹選煤廠計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于多Agent 的，集生產(chǎn)過程智能控制、設(shè)備維護與生產(chǎn)管理與一體的選煤廠智能控制維護管理集成系統(tǒng)（IICMMS）。針對建立選煤廠IICMMS的需要，研究了基于現(xiàn)場智能節(jié)點的選煤廠分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，及其分布式智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)策略，以克服選煤廠廣泛使用的PLC控制系統(tǒng)的弱點。研究了基于多Agent 的智能控制與維護管理集成系統(tǒng)軟件框架，并探討了實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：智能控制 多Agent 系統(tǒng) 集成生產(chǎn)系統(tǒng) 選煤廠

1 引言

　　煤炭經(jīng)冼選加工后可顯著降低灰分和硫分含量，減少煙塵、SO2等污染物的排放。目前發(fā)達國家原煤洗選率為50%～90%，我國入冼比例僅為20%～30%。而且平均廠型小、設(shè)備可靠性差、自動化程度低等因素導(dǎo)致選煤成本偏高，成為制約我國選煤發(fā)展的主要原因[1]。

　　自上世紀90年代以來,我國利用先進技術(shù)在選煤廠計算機集中控制、跳汰和浮選等洗選工藝過程智能控制、選煤廠綜合生產(chǎn)、選煤廠CIMS方面進行了系統(tǒng)研究和應(yīng)用，建立了一批示范和應(yīng)用項目，使我國選煤廠生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)管理提高到一個新的水平。

　　然而在目前的系統(tǒng)中，選煤廠過程智能控制、設(shè)備維護、生產(chǎn)管理的三個子系統(tǒng)，軟硬件是獨立設(shè)計、獨立實施，各自分離，使硬件資源和運行控制缺乏優(yōu)化。選煤廠計算機控制系統(tǒng)仍是高度集中的結(jié)構(gòu)形式。通常情況是集中控制采用PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，浮選、跳汰、重介等工藝過程控制采用各自獨立的微機系統(tǒng)。軟硬件的獨立造成數(shù)據(jù)孤島，雖可利用數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)（ODBC,JDBC）實現(xiàn)數(shù)據(jù)互訪,但這種孤立的數(shù)據(jù)仍不能實現(xiàn)過程間的優(yōu)化。而實現(xiàn)這三個子系統(tǒng)的集成是提高選煤廠綜合生產(chǎn)效益的關(guān)鍵，也是進一步發(fā)展選煤廠CIMS的基礎(chǔ)[2]。

　　MAS對復(fù)雜系統(tǒng)具有無與倫比的優(yōu)越性。選煤廠生產(chǎn)是一個復(fù)雜的工業(yè)過程，系統(tǒng)具有多個輸入和多個輸出變量，大部分參數(shù)具有非線性、不確定性和空間分布性，對這樣的生產(chǎn)過程建立智能控制、維護和管理集成系統(tǒng)一直是技術(shù)難點。而Agent所具有的自主性、分布性和自適應(yīng)性使這一問題的解決有了新的途徑。本文運用多Agent 技術(shù)，在FMS 的基礎(chǔ)上實現(xiàn)選煤廠分布式智能控制與維護管理系統(tǒng)IICMMS-CP（intelligent integrated control, maintenance and management systemof coal preparation plant）。具體研究了選煤廠分布式測控網(wǎng)絡(luò)，分布式智能控制、維護和管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，以實現(xiàn)選煤廠過程控制功能的分散化，實現(xiàn)過程智能控制、設(shè)備維護管理與生產(chǎn)管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。

2、IICMMS-CP體系結(jié)構(gòu)

　　IICMMS-CP系統(tǒng)功能上分為過程控制（IPC）、設(shè)備維護（BAM）和生產(chǎn)管理（PM）三部分，其中過程控制是指針對選煤過程多變量、多目標和非線性的特點，利用智能控制理論，實現(xiàn)重介、跳汰、浮選等選煤生產(chǎn)過程控制。生產(chǎn)管理Agent實現(xiàn)選煤生產(chǎn)任務(wù)規(guī)劃，目標優(yōu)化，過程調(diào)度，統(tǒng)計分析等。設(shè)備維護實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢測，工藝參數(shù)檢測，設(shè)備故障智能判斷，設(shè)備維修管理等。

