基于LonWorks水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)前端智能節(jié)點的配置與實現(xiàn)

王艷君，陳建鐸

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

在 《基于LonWorks技術(shù)的水廠全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)研究》一文中，介紹了使用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)的基本思想和方法。這里，將進一步說明該系統(tǒng)中前端智能節(jié)點的組成原理與實現(xiàn)。眾所周知，在構(gòu)建水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)時必不可少地用到大量的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備，這就需要相應(yīng)的節(jié)點控制器與之連接，接收前端檢測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，上傳到上位監(jiān)控機，或者根據(jù)上層監(jiān)控機下發(fā)的命令控制前端執(zhí)行機構(gòu)的工作。由于該系統(tǒng)是依據(jù)全分布式管控一體化的原則構(gòu)建的，因此這類節(jié)點要能設(shè)置ID號，支持ISO/OSI的7層協(xié)議，除了與底層控制網(wǎng)連接，還能與企業(yè)信息網(wǎng)連接[1－2]。上層授權(quán)用戶可通過ID號（或IP地址）直接訪問底層的每一個節(jié)點，與之對話，了解或展示前端測控設(shè)備的工作狀況，包括數(shù)據(jù)參數(shù)和工作狀態(tài)圖，或者對前端測控設(shè)備進行調(diào)控。

1 前端測控設(shè)備

在水廠的生產(chǎn)流程中，要控制從進水、沉淀、過濾、反沖洗、添加氯化鋁、除污、排泥到供（出）水的全過程；要進行液位、溫度、濁度、壓力、流速/流量、余氯含量、泥土界面等參數(shù)的檢測。涉及到的控制有電機變頻調(diào)速、加氯與投藥泵計量、電磁閥門開啟等。采用的變送器和檢測設(shè)備，有液位變送器、壓力變送器、流量變送器、溫度變送器、泥土界面儀和余氯分析儀等；執(zhí)行機構(gòu)有電磁閥、繼電器、調(diào)頻電機等。

1）數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行設(shè)備

系統(tǒng)中所用數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行設(shè)備有溫度變送器，測量范圍0～300℃；HP－420型壓力變送器，測量/顯示和傳送壓力和液位，量程0～1 Mpa，精度 0.05 Mpa；HD1000超聲波液位計，測量蓄水池液位，且有數(shù)字顯示，測量范圍0～5 m，滿足RS232/485標(biāo)準(zhǔn)；YL－1型余氯分析儀，檢測水中的余氯含量，測量范圍0～2.5 mg/L，分辨率0.01 mg/L；KVQJ電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)輸水管道的通斷狀態(tài)，通過智能節(jié)點的模擬通道輸出0～40 mA電流信號調(diào)節(jié)其開啟度；濁度測量儀，測量/顯示和傳送清水池中的濁度，借以調(diào)整絮凝池的投藥量，測量范圍0.001～100 NTU， 測量精度±2%NTU， 分辨率 0.000 1～0.001 NTU；漏氯報警儀，對泄漏的氯氣進行測量/顯示和報警，其傳感器安裝在現(xiàn)場，通過電纜與值班室內(nèi)顯示（報警）器連接，報警范圍0～10ppm；電磁流量計，測量管道流量，按口徑測量精度為±0.5%或±1.0%，流速范圍 0.2～11 m/s（可選），符合 RS485標(biāo)準(zhǔn)；PH測量儀，在線測量水樣中的PH值，用以調(diào)控加氯與投藥量，測量范圍0～14 PH，測量精度±0.1%；超聲波液位差計，測量/顯示和傳送格柵兩邊液位差，控制齒爬式格柵去污機運轉(zhuǎn)，清除進水池的漂浮物，測量范圍0～6 m，測量精度為±2%量程（或2 mm）；變頻電機，在變頻器的控制下實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟/停、加速與減速；泥土界面儀，檢測沉砂池和絮凝池中的泥砂位置，并給出泥砂分布圖譜，計算出泥砂層的高度或厚度，測量范圍0～5 m，測量精度0.1 m，分辨率[3]0.03 m。

