基于LonWorks技術(shù)的全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張樂芳，陳建鐸

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

目前，國內(nèi)大多數(shù)水廠采用的是基于PLC的集散式（DCS，Distributed Control System）控制模式。使用大量記錄儀記錄過程參數(shù)，然后輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。雖然通過計(jì)算機(jī)能以多種方式顯示過程參數(shù)和生產(chǎn)流程，但是不夠直觀和便捷。文中介紹的是基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)的上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用組態(tài)軟件模擬現(xiàn)場生產(chǎn)流程，動(dòng)態(tài)描述各流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀況，而且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、分析、統(tǒng)計(jì)和生成報(bào)表，還可在動(dòng)態(tài)畫面上對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。其設(shè)計(jì)思想和方法可供同類企業(yè)參考。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）LonWorks主要組成與功能

早期的LonWorks主要有基于網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)工具LonBuilder、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工具Nodebuilder和LonManager。其中LonBuilder包括LonManager DDE服務(wù)器和單通道LonTalk適配器；NodeBuilder包括PCNSS PC接口卡及多種節(jié)點(diǎn)開發(fā)模塊，與LonBuilder配合使用，可用于LonWorks前端節(jié)點(diǎn)的開發(fā)、連接和使用；LonManager包括LonManager DDE、LonManager Profile、LonMaker和 LonManager協(xié)議分析儀，用于節(jié)點(diǎn)映象、網(wǎng)絡(luò)安裝、配置、維護(hù)和監(jiān)測[1]。

以后，Echelon公司又推出了i.Lon100/500，已有多種版本，包含了上述多種功能，既是高性能的網(wǎng)絡(luò)接口，又是節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具，可簡單方便地實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與以太網(wǎng)的連接。而且其中的i.Lon100/500中的Internet服務(wù)器還提供進(jìn)程管理、數(shù)據(jù)記錄、信號(hào)檢測與報(bào)警以及信號(hào)發(fā)送等功能，既是路由器又是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，可以分布式的技術(shù)把LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的智能節(jié)點(diǎn)連接在一起，供Internet上的用戶訪問。為用戶提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接與節(jié)點(diǎn)開發(fā)平臺(tái)，支持管控一體化網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[2]。

2）總體結(jié)構(gòu)

在對LonWorks技術(shù)分析研究的基礎(chǔ)上，針對自來水廠的生產(chǎn)流程進(jìn)行研究，提出了一個(gè)基于LonWorks技術(shù)的全分布管控一體化的網(wǎng)絡(luò)方案[2]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)采用混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為3個(gè)層次，即Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)、上位監(jiān)控級(jí)和現(xiàn)場控制級(jí)?，F(xiàn)場設(shè)備由智能節(jié)點(diǎn)通過雙絞線連接到LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上[3]。網(wǎng)絡(luò)適配器選用的是PCNSS PC接口卡，也可使用ilon100，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通過PNCSS PC接口卡連接到上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上，上位機(jī)再通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到遠(yuǎn)程Internet/Intranet上，實(shí)現(xiàn)水廠現(xiàn)場控制網(wǎng)和管理信息網(wǎng)的一體化。在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上安裝有IIS6.0、Web應(yīng)用程序及 Access數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)軟件。其中IIS6.0用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)的連接，Web應(yīng)用程序提供Web頁面瀏覽器，Access數(shù)據(jù)庫支持各類采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，為在遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上實(shí)施監(jiān)控與管理提供支持。在上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上安裝有LonWorks開發(fā)工具、NodeBuilder開發(fā)工具、LNS DDE Server和CenturyStar組態(tài)軟件，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)[4]。

圖1 全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of the whole distribution integrative management and control network

上位監(jiān)控機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上層監(jiān)控系統(tǒng)。使用戶可在上層監(jiān)控機(jī)或?yàn)g覽器上監(jiān)控整個(gè)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集與處理、信息存儲(chǔ)、報(bào)警、遠(yuǎn)程調(diào)控等功能。處于中間層的網(wǎng)絡(luò)適配器選用PCNSS PC接口卡，負(fù)責(zé)路由及數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，把底層控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，或者把上位機(jī)的控制命令下發(fā)到控制節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場Lon網(wǎng)絡(luò)連接前端智能節(jié)點(diǎn)和各種變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和任務(wù)的執(zhí)行。