　　多Agent系統(tǒng)中每個Agent完成不同的功能，有自己的作用范圍，各Agent之間的協(xié)調(diào)、合作等交互方法及實現(xiàn)是一個復(fù)雜的問題。根據(jù)選煤廠生產(chǎn)過程特點，在基于多Agent的選煤廠智能控制和維護管理系統(tǒng)中，不僅要處理與控制、維護和管理有關(guān)的各智能體的行為，更重要的是在分布式環(huán)境下協(xié)調(diào)他們之間的相互作用。1997年，Bonasso R. P等人在自治機器人的研制中提出了3層多Agent 體系結(jié)構(gòu)，1998年 Schreckenghost D等人將其應(yīng)用于空間站生命支持系統(tǒng)智能控制，證明適用于分布式過程控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。[3-5]

　　基于多Agent的 IICMMS-CP系統(tǒng)采用如圖1 所示的三層遞階式組織結(jié)構(gòu)。底層是閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)接口層Agent（DACM Agent）。對過程控制（IPC）、設(shè)備維護（BAM）和生產(chǎn)管理（PM）來說，最基本的任務(wù)是閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)采集，因此底層Agent實現(xiàn)生產(chǎn)過程參數(shù)的基本控制，設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。第二層是任務(wù)層Agent（TA Agent）。本層根據(jù)上層設(shè)定的任務(wù)和規(guī)定的模型，調(diào)度底層Agent實現(xiàn)預(yù)定的目標。頂層是規(guī)劃與協(xié)調(diào)層Agent（MD Agent）。針對總體目標，頂層將任務(wù)分解成子任務(wù)，并在調(diào)度下層任務(wù)執(zhí)行過程中，根據(jù)系統(tǒng)全局狀態(tài)、執(zhí)行效果和人為設(shè)定值及時修改目標值和系統(tǒng)模型。例如，對選煤廠重介生產(chǎn)過程懸浮液密度和液位控制來說，根據(jù)生產(chǎn)管理計劃和設(shè)備狀態(tài)，由MD 層Agent設(shè)定控制目標，指定懸浮液循環(huán)系統(tǒng)控制模型，確定并調(diào)度TA層Agent執(zhí)行密度和液位控制任務(wù)。TA層Agent根據(jù)制定的模型，將這一控制過程分解為密度、液位模糊控制，液位、密度數(shù)據(jù)采集，分流閥門開度控制等任務(wù)，并調(diào)度底層Agent執(zhí)行。

　　IICMMS-CP用戶接口（UI Agent）為人工參與提供信息交互界面。通過用戶接口。操作員可以設(shè)定控制參數(shù)，修改控制模型、故障診斷模型、生產(chǎn)規(guī)劃模型和設(shè)備管理規(guī)劃，直接控制設(shè)備等。

[align=center] 圖1、IICMMS-CP Agent 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)[/align]

　　在上述分層遞階組織結(jié)構(gòu)中，每層智能體只需向上層智能體負責，為樹狀分支的邏輯結(jié)構(gòu)。但在分布式體系中，各智能體利用統(tǒng)一的通信協(xié)議和消息響應(yīng)機制，在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)信息交互、協(xié)調(diào)和磋商。

3、IICMMS-CP分布式控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

　　分布式智能控制與維護管理系統(tǒng)需要構(gòu)建一個實時、分布式計算環(huán)境。在基于多Agent 的IICMMS-CP 中，各智能體具有高度的自主性和自治性，而分布式環(huán)境為各智能體之間的相互協(xié)調(diào)合作提供了一種交互機制?；诂F(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)（FCS）提供了這樣的實時、全分布式控制計算環(huán)境。 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和現(xiàn)場總線技術(shù)標準為各智能體之間提供了合作和互操作的交互機制。智能體由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互與協(xié)作實現(xiàn)系統(tǒng)的總體目標。

