粒子群算法在煤矿网络优化中的研究
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摘要：针对PROFIBUS在煤矿井下应用中存在的问题，分析了PROFIBUS现场总线协议结构，构建了PROFIBUS协议下基高优先级信息的发送时延模型，并用粒子群算法来优化目标令牌循环时间的选取，以降低高优先级信息的发送延迟时间，使其符合PROFIBUS网络实时性的要求。
关键词：现场总线；粒子群算法；传输延时； 胶带控制；煤矿
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3819-02
The Research of Particle Swarm Optimization in Coal Mine
LI Hao-jian, WANG Yong-xia
(Shandong Lutai Coal Mining Co., Ltd, Jining 272349, China)
Abstract: For the application of PROFIBUS in the coal mine problems, this particle analysis the structure of PROFIBUS protocol and poses the time-delay model of high-priority messages generated random. Using Particle Swarm Optimization for token cycle time to reduce the high-priority transmission delay, reduces the high-priority message communication delay,meet the real-time of PROFIBUS network.
Key words: fieldbus; real-time performance; transmission delay; belt control; coal mine
煤矿井下环境恶劣，电流较大的用电设备较多，所产生的干扰影响PROFIBUS信号的传输。为保证控制信号的及时响应和紧急故障的处理，研究PROFIBUS总线的实时性能具有重要的现实意义。
PROFIBUS总线在煤矿井下网络中应用已经非常普及。但是目前针对PROFIBUS总线实时性的计算分析不够，用户多是参照厂家提供的数据，在选择总线时没有定性和定量的概念。对PROFIBUS总线的实时性能进行深入分析计算已经成为目前急需研究的重要问题，本文讨论粒子群算法在PROFIBUS总线优化中的应用。
1 PROFIBUS总线通信协议
PROFIBUS作为MAC层标准。总线上的各个点以总线方式互连，主站点由PLC、PC等控制中心组成，从站由传感器、执行器等构成。
PROFIBUS的每个站点都有一个逻辑地址，主站点地址的集合组成一个逻辑环，令牌控制帧在逻辑环上的各个主站点轮转，持有令牌的主站点被允许在持有期间轮询各从站，以交换数据。
通信总是由主站发起，令牌在一个逻辑环中从一个主站传递给另一个主站。这样，当一个主站可以存取介质时，令牌传递立即终止。令牌传递中每个主站知道它的前后，同时也知道他本身的地址。在令牌循环开始初始化时每个主站确定它的前站和后站地址，令牌帧将令牌按照站地址的升序用一个主站传送到另一个主站。为了封闭逻辑令牌环，具有最高地址的站要传送令牌给具有最低地址的站。
存取控制协议中定义了几个重要的时间量：
1) 目标令牌循环时间TTR：令牌在逻辑环上的循环时间。
2) 令牌实际循环时间TRR：令牌的实际动态循环时间。其计算方法为：
在某主站收到令牌后，TRR开始加计数或减计数，直到令牌再次到达该主站为止。计算这一时间时，需要考虑从站诊断报文、主从间的非周期数据交换、高优先级报文、逻辑令牌动态变化等情况下的动态令牌循环时间。
3) 主站持有令牌时间TTH：某主站收到令牌到该主站将令牌传送到下一主站的目标时间，其表达式为TTH=TTR-TRR。
2 粒子群算法
PSO模拟鸟群的捕食行为。设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物。在这个区域里只有一块食物。所有的鸟都不知道食物在那里。但是他们知道当前的位置离食物还有多远。那么找到食物的最优策略是什么呢。最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。
