采油廠《基于lonWorks一體化網絡》管控功能的實現

陳建鐸，張樂芳

（西安歐亞學院 信 息工程學院， 陜西 西 安 7 10065）

在“基于LonWorks《采油廠管控一體化網絡》研究”一文中介紹了采油廠“基于LonWorks一體化網絡”的構架與技術路線。整個系統涉及十幾至幾十口油井的采油、傳輸與管理。以某采油站為例，有原油傳輸管道12條，需溫度采集變送器26個、流量采集變送器13個、壓力采集變送器25個、液位采集變送器2個、含水分析儀1臺、電磁閥16個、油泵（由調頻電機控制）15臺，分別由27個智能節點實施前端控制，實現數據采集與管理。整個系統采用全分布式結構，分為三級。上位機運行監控程序，監控整個采油站的生產流程，實現數據處理、信息存儲、報警、遠程控制等功能；中間層通過網絡適配器實現數據的上傳下達，把底層控制網絡的數據上傳到上位機，同時把上位機的控制命令下發到現場控制網絡；底層現場控制網絡連接前端各智能節點，再通過智能節點連接各傳感器/變送器、執行機構，實現現場數據的采集與控制[1]。本文主要介紹網絡構建和實施上層監控功能所采取的一些技術。

1 網絡安裝

構建一個管控一體化的網絡體系，涉及各種設備的物理安裝和邏輯安裝。

1.1 物理安裝

物理安裝是把各硬件設備連接起來。即在PC機上插入網絡適配器，這里選用PCLTA-10，并裝上驅動程序，然后用電線把網絡適配器與各智能節點連接起來，再把各個傳感器/變送器和執行機構與智能節點連接。連接電線可使用雙絞線、同軸電纜，也可使用光纖、無線、紅外線等方式，也可混合使用。另外，也可使用i.Lon100/500作為中間層網絡控制器。其內集成有多種LonWorks工具軟件，既可作為網絡接口，又可作為節點開發工具，上與PC機連接，下與各智能節點連接，可方便地實現LonWorks控制網與企業Internet/Intranet連接。

智能節點采用HLC-1回路控制器，是一種基于LonWorks的智能節點，其中固化有LonWorks操作系統、LonTalk通信協議、I/O功能數據庫及相應的程序。LonTalk協議遵從國際標準化組織定義的開放系統互連模型，提供OSI參考模型所定義的7層服務。LonTalk尋址系統由三級構成，即域（domain）、子網（subnet）和節點（node），與整個網絡系統的三級結構一致。每個回路控制器，在制造時就賦予一個永久的48位標識碼，即ID，是構建全分布式網絡的基礎；對外，有4通道模擬量輸入，2通道模擬量輸出，2通道數字量 （觸點或電平）輸入及2通道開關量輸出，能組合成2通道PID調節器，可用于數據采集，也可輸出控制信號，包括模擬信號和開關信號。智能節點可在LonWorks提供的NodeBuilder環境下用Neuron C編程，定義網絡變量，設置工作方式和任務。智能節點與I/O對象采用全雙工同步串行方式通信。模擬通道設有D/A和A/D轉換器[1]。

1.2 邏輯安裝

邏輯安裝[2]是通過系統設置的網絡變量進行連接。在該管控一體化的網絡中，信息的傳送是通過各智能節點內定義的網絡變量來實現。它是信息傳送的媒體，也是LonWorks網絡上傳送的數據包。在程序設計中，可根據不同的功能設置不同的網絡變量，例如：

network input SNVT_count kzml=1；定義一個控制命令輸入網絡變量，類型為SNVT_count，接收上位機下發的控制命令，控制前端執行機構的運動，初值為1。