　　為構(gòu)造分布式控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在“煤礦和選煤廠計算機集成生產(chǎn)平臺與綜合自動化系統(tǒng)”項目中，根據(jù)選煤廠生產(chǎn)環(huán)境要求和目前設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，利用標準現(xiàn)場總線和分布式結(jié)構(gòu)，研究開發(fā)了選煤廠分布式計算機控制網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口、智能I/O分站、網(wǎng)關(guān)、智能分站（IS）、控制分站（CS）和IICMMS-CP總站（CPS）等組成，如圖2所示。 [align=center]

圖2 選煤廠現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò) IS- 智能分站 CS-控制站 NG-網(wǎng)關(guān) CPS-IICMMS總站[/align]

　　該平臺按實時性要求將網(wǎng)絡(luò)分為CAN 和工業(yè)以太網(wǎng)兩個網(wǎng)段。工業(yè)以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)強制隔離頻繁、大量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，降低了以太數(shù)據(jù)傳輸時間的不確定性。在系統(tǒng)中，Agent被映射到各智能分站、控制分站和IICMMS-CP總站。消息傳遞通過Can-bus 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成。通常邏輯控制Agent 由PLC完成，數(shù)據(jù)采集Agent由智能I/O完成，其他任務(wù)Agent由IS完成，協(xié)調(diào)和調(diào)度Agent 由控制分站完成。IICMMS-CP總站執(zhí)行IICMMS-CP協(xié)調(diào)Agent。一個站可運行多個和多種類型的Agent。

4、基于Agent的IICMMS-CP 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　某大型選煤廠，年入選原煤500萬噸，采取篩分，重介及跳汰水洗工藝，煤泥水加藥濃縮、壓濾。在IICMMS-CP系統(tǒng)中，設(shè)備監(jiān)控與維護主要設(shè)備狀態(tài)檢測。實現(xiàn)主要設(shè)備故障檢測與報警，設(shè)備主備輪換、工作時間累計、維修提示與管理等。生產(chǎn)包括優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)指標，制訂合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程參數(shù)檢測。對日常生產(chǎn)指標進行分析，提供質(zhì)量超標預(yù)警。對照國標、行業(yè)標準，進行管理和經(jīng)營指標分析，給出分析結(jié)果和建議。過程智能控制實現(xiàn)重介工藝過程、跳汰工藝過程智能控制。

　　4.1 三層Agent結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模式

[align=center] 圖3 三層控制結(jié)構(gòu)[/align]

　　對于IICMMS-CP智能控制、設(shè)備維護與故障診斷、生產(chǎn)管理決策等問題，根據(jù)上述三層結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)分為如下三個部分[6,7]，如圖3所示。 　　規(guī)劃與決策（PD）：在完成控制任務(wù)時，通過分級任務(wù)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，將一個總體目標分解成若干子目標，將每個子目標分解成若干個任務(wù)，分配完成這些任務(wù)需要的資源，指導(dǎo)和監(jiān)視這些任務(wù)的執(zhí)行過程。在故障模式判別中，根據(jù)模糊知識和推理規(guī)則，判斷故障類型，并提出維護或在線調(diào)整任務(wù)。

　　任務(wù)執(zhí)行序列（TS）：將來自規(guī)劃或操作員的任務(wù)分解成子任務(wù)，并構(gòu)成具體的實現(xiàn)任務(wù)的序列。

　　執(zhí)行管理（S M）：將閉環(huán)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊動態(tài)地構(gòu)成一執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，完成上一層指定的任務(wù)。

　　以上實現(xiàn)方式具有很強的魯棒性，其每一步都能及時發(fā)現(xiàn)錯誤并相應(yīng)地進行修正。SM根據(jù)儀表數(shù)據(jù)判斷控制命令是否被成功執(zhí)行，并根據(jù)結(jié)果做出反應(yīng)。TS 能夠根據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)選擇不同的策略。例如同樣是降低跳汰工藝產(chǎn)品灰分，可根據(jù)當前煤的粒度、可選性，選取調(diào)整床層厚度、調(diào)整給煤量、改變風水制度等，并根據(jù)控制效果調(diào)整控制策略。當一個目標失敗后，PD可以重新劃分子目標和規(guī)劃新任務(wù)。