2）變頻控制器

變頻控制器，用于變頻電機調(diào)速，選用的是富士FRENIC5000G/P11S型變頻器，一種低噪音、高性能、多功能變頻器，變頻范圍0～20 000 Hz，具有模擬/數(shù)字量I/O端口，可接收4～20 mADC電流或0～10 VDC電壓、脈沖電平和開關(guān)量，輸出開關(guān)量和調(diào)頻電壓。該變頻器可采用兩種變頻工作方式，一種是通過自帶的液晶觸摸控制面板，鍵入工作模式和控制命令，使變頻器處于自動運行方式；另一種是經(jīng)RS485端口與PC機連接，再由系統(tǒng)控制程序或組態(tài)軟件創(chuàng)建人機對話界面和通訊協(xié)議，使變頻器處于受控運行方式，本系統(tǒng)采用的是后一種方式[3]。

以上設(shè)備與智能節(jié)點連接，在智能節(jié)點和上位機的控制下對水廠中的全部生產(chǎn)流程實施監(jiān)控。

2 智能節(jié)點

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可用于數(shù)據(jù)采集與控制的CPU芯片很多。但是，要作為全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點，相比之下，Echelon公司推出的Neuron Chip可謂其中的佼佼者之一。比如MC143120/143150芯片，有3個CPU，分別是MAC處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器；另有1 kB/2 kB RAM、10 kB ROM、0.5 kB/1 kB E2ROM和 2個16位計數(shù)器，支持ISO/OSI協(xié)議。其中MAC處理器主要用于外部介質(zhì)訪問控制，實現(xiàn)ISO/OSI 7層協(xié)議的第1～2層功能；網(wǎng)絡(luò)處理器實現(xiàn)ISO/OSI 7層協(xié)議的第3～6層功能，處理網(wǎng)絡(luò)變量、地址認證、后臺診斷、軟件定時、網(wǎng)絡(luò)管理及路由等項工作；應(yīng)用處理器位于ISO/OSI協(xié)議的最上層，執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序，為用戶操作服務(wù)。3個CPU之間通過內(nèi)部設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)緩沖器和應(yīng)用緩沖器進行數(shù)據(jù)傳送。

在外特性方面，MC143120/143150具有11個I/O口、8位雙向數(shù)據(jù)線和16位地址線，支持TTL電平，支持并/串行數(shù)據(jù)輸入輸出，可外接64 kB外部存儲器。在11個I/O口中包括RS－232/485串行通信口、定時器/計數(shù)器、位輸入輸出等。傳送數(shù)據(jù)可以是位，也可以是字節(jié)，還可同時進行CRC校驗。在開發(fā)設(shè)計時，內(nèi)部存儲器RAM/ROM用以駐留系統(tǒng)程序和用戶開發(fā)的應(yīng)用程序，比如操作系統(tǒng)、LonTalk通信協(xié)議、IO數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)配置、地址表和一個全世界唯一的48位標(biāo)識碼，即神經(jīng)元ID號。也正是這ID號，是構(gòu)建全分布式網(wǎng)絡(luò)體系的基礎(chǔ)。這種節(jié)點，除了連接到底層控制網(wǎng)上之外，還可直接連接到企業(yè)Internet/Intranet上。作為底層節(jié)點使用，其示意如圖1所示[2]。

圖1 智能節(jié)點示意圖Fig.1 Intelligent node schemes

除此之外，Echelon公司還給出了配套的智能收發(fā)器、節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder和通信協(xié)議LonTalk。通過可編程收發(fā)器，Neuron Chip可與多種通信介質(zhì)連接，比如雙絞線、同軸電纜、光纖，無線和紅外線等。并且針對不同的通信接口，可配置為三種不同的接口模式：單端、差分和專用模式，以適應(yīng)不同的編碼方式和波特率。在ROM中包含LonTalk協(xié)議的固化程序，這使得Neuron芯片能保證在每一個裝置（節(jié)點）中以公共協(xié)議通信，解決了兼容性問題，使LonWorks裝置（節(jié)點）在同一網(wǎng)絡(luò)上的連接簡單快捷[4]。