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，使授權(quán)用戶可通過瀏覽器在線巡查，包括現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況、進(jìn)水口流速/流量、各水池液位、濁度、余氯含量、PH值、出水口溫度、壓力等；通過狀態(tài)圖/實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，還可把所測量到的數(shù)據(jù)形象地展示出來。上層監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖2所示，有用戶管理、監(jiān)控畫面、數(shù)據(jù)曲線、報(bào)表、報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等模塊；監(jiān)控畫面顯示各水池的液位、濁度、余氯含量、PH值等參數(shù)。

圖2 上層監(jiān)控系統(tǒng)功能Fig.2 Function of the upper leveis control system

在上層監(jiān)控系統(tǒng)中，可進(jìn)行控制功能組態(tài)和實(shí)時(shí)畫面巡查，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表的生成、打印以及多媒體語音報(bào)警等功能。在客戶端瀏覽器的網(wǎng)頁上可直觀顯示各個(gè)控制對象的運(yùn)行狀態(tài)圖、實(shí)時(shí)曲線圖；可實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的雙向數(shù)據(jù)傳送；客戶端可實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制服務(wù)器端連接的現(xiàn)場執(zhí)行裝置，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。下面著重介紹上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上層監(jiān)控系統(tǒng)中，選用CenturyStar世紀(jì)星組態(tài)軟件設(shè)計(jì)成一個(gè)系統(tǒng)模擬監(jiān)控平臺(tái)，主要功能如圖2所示，可對各模塊中的過程參數(shù)進(jìn)行采集、記錄、打印，可生成報(bào)表，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，還可對前段測控設(shè)備進(jìn)行調(diào)控 （主要是調(diào)整運(yùn)行參數(shù)），對事故進(jìn)行分析。

1）組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)功能要求

水廠生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)具有時(shí)變性、耦合性和隨機(jī)性的多變量（如流量、液位、溫度、壓力等）、多任務(wù)（如水流控制、投藥/加氯控制、格柵與排泥控制、濾池控制、水泵啟/?？刂?、調(diào)壓控制、數(shù)據(jù)管理等）、多設(shè)備（如電機(jī)、閥門、泵等）的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。根據(jù)基本生產(chǎn)流程及實(shí)際需求，上層模擬組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和人機(jī)對話等功能。

2）組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)與LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信

使用CenturyStar世紀(jì)星組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，首先要解決組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)與LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的通信[5]。這里借助于LonWorks提供的應(yīng)用軟件LNS DDE Server作為服務(wù)器端，組態(tài)軟件CenturyStar作為客戶端，通過組態(tài)變量與網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行信息交互，如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)上層組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)與底層控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信。步驟如下：

①DDE設(shè)備安裝。在組態(tài)軟件CenturyStar的“驅(qū)動(dòng)設(shè)備管理”中單擊“新建”選項(xiàng)，或在瀏覽器中雙擊“設(shè)備安裝向?qū)А?，屏幕彈出“設(shè)備安裝向?qū)А睂υ捒?，選中“DDE”，單擊“下一步”，屏幕彈出“DDE設(shè)備修改”對話框。在其中的設(shè)備對象名欄輸入要安裝DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的設(shè)備的名，比如 “節(jié)點(diǎn)”；在服務(wù)程序名欄輸入與組態(tài)軟件交換數(shù)據(jù)的程序名LNSDDE；在話題名欄輸入本程序和服務(wù)程序進(jìn)行DDE連接的話題名，比如 “shui.Subsystem 1.LMNV”；在數(shù)據(jù)交換協(xié)議欄指明DDE會(huì)話方式，這里選擇標(biāo)準(zhǔn) Windows交換協(xié)議。然后，單擊“下一步”按鈕，屏幕彈出“設(shè)備安裝向?qū)А睂υ捒颍圆榭摧斎胧欠裾_。輸入無誤，單擊“完成”按鈕[6]。

