基于LonWorks技术的水厂全分布管控一体化网络研究

王艳君，陈建铎

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

随着城市建设的发展，城市供水也有很大进展。因此，水厂生产业已步入自动化控制与管理的行列中。而目前，我国大多数水厂采用的是基于PLC的集散式 （Distributed Control System，DCS）控制模式，使用大量的记录仪记录现场数据或过程参数，然后输入到计算机中进行处理，通过计算机显示各种数据和过程参数。笔者介绍的是针对水厂生产流程，使用LonWorks现场总线技术构成全分布式管控一体化网络思想和方法。而且，可使用组态软件模拟现场生产流程，动态描述各生产流程中各个节点的工作状况，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。

1 LonWorks技术的基本功能与控制对象

LonWorks[1-2]是Echelon公司推出的一种用于过程控制的硬软件开发工具，支持建立全分布式管控一体化的网络系统。从大的方面来说，它包括网络开发工具LonBuilder、节点设计工具Nodebuilder和LonManager。其中LonManager主要用于节点映象、网络安装、配置、维护和监测。以后，又推出了i.Lon100/500，既是高性能的网络接口，又是节点开发工具，还可实现LonWorks网络设备与以太网的连接，既是路由器又是符合工业标准的Web服务器，可把LonWorks网络上的智能设备连接在一起，供Internet用户访问。

控制对象主要指水厂中前端一次仪表和各个执行机构。一次仪表包括用于现场监测的各种传感器和变送器，比如温度、压力、流量、流速、液位、余氯含量/浊度分析仪等，用于现场数据采集和监测。执行机构有直流电机、步进电机、异步电机、变频调速控制器、电动阀、电磁阀以及各种开关等，用于设备运行的驱动与控制。

为此，基于LonWorks现场总线技术，研究构成水厂全分布式管控一体化网络思想和方法，把水厂生产流程中的各个环节纳入自动化的检测与控制中，实现进水、过滤、加氯净化、余氯含量/浊度检测及供水的自动控制；自动计量进水/供水量，实时检测各水池的液位、温度、余氯含量、浊度、各管道中的压力和流量；且与企业信息网联接[3]。在企业上层信息网上可实现远程监测与调控，自动记录生产流程中各节点的测量数据。通过组态软件设计系统运行的模拟画面，在组态画面上可一目了然地看到各台设备的运行情况、各蓄水池的液位、温度、浊度、含氯量、各个管道中的压力、流量及其它需要测量的参数，实时显示各种报表、图表或曲线（包括实时曲线和历史曲线）；还可根据需要生成日、周、旬、月、季、年报表。

2 系统总体结构

系统总体结构示意如图1所示，分为3层，即远程、上位和现场监控级。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，可与Internet/Intronet连接；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。现场监控级，即底层Lon总线网，用于现场设备的连接与控制[3]。现场设备经智能节点通过双绞线连接到现场工业PC机上。中间层的网络适配器可选用PCNSS PC接口卡或者ilon100。这里选用PNCSS PC接口卡，把底层现场总线网连接到上位监控管理计算机上，实现水厂现场控制网和管理信息网的一体化连接[4]。

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

3 智能节点的功能与设置

在研发过程中，根据水厂的进水、出水及中间的管理与控制，选用回路控制器HLC_1建立控制回路。HLC_1是一种基于LonWorks技术的智能节点，不仅可以执行协议、实现数据采集和处理、完成控制等功能，而且提供通信介质的接口，与上层网络按公用协议进行通信。它有4个（0～5 V或4～20 mA）12位A/D转换模拟量输入通道、2个（0～5 V或 4～20 mA）12位D/A转换模拟量输出通道、2个数字量（触点或电平）输入通道和2个开关量输出通道；还可组成2通道PID调节器。在安装完成后，HLC-1回路控制器不仅可以实时接收上位机的控制命令，实现对前端执行机构的控制，还可脱离上层管理系统，自行完成数据采集、数据处理和前端设备运行的调控工作[5]。

在该系统中，节点1用以控制沉淀池的进水泵、排水泵的运行，控制液位、流量、温度、压力等参数的检测；节点2控制氯化铝溶液罐（池）的运行，包括进水阀、添加氯化铝、搅拌、浓度检测和计算等；节点3控制净化池的进水泵、氯化铝溶液注入泵、排水泵的运行，控制浊度、余氯含量、温度、液位等参数的检测；节点4控制净水库的进水泵、供水泵（阀）的运行，控制液位、流量、温度、压力的检测，实施供水回路的调度。

4 现场控制网络的实现

现场控制网的实现除了硬件连接之外，就是软件安装。首先进行现场Lon网络的物理安装，然后进行其逻辑安装。

1）物理安装

物理安装是把现场Lon网络硬件连接起来。在现场工业PC机上安装网络适配器及驱动程序，这里使用的是PCLTA-10，通过双绞线把PCLTA-10和智能节点连接起来，然后将现场执行机构、变送器连接到智能节点输入/输出通道上。

2）逻辑安装

逻辑安装是在LonMaker集成开发工具中构建现场控制网络。其过程是根据各智能节点的功能设置不同的网络变量，实现智能节点之间的逻辑互联与通讯。主要工作包括创建LonMaker图像界面、子网、LNS数据库、设备和功能模块，编写/调试和装载应用程序等，过程如下：