LonWorks節(jié)點是同物理上與之連接的 I/O設(shè)備交互作用并在網(wǎng)上使用LonTalk協(xié)議通信的一類對象，有兩種類型。在第一種類型中，Neuron芯片是唯一的處理器，充當(dāng)LonWorks的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。適合于 I/O設(shè)備簡單，處理任務(wù)不復(fù)雜的系統(tǒng)，稱之為基于 Neuron芯片的節(jié)點 （Neuron Chiphosted）；在第二種類型中，Neuro芯片只作為通信處理器，充當(dāng)LonWorks的網(wǎng)絡(luò)接口，節(jié)點應(yīng)用程序由主處理器來執(zhí)行，這類節(jié)點適合于對處理能力、輸入/輸出能力要求較高的系統(tǒng)，稱之為基于主機的節(jié)點（host－based），主處理器可以是其他微控制器或者 PC 機等[3－4]。

3 智能節(jié)點的配置

為了便于用戶使用，Echelon公司在推出Neuron Chip以后，又推出了以上述Neuron Chip為核心用于現(xiàn)場底層的節(jié)點控制器，也稱為回路控制器。其中HLC－1是最基本的一種，滿足LonWorks技術(shù)對于底層節(jié)點的全部要求，不僅可以執(zhí)行協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，完成底層控制，而且還提供通信介質(zhì)接口，以公用的協(xié)議進行通信。對于外部，具有4通道 0～5 V （4～20 mA）12 位 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入、2 通道 0～5 V（4～20 mA）12位D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出，2通道數(shù)字量（觸點或電平）輸入及2通道開關(guān)量輸出，還能組合2通道PID調(diào)節(jié)器。安裝完成后，HLC－1回路控制器不僅可以實時接收上位機的控制命令，實現(xiàn)對底層執(zhí)行機構(gòu)的控制，還可以完全脫離上層管理系統(tǒng)，自行完成底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及設(shè)備運行的調(diào)控。而且，HLC－1采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，多個HLC－1可組合在一起，構(gòu)成一個大的模塊，以連接更多的前端測控設(shè)備[3]。

在某水廠的設(shè)計方案中，底層配置了4個Lonworks智能節(jié)點，即回路控制器HLC-1。其中2個節(jié)點由組合模塊組成，各含2個8路模擬量輸入模塊，用以對格柵絮凝沉淀池的20個液位計輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換、處理、記錄和匯總。另外2個節(jié)點的模擬/數(shù)字輸入模塊分別用于進水口和出水口數(shù)據(jù)監(jiān)測。在進水口測量流量、濁度、入水管壓力；在清水池檢測余氯含量、濁度、PH值、水位；在出水管口檢測出水流量和壓力。其結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 底層智能節(jié)點配置Fig.2 Bottom intelligent node configuration

每一個節(jié)點配置FTT-10A收發(fā)器，以提高通信能力。該收發(fā)器支持自由拓撲結(jié)構(gòu)（包括星型、總線型和環(huán)型等），通信速率為78 kbps；其中總線型拓撲結(jié)構(gòu)的最長通信距離是2 700 m，可滿足一般小型水廠的需求。當(dāng)超出最大通信距離后，可在總線兩端使用中繼器，以延長通信距離[2]。

由智能節(jié)點向上，連接網(wǎng)絡(luò)適配器，這里選用PCLTA-10，可插入PC機的擴展槽上，既能與所有和總線連接的現(xiàn)場智能節(jié)點進行對等雙向通信，又能快速與PC機進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和高級監(jiān)控功能，在PC機與現(xiàn)場智能節(jié)點之間起到“上傳下達”的作用。同樣，配置FTT-10A收發(fā)器，提高通信能力，支持自由拓撲結(jié)構(gòu)，最多可連接128個智能節(jié)點，這里僅連接了4個。

