水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)前端測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳建鐸，張樂芳

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

針對水廠的生產(chǎn)流程，文中所講到的全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)采用的是一種混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場設(shè)備由智能節(jié)點(diǎn)通過雙絞線連接到LonWarkes總線網(wǎng)段上，總線網(wǎng)段再通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備連接到Internet/Intranet上，實(shí)現(xiàn)水廠控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)一體化?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)水廠現(xiàn)場生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、信息存儲、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等功能；網(wǎng)絡(luò)適配器PCNSS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，可把控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，也可以把上位機(jī)的控制命令下發(fā)到控制網(wǎng)絡(luò)[1]。也可以使用i.Lon100把上位機(jī)和前端現(xiàn)場控制網(wǎng)連接起來[2]。i.Lon100既可以作為高性能的網(wǎng)絡(luò)接口，又可以作為底層節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具。另外，i.Lon100還提供進(jìn)程分配、數(shù)據(jù)記錄、信號傳送、信號檢測及報(bào)警等功能，既是路由器又是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，可把LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的智能設(shè)備連接起來，供Internet上的用戶訪問。這里，通過組態(tài)軟件CentruyStar及服務(wù)器LNSDDE Server/iLon100構(gòu)建上層監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)控制與管理的集成以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。底層通過LON網(wǎng)連接各智能節(jié)點(diǎn)、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)（如液位、溫度、壓力、流量等）采集與控制；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過Internet實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場組態(tài)畫面的Web頁發(fā)布，授權(quán)用戶可通過瀏覽器在線瀏覽監(jiān)控。

1 前端測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，在底層，也就是前端測控現(xiàn)場，通過LonWorks中的LonMaker[1]組建底層控制網(wǎng)LON（Local Operation Network），利用NodeBuilder編寫智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序，以網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)上的通信。圖中使用LON通用智能節(jié)點(diǎn)與各測試設(shè)備和控制裝置連接，向上與i.Lon100[2-3]連接。

圖1 全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of full distribution integrative management and control network

智能節(jié)點(diǎn)使用的是一種基于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的HLC-1回路控制器[4]，它不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，完成控制等功能，還提供通信接口，以公共協(xié)議進(jìn)行通信。內(nèi)設(shè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，可對4路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入信號0～5 V或4～20 mA，即4通道模擬信號輸入；內(nèi)設(shè)12位D/A轉(zhuǎn)換器，可對2路數(shù)字量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出信號 0～5 V或 4～20 mA、即2通道模擬量輸出；另外還有2通道數(shù)字量（觸點(diǎn)或電平）輸入及2通道開關(guān)量輸出；還能實(shí)現(xiàn)2通道變量實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。在安裝完成后，HLC－1回路控制器不僅可以實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，還可脫離上層管理系統(tǒng)，自行完成數(shù)據(jù)采集處理及前端設(shè)備運(yùn)行調(diào)控。

在前端，根據(jù)受控對象的不同選用的設(shè)備有可編程控制器（PLC）、FRENIC5000G/P11S變頻器、網(wǎng)絡(luò)適配器等?？删幊炭刂破?，比如S7－200 CPU224XPCN，本身就具有很強(qiáng)的編程控制能力，因此可順利完成前端的監(jiān)控功能。網(wǎng)絡(luò)適配器選用的是PCLTA－10，可插在PC機(jī)的擴(kuò)展槽上，作為一個(gè)特殊的智能接口設(shè)備，既能與所有和總線掛接的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對等雙向通信，又能快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和高級監(jiān)控功能，在PC機(jī)與現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)之間起到“上傳下達(dá)”的紐帶作用。

前端變送器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用，是基于水廠生產(chǎn)控制流程。所要采集的數(shù)據(jù)有液位、pH值、溫度、壓力、流量、余氯和泥土界面等。因此所使用的測試儀和變送器有超聲液位計(jì)、pH測量儀、溫度變送器、壓力變送器、電磁流量計(jì)、余氯分析儀、泥土界面儀、濁度儀、漏氯報(bào)警儀等。采用的控制有電機(jī)變頻調(diào)速、加氯與投藥泵計(jì)量、電磁閥開啟度控制等?，F(xiàn)場執(zhí)行裝置有調(diào)頻電機(jī)、電磁閥、繼電器等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，整體構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動運(yùn)行，自動調(diào)節(jié)。管理人員也可從監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用HLC－1回路控制器，該智能節(jié)點(diǎn)主要完成模擬量、數(shù)字量的輸入輸出控制。筆者使用NodeBuilder開發(fā)設(shè)計(jì)了智能節(jié)點(diǎn)前端控制程序[4－5]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸出信號通過變送器連接到智能節(jié)點(diǎn)的模擬輸入端；執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接到智能節(jié)點(diǎn)的模擬輸出端。通過NodeBuilder編寫控制算法程序，經(jīng)組態(tài)監(jiān)控平臺下發(fā)控制命令，控制前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在要求的范圍內(nèi)工作。

