基于LonWorks水廠全分布式管控一體化網絡前端智能節點的配置與實現

王艷君，陳建鐸

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

在 《基于LonWorks技術的水廠全分布管控一體化網絡研究》一文中，介紹了使用LonWorks現場總線技術構建水廠全分布式管控一體化網絡的基本思想和方法。這里，將進一步說明該系統中前端智能節點的組成原理與實現。眾所周知，在構建水廠全分布式管控一體化網絡時必不可少地用到大量的數據采集與控制設備，這就需要相應的節點控制器與之連接，接收前端檢測設備采集到的數據，上傳到上位監控機，或者根據上層監控機下發的命令控制前端執行機構的工作。由于該系統是依據全分布式管控一體化的原則構建的，因此這類節點要能設置ID號，支持ISO/OSI的7層協議，除了與底層控制網連接，還能與企業信息網連接[1－2]。上層授權用戶可通過ID號（或IP地址）直接訪問底層的每一個節點，與之對話，了解或展示前端測控設備的工作狀況，包括數據參數和工作狀態圖，或者對前端測控設備進行調控。

1 前端測控設備

在水廠的生產流程中，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、泥土界面等參數的檢測。涉及到的控制有電機變頻調速、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；執行機構有電磁閥、繼電器、調頻電機等。

1）數據采集與執行設備

系統中所用數據采集與執行設備有溫度變送器，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，且有數字顯示，測量范圍0～5 m，滿足RS232/485標準；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電動調節閥，調節輸水管道的通斷狀態，通過智能節點的模擬通道輸出0～40 mA電流信號調節其開啟度；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，其傳感器安裝在現場，通過電纜與值班室內顯示（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標準；PH測量儀，在線測量水樣中的PH值，用以調控加氯與投藥量，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，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正轉、反轉、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、脈沖電平和開關量，輸出開關量和調頻電壓。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RS485端口與PC機連接，再由系統控制程序或組態軟件創建人機對話界面和通訊協議，使變頻器處于受控運行方式，本系統采用的是后一種方式[3]。

以上設備與智能節點連接，在智能節點和上位機的控制下對水廠中的全部生產流程實施監控。

2 智能節點

隨著嵌入式技術的發展，可用于數據采集與控制的CPU芯片很多。但是，要作為全分布式管控一體化網絡系統中的節點，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、網絡處理器和應用處理器；另有1 kB/2 kB RAM、10 kB ROM、0.5 kB/1 kB E2ROM和 2個16位計數器，支持ISO/OSI協議。其中MAC處理器主要用于外部介質訪問控制，實現ISO/OSI 7層協議的第1～2層功能；網絡處理器實現ISO/OSI 7層協議的第3～6層功能，處理網絡變量、地址認證、后臺診斷、軟件定時、網絡管理及路由等項工作；應用處理器位于ISO/OSI協議的最上層，執行用戶的應用程序，為用戶操作服務。3個CPU之間通過內部設置的網絡緩沖器和應用緩沖器進行數據傳送。

在外特性方面，MC143120/143150具有11個I/O口、8位雙向數據線和16位地址線，支持TTL電平，支持并/串行數據輸入輸出，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/計數器、位輸入輸出等。傳送數據可以是位，也可以是字節，還可同時進行CRC校驗。在開發設計時，內部存儲器RAM/ROM用以駐留系統程序和用戶開發的應用程序，比如操作系統、LonTalk通信協議、IO數據庫、網絡配置、地址表和一個全世界唯一的48位標識碼，即神經元ID號。也正是這ID號，是構建全分布式網絡體系的基礎。這種節點，除了連接到底層控制網上之外，還可直接連接到企業Internet/Intranet上。作為底層節點使用，其示意如圖1所示[2]。

圖1 智能節點示意圖Fig.1 Intelligent node schemes

除此之外，Echelon公司還給出了配套的智能收發器、節點開發工具NodeBuilder和通信協議LonTalk。通過可編程收發器，Neuron Chip可與多種通信介質連接，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，以適應不同的編碼方式和波特率。在ROM中包含LonTalk協議的固化程序，這使得Neuron芯片能保證在每一個裝置（節點）中以公共協議通信，解決了兼容性問題，使LonWorks裝置（節點）在同一網絡上的連接簡單快捷[4]。