4 智能節(jié)點編程

在整個系統(tǒng)中，除了LonWorks提供的系統(tǒng)開發(fā)程序之外，大量的應(yīng)用程序須結(jié)合現(xiàn)場需求來編寫。由于C語言提供位操作指令，因此是一種非常適合于編寫與硬件相關(guān)的控制程序的語言。為了便于用戶使用，Echelon公司在推出Neuron Chip和系統(tǒng)開發(fā)程序之外，還提供了Neuron C編程語言，一種基于ANSI C而為神經(jīng)元芯片開發(fā)設(shè)計的編程語言[5]。對ANSI C進行了擴展，允許程序員以自然的方式描述事件驅(qū)動任務(wù)，可控制任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級，可將 I/O對象直接映射到處理器的 I/O端口，通過定義網(wǎng)絡(luò)變量把受控對象聯(lián)系起來，還可為用戶提供一種實現(xiàn)節(jié)點之間數(shù)據(jù)共享的簡單方法，支持顯式報文傳送，還可直接對LonTalk協(xié)議的底層設(shè)備進行訪問，便于設(shè)計LonWorks系統(tǒng)應(yīng)用程序[5]。

由于LonWorks系統(tǒng)程序中包含NodeBuilder，因此對智能節(jié)點編程可在NodeBuilder環(huán)境下進行。步驟包括：1）定義IO對象；2）定義定時器對象；3）定義網(wǎng)絡(luò)變量；4）定義顯式報文；5）定義任務(wù)；6）編寫自定義函數(shù)等[4]。

其中網(wǎng)絡(luò)變量和顯式報文是節(jié)點之間交換信息的載體，是在LonWorks網(wǎng)絡(luò)上傳送的數(shù)據(jù)包。節(jié)點之間的聯(lián)系主要是通過網(wǎng)絡(luò)變量來實現(xiàn)的，因此使用網(wǎng)絡(luò)變量可實現(xiàn)LonMark的互操作性，方便編程和安裝。而Neuron C編程的主要對象就是網(wǎng)絡(luò)變量NV（Network Variables），又稱隱式消息，是節(jié)點上的一個對象。其類型可以是整型、布爾型或字符串型數(shù)據(jù)，用戶可在應(yīng)用程序中自由定義。顯式報文也稱為顯式消息，其中數(shù)據(jù)長度最大228個字節(jié)，而網(wǎng)絡(luò)變量最多31個字節(jié)。而任務(wù)，是對事件的反應(yīng)，即當(dāng)某事件發(fā)生時應(yīng)用程序執(zhí)行何種操作。另外，還可以在Neuron C程序中由用戶編寫自定義函數(shù)，以完成一些常用功能。和標(biāo)準(zhǔn)C不同，Neuron C必須要寫出函數(shù)原形，也可以將一些常用的函數(shù)放到頭文件中，以供程序調(diào)用。

由于在進行模擬量數(shù)據(jù)采集和控制的時候，通過串行口和神經(jīng)元芯片進行通信，因此選擇Neurowire IO對象，即同步全雙工串行通信模式IO對象。對11個IO引腳的定義為：IO_0到 IO_7是片選信號，IO_8是時鐘，IO_9是數(shù)據(jù)出，IO_10是數(shù)據(jù)入。就是說，該I/O對象使用全同步串行數(shù)據(jù)格式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被移入的同時也進行數(shù)據(jù)移出。Neurowire I/O對象還可被配置為主/從模式。主模式，時鐘信號輸出；從模式，時鐘信號是輸入。在主模式下，引腳IO_0～IO_7中的一個或多個可被用作片選信號，在從模式下，引腳IO_0～IO_7中的一個可被設(shè)計成超時引腳[6]。

當(dāng)使用具有不同比特率的多路復(fù)用串行對象或Neurowire I/O對象時，必須使用編譯器指令“#pragma enable_multiple_baud”， 且在所用I/O函數(shù) （如 io_in（ ）和io_out（））之前。其中，對Neurowire輸入/輸出對象進行顯式配制的Neuron C語句如下[5-6]：