在PSO算法中，用粒子的位置表示待优化问题的解，每个粒子性能的优劣程度取决于待优化问题目标函数确定的适应值，每个粒子由一个速度矢量决定其飞行方向和速率大小。
数学语言描述为：设在一个 维的目标搜索空间中，m个粒子组成的种群X=(x1,x2,…,xm)T；群体中的第i个微的位置可表示为xi=(xi1,xi2,…,xin)T；微粒i的速度表示为vi=(vi1,vi2,…,vin)T。微粒i的个体最优位置（粒子i所经历过的具有最好适应值的位置）为pi=(pi1,pi2,…,pin)T；微粒群中全局最优位置（整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置）为pg=(pg1,pg2,…,pgn)T。微粒群按下面两个公式改变速度和位置：
（1）
（2）
其中，i=1,2,…m，d=1,2,…D；vk id是微粒i在第k次迭代中第d维的速度；r1、r2是[0,1]之间的随机数；加速系数（学习因子）c1和c2是非负数，分别调节微粒向全局最优微粒和个体最优微粒方向飞行的步长，合适的c1、c2可以加快收敛且不易陷入局部最优，通常c1=c2=2；xkid是微粒i在第k次迭代中第d维的当前位置；pkid是微粒i在第k次迭代中第d维的个体极值点的位置；pkgd是整个群在第k次迭代中第d维的全局极值点的位置。
3 煤矿井下现场总线网络优化的研究
3.1 系统的总线结构及构成
3.1.1 总线结构
图1中，以某煤矿为例，井下主站强力皮带PLC带有以太网模块，可以连接到附近交换机通过以太网与地面控制中心通信，CPU模块的与石门皮带和1号给煤机PLC 通脱PROFIBUS总线相连，强力皮带PLC主要是控制皮带开停，并取温度、烟雾、打滑、急停、张力、跑偏等保护信号以供地面监控；1号给煤机落煤于强力皮带，开停控制与强力皮带存在联锁关系，除开停控制外还有温度、纵撕、煤位传感器；石门皮带、给煤机PLC控制互锁关系的皮带和给煤机，监控信号有烟雾、温度、打滑、跑偏、煤位等；泵房PLC带有以太网模块，可以通过以太网和地面通信也可通过PROFIBUS和其他PLC通信，主要控制三采区排水系统，包括水泵、电磁阀、电动闸阀、液位传感器等；上运皮带PLC主要控制皮带开停，其包括高台电机、低台电机、电磁闸，另外与2、3、4号给煤机联锁，所取保护信号有温度、烟雾、打滑、急停、张力、跑偏等；2号给煤机除开停外有温度、纵撕信号；3、4号给煤机PLC除开停外有温度传感器信号。
3.1.2 系统的系统的实时性能分析
一采强力皮带由于处于向下倾斜比较大的运输巷道中，为避免出现“飞车”事故，强力皮带和给煤机只作监测未作控制，因此在这条PROFIBUS网络上只有石门皮带PLC参与控制，只要满足石门皮带的实时性能就能达到网络性能要求。另外一条PROFIBUS网络上，三采上运皮带处于上升的斜巷道中，有三个给煤机输送煤流，运输量较大，有两台电机驱动。该皮带在运行过程中，要求不能满负荷无故停车，因此对该皮带的安全和实时性要求较高，这里我们重点分析这条PROFIBUS网络的实时性能。
假设运行状态中某一时刻其各个主站的高优先级报文（每个报文含有20个字节信息）个数和截止期如表1。
令牌传递时间：
高优先级报文的时间长度为：
低优先级报文的时间长度为：
本网络全部采用的是西门子S7-300系列同一型号的PLC，四个主站PLC的目标令牌循环时间TTR的值相同，采用粒子群算法对目标令牌循环时间TTR合理选取适合的值，在粒子群算法中，将TTR作为一维空间向量，向量的上限设为80ms，下限为20ms，种群数为40，迭代次数10次，优化后TTR取值为36ms，如图2所示，最大的通信延时为116ms，平均延时为75ms，最大的通信延时小于140ms，满足信息截止期要求。
4 结束语
论文介绍了PROFIBUS总线的协议结构、令牌传递方式、通信延时计算方法，以及粒子群算法的原理，并以井下煤矿皮带控制系统的实例分析了现场总线传输网络的实时性能要求，并采用粒子群算法优化目标令牌循环时间的选取，通过实验仿真，证明该算法是有效、可行的，算法收敛的，符合井下现场总线通信网络通信实时性要求。
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