基于LonWorks技术的全分布管控一体化网络上层监控系统的设计与实现

张乐芳，陈建铎

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

目前，国内大多数水厂采用的是基于PLC的集散式（DCS，Distributed Control System）控制模式。使用大量记录仪记录过程参数，然后输入到计算机中进行处理。虽然通过计算机能以多种方式显示过程参数和生产流程，但是不够直观和便捷。文中介绍的是基于LonWorks现场总线技术的全分布管控一体化网络的上层监控系统的设计与实现，使用组态软件模拟现场生产流程，动态描述各流程中各个节点的工作状况，而且自动实现数据汇总、分析、统计和生成报表，还可在动态画面上对各执行机构进行调控。其设计思想和方法可供同类企业参考。

1 系统总体结构

1）LonWorks主要组成与功能

早期的LonWorks主要有基于网络的开发工具LonBuilder、节点设计工具Nodebuilder和LonManager。其中LonBuilder包括LonManager DDE服务器和单通道LonTalk适配器；NodeBuilder包括PCNSS PC接口卡及多种节点开发模块，与LonBuilder配合使用，可用于LonWorks前端节点的开发、连接和使用；LonManager包括LonManager DDE、LonManager Profile、LonMaker和 LonManager协议分析仪，用于节点映象、网络安装、配置、维护和监测[1]。

以后，Echelon公司又推出了i.Lon100/500，已有多种版本，包含了上述多种功能，既是高性能的网络接口，又是节点开发工具，可简单方便地实现LonWorks网络设备与以太网的连接。而且其中的i.Lon100/500中的Internet服务器还提供进程管理、数据记录、信号检测与报警以及信号发送等功能，既是路由器又是符合工业标准的Web服务器，可以分布式的技术把LonWorks网络上的智能节点连接在一起，供Internet上的用户访问。为用户提供一个经济可靠的网络连接与节点开发平台，支持管控一体化网络的开发与实现[2]。

2）总体结构

在对LonWorks技术分析研究的基础上，针对自来水厂的生产流程进行研究，提出了一个基于LonWorks技术的全分布管控一体化的网络方案[2]，总体结构如图1所示。整个系统采用混合网络拓扑结构，分为3个层次，即Internet远程监控级、上位监控级和现场控制级。现场设备由智能节点通过双绞线连接到LonWorks现场总线网络上[3]。网络适配器选用的是PCNSS PC接口卡，也可使用ilon100，现场总线网络通过PNCSS PC接口卡连接到上位监控管理计算机上，上位机再通过网络接口连接到远程Internet/Intranet上，实现水厂现场控制网和管理信息网的一体化。在远程计算机上安装有IIS6.0、Web应用程序及 Access数据库等系统软件。其中IIS6.0用于内部网络与外部互联网的连接，Web应用程序提供Web页面浏览器，Access数据库支持各类采集数据的存储与管理，为在远程监控机上实施监控与管理提供支持。在上位监控管理计算机上安装有LonWorks开发工具、NodeBuilder开发工具、LNS DDE Server和CenturyStar组态软件，用于实现整个网络系统的开发[4]。

图1 全分布式管控一体化网络层次结构Fig.1 Hierarchical structure of the whole distribution integrative management and control network

上位监控机和远程计算机构成整个网络系统的上层监控系统。使用户可在上层监控机或浏览器上监控整个现场的生产过程，实现现场数据汇集与处理、信息存储、报警、远程调控等功能。处于中间层的网络适配器选用PCNSS PC接口卡，负责路由及数据的上传下达，把底层控制网络的数据上传到上位机，或者把上位机的控制命令下发到控制节点。现场Lon网络连接前端智能节点和各种变送器、执行机构，实现现场数据的采集和任务的执行。

远程计算机通过Internet实现现场组态画面的Web页发布，使授权用户可通过浏览器在线巡查，包括现场设备的运行情况、进水口流速/流量、各水池液位、浊度、余氯含量、PH值、出水口温度、压力等；通过状态图/实时数据曲线，还可把所测量到的数据形象地展示出来。上层监控系统功能如图2所示，有用户管理、监控画面、数据曲线、报表、报警及远程监控等模块；监控画面显示各水池的液位、浊度、余氯含量、PH值等参数。

图2 上层监控系统功能Fig.2 Function of the upper leveis control system

在上层监控系统中，可进行控制功能组态和实时画面巡查，可实现实时数据曲线、历史数据曲线和数据报表的生成、打印以及多媒体语音报警等功能。在客户端浏览器的网页上可直观显示各个控制对象的运行状态图、实时曲线图；可实现客户端与服务器端的双向数据传送；客户端可实时监视与控制服务器端连接的现场执行装置，对现场设备进行调控。下面着重介绍上层监控系统的设计与实现。

2 上层监控系统的设计与实现

在上层监控系统中，选用CenturyStar世纪星组态软件设计成一个系统模拟监控平台，主要功能如图2所示，可对各模块中的过程参数进行采集、记录、打印，可生成报表，实现报警，还可对前段测控设备进行调控 （主要是调整运行参数），对事故进行分析。