IO_8 neurowire master|slave[select （pin-nbr）][timeout（pin-nbr）][kbaud（const-expr）]

[clockedge（+|-）]io-object-name；

作用是：IO_8：指定Neurowire輸入/輸出對象使用引腳IO_8～IO_10，其中 IO_8時鐘信號，IO_9串行數(shù)據(jù)輸出，IO_10串行數(shù)據(jù)輸入；

Master：指定Neuron芯片在引腳IO_8上提供時鐘，輸出；

Slave：指定Neuron芯片檢測引腳IO_8上的時鐘，輸入；

Select （pin-nbr）： 為 Neurowire master指定片選引腳，為IO_0～IO_7之一；

Timeout（pin-nbr）：為 Neurowire slave 指定一個可選擇的超時信號引腳，其范圍是IO_0～IO_7；使用超時信號引腳，當(dāng)neuron芯片等待時鐘的上升沿或下降沿時，將檢查該引腳的邏輯電平，如果檢測到邏輯電平為“1”，停止傳輸；

Kbaud （const-expr）： 為 Neurowire master指定比特率，const-expr可為 1 kb/s、10 kb/s或 20 kb/s； 對于 10 MHz的Neuron芯片輸入時鐘，缺省值為20 kb/s；

Clockedge（+|-）：指定數(shù)據(jù)觸發(fā)時鐘信號極性，clockedge（+）為上升沿， clockedge（-）為下降沿；

io-object-name：由用戶為該I/O對象指定的名字。

將系統(tǒng)中所用設(shè)備和IO對象進行定義，并對所用節(jié)點進行編程后即可連網(wǎng)使用[7]。例如利用智能節(jié)點采集開關(guān)量信號來控制指示燈，來實現(xiàn)對數(shù)字量的輸入和輸出控制。其中數(shù)字量輸入程序如下：

IO_0 output bit iolamp=1； //定義指示燈狀態(tài)控制端口為IO_0

IO_6 input bit ioswitch； //定義開關(guān)端口為IO_6

when（io_changes（ioswitch）） //判斷開關(guān)端口狀態(tài)變化

{if（!input_value）//開關(guān)端口狀態(tài)變化，指示燈狀態(tài)改變

{switch::nvoValue.state=!switch::nvoValue.state；

switch::nvoValue.value=switch::nvoValue.state ? （short）200:0；}//送功能模塊顯示

}

5 結(jié) 論

文中分析了LonWorks智能節(jié)點的組成原理、編程和使用，又介紹了用其構(gòu)成水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)的底層控制網(wǎng)所用設(shè)備和組網(wǎng)方法。這對于任何設(shè)計自動化生產(chǎn)線的工程項目，都有一定的參考價值。

[1]Echelon.LonMaker for Windows Release 3.1 User’s Guide[Z].USA:Echelon Corporation，2002.

[2]陳建鐸.基于LonWorks/iLon100現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)[J].探測與控制學(xué)報，2006（1）：59-63.CHEN Jian-duo.Structure and implementation of fieldsus control network on LonWorks[J].Journal of Detection&Control，2006（1）：59-63.

[3]李言武，陳建鐸.基于LonWorks的水廠自動化管控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（8）：95-97.LI Yan-wu，CHEN Jian-duo.The waterworks’ automatic management and control system based on LonWorks[J].Modern Electronics Technique，2006（8）：95-97.

[4]NodeBuilder User’s Guide[Z].USA:Echelon Corporation，2002.[5]Neuron C Programmer’s Guide[Z].USA:Echelon Corporation，2002.

[6]Neuron C Reference Guide[Z].USA:Echelon Corporation，2002.

[7]程啟文，陳建鐸.Lon網(wǎng)絡(luò)中上位機與智能節(jié)點通信方式的研究與實現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計算機，2005（7）：168-170.CHENG Qi-wen，CHEN Jian-duo. Research and implementation of communication between supervisor and intelligent nodes in LonWoeks Network[J].Microelectronics&Computer，2005（7）：168-170.