基于LonWorks技術(shù)的水廠全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)研究

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）

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市供水也有很大進(jìn)展。因此，水廠生產(chǎn)業(yè)已步入自動(dòng)化控制與管理的行列中。而目前，我國大多數(shù)水廠采用的是基于PLC的集散式 （Distributed Control System，DCS）控制模式，使用大量的記錄儀記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)或過程參數(shù)，然后輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，通過計(jì)算機(jī)顯示各種數(shù)據(jù)和過程參數(shù)。筆者介紹的是針對(duì)水廠生產(chǎn)流程，使用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)思想和方法。而且，可使用組態(tài)軟件模擬現(xiàn)場生產(chǎn)流程，動(dòng)態(tài)描述各生產(chǎn)流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀況，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(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。

1 LonWorks技術(shù)的基本功能與控制對(duì)象

LonWorks[1-2]是Echelon公司推出的一種用于過程控制的硬軟件開發(fā)工具，支持建立全分布式管控一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從大的方面來說，它包括網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具LonBuilder、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工具Nodebuilder和LonManager。其中LonManager主要用于節(jié)點(diǎn)映象、網(wǎng)絡(luò)安裝、配置、維護(hù)和監(jiān)測。以后，又推出了i.Lon100/500，既是高性能的網(wǎng)絡(luò)接口，又是節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具，還可實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與以太網(wǎng)的連接，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)備連接在一起，供Internet用戶訪問。

控制對(duì)象主要指水廠中前端一次儀表和各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一次儀表包括用于現(xiàn)場監(jiān)測的各種傳感器和變送器，比如溫度、壓力、流量、流速、液位、余氯含量/濁度分析儀等，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、異步電機(jī)、變頻調(diào)速控制器、電動(dòng)閥、電磁閥以及各種開關(guān)等，用于設(shè)備運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)與控制。

為此，基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，研究構(gòu)成水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)思想和方法，把水廠生產(chǎn)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)納入自動(dòng)化的檢測與控制中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水、過濾、加氯凈化、余氯含量/濁度檢測及供水的自動(dòng)控制；自動(dòng)計(jì)量進(jìn)水/供水量，實(shí)時(shí)檢測各水池的液位、溫度、余氯含量、濁度、各管道中的壓力和流量；且與企業(yè)信息網(wǎng)聯(lián)接[3]。在企業(yè)上層信息網(wǎng)上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與調(diào)控，自動(dòng)記錄生產(chǎn)流程中各節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)。通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的模擬畫面，在組態(tài)畫面上可一目了然地看到各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行情況、各蓄水池的液位、溫度、濁度、含氯量、各個(gè)管道中的壓力、流量及其它需要測量的參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各種報(bào)表、圖表或曲線（包括實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線）；還可根據(jù)需要生成日、周、旬、月、季、年報(bào)表。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，分為3層，即遠(yuǎn)程、上位和現(xiàn)場監(jiān)控級(jí)。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，可與Internet/Intronet連接；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)。現(xiàn)場監(jiān)控級(jí)，即底層Lon總線網(wǎng)，用于現(xiàn)場設(shè)備的連接與控制[3]。現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)智能節(jié)點(diǎn)通過雙絞線連接到現(xiàn)場工業(yè)PC機(jī)上。中間層的網(wǎng)絡(luò)適配器可選用PCNSS PC接口卡或者ilon100。這里選用PNCSS PC接口卡，把底層現(xiàn)場總線網(wǎng)連接到上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)水廠現(xiàn)場控制網(wǎng)和管理信息網(wǎng)的一體化連接[4]。

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

3 智能節(jié)點(diǎn)的功能與設(shè)置

在研發(fā)過程中，根據(jù)水廠的進(jìn)水、出水及中間的管理與控制，選用回路控制器HLC_1建立控制回路。HLC_1是一種基于LonWorks技術(shù)的智能節(jié)點(diǎn)，不僅可以執(zhí)行協(xié)議、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、完成控制等功能，而且提供通信介質(zhì)的接口，與上層網(wǎng)絡(luò)按公用協(xié)議進(jìn)行通信。它有4個(gè)（0～5 V或4～20 mA）12位A/D轉(zhuǎn)換模擬量輸入通道、2個(gè)（0～5 V或 4～20 mA）12位D/A轉(zhuǎn)換模擬量輸出通道、2個(gè)數(shù)字量（觸點(diǎn)或電平）輸入通道和2個(gè)開關(guān)量輸出通道；還可組成2通道PID調(diào)節(jié)器。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(duì)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、數(shù)據(jù)處理和前端設(shè)備運(yùn)行的調(diào)控工作[5]。