　　在IICMMS-CP中， 利用重介、跳汰、濃縮三個TS Agent分別實現(xiàn)重介工藝液位、密度模糊控制，給煤機轉(zhuǎn)速控制，跳汰一段二段床層厚度模糊控制，風閥、水閥控制等控制任務(wù)。

　　4.2 Agent 間的通訊

　　對于多Agent 系統(tǒng)，Agent之間的通信是協(xié)作的基礎(chǔ)。我們利用預(yù)定義的消息系統(tǒng)實現(xiàn)各類Agent 之間的通信，并通過CAN 和TCP/IP協(xié)議傳遞。

　　我們定義了如下消息。SM 更新消息：當SM 類Agent 檢測到被監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)變化時，向系統(tǒng)廣播這一信息。故障和生產(chǎn)過程判別Agent依此推理和判別系統(tǒng)設(shè)備和工藝的狀態(tài)。

　　故障消息：故障和生產(chǎn)過程判別Agent向系統(tǒng)發(fā)出的故障信息，內(nèi)容包含故障設(shè)備或工藝的信息，故障類型，處理建議等。

　　系統(tǒng)任務(wù)設(shè)置消息：通知系統(tǒng)要達到的目標、或需完成的任務(wù)，目前這類消息由人工發(fā)出。實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、運行特定的程序、故障恢復(fù)等。 　　故障恢復(fù)消息：對特定的故障，可以在線糾正，或?qū)δ骋惶囟ü收希M行進一步的核準，由故障判別Agent發(fā)出該消息，由Ta 和SM 執(zhí)行特定的程序。

　　以上是四類廣播信息。此外，在運行過程中，各層Agent 之間會有詢問和應(yīng)答信息，我們定義了HA-PM 、HA-TS、 HA-SM、PM-TS、PM-SM、TS-SM 6類詢問應(yīng)答信息。由于各層處理問題方式、數(shù)據(jù)表述形式不同，我們定義了信息的結(jié)構(gòu)和格式。例如，執(zhí)行Agent直接與儀表和執(zhí)行機構(gòu)對應(yīng)，處理的是數(shù)字量或開關(guān)量信息，而PA層利用模糊數(shù)和模糊推理實現(xiàn)故障判別，則執(zhí)行Agent 在回答PA的詢問時，需要將數(shù)據(jù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?。比如將具體的液位值，轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;極低”、“低”、“中”、“高”、“極高”。為實現(xiàn)這種信息轉(zhuǎn)變，設(shè)計了信息接口Agent。

5、結(jié)論

　　選煤廠多Agent智能控制與維護管理集成系統(tǒng)是在分布式控制網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過程智能控制和生產(chǎn)信息管理等研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出的，其分布式層次結(jié)構(gòu)、協(xié)同和并行計算的特點，適應(yīng)生產(chǎn)過程空間分布大、過程聯(lián)系緊密、系統(tǒng)復(fù)雜的選煤廠實現(xiàn)集成控制的需要。其應(yīng)用進一步提高了過程控制的可靠性和精度，提高了故障判別的準確性，提高了生產(chǎn)調(diào)度的智能性，為選煤廠系統(tǒng)集成和柔性化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要功能已經(jīng)通過了現(xiàn)場調(diào)試，應(yīng)用表明系統(tǒng)在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低消耗方面具有良好的效果。

　　本文作者創(chuàng)新點：根據(jù)選煤廠生產(chǎn)特點，提出了基于Agent 技術(shù)的選煤廠生產(chǎn)過程智能控制、設(shè)備維護和生產(chǎn)調(diào)度管理集成模式，研究了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)，完成了基于Agent的部分選煤工藝過程控制與優(yōu)化功能，證明其方法的可行性與先進行。

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