基于LonWorks技術的全分布管控一體化網絡上層監控系統的設計與實現

張樂芳，陳建鐸

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

目前，國內大多數水廠采用的是基于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，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和生產流程，但是不夠直觀和便捷。文中介紹的是基于LonWorks現場總線技術的全分布管控一體化網絡的上層監控系統的設計與實現，使用組態軟件模擬現場生產流程，動態描述各流程中各個節點的工作狀況，而且自動實現數據匯總、分析、統計和生成報表，還可在動態畫面上對各執行機構進行調控。其設計思想和方法可供同類企業參考。

1 系統總體結構

1）LonWorks主要組成與功能

早期的LonWorks主要有基于網絡的開發工具LonBuilder、節點設計工具Nodebuilder和LonManager。其中LonBuilder包括LonManager DDE服務器和單通道LonTalk適配器；NodeBuilder包括PCNSS PC接口卡及多種節點開發模塊，與LonBuilder配合使用，可用于LonWorks前端節點的開發、連接和使用；LonManager包括LonManager DDE、LonManager Profile、LonMaker和 LonManager協議分析儀，用于節點映象、網絡安裝、配置、維護和監測[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，既是高性能的網絡接口，又是節點開發工具，可簡單方便地實現LonWorks網絡設備與以太網的連接。而且其中的i.Lon100/500中的Internet服務器還提供進程管理、數據記錄、信號檢測與報警以及信號發送等功能，既是路由器又是符合工業標準的Web服務器，可以分布式的技術把LonWorks網絡上的智能節點連接在一起，供Internet上的用戶訪問。為用戶提供一個經濟可靠的網絡連接與節點開發平臺，支持管控一體化網絡的開發與實現[2]。

2）總體結構

在對LonWorks技術分析研究的基礎上，針對自來水廠的生產流程進行研究，提出了一個基于LonWorks技術的全分布管控一體化的網絡方案[2]，總體結構如圖1所示。整個系統采用混合網絡拓撲結構，分為3個層次，即Internet遠程監控級、上位監控級和現場控制級。現場設備由智能節點通過雙絞線連接到LonWorks現場總線網絡上[3]。網絡適配器選用的是PCNSS PC接口卡，也可使用ilon100，現場總線網絡通過PNCSS PC接口卡連接到上位監控管理計算機上，上位機再通過網絡接口連接到遠程Internet/Intranet上，實現水廠現場控制網和管理信息網的一體化。在遠程計算機上安裝有IIS6.0、Web應用程序及 Access數據庫等系統軟件。其中IIS6.0用于內部網絡與外部互聯網的連接，Web應用程序提供Web頁面瀏覽器，Access數據庫支持各類采集數據的存儲與管理，為在遠程監控機上實施監控與管理提供支持。在上位監控管理計算機上安裝有LonWorks開發工具、NodeBuilder開發工具、LNS DDE Server和CenturyStar組態軟件，用于實現整個網絡系統的開發[4]。

圖1 全分布式管控一體化網絡層次結構Fig.1 Hierarchical structure of the whole distribution integrative management and control network

上位監控機和遠程計算機構成整個網絡系統的上層監控系統。使用戶可在上層監控機或瀏覽器上監控整個現場的生產過程，實現現場數據匯集與處理、信息存儲、報警、遠程調控等功能。處于中間層的網絡適配器選用PCNSS PC接口卡，負責路由及數據的上傳下達，把底層控制網絡的數據上傳到上位機，或者把上位機的控制命令下發到控制節點。現場Lon網絡連接前端智能節點和各種變送器、執行機構，實現現場數據的采集和任務的執行。

遠程計算機通過Internet實現現場組態畫面的Web頁發布，使授權用戶可通過瀏覽器在線巡查，包括現場設備的運行情況、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；通過狀態圖/實時數據曲線，還可把所測量到的數據形象地展示出來。上層監控系統功能如圖2所示，有用戶管理、監控畫面、數據曲線、報表、報警及遠程監控等模塊；監控畫面顯示各水池的液位、濁度、余氯含量、PH值等參數。

圖2 上層監控系統功能Fig.2 Function of the upper leveis control system

在上層監控系統中，可進行控制功能組態和實時畫面巡查，可實現實時數據曲線、歷史數據曲線和數據報表的生成、打印以及多媒體語音報警等功能。在客戶端瀏覽器的網頁上可直觀顯示各個控制對象的運行狀態圖、實時曲線圖；可實現客戶端與服務器端的雙向數據傳送；客戶端可實時監視與控制服務器端連接的現場執行裝置，對現場設備進行調控。下面著重介紹上層監控系統的設計與實現。

