基于LonWorks的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

樓俊君，程啟明

（上海電力學(xué)院 電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)因其開放性、分散性和低成本已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。LonWorks作為一種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放的網(wǎng)絡(luò)操作體系、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、支持多種介質(zhì)之間相互通信等優(yōu)點(diǎn)。本文主要介紹一個(gè)基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用，系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)、路由器、智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)等組成，具有平臺(tái)界面友好、通信實(shí)時(shí)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線；節(jié)點(diǎn)；控制

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器嵌入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，從而使單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，共同完成特定的自控任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和柔性，可方便地進(jìn)行重組和擴(kuò)建[1～4]。

現(xiàn)場(chǎng)總線溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，它將一對(duì)一的模擬信號(hào)傳輸方式變?yōu)橐粚?duì)多的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，大大節(jié)約了模擬信號(hào)傳輸過程中的大量A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置和布線安裝成本，提高了信號(hào)的傳輸精度和抗干擾能力，它的出現(xiàn)開辟了控制系統(tǒng)的變革。

LonWorks作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連OSI全部7層協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放的網(wǎng)絡(luò)操作體系、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、豐富的介質(zhì)接口模板、支持多種介質(zhì)之間的相互通信等特點(diǎn)， 在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都得到廣泛的應(yīng)用。

目前LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)主要應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化方面，包括建筑物監(jiān)控系統(tǒng)的所有領(lǐng)域，如電梯和能源管理、消防/救生/安全、照明、供暖通風(fēng)、保安等，但在工業(yè)控制方面應(yīng)用很少。由于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)有布線簡(jiǎn)單、通訊實(shí)時(shí)、控制分散的優(yōu)點(diǎn)，所以很多廠商開始致力于LonWorks技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的開發(fā)。本文介紹一個(gè)基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，包括該平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思想、各部分實(shí)現(xiàn)及其在三級(jí)串聯(lián)水箱液位控制中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，用于監(jiān)控的上位計(jì)算機(jī)通常是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，而分布在現(xiàn)場(chǎng)的控制裝置一般是單回路控制器或智能儀表。在基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)中，控制裝置已改由集控制、通信和I/O為一體的Neuron多處理器芯片和LonTalk通信協(xié)議組成的智能節(jié)點(diǎn)控制器承擔(dān)[5,6]。這樣，各智能節(jié)點(diǎn)不僅能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制任務(wù)，而且能依賴其嵌入的LonTalk通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與其他智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，通過分布在現(xiàn)場(chǎng)的路由器，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)的連接，以便上位計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，實(shí)現(xiàn)真正意義上的集中監(jiān)控、優(yōu)化與控制。

本網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一個(gè)綜合的監(jiān)視控制網(wǎng)絡(luò)，采用現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)與上層監(jiān)控級(jí)的兩層全分布式體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)主要由智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)、路由器和插有PCNSS網(wǎng)卡的上位計(jì)算機(jī)組成，各部分作用如下所述。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)以Neuron 芯片為核心，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部具有實(shí)現(xiàn)其特定的功能用Neuron C語言編寫的軟件程序,各智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、狀態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，并利用LonWorks技術(shù)提供的通信服務(wù)，與其他節(jié)點(diǎn)和路由器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。

路由器是監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，可連接不同通訊介質(zhì)和波特率的網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)通過PCNSS網(wǎng)卡與路由器相連，由于大部分控制功能已由在現(xiàn)場(chǎng)的智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)完成，所以上位計(jì)算機(jī)主要基于各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息處理和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2 智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)開發(fā)

智能網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)主要由8通道模擬量輸入/輸出模塊、4通道開關(guān)量輸入/輸出模塊和FTT-10A通信模塊組成，每通道模擬量輸入范圍為1～5V，模擬量輸出范圍為4～20mA，并帶光電隔離。節(jié)點(diǎn)最大尋址I/O模塊數(shù)為255，用戶可根據(jù)需要靈活配置。該節(jié)點(diǎn)上電后可自動(dòng)識(shí)別I/O模塊，具有即插即用功能。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。外部信號(hào)經(jīng)AI調(diào)理通道、DI調(diào)理通道引至神經(jīng)元芯片MC143150的I/O引腳，當(dāng)用戶通過上位機(jī)對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)下裝時(shí)，神經(jīng)元芯片會(huì)自動(dòng)執(zhí)行寫入EPROM的應(yīng)用程序，將輸入通道的數(shù)據(jù)讀入，經(jīng)計(jì)算后把控制量由AO、DO調(diào)理通道輸出，并通過FTT-10A通訊模塊與其他節(jié)點(diǎn)通信。

