基于LonWorks技術的水廠全分布管控一體化網絡研究

王艷君，陳建鐸

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

隨著城市建設的發展，城市供水也有很大進展。因此，水廠生產業已步入自動化控制與管理的行列中。而目前，我國大多數水廠采用的是基于PLC的集散式 （Distributed Control System，DCS）控制模式，使用大量的記錄儀記錄現場數據或過程參數，然后輸入到計算機中進行處理，通過計算機顯示各種數據和過程參數。筆者介紹的是針對水廠生產流程，使用LonWorks現場總線技術構成全分布式管控一體化網絡思想和方法。而且，可使用組態軟件模擬現場生產流程，動態描述各生產流程中各個節點的工作狀況，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。

1 LonWorks技術的基本功能與控制對象

LonWorks[1-2]是Echelon公司推出的一種用于過程控制的硬軟件開發工具，支持建立全分布式管控一體化的網絡系統。從大的方面來說，它包括網絡開發工具LonBuilder、節點設計工具Nodebuilder和LonManager。其中LonManager主要用于節點映象、網絡安裝、配置、維護和監測。以后，又推出了i.Lon100/500，既是高性能的網絡接口，又是節點開發工具，還可實現LonWorks網絡設備與以太網的連接，既是路由器又是符合工業標準的Web服務器，可把LonWorks網絡上的智能設備連接在一起，供Internet用戶訪問。

控制對象主要指水廠中前端一次儀表和各個執行機構。一次儀表包括用于現場監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，用于現場數據采集和監測。執行機構有直流電機、步進電機、異步電機、變頻調速控制器、電動閥、電磁閥以及各種開關等，用于設備運行的驅動與控制。

為此，基于LonWorks現場總線技術，研究構成水廠全分布式管控一體化網絡思想和方法，把水廠生產流程中的各個環節納入自動化的檢測與控制中，實現進水、過濾、加氯凈化、余氯含量/濁度檢測及供水的自動控制；自動計量進水/供水量，實時檢測各水池的液位、溫度、余氯含量、濁度、各管道中的壓力和流量；且與企業信息網聯接[3]。在企業上層信息網上可實現遠程監測與調控，自動記錄生產流程中各節點的測量數據。通過組態軟件設計系統運行的模擬畫面，在組態畫面上可一目了然地看到各臺設備的運行情況、各蓄水池的液位、溫度、濁度、含氯量、各個管道中的壓力、流量及其它需要測量的參數，實時顯示各種報表、圖表或曲線（包括實時曲線和歷史曲線）；還可根據需要生成日、周、旬、月、季、年報表。

2 系統總體結構

系統總體結構示意如圖1所示，分為3層，即遠程、上位和現場監控級。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，可與Internet/Intronet連接；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。現場監控級，即底層Lon總線網，用于現場設備的連接與控制[3]。現場設備經智能節點通過雙絞線連接到現場工業PC機上。中間層的網絡適配器可選用PCNSS PC接口卡或者ilon100。這里選用PNCSS PC接口卡，把底層現場總線網連接到上位監控管理計算機上，實現水廠現場控制網和管理信息網的一體化連接[4]。

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

3 智能節點的功能與設置

在研發過程中，根據水廠的進水、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技術的智能節點，不僅可以執行協議、實現數據采集和處理、完成控制等功能，而且提供通信介質的接口，與上層網絡按公用協議進行通信。它有4個（0～5 V或4～20 mA）12位A/D轉換模擬量輸入通道、2個（0～5 V或 4～20 mA）12位D/A轉換模擬量輸出通道、2個數字量（觸點或電平）輸入通道和2個開關量輸出通道；還可組成2通道PID調節器。在安裝完成后，HLC-1回路控制器不僅可以實時接收上位機的控制命令，實現對前端執行機構的控制，還可脫離上層管理系統，自行完成數據采集、數據處理和前端設備運行的調控工作[5]。

在該系統中，節點1用以控制沉淀池的進水泵、排水泵的運行，控制液位、流量、溫度、壓力等參數的檢測；節點2控制氯化鋁溶液罐（池）的運行，包括進水閥、添加氯化鋁、攪拌、濃度檢測和計算等；節點3控制凈化池的進水泵、氯化鋁溶液注入泵、排水泵的運行，控制濁度、余氯含量、溫度、液位等參數的檢測；節點4控制凈水庫的進水泵、供水泵（閥）的運行，控制液位、流量、溫度、壓力的檢測，實施供水回路的調度。

4 現場控制網絡的實現

現場控制網的實現除了硬件連接之外，就是軟件安裝。首先進行現場Lon網絡的物理安裝，然后進行其邏輯安裝。

1）物理安裝

物理安裝是把現場Lon網絡硬件連接起來。在現場工業PC機上安裝網絡適配器及驅動程序，這里使用的是PCLTA-10，通過雙絞線把PCLTA-10和智能節點連接起來，然后將現場執行機構、變送器連接到智能節點輸入/輸出通道上。

2）邏輯安裝

邏輯安裝是在LonMaker集成開發工具中構建現場控制網絡。其過程是根據各智能節點的功能設置不同的網絡變量，實現智能節點之間的邏輯互聯與通訊。主要工作包括創建LonMaker圖像界面、子網、LNS數據庫、設備和功能模塊，編寫/調試和裝載應用程序等，過程如下：