①启动“LonMaker”集成工具，如图2所示，新建或打开已经建立的LonWorks网络工程，这里选择“New Network”新建工程名为“lyw”的Lon网络；

图2 Lon网络工程配置界面Fig.2 Lon network project configuration interface

②选择 “Lon1”网络接口、“Online”状态以及添加“LonPoint Plug-ins”，开发工具将自动创建LonMaker图像界面、子网、LNS数据库；

测试结果显示，根据陀螺奇偶输出的相关性进行零偏抵消之后，其零偏及稳定性得到改善.相比于同等条件下的传统陀螺，本实验中光程倍增光纤陀螺本身已经有较好的精度，并根据其奇偶输出表现出的负相关性，进一步进行零偏抵消，能够进一步把零偏稳定性控制在0.005°/h内.

③启动Visio图形界面，在左边 “NodeBuilder Basic Shapes 3.10”中拖动一个“Development Target Device”图标到右边窗口，此时在工程子网中完成一个目标设备的添加，命名为“节点1”，提交该设备，然后启动NodeBuilder编程模板，进行Neuron C编程；

④在 NodeBuilder环境下，启动“NodeBuilderCodeWizard”，并在“Resource pane”中的“C:LonWorksType”下拉列表中选择 相应 的 “Functional Profile Templates”， 拖 放 到 “Progam interface pane”下的“Functional Blocks”中，并定义功能块名及相应网络变量类型，然后单击 “Generate and Close”，进入NodeBuilder环境，这时自动生成工程及设备接口，包括定义设备属性、功能块、网络变量等；

⑤在 工 程 “Project‘lyw’”下 “Device Template”的 “Source Files”中编写节点应用程序，然后在“Hardware Template”的“User Template”中配置节点硬件参数，最后编译、调试应用程序。在没有错误的情况下，应用程序将以在线方式动态装载到智能节点上，智能节点就可以自行工作；

⑥为了实现远距离数据传送，在现场和上层之间可用收发器FTT-10A，以提高通信距离；该收发器支持多种拓扑结构（包括星型、总线型和环形等），通信速率为78 kbps；采用总线型网络最长通信距离为2 700 m，满足一般水厂的需求。若超出最大通信距离，还在总线两端加中继器，延长通信距离。

5 现场变送器与执行器

基于水厂生产过程控制，采集数据主要有水的液位、PH值、温度、压力、流量、余氯含量和泥土界面等；所要进行的控制包括电机变频调速、加氯与投药泵的控制与计量、电磁阀门开启度等。系统采用的变送器主要有液位变送器、压力变送器、温度变送器、泥土界面仪和余氯分析仪等，这些变送器可以输出4～20 mA电流信号或者0～5 V的电压信号。现场的执行机构，主要是电磁阀、继电器、调频电机等。管理人员可从监控机上发布指令，控制现场执行机构运行。

6 控制与管理

1）基于B/S模式的远程监测与控制

在本设计方案中，实现了Web发布，是利用世纪星组态监控软件以B/S模式在Internet上发布图形和数据，即数据远程浏览。 采用先进的数据传输系统，确保数据传输精确、实时。用户在 Internet上，通过 IE浏览器，输入服务器的 IP地址，即可查看现场的画面和数据。但是，未授权用户无法对现场工况进行调控，比如修改变量值、调整设备运行状态等。Web发布主界面运行如图3所示。

2）基于C/S模式的远程数据传送与控制

图3 通过Web发布的主界面运行图Fig.3 Through the Web publishing operation map of the interface

利用世纪星组态监控软件以C/S模式进行网络通信。通过应用程序向客户机提出数据要求，客户机则通过网络将用户的数据要求提交给服务器，服务器的数据库管理系统执行数据处理任务，然后把经过处理的数据传输到客户机上，最后由客户机完成对所需数据的加工，实现远程实时控制功能。例如变频电机运行状态远程监控组态界面如图4所示。

图4 变频电机运行状态远程监控界面Fig.4 Remote monitoring interface of running state to frequency conversion motor

3）管理功能

在设计成功后，可实现以下管理功能：

①提供友好的人机界面和严格的操作员资格认证，确保系统安全；

②通过窗口界面进行整个系统的监视与控制（包括运行图表、曲线）；

③实时记录采集或测量到的现场数据，记录各台设备的运行状况，显示整个管网系统的工况图表；

④自动融入生产管理系统，自动记录产量和成本核算，提供日报、月报、季报、年报等多种形式的报表；

⑤具有自动报警系统，根据现场参数适时发出各种报警信号；

⑥支持与企业信息网的连接，实现资源共享。

7 结 论

文中介绍的是基于LonWorks现场总线技术，针对水厂构建全分布式管控一体化网络的思想和方法。较基于PLC的集散式（DCS，Distributed Control System）控制模式，更能实现全分布式控制与管控一体化，支持现场控制网与企业Internet/Intronet连接，实现资源共享和远程监控。它的每一个节点可分配ID地址，在授权的情况下上层用户可直接巡查现场的每一台设备或执行机构的运行情况；控制程序可给出每一台设备或执行机构的运行图及相关数据。其设计思想和方法，可供同类企业参考。

[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]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.

[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.