在該系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)1用以控制沉淀池的進(jìn)水泵、排水泵的運(yùn)行，控制液位、流量、溫度、壓力等參數(shù)的檢測；節(jié)點(diǎn)2控制氯化鋁溶液罐（池）的運(yùn)行，包括進(jìn)水閥、添加氯化鋁、攪拌、濃度檢測和計(jì)算等；節(jié)點(diǎn)3控制凈化池的進(jìn)水泵、氯化鋁溶液注入泵、排水泵的運(yùn)行，控制濁度、余氯含量、溫度、液位等參數(shù)的檢測；節(jié)點(diǎn)4控制凈水庫的進(jìn)水泵、供水泵（閥）的運(yùn)行，控制液位、流量、溫度、壓力的檢測，實(shí)施供水回路的調(diào)度。

4 現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場控制網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)除了硬件連接之外，就是軟件安裝。首先進(jìn)行現(xiàn)場Lon網(wǎng)絡(luò)的物理安裝，然后進(jìn)行其邏輯安裝。

1）物理安裝

物理安裝是把現(xiàn)場Lon網(wǎng)絡(luò)硬件連接起來。在現(xiàn)場工業(yè)PC機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)適配器及驅(qū)動(dòng)程序，這里使用的是PCLTA-10，通過雙絞線把PCLTA-10和智能節(jié)點(diǎn)連接起來，然后將現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變送器連接到智能節(jié)點(diǎn)輸入/輸出通道上。

2）邏輯安裝

邏輯安裝是在LonMaker集成開發(fā)工具中構(gòu)建現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。其過程是根據(jù)各智能節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)變量，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)之間的邏輯互聯(lián)與通訊。主要工作包括創(chuàng)建LonMaker圖像界面、子網(wǎng)、LNS數(shù)據(jù)庫、設(shè)備和功能模塊，編寫/調(diào)試和裝載應(yīng)用程序等，過程如下：

①啟動(dòng)“LonMaker”集成工具，如圖2所示，新建或打開已經(jīng)建立的LonWorks網(wǎng)絡(luò)工程，這里選擇“New Network”新建工程名為“l(fā)yw”的Lon網(wǎng)絡(luò)；

圖2 Lon網(wǎng)絡(luò)工程配置界面Fig.2 Lon network project configuration interface

②選擇 “Lon1”網(wǎng)絡(luò)接口、“Online”狀態(tài)以及添加“LonPoint Plug-ins”，開發(fā)工具將自動(dòng)創(chuàng)建LonMaker圖像界面、子網(wǎng)、LNS數(shù)據(jù)庫；

測試結(jié)果顯示，根據(jù)陀螺奇偶輸出的相關(guān)性進(jìn)行零偏抵消之后，其零偏及穩(wěn)定性得到改善.相比于同等條件下的傳統(tǒng)陀螺，本實(shí)驗(yàn)中光程倍增光纖陀螺本身已經(jīng)有較好的精度，并根據(jù)其奇偶輸出表現(xiàn)出的負(fù)相關(guān)性，進(jìn)一步進(jìn)行零偏抵消，能夠進(jìn)一步把零偏穩(wěn)定性控制在0.005°/h內(nèi).

③啟動(dòng)Visio圖形界面，在左邊 “NodeBuilder Basic Shapes 3.10”中拖動(dòng)一個(gè)“Development Target Device”圖標(biāo)到右邊窗口，此時(shí)在工程子網(wǎng)中完成一個(gè)目標(biāo)設(shè)備的添加，命名為“節(jié)點(diǎn)1”，提交該設(shè)備，然后啟動(dòng)NodeBuilder編程模板，進(jìn)行Neuron C編程；

④在 NodeBuilder環(huán)境下，啟動(dòng)“NodeBuilderCodeWizard”，并在“Resource pane”中的“C:LonWorksType”下拉列表中選擇 相應(yīng) 的 “Functional Profile Templates”， 拖 放 到 “Progam interface pane”下的“Functional Blocks”中，并定義功能塊名及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變量類型，然后單擊 “Generate and Close”，進(jìn)入NodeBuilder環(huán)境，這時(shí)自動(dòng)生成工程及設(shè)備接口，包括定義設(shè)備屬性、功能塊、網(wǎng)絡(luò)變量等；