network input unsigned int wendu；定義一個輸入網絡變量，無符號整型類，用以接收前端溫度傳感器采集的溫度值。

network input unsigned int yali；定義一個輸入網絡變量，無符號整型類，用以接收前端壓力傳感器采集的壓力值。

network output unsigned long int wd；定義一個輸出網絡變量，無符號長整型類，用以向上輸出溫度值。

network output unsigned long int yl；定義一個輸出網絡變量，無符號長整型類，用以向上輸出壓力值。

整個網絡安裝由LonMaker進行，對物理上連接起來的節點分配邏輯地址：域、子網、組，定義子網和通道，并進行綁定，最終構建成LonWorks控制網。

1.3 程序設計

網絡安裝完成后，要進行軟件設計，包括系統監控程序設計和智能節點的運行與控制程序。監控程序可在PC機上的Windows環境下進行，用Visual C++設計。智能節點可在LonWorks提供的NodeBuilder環境下用Neuron C編程。其中智能節點數字量輸入程序如下[2-4]：

2 上層監控功能的實現

2.1 使用世紀星組態軟件構筑現場工況圖

上位機使用工業PC機，運行WindowsXP/2003，與企業Intranet/Internet共享資源。同時，建立數據庫，設計系統管理軟件，構成上層信息管理系統，即信息網。數據庫采用SQLserver；信息管理系統建立在WindowsXP/2003上，采用Visual C++及LonWorks提供的開發工具編程。為了形象直觀，使用“世紀星組態軟件”構筑現場工況圖。

世紀星組態軟件CenturyStar7.0是在PC機上運行的智能型人機接口軟件，由開發系統CSMAKER和運行系統CSVIEWER組成，均系獨立的Windows 32位應用程序，可運行于中文Windows 98/NT/2000平臺，全中文界面。其中CSMAKER是多種應用程序的集成開發環境，具有完善的圖形生成功能，可用于工況畫面設計、數據庫定義、動畫連接、設備安裝、命令編程等操作。數據庫中有多種數據類型，能合理抽象控制對象的特性，使得數據報警、趨勢曲線生成、歷史數據記錄、安全防范等功能簡便易行。驅動程序采用COM組件技術，并利用OLE技術把世紀星組態軟件與驅動程序整合在一起，配置設備安裝向導，使用戶能方便地連接各種硬件設備。對外支持多串口、Modem撥號、無線通信、電力載波等多種通信方式；支持多種現場總線，比如ProfiBus、LonWorks、CanBus等； 支持 DDE、OPC、ODBC、Web、TCP／IP 局域網等接口規范；內置定時報表打印、畫面打印、曲線打印、報警記錄打印等功能；且提供雙機熱備份和多級安全保障。Web發布后，可在廣域網（Internet）上發布圖形和數據，用戶通過 IE瀏覽器可查看現場畫面和數據。其中設備運行工況圖如圖1所示。其上可設置標簽按鈕，一方面顯示設備運行的過程參數；另一方面，可用來分割局部工況圖，放大顯示，或者調用相應的監控程序，顯示相關數據表，或對其進行調節控制[3]。

圖1 現場設備運行工況圖Fig.1 Working diagram of field equipment operating

2.2 上層監控程序與底層智能節點通信

世紀星組態軟件提供動態數據交換DDE通信接口，只要配置好相應的主題和項目，即可建立上層監控系統與LonWorks網絡間的聯系，即可在上位機上實時顯示現場數據，向下發布控制命令。其中所有通信，均通過網絡變量進行，其示意如圖2所示。

圖2 上位機與底層智能節點通信Fig.2 Host computer communicate with the underlying intelligent nodes

LonWorks中的LNS DDE Server，主要是在前端設備與組態監控系統之間交換網絡變量，進行結構配置和報文傳送。它支持組態軟件作為DDE客戶端，監視和控制LonWorks網絡，并使多個客戶程序可同時訪問LonWorks網絡。

為了使DDE請求準確地傳遞到特定的DDE服務器，DDE客戶必須使用DDE編址發送消息。其編址包括應用（Aplication）、主題（Topic）和項目（Item）三個部分。 其中應用（Aplication）是DDE消息直接連接服務器的名字；主題（Topic）用于說明客戶接收和發送消息的類型；項目（Item）用來標志客戶發送和接收的特定信息。