LonWorks節點是同物理上與之連接的 I/O設備交互作用并在網上使用LonTalk協議通信的一類對象，有兩種類型。在第一種類型中，Neuron芯片是唯一的處理器，充當LonWorks的網絡節點。適合于 I/O設備簡單，處理任務不復雜的系統，稱之為基于 Neuron芯片的節點 （Neuron Chiphosted）；在第二種類型中，Neuro芯片只作為通信處理器，充當LonWorks的網絡接口，節點應用程序由主處理器來執行，這類節點適合于對處理能力、輸入/輸出能力要求較高的系統，稱之為基于主機的節點（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為核心用于現場底層的節點控制器，也稱為回路控制器。其中HLC－1是最基本的一種，滿足LonWorks技術對于底層節點的全部要求，不僅可以執行協議，實現數據采集與處理，完成底層控制，而且還提供通信介質接口，以公用的協議進行通信。對于外部，具有4通道 0～5 V （4～20 mA）12 位 A/D 轉換的模擬量輸入、2 通道 0～5 V（4～20 mA）12位D/A轉換的模擬量輸出，2通道數字量（觸點或電平）輸入及2通道開關量輸出，還能組合2通道PID調節器。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，實現對底層執行機構的控制，還可以完全脫離上層管理系統，自行完成底層數據采集、數據處理及設備運行的調控。而且，HLC－1采用的是模塊化結構，多個HLC－1可組合在一起，構成一個大的模塊，以連接更多的前端測控設備[3]。

在某水廠的設計方案中，底層配置了4個Lonworks智能節點，即回路控制器HLC-1。其中2個節點由組合模塊組成，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換、處理、記錄和匯總。另外2個節點的模擬/數字輸入模塊分別用于進水口和出水口數據監測。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。其結構如圖2所示[3]。

圖2 底層智能節點配置Fig.2 Bottom intelligent node configuration

每一個節點配置FTT-10A收發器，以提高通信能力。該收發器支持自由拓撲結構（包括星型、總線型和環型等），通信速率為78 kbps；其中總線型拓撲結構的最長通信距離是2 700 m，可滿足一般小型水廠的需求。當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]。

由智能節點向上，連接網絡適配器，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場智能節點進行對等雙向通信，又能快速與PC機進行數據交換，實現復雜的數據處理和高級監控功能，在PC機與現場智能節點之間起到“上傳下達”的作用。同樣，配置FTT-10A收發器，提高通信能力，支持自由拓撲結構，最多可連接128個智能節點，這里僅連接了4個。

4 智能節點編程

在整個系統中，除了LonWorks提供的系統開發程序之外，大量的應用程序須結合現場需求來編寫。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和系統開發程序之外，還提供了Neuron C編程語言，一種基于ANSI C而為神經元芯片開發設計的編程語言[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動任務，可控制任務執行的優先級，可將 I/O對象直接映射到處理器的 I/O端口，通過定義網絡變量把受控對象聯系起來，還可為用戶提供一種實現節點之間數據共享的簡單方法，支持顯式報文傳送，還可直接對LonTalk協議的底層設備進行訪問，便于設計LonWorks系統應用程序[5]。

由于LonWorks系統程序中包含NodeBuilder，因此對智能節點編程可在NodeBuilder環境下進行。步驟包括：1）定義IO對象；2）定義定時器對象；3）定義網絡變量；4）定義顯式報文；5）定義任務；6）編寫自定義函數等[4]。

其中網絡變量和顯式報文是節點之間交換信息的載體，是在LonWorks網絡上傳送的數據包。節點之間的聯系主要是通過網絡變量來實現的，因此使用網絡變量可實現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絡變量NV（Network Variables），又稱隱式消息，是節點上的一個對象。其類型可以是整型、布爾型或字符串型數據，用戶可在應用程序中自由定義。顯式報文也稱為顯式消息，其中數據長度最大228個字節，而網絡變量最多31個字節。而任務，是對事件的反應，即當某事件發生時應用程序執行何種操作。另外，還可以在Neuron C程序中由用戶編寫自定義函數，以完成一些常用功能。和標準C不同，Neuron C必須要寫出函數原形，也可以將一些常用的函數放到頭文件中，以供程序調用。

由于在進行模擬量數據采集和控制的時候，通過串行口和神經元芯片進行通信，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是數據出，IO_10是數據入。就是說，該I/O對象使用全同步串行數據格式傳送數據，數據被移入的同時也進行數據移出。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中的一個可被設計成超時引腳[6]。

當使用具有不同比特率的多路復用串行對象或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 （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串行數據輸出，IO_10串行數據輸入；

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（+|-）：指定數據觸發時鐘信號極性，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。

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

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

IO_6 input bit ioswitch； //定義開關端口為IO_6

when（io_changes（ioswitch）） //判斷開關端口狀態變化

{if（!input_value）//開關端口狀態變化，指示燈狀態改變

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

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

}

5 結 論

文中分析了LonWorks智能節點的組成原理、編程和使用，又介紹了用其構成水廠全分布式管控一體化網絡的底層控制網所用設備和組網方法。這對于任何設計自動化生產線的工程項目，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現場總線控制網絡的結構與實現[J].探測與控制學報，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[J].現代電子技術，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網絡中上位機與智能節點通信方式的研究與實現[J].微電子學與計算機，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.