2 上層監控系統的設計與實現

在上層監控系統中，選用CenturyStar世紀星組態軟件設計成一個系統模擬監控平臺，主要功能如圖2所示，可對各模塊中的過程參數進行采集、記錄、打印，可生成報表，實現報警，還可對前段測控設備進行調控 （主要是調整運行參數），對事故進行分析。

1）組態監控平臺功能要求

水廠生產系統是一個具有時變性、耦合性和隨機性的多變量（如流量、液位、溫度、壓力等）、多任務（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/停控制、調壓控制、數據管理等）、多設備（如電機、閥門、泵等）的復雜非線性系統。根據基本生產流程及實際需求，上層模擬組態監控平臺如圖3所示，可實現人機交互和人機對話等功能。

2）組態監控平臺與LonWorks網絡通信

使用CenturyStar世紀星組態軟件開發設計系統監控平臺，首先要解決組態監控平臺與LonWorks控制網絡的通信[5]。這里借助于LonWorks提供的應用軟件LNS DDE Server作為服務器端，組態軟件CenturyStar作為客戶端，通過組態變量與網絡變量進行信息交互，如圖4所示，可實現上層組態監控平臺與底層控制網絡的實時通信。步驟如下：

①DDE設備安裝。在組態軟件CenturyStar的“驅動設備管理”中單擊“新建”選項，或在瀏覽器中雙擊“設備安裝向導”，屏幕彈出“設備安裝向導”對話框，選中“DDE”，單擊“下一步”，屏幕彈出“DDE設備修改”對話框。在其中的設備對象名欄輸入要安裝DDE動態數據交換的設備的名，比如 “節點”；在服務程序名欄輸入與組態軟件交換數據的程序名LNSDDE；在話題名欄輸入本程序和服務程序進行DDE連接的話題名，比如 “shui.Subsystem 1.LMNV”；在數據交換協議欄指明DDE會話方式，這里選擇標準 Windows交換協議。然后，單擊“下一步”按鈕，屏幕彈出“設備安裝向導”對話框，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I/O變量。完成DDE設備安裝后，進入世紀星的“變量數據庫”，如圖5所示，可定義I/O變量，包括所有采集數據所對應的變量。比如“溫度”的變量名定義為ddel，該變量和底層控制網絡設置的網絡變量 （項目名）nvoValue5（溫度）進行數據實時交互。另外，還要設置采集頻率、初值、最大值和最小值等參數。

③啟動組態監控平臺與LonWorks網絡通信。在DDE設備安裝和定義組態I/O變量后，啟動LNS DDE Server，其界面如圖6所示，設置DDE通信主題。再啟動LNS Server，選擇正在運行的LonWorks網絡，LNS DDE Server將自動連接到LonWorks網絡上。

圖3 用組態軟件構成的模擬監控平臺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，運行組態監控平臺，通過 LNS DDE Server，變量“溫度”的值將隨著網絡變量的值同步改變。這樣，可根據變量（溫度）值設置報警點，驅動前端執行器工作[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溝通了上層組態監控平臺與底層LonWorks控制網絡的實時通信，實現了“數據采集—上傳—組態監控—下傳—前端執行”的管理與控制的集成。在系統設計過程中，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，組態監控的具體實現與上述“溫度”的監控過程相同。

在系統正常運行后，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控系統自動更新，不需要專門定義曲線變量。運行時，曲線自動從右向左卷動，展示待測變量的數據變化趨勢。歷史曲線用于歷史數據的查看，以了解過去某時的數據。系統運行時，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的函數，可對歷史曲線實施控制。通過按鈕，可實現翻頁、設定時間參數、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 論

把組態軟件與LonWorks網絡結合起來，構成上層監控系統，可實時顯示現場各個設備的運行情況、各待測變量的實時數據和變化曲線，從而改變現有一些水廠靠記錄儀記錄數據的作法。而且，還可通過對組態畫面上的節點的控制，實現對現場設備的在線調控。

[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]呂增江，陳建鐸.基于LonWorks總線的智能節點的開發與設計[J].現代電子技術，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[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.

[5]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.

[6]李言武，陳建鐸.世紀星組態軟件在工業過程控制中的應用[J].現代電子技術，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.