這里選用智能節(jié)點(diǎn)的Neurowire輸入/輸出作為I/O對象，實(shí)現(xiàn)與外部器件的同步通信。下面僅說明一個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的定義，并以模擬量輸出、模擬量輸入和數(shù)字量輸出為例，說明程序設(shè)計(jì)[6]。

1）Neurowire輸入/輸出對象語法結(jié)構(gòu)定義：

IO_8 neuronwire master|slave[select （pin－nbr）][timeout（pin－nbr）]

[kbaud（const－expr）][clockedge（+|－）]io－object－name

IO_8：Neurowire輸入/輸出對象使用引腳 IO_8 ～I(xiàn)O_10，IO_8是時(shí)鐘引腳，IO_9是串行數(shù)據(jù)輸出引腳，IO_10是串行數(shù)據(jù)輸入引腳；

Master：指定Neuron芯片在引腳IO_8上提供時(shí)鐘，被指定為輸出；

Slave：指定Neuron芯片檢測引腳IO_8上的時(shí)鐘，被設(shè)置為輸入；

Select （pin－nbr）： 為 Neurowire master指定片選引腳，為IO_0～I(xiàn)O_7引腳之一；

Timeout（pin－nbr）：為 Neurowire slave 指定一個(gè)可選擇的超時(shí)信號引腳，其范圍是IO_0～I(xiàn)O_7。當(dāng)使用超時(shí)信號引腳時(shí)，當(dāng)neuron芯片等待時(shí)鐘的上升沿或下降沿時(shí)，將檢查該引腳的邏輯電平。如果檢測到邏輯電平為“1”，則傳輸停止；

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

Clockedge（+|－）：指定觸發(fā)時(shí)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。

2）模擬量輸出程序—電流表控制程序

“nviValue”=“電流表控制”；//組態(tài)變量 “電流表控制”值，賦給節(jié)點(diǎn)變量“nviValue”

IO_8 neurowire master select（IO_2）ioDA；//定義串行輸出對象

IO_2 output bit ioDAselect=1； //確定片選信號int flag=0； //定義標(biāo)志位 #progma ignore_notused ioDAselect

when（nviValue==1） //條件成立，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送

{unsigned long int t；

unsigned long int tt；

在食品領(lǐng)域，我國已出臺一系列法律法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對生產(chǎn)、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行著有力監(jiān)管。而從安全保障的內(nèi)在動力來看，要守住食品安全的大門，還需每一位食品行業(yè)從業(yè)者更加恭敬謹(jǐn)慎、心存敬畏。

if（flag==0） //輸出電流值以1 mA遞增變化

{t=t+4095；

if（t＞62260） flag=1；

}

Else //輸出電流值以1 mA遞減變化

{t=t－4095；

if（t＜=0） flag=0；

}

io_out（ioDA，&t，16）； //數(shù)據(jù)輸出，控制電流表

}

3）模擬量輸入程序

在生產(chǎn)現(xiàn)場，液位、溫度、壓力等變送器輸出的4～20 mA電流信號或0～5 V電壓信號，經(jīng)變送器連接到智能節(jié)點(diǎn)的模擬量輸入通道上，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)內(nèi)部運(yùn)算放大器、12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7844和光電隔離后送入神經(jīng)元芯片處理，再由LON網(wǎng)絡(luò)以變量形式上傳到組態(tài)監(jiān)控平臺，完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測[7]。程序如下：

when（reset） //復(fù)位后重新選擇 ADS7844 地址

{adr[0]=0；

adr[1]=4；

adr[2]=1；

adr[3]=5；

}

stimer repeating t0=5； //定義秒定時(shí)器

IO_8 neurowire master select（IO_0） ioAD；//定義 I/O 對象

IO_0 output bit ioADselect=1； //確定片選信號

#progma ignore_notused ioADselect

when（timer_expires（t0）） //定時(shí)結(jié)束，開始數(shù)據(jù)采集

{int i；

int j；

unsigned int adc_info；

unsigned int adh，adl；

unsigned long int data；

for（i=0；i＜4；i++） //循環(huán)采集 4 路數(shù)據(jù)