①啟動“LonMaker”集成工具，如圖2所示，新建或打開已經建立的LonWorks網絡工程，這里選擇“New Network”新建工程名為“lyw”的Lon網絡；

圖2 Lon網絡工程配置界面Fig.2 Lon network project configuration interface

②選擇 “Lon1”網絡接口、“Online”狀態以及添加“LonPoint Plug-ins”，開發工具將自動創建LonMaker圖像界面、子網、LNS數據庫；

測試結果顯示，根據陀螺奇偶輸出的相關性進行零偏抵消之后，其零偏及穩定性得到改善.相比于同等條件下的傳統陀螺，本實驗中光程倍增光纖陀螺本身已經有較好的精度，并根據其奇偶輸出表現出的負相關性，進一步進行零偏抵消，能夠進一步把零偏穩定性控制在0.005°/h內.

③啟動Visio圖形界面，在左邊 “NodeBuilder Basic Shapes 3.10”中拖動一個“Development Target Device”圖標到右邊窗口，此時在工程子網中完成一個目標設備的添加，命名為“節點1”，提交該設備，然后啟動NodeBuilder編程模板，進行Neuron C編程；

④在 NodeBuilder環境下，啟動“NodeBuilderCodeWizard”，并在“Resource pane”中的“C:LonWorksType”下拉列表中選擇 相應 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網絡變量類型，然后單擊 “Generate and Close”，進入NodeBuilder環境，這時自動生成工程及設備接口，包括定義設備屬性、功能塊、網絡變量等；

⑤在 工 程 “Project‘lyw’”下 “Device Template”的 “Source Files”中編寫節點應用程序，然后在“Hardware Template”的“User Template”中配置節點硬件參數，最后編譯、調試應用程序。在沒有錯誤的情況下，應用程序將以在線方式動態裝載到智能節點上，智能節點就可以自行工作；

⑥為了實現遠距離數據傳送，在現場和上層之間可用收發器FTT-10A，以提高通信距離；該收發器支持多種拓撲結構（包括星型、總線型和環形等），通信速率為78 kbps；采用總線型網絡最長通信距離為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 現場變送器與執行器

基于水廠生產過程控制，采集數據主要有水的液位、PH值、溫度、壓力、流量、余氯含量和泥土界面等；所要進行的控制包括電機變頻調速、加氯與投藥泵的控制與計量、電磁閥門開啟度等。系統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電流信號或者0～5 V的電壓信號。現場的執行機構，主要是電磁閥、繼電器、調頻電機等。管理人員可從監控機上發布指令，控制現場執行機構運行。

6 控制與管理

1）基于B/S模式的遠程監測與控制

在本設計方案中，實現了Web發布，是利用世紀星組態監控軟件以B/S模式在Internet上發布圖形和數據，即數據遠程瀏覽。 采用先進的數據傳輸系統，確保數據傳輸精確、實時。用戶在 Internet上，通過 IE瀏覽器，輸入服務器的 IP地址，即可查看現場的畫面和數據。但是，未授權用戶無法對現場工況進行調控，比如修改變量值、調整設備運行狀態等。Web發布主界面運行如圖3所示。

2）基于C/S模式的遠程數據傳送與控制

圖3 通過Web發布的主界面運行圖Fig.3 Through the Web publishing operation map of the interface

利用世紀星組態監控軟件以C/S模式進行網絡通信。通過應用程序向客戶機提出數據要求，客戶機則通過網絡將用戶的數據要求提交給服務器，服務器的數據庫管理系統執行數據處理任務，然后把經過處理的數據傳輸到客戶機上，最后由客戶機完成對所需數據的加工，實現遠程實時控制功能。例如變頻電機運行狀態遠程監控組態界面如圖4所示。

圖4 變頻電機運行狀態遠程監控界面Fig.4 Remote monitoring interface of running state to frequency conversion motor

3）管理功能

在設計成功后，可實現以下管理功能：

①提供友好的人機界面和嚴格的操作員資格認證，確保系統安全；

②通過窗口界面進行整個系統的監視與控制（包括運行圖表、曲線）；

③實時記錄采集或測量到的現場數據，記錄各臺設備的運行狀況，顯示整個管網系統的工況圖表；

④自動融入生產管理系統，自動記錄產量和成本核算，提供日報、月報、季報、年報等多種形式的報表；

⑤具有自動報警系統，根據現場參數適時發出各種報警信號；

⑥支持與企業信息網的連接，實現資源共享。

7 結 論

文中介紹的是基于LonWorks現場總線技術，針對水廠構建全分布式管控一體化網絡的思想和方法。較基于PLC的集散式（DCS，Distributed Control System）控制模式，更能實現全分布式控制與管控一體化，支持現場控制網與企業Internet/Intronet連接，實現資源共享和遠程監控。它的每一個節點可分配ID地址，在授權的情況下上層用戶可直接巡查現場的每一臺設備或執行機構的運行情況；控制程序可給出每一臺設備或執行機構的運行圖及相關數據。其設計思想和方法，可供同類企業參考。

[1]Echelon.LonMaker for Windows Release 3.1 User’s Guide[S].USA:Echelon Corporation，2002.

[2]Echelon.i.Lon100 Internet Server Programmer’s Reerence[S].USA:Echelon Corporation，2002.

[3]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.

[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.