1）组态监控平台功能要求

水厂生产系统是一个具有时变性、耦合性和随机性的多变量（如流量、液位、温度、压力等）、多任务（如水流控制、投药/加氯控制、格栅与排泥控制、滤池控制、水泵启/停控制、调压控制、数据管理等）、多设备（如电机、阀门、泵等）的复杂非线性系统。根据基本生产流程及实际需求，上层模拟组态监控平台如图3所示，可实现人机交互和人机对话等功能。

2）组态监控平台与LonWorks网络通信

使用CenturyStar世纪星组态软件开发设计系统监控平台，首先要解决组态监控平台与LonWorks控制网络的通信[5]。这里借助于LonWorks提供的应用软件LNS DDE Server作为服务器端，组态软件CenturyStar作为客户端，通过组态变量与网络变量进行信息交互，如图4所示，可实现上层组态监控平台与底层控制网络的实时通信。步骤如下：

①DDE设备安装。在组态软件CenturyStar的“驱动设备管理”中单击“新建”选项，或在浏览器中双击“设备安装向导”，屏幕弹出“设备安装向导”对话框，选中“DDE”，单击“下一步”，屏幕弹出“DDE设备修改”对话框。在其中的设备对象名栏输入要安装DDE动态数据交换的设备的名，比如 “节点”；在服务程序名栏输入与组态软件交换数据的程序名LNSDDE；在话题名栏输入本程序和服务程序进行DDE连接的话题名，比如 “shui.Subsystem 1.LMNV”；在数据交换协议栏指明DDE会话方式，这里选择标准 Windows交换协议。然后，单击“下一步”按钮，屏幕弹出“设备安装向导”对话框，以查看输入是否正确。输入无误，单击“完成”按钮[6]。

②定义组态I/O变量。完成DDE设备安装后，进入世纪星的“变量数据库”，如图5所示，可定义I/O变量，包括所有采集数据所对应的变量。比如“温度”的变量名定义为ddel，该变量和底层控制网络设置的网络变量 （项目名）nvoValue5（温度）进行数据实时交互。另外，还要设置采集频率、初值、最大值和最小值等参数。

③启动组态监控平台与LonWorks网络通信。在DDE设备安装和定义组态I/O变量后，启动LNS DDE Server，其界面如图6所示，设置DDE通信主题。再启动LNS Server，选择正在运行的LonWorks网络，LNS DDE Server将自动连接到LonWorks网络上。

图3 用组态软件构成的模拟监控平台Fig.3 Simulate Control plat constituting in configuration software

图4 LNS DDE Server信息交互过程Fig.4 Information alternately process in LNS DDE Server

图5 定义变量Fig.5 Defining variable

然后，运行组态监控平台，通过 LNS DDE Server，变量“温度”的值将随着网络变量的值同步改变。这样，可根据变量（温度）值设置报警点，驱动前端执行器工作[6]。

图6 LNS DDE Server运行界面Fig.6 Painted screen to LNS DDE Server executing

总之，通过LNS DDE Server沟通了上层组态监控平台与底层LonWorks控制网络的实时通信，实现了“数据采集—上传—组态监控—下传—前端执行”的管理与控制的集成。在系统设计过程中，共定义了水池温度、浊度、液位、pH、余氯含量、管道压力和流量等多个变量。对于这些变量，组态监控的具体实现与上述“温度”的监控过程相同。

在系统正常运行后，实时曲线用于实时显示各变量的变化情况；所显示实时曲线的种类由监控系统自动更新，不需要专门定义曲线变量。运行时，曲线自动从右向左卷动，展示待测变量的数据变化趋势。历史曲线用于历史数据的查看，以了解过去某时的数据。系统运行时，历史曲线不自动卷动，与功能按钮同步显示。利用历史曲线的域或者使用与历史曲线相关的函数，可对历史曲线实施控制。通过按钮，可实现翻页、设定时间参数、启/停记录、打印曲线图等操作。

除此之外，还有实时报警、历史报警、报表生成与处理等功能，这里不再一一叙述。

3 结 论

把组态软件与LonWorks网络结合起来，构成上层监控系统，可实时显示现场各个设备的运行情况、各待测变量的实时数据和变化曲线，从而改变现有一些水厂靠记录仪记录数据的作法。而且，还可通过对组态画面上的节点的控制，实现对现场设备的在线调控。

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

[2]陈建铎.基于LonWorks/iLon100现场总线控制网络的结构与实现[J].探测与控制学报，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]吕增江，陈建铎.基于LonWorks总线的智能节点的开发与设计[J].现代电子技术，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，陈建铎.基于LonWorks的水厂自动化管控系统[J].现代电子技术，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]程启文，陈建铎.Lon网络中上位机与智能节点通信方式的研究与实现[J].微电子学与计算机，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，陈建铎.世纪星组态软件在工业过程控制中的应用[J].现代电子技术，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.