在完成上述設置以后，即可把組態監控軟件的變量與LonWorks現場節點連接在一起。啟動LNS DDE Server，上層監控程序就能實時顯示現場設備工況參數，實現對遠程設備的控制。網絡驅動器提供硬件通信連接通路[4]。

2.3 系統功能

監控系統窗口主要包括系統登錄界面、現場工況總貌圖、局部分割圖、實時報警窗口、歷史報警窗口、實時曲線窗口、歷史曲線窗口、數據報表窗口等。各窗口上設有菜單按鈕，可調用相應的程序，進行相關處理或控制。

總貌圖反映采油廠工作流程，可直觀、動態地顯示各工位/各設備的運行狀況和參數變化，如圖1所示。利用數據鏈接，可把畫面上的對象與相應的數據變量聯系起來，采用一定的命令可讓畫面活動起來。

局部分割圖是把總貌圖按工位或設備分割開來，以便放大顯示，以便查看各工位或各個設備的運行狀況。

趨勢曲線圖包括實時動態曲線和歷史趨勢曲線。實時動態曲線反映設備當前的工況參數變化趨勢，如溫度、壓力、流量等；而存儲在數據庫中的歷史數據反映一段時間內的工作狀況，并能預測以后的變化趨勢，以利于管理人員作出正確的分析或決策，或給予及時監控與管理。還可調用系統打印函數，實現報表打印。

報警窗口用以警示網絡變量的異常變化，提示操作者采取必要的措施。報警窗口有兩種類型，即實時報警窗口和歷史報警窗口。實時報警窗口只顯示當前處于報警狀態的報警事件，歷史報警窗口顯示與報警有關的所有其它的報警事件，包括報警發生、報警應答、報警恢復等。其中儲油罐液位實時曲線圖如圖3所示[5]。

圖3 儲油罐液位實時曲線圖Fig.3 Tank level real-time graph

報表分為實時報表和歷史報表，實時報表記錄系統所有運行參數的當前值，歷史報表保存系統運行以來各參數的所有值。對于所有曲線和報表數據，均可隨時調用系統打印函數進行打印。

節點安裝和上層管理軟件設計完成后，可在網上發布，包括世紀星組態軟件程序，同時啟動世紀星組態軟件與LNS DDE Server，用戶就可以在任何一臺連接互聯網的機器，無需安裝任何客戶端，直接通過瀏覽器與現場建立起聯系，實現管控一體化的操作。

3 結束語

文中介紹了采油廠構建基于LonWorks[6]管控一體化網絡中的網絡連接技術及在設計上層監控程序中采用的一些措施；突出說明了組態軟件的使用和與LonWorks網絡的連接；供相關設計人員參考。

[1]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].Xi’an:Journal of Detection&Control，2006（1）：59-63.

[2]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.

[3]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.

[4]王艷君，陳建鐸.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[J].電子工程設計，2012（16）：77-80.

WANG Yan-jun，CHEN Jian-duo Configuration and implementation of Front-end intelligent node to Waterworks’whole distribution integrative managementand control network on LonWorks[J].Electronic Design Engineering，2012（16）:77-80.

[5]張樂芳，陳建鐸.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[J].電子工程設計，2012（12）：156-159.

ZHANG Le-fang，CHEN Jian-duo.Design and Implementation ofupperlevels controlsystem to whole distribution integrative management and control network on LonWorks[J].Electronic Design Engineering，2012（12）:156-159.

[6]劉莉莉，段中興.基于LonWorks技術的校園電力能耗監控系統的研究與實現[J].現代電子技術，2012（5）:153-155，166.

LIU Li-li，DUAN Zhong-xing.Research and implementation of campus electricity consumption monitoring system based on LonWorks technology[J].Modern Electronics Technique，2012（5）:153-155，166.