神經(jīng)元芯片MC143150是節(jié)點(diǎn)的控制和核心，它內(nèi)部有介質(zhì)訪問控制處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器，有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。3150的通訊端口CP0、CP1與FTT-10A通訊模塊相連，配合工作在單端模式，完成網(wǎng)絡(luò)通訊功能。NVRAM與EPROM共同構(gòu)成本節(jié)點(diǎn)的片外存儲(chǔ)器。Service pin單元用于節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)。為使節(jié)點(diǎn)硬件產(chǎn)品具有“柔性”，用可編程組合邏輯器件GAL16V8譯碼選通存儲(chǔ)器芯片和輸入/輸出通道地址。

3 網(wǎng)絡(luò)通訊方式

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線通信有兩種方式，一種是通過網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行通信，另一種是通過顯示報(bào)文來進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)變量是一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)對(duì)象，從通信的角度分為輸入和輸出兩種類型，一個(gè)輸入的網(wǎng)絡(luò)變量可以和其他節(jié)點(diǎn)的多個(gè)輸出網(wǎng)絡(luò)變量相連，一個(gè)輸出的網(wǎng)絡(luò)變量也可以和其他節(jié)點(diǎn)的多個(gè)輸入的網(wǎng)絡(luò)變量相連。無論何時(shí)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)變量更新，則所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)變量也相應(yīng)地更新[7]。網(wǎng)絡(luò)變量屬于高層通訊方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其通訊數(shù)據(jù)域大小固定（31byte）。一般將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)如被測(cè)點(diǎn)溫度、壓力、流量等定義為網(wǎng)絡(luò)變量，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)和安裝過程。

顯示報(bào)文屬于一種低層通訊方式，其實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，功能卻很靈活。顯示報(bào)文通信數(shù)據(jù)域大小可變，只要在228byte范圍即可。對(duì)于用戶組態(tài)程序下裝這一通訊任務(wù)，考慮到組態(tài)程序只要使用了3個(gè)以上的功能塊，下裝通信數(shù)據(jù)域的大小就會(huì)超過網(wǎng)絡(luò)變量31byte的限制，且不同用戶的組態(tài)程序大小不一，下裝次數(shù)不定，因此組態(tài)程序下裝通信必須使用顯式報(bào)文方式。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件示意圖

在此，采用主從應(yīng)答通信服務(wù)模式和分幀技術(shù)，分幀是指將來自應(yīng)用層的控制組態(tài)程序消息轉(zhuǎn)化為小包或幀，通信規(guī)程的制定遵循CAI方式，其中C(Code)表命令碼，A(Address)表地址碼，I（Information）表信息碼。具體幀格式的定義如圖3所示，其中Code為報(bào)文碼，“0”表示上位下裝包，“1”表是下位響應(yīng)包；NodeAddr為下裝節(jié)點(diǎn)地址，對(duì)應(yīng)著下裝的節(jié)點(diǎn)地址；Cmd為命令碼，“1”表示組態(tài)參數(shù)包，“2”表示運(yùn)行命令包；PacketNo為包號(hào)，在響應(yīng)包中“255”表示未正確接收發(fā)送包；Data為控制組態(tài)程序信息碼；Check為校驗(yàn)碼，為前面除Code外所有字節(jié)的異或。

圖3 幀格式定義示意圖

用戶組態(tài)程序下裝至下位節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器后，下位節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行由開發(fā)人員用Neuron C編制的程序，從而使下位節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)控制功能。

Neuron C程序設(shè)計(jì)思路為：首先判斷報(bào)文消息是否發(fā)送本節(jié)點(diǎn)，若是再通過消息包相應(yīng)標(biāo)志位判斷消息包為組態(tài)參數(shù)包還是命令運(yùn)行包，根據(jù)參數(shù)包類型執(zhí)行不同的操作。

4 上位組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)

本網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)的軟件模塊由兩部分組成：一部分為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與處理程序模塊，另一部分為上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件模塊。前一部分由節(jié)點(diǎn)開發(fā)軟件NodeBuilder、節(jié)點(diǎn)映象軟件LonManager Profile和網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)軟件LonMaker實(shí)現(xiàn)；后一部分由我們自行開發(fā)的上位組態(tài)監(jiān)控軟件VCSC(Visual Control and Superviser Configuration)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信軟件LonManager DDE Server[8]實(shí)現(xiàn)。