{adc_info=（adr[i]+8）*16+7； //定義 ADS7844 方式控制字

io_out（ioA2D，&adc_info，8）； //發(fā)送控制字

for（j=0；j＜100；j++） //采集延時(shí)

adc_info=0x00； //設(shè)置全零字節(jié)

io_out（ioA2D，&adc_info，8）； //采集高 7 位數(shù)據(jù)

adh=adc_info；

for（j=0；j＜100；j++） //采集延時(shí)

adc_info=0x00； //設(shè)置全零字節(jié)

io_out（ioA2D，&adc_info，8）； //采集低 5 位數(shù)據(jù)

adl=adc_info；

data=（adh*32L+adl/8L）/1L； //整合數(shù)據(jù)送入上層監(jiān)控平臺

adIN[i]::nvoValue=data； //在功能模塊上顯示采樣值

}

}

4）數(shù)字量輸出程序

以溫度控制為例，當(dāng)加熱器加熱時(shí)，溫度變送器輸出4～20 mA電流值從智能節(jié)點(diǎn)的模擬量輸入通道，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，若該值超出設(shè)定報(bào)警值上限時(shí)，控制命令自動從智能節(jié)點(diǎn)的IO_1口送出，將繼電器斷開，加熱器停止加熱；當(dāng)溫度下降到報(bào)警值下限時(shí)，又使繼電器吸合，加熱器重新加熱。程序如下：

“wendu”=“inIN[1]::nvoValue” //節(jié)點(diǎn)采集獲得的溫度值

IO_1 output bit jdq； //定義繼電器控制端口為IO_1

int flag1=0； //定義標(biāo)志位

when（inIN[1]::nvoValue＞=200） //溫度大于報(bào)警值上限時(shí)，加熱器停止加熱

{if（flag1==0）

{io_out（jdq，0）； //控制繼電器斷開

flag1=0；

nvoValue=flag1； //在功能模塊上顯示當(dāng)前結(jié)果

}

when（inIN[1]::nvoValue＜=100） //溫度小于報(bào)警值下限時(shí)，加熱器重新加熱

{io_out（jdq，1）； //控制繼電器吸合

flag1=1；

}

nvoValue=flag1； //在功能模塊上顯示繼電器狀態(tài)

}

3 結(jié) 論

現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）是一種全分布式的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大型企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立。文中研究結(jié)果證明，該系統(tǒng)完全可用于自來水廠的生產(chǎn)過程控制中，且優(yōu)于當(dāng)前所采用的基于PLC的集散式（DCS）控制模式。

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

[2]Echelon.i.Lon100 Internet Server Programmer’s Reerence[S].USA:Echelon Corporation，2002.

[3]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(shí)現(xiàn)[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2006（1）：59－63.CHEN Jian-duo.Structure and implementation of fieldsus controlnetwork on LonWorks[J].Journal of Detection&Control，2006（1）：59－63.

[4]呂增江.基于LonWoeks的智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2005（10）：20－22..LV Zeng-jiang.Development and design of smart node based on LonWorks bus[J].Modern Electronics Technique，2005（10）：20－22.

[5]程啟文，陳建鐸，宋彩利.Lon網(wǎng)絡(luò)中上位機(jī)與智能節(jié)點(diǎn)通信方式的研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005（7）：168－170.CHENG Qi-wen，CHEN Jian-duo，SONG Cai-li.Research and implementation of communication between supervisor and intelligent nodesin LonWoeksnetwork[J].Microelectronicsand Computer，2005（7）：168－170.

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[7]王東陽，晁暉，王辛，等.基于小波Mallat算法的次同步振蕩監(jiān)測[J].陜西電力，2011（8）：37－41.WANG Dong-yang，CHAO Hui，WANG Xin，et al.Mallat algorithm of wavelet analysis based SSO monitoring[J].Shaanxi Electric Power，2011（8）：37－41.