②定義組態(tài)I/O變量。完成DDE設(shè)備安裝后，進(jìn)入世紀(jì)星的“變量數(shù)據(jù)庫”，如圖5所示，可定義I/O變量，包括所有采集數(shù)據(jù)所對應(yīng)的變量。比如“溫度”的變量名定義為ddel，該變量和底層控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)變量 （項(xiàng)目名）nvoValue5（溫度）進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。另外，還要設(shè)置采集頻率、初值、最大值和最小值等參數(shù)。

③啟動(dòng)組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)與LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信。在DDE設(shè)備安裝和定義組態(tài)I/O變量后，啟動(dòng)LNS DDE Server，其界面如圖6所示，設(shè)置DDE通信主題。再啟動(dòng)LNS Server，選擇正在運(yùn)行的LonWorks網(wǎng)絡(luò)，LNS DDE Server將自動(dòng)連接到LonWorks網(wǎng)絡(luò)上。

圖3 用組態(tài)軟件構(gòu)成的模擬監(jiān)控平臺(tái)Fig.3 Simulate Control plat constituting in configuration software

圖4 LNS DDE Server信息交互過程Fig.4 Information alternately process in LNS DDE Server

圖5 定義變量Fig.5 Defining variable

然后，運(yùn)行組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)，通過 LNS DDE Server，變量“溫度”的值將隨著網(wǎng)絡(luò)變量的值同步改變。這樣，可根據(jù)變量（溫度）值設(shè)置報(bào)警點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)前端執(zhí)行器工作[6]。

圖6 LNS DDE Server運(yùn)行界面Fig.6 Painted screen to LNS DDE Server executing

總之，通過LNS DDE Server溝通了上層組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)與底層LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)采集—上傳—組態(tài)監(jiān)控—下傳—前端執(zhí)行”的管理與控制的集成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，共定義了水池溫度、濁度、液位、pH、余氯含量、管道壓力和流量等多個(gè)變量。對于這些變量，組態(tài)監(jiān)控的具體實(shí)現(xiàn)與上述“溫度”的監(jiān)控過程相同。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行后，實(shí)時(shí)曲線用于實(shí)時(shí)顯示各變量的變化情況；所顯示實(shí)時(shí)曲線的種類由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)更新，不需要專門定義曲線變量。運(yùn)行時(shí)，曲線自動(dòng)從右向左卷動(dòng)，展示待測變量的數(shù)據(jù)變化趨勢。歷史曲線用于歷史數(shù)據(jù)的查看，以了解過去某時(shí)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，歷史曲線不自動(dòng)卷動(dòng)，與功能按鈕同步顯示。利用歷史曲線的域或者使用與歷史曲線相關(guān)的函數(shù)，可對歷史曲線實(shí)施控制。通過按鈕，可實(shí)現(xiàn)翻頁、設(shè)定時(shí)間參數(shù)、啟/停記錄、打印曲線圖等操作。

除此之外，還有實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警、報(bào)表生成與處理等功能，這里不再一一敘述。

3 結(jié) 論

把組態(tài)軟件與LonWorks網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，構(gòu)成上層監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況、各待測變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和變化曲線，從而改變現(xiàn)有一些水廠靠記錄儀記錄數(shù)據(jù)的作法。而且，還可通過對組態(tài)畫面上的節(jié)點(diǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的在線調(diào)控。

[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(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 control network on LonWorks[J].Journal of Detection&Control，2006（1）：59-63.

[3]呂增江，陳建鐸.基于LonWorks總線的智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（10）：20-21.LV Zeng-jiang，CHEN Jian-duo.Development and design of smart node based on LonWorks Bus[J].Modern Electronics Technique，2005（10）：20-21.

[4]李言武，陳建鐸.基于LonWorks的水廠自動(dòng)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.

[5]程啟文，陳建鐸.Lon網(wǎng)絡(luò)中上位機(jī)與智能節(jié)點(diǎn)通信方式的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，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.

[6]李言武，陳建鐸.世紀(jì)星組態(tài)軟件在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（8）：132-133.LI Yan-wu，CHEN Jian-duo.Application of the centurystar configuration software in industrial process control system[J].Modern Electronics Technique，2007（8）：132-133.