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)，然后輸入到計算機中進行處理。雖然通過計算機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)計與實現(xiàn)，使用組態(tài)軟件模擬現(xiàn)場生產(chǎn)流程，動態(tài)描述各流程中各個節(jié)點的工作狀況，而且自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、分析、統(tǒng)計和生成報表，還可在動態(tài)畫面上對各執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)控。其設(shè)計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)點設(shè)計工具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)點開發(fā)模塊，與LonBuilder配合使用，可用于LonWorks前端節(jié)點的開發(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)點映象、網(wǎng)絡(luò)安裝、配置、維護和監(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)點開發(fā)工具，可簡單方便地實現(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)器還提供進程管理、數(shù)據(jù)記錄、信號檢測與報警以及信號發(fā)送等功能，既是路由器又是符合工業(yè)標準的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)點連接在一起，供Internet上的用戶訪問。為用戶提供一個經(jīng)濟可靠的網(wǎng)絡(luò)連接與節(jié)點開發(fā)平臺，支持管控一體化網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與實現(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)流程進行研究，提出了一個基于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。整個系統(tǒng)采用混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分為3個層次，即Internet遠程監(jiān)控級、上位監(jiān)控級和現(xiàn)場控制級?，F(xiàn)場設(shè)備由智能節(jié)點通過雙絞線連接到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)控管理計算機上，上位機再通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到遠程Internet/Intranet上，實現(xiàn)水廠現(xiàn)場控制網(wǎng)和管理信息網(wǎng)的一體化。在遠程計算機上安裝有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)的存儲與管理，為在遠程監(jiān)控機上實施監(jiān)控與管理提供支持。在上位監(jiān)控管理計算機上安裝有LonWorks開發(fā)工具、NodeBuilder開發(fā)工具、LNS DDE Server和CenturyStar組態(tài)軟件，用于實現(xiàn)整個網(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)控機和遠程計算機構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上層監(jiān)控系統(tǒng)。使用戶可在上層監(jiān)控機或瀏覽器上監(jiān)控整個現(xiàn)場的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集與處理、信息存儲、報警、遠程調(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，負責路由及數(shù)據(jù)的上傳下達，把底層控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到上位機，或者把上位機的控制命令下發(fā)到控制節(jié)點?，F(xiàn)場Lon網(wǎng)絡(luò)連接前端智能節(jié)點和各種變送器、執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和任務(wù)的執(zhí)行。

遠程計算機通過Internet實現(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)備的運行情況、進水口流速/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/實時數(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、報表、報警及遠程監(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，可進行控制功能組態(tài)和實時畫面巡查，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)報表的生成、打印以及多媒體語音報警等功能。在客戶端瀏覽器的網(wǎng)頁上可直觀顯示各個控制對象的運行狀態(tài)圖、實時曲線圖；可實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的雙向數(shù)據(jù)傳送；客戶端可實時監(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)備進行調(diào)控。下面著重介紹上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 上層監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在上層監(jiān)控系統(tǒng)中，選用CenturyStar世紀星組態(tài)軟件設(shè)計成一個系統(tǒng)模擬監(jiān)控平臺，主要功能如圖2所示，可對各模塊中的過程參數(shù)進行采集、記錄、打印，可生成報表，實現(xiàn)報警，還可對前段測控設(shè)備進行調(diào)控 （主要是調(diào)整運行參數(shù)），對事故進行分析。

1）組態(tài)監(jiān)控平臺功能要求

水廠生產(chǎn)系統(tǒng)是一個具有時變性、耦合性和隨機性的多變量（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、閥門、泵等）的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。根據(jù)基本生產(chǎn)流程及實際需求，上層模擬組態(tài)監(jiān)控平臺如圖3所示，可實現(xiàn)人機交互和人機對話等功能。

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

使用CenturyStar世紀星組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控平臺，首先要解決組態(tài)監(jiān)控平臺與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)變量進行信息交互，如圖4所示，可實現(xiàn)上層組態(tài)監(jiān)控平臺與底層控制網(wǎng)絡(luò)的實時通信。步驟如下：

①DDE設(shè)備安裝。在組態(tài)軟件CenturyStar的“驅(qū)動設(shè)備管理”中單擊“新建”選項，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動態(tài)數(shù)據(jù)交換的設(shè)備的名，比如 “節(jié)點”；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會話方式，這里選擇標準 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?，以查看輸入是否正確。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，進入世紀星的“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 （項目名）nvoValue5（溫度）進行數(shù)據(jù)實時交互。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啟動組態(tài)監(jiān)控平臺與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LNS DDE Server，其界面如圖6所示，設(shè)置DDE通信主題。再啟動LNS Server，選擇正在運行的LonWorks網(wǎng)絡(luò)，LNS DDE Server將自動連接到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，運行組態(tài)監(jiān)控平臺，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)置報警點，驅(qū)動前端執(zhí)行器工作[6]。

圖6 LNS DDE Server運行界面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)控平臺與底層LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的實時通信，實現(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變量。對于這些變量，組態(tài)監(jiān)控的具體實現(xiàn)與上述“溫度”的監(jiān)控過程相同。

在系統(tǒng)正常運行后，實時曲線用于實時顯示各變量的變化情況；所顯示實時曲線的種類由監(jiān)控系統(tǒng)自動更新，不需要專門定義曲線變量。運行時，曲線自動從右向左卷動，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，以了解過去某時的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行時，歷史曲線不自動卷動，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)，可對歷史曲線實施控制。通過按鈕，可實現(xiàn)翻頁、設(shè)定時間參數(shù)、啟/停記錄、打印曲線圖等操作。

除此之外，還有實時報警、歷史報警、報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)，可實時顯示現(xiàn)場各個設(shè)備的運行情況、各待測變量的實時數(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)點的控制，實現(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]呂增江，陳建鐸.基于LonWorks總線的智能節(jié)點的開發(fā)與設(shè)計[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.

[6]李言武，陳建鐸.世紀星組態(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.