上位組態(tài)監(jiān)控軟件VCSC的設(shè)計(jì)思想為：在VB環(huán)境下利用ActiveX控件制作各可視功能塊，每個(gè)功能塊看作帶有輸入/輸出接口和組態(tài)參數(shù)設(shè)置接口的封裝體，當(dāng)用戶將自己編制的組態(tài)程序下裝時(shí)，即將程序里功能塊的參數(shù)按一定的格式存放后分幀打包，通過LonManager DDE Server與下位節(jié)點(diǎn)通訊，將程序?qū)懭胂挛还?jié)點(diǎn)的程序存儲(chǔ)器中。

5 網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)在水箱液位控制中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室三級(jí)串聯(lián)水箱液位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖見圖4，它由三個(gè)串聯(lián)的水箱裝置本身、兩路進(jìn)水管道及其上的手動(dòng)閥V1～V6、兩臺(tái)電/氣轉(zhuǎn)換器、氣閉式氣動(dòng)閥Vc1和Vc2、以及三臺(tái)液位變送器組成。其中，電氣轉(zhuǎn)換器的輸入控制信號(hào)4～20mA對(duì)應(yīng)輸出蒸汽壓力20～100Kpa(蒸汽源0.12Mpa)，相應(yīng)氣閉式氣動(dòng)閥的開度為100%～0%，液位變送器的輸入液位信號(hào)0～10 cm對(duì)應(yīng)輸出電壓信號(hào)1～5V?？刂颇繕?biāo)：初始狀態(tài)三個(gè)水箱水位全空時(shí)，閥Vc1打開，1＃水箱進(jìn)水；一旦1＃水箱液位上升至目標(biāo)高度，閥Vc1關(guān)閉，1＃水箱停止進(jìn)水；當(dāng)1＃水箱排水至全空時(shí)，閥Vc2打開，2＃水箱進(jìn)水；一旦2＃水箱液位上升至目標(biāo)高度，閥Vc2關(guān)閉，2＃水箱停止進(jìn)水；當(dāng)三個(gè)水箱水位都排空時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；液位的目標(biāo)高度為水壓允許條件下的最大高度。

圖4 液位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

1）實(shí)驗(yàn)方法：三個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)分別控制三個(gè)水箱對(duì)象，節(jié)點(diǎn)從A/D通道分別采集對(duì)應(yīng)某一個(gè)水箱液位高度的液位變送器電壓信號(hào)，它們所需要的其他水箱的液位高度信號(hào)則通過LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)變量這一網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的形式從其它節(jié)點(diǎn)上獲取，然后節(jié)點(diǎn)1、2分別根據(jù)自身的專家規(guī)則推理判斷后，從各自D/A通道分別輸出控制信號(hào)u1和u2控制對(duì)應(yīng)1＃和2＃水箱進(jìn)水管道的氣動(dòng)閥門開度。

2）組態(tài)方法：操作員通過主機(jī)的上位組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)下裝。節(jié)點(diǎn)1組態(tài)如圖5所示,節(jié)點(diǎn)2組態(tài)如圖6所示，節(jié)點(diǎn)3組態(tài)如圖7所示。使用SCB比例偏置功能塊確定控制目標(biāo)水箱液位高度，用PT兩位控制功能塊及OR或功能塊實(shí)現(xiàn)控制策略，用輸出功能塊進(jìn)行控制量輸出。

3）實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果：設(shè)定水箱液位目標(biāo)高度為6cm，運(yùn)行結(jié)果為1＃、2＃水箱分別經(jīng)過9s和25s左右到達(dá)目標(biāo)高度，較好完成控制任務(wù)。

圖5 節(jié)點(diǎn)1組態(tài)圖

圖6 節(jié)點(diǎn)2組態(tài)圖

圖7 節(jié)點(diǎn)3組態(tài)圖

6 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，它由上位機(jī)、路由器和智能神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)組成，并介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其在三水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該控制平臺(tái)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明有組態(tài)界面友好、運(yùn)行實(shí)時(shí)可靠、節(jié)點(diǎn)開發(fā)簡(jiǎn)單、安裝方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。

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