⑤在 工 程 “Project‘lyw’”下 “Device Template”的 “Source Files”中編寫節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序，然后在“Hardware Template”的“User Template”中配置節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)，最后編譯、調(diào)試應(yīng)用程序。在沒有錯(cuò)誤的情況下，應(yīng)用程序?qū)⒁栽诰€方式動(dòng)態(tài)裝載到智能節(jié)點(diǎn)上，智能節(jié)點(diǎn)就可以自行工作；

⑥為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送，在現(xiàn)場和上層之間可用收發(fā)器FTT-10A，以提高通信距離；該收發(fā)器支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（包括星型、總線型和環(huán)形等），通信速率為78 kbps；采用總線型網(wǎng)絡(luò)最長通信距離為2 700 m，滿足一般水廠的需求。若超出最大通信距離，還在總線兩端加中繼器，延長通信距離。

5 現(xiàn)場變送器與執(zhí)行器

基于水廠生產(chǎn)過程控制，采集數(shù)據(jù)主要有水的液位、PH值、溫度、壓力、流量、余氯含量和泥土界面等；所要進(jìn)行的控制包括電機(jī)變頻調(diào)速、加氯與投藥泵的控制與計(jì)量、電磁閥門開啟度等。系統(tǒng)采用的變送器主要有液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、泥土界面儀和余氯分析儀等，這些變送器可以輸出4～20 mA電流信號(hào)或者0～5 V的電壓信號(hào)。現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是電磁閥、繼電器、調(diào)頻電機(jī)等。管理人員可從監(jiān)控機(jī)上發(fā)布指令，控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

6 控制與管理

1）基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制

在本設(shè)計(jì)方案中，實(shí)現(xiàn)了Web發(fā)布，是利用世紀(jì)星組態(tài)監(jiān)控軟件以B/S模式在Internet上發(fā)布圖形和數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程瀏覽。 采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)傳輸精確、實(shí)時(shí)。用戶在 Internet上，通過 IE瀏覽器，輸入服務(wù)器的 IP地址，即可查看現(xiàn)場的畫面和數(shù)據(jù)。但是，未授權(quán)用戶無法對(duì)現(xiàn)場工況進(jìn)行調(diào)控，比如修改變量值、調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。Web發(fā)布主界面運(yùn)行如圖3所示。

2）基于C/S模式的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送與控制

圖3 通過Web發(fā)布的主界面運(yùn)行圖Fig.3 Through the Web publishing operation map of the interface

利用世紀(jì)星組態(tài)監(jiān)控軟件以C/S模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。通過應(yīng)用程序向客戶機(jī)提出數(shù)據(jù)要求，客戶機(jī)則通過網(wǎng)絡(luò)將用戶的數(shù)據(jù)要求提交給服務(wù)器，服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)，然后把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)上，最后由客戶機(jī)完成對(duì)所需數(shù)據(jù)的加工，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制功能。例如變頻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控組態(tài)界面如圖4所示。

圖4 變頻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面Fig.4 Remote monitoring interface of running state to frequency conversion motor

3）管理功能

在設(shè)計(jì)成功后，可實(shí)現(xiàn)以下管理功能：

①提供友好的人機(jī)界面和嚴(yán)格的操作員資格認(rèn)證，確保系統(tǒng)安全；

②通過窗口界面進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視與控制（包括運(yùn)行圖表、曲線）；

③實(shí)時(shí)記錄采集或測量到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，記錄各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀況，顯示整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的工況圖表；

④自動(dòng)融入生產(chǎn)管理系統(tǒng)，自動(dòng)記錄產(chǎn)量和成本核算，提供日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等多種形式的報(bào)表；

⑤具有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)適時(shí)發(fā)出各種報(bào)警信號(hào)；

⑥支持與企業(yè)信息網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)資源共享。

7 結(jié) 論

文中介紹的是基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，針對(duì)水廠構(gòu)建全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)的思想和方法。較基于PLC的集散式（DCS，Distributed Control System）控制模式，更能實(shí)現(xiàn)全分布式控制與管控一體化，支持現(xiàn)場控制網(wǎng)與企業(yè)Internet/Intronet連接，實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。它的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可分配ID地址，在授權(quán)的情況下上層用戶可直接巡查現(xiàn)場的每一臺(tái)設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況；控制程序可給出每一臺(tái)設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行圖及相關(guān)數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)思想和方法，可供同類企業(yè)參考。

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