基于LonWorks水廠前端智能節(jié)點(diǎn)的配置與實(shí)現(xiàn)

摘要：鑒于目前在水廠的自動控制中，多采用的是用PLC構(gòu)成的集散式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)。介紹采用現(xiàn)場總線技術(shù)(Fieldbus technology)構(gòu)成全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)中前端智能節(jié)點(diǎn)的配置與實(shí)現(xiàn)。在此，首先介紹底層測控設(shè)備的類型與性能參數(shù)；進(jìn)而介紹LonWorks智能節(jié)點(diǎn)的組成、性能和開發(fā)使用；最后，介紹該控制系統(tǒng)中前端智能節(jié)點(diǎn)的配置與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：水廠；現(xiàn)場總線技術(shù)；全分布式；管控一體化；智能節(jié)點(diǎn)

    在《基于LonWorks技術(shù)的水廠全分布管控一體化網(wǎng)絡(luò)研究》一文中，介紹了使用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)的基本思想和方法。這里，將進(jìn)一步說明該系統(tǒng)中前端智能節(jié)點(diǎn)的組成原理與實(shí)現(xiàn)。眾所周知，在構(gòu)建水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)時(shí)必不可少地用到大量的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備，這就需要相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)控制器與之連接，接收前端檢測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，上傳到上位監(jiān)控機(jī)，或者根據(jù)上層監(jiān)控機(jī)下發(fā)的命令控制前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。由于該系統(tǒng)是依據(jù)全分布式管控一體化的原則構(gòu)建的，因此這類節(jié)點(diǎn)要能設(shè)置ID號，支持ISO／OSI的7層協(xié)議，除了與底層控制網(wǎng)連接，還能與企業(yè)信息網(wǎng)連接。上層授權(quán)用戶可通過ID號(或IP地址)直接訪問底層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與之對話，了解或展示前端測控設(shè)備的工作狀況，包括數(shù)據(jù)參數(shù)和工作狀態(tài)圖，或者對前端測控設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。

1 前端測控設(shè)備
    在水廠的生產(chǎn)流程中，要控制從進(jìn)水、沉淀、過濾、反沖洗、添加氯化鋁、除污、排泥到供(出)水的全過程；要進(jìn)行液位、溫度、濁度、壓力、流速／流量、余氯含量、泥土界面等參數(shù)的檢測。涉及到的控制有電機(jī)變頻調(diào)速、加氯與投藥泵計(jì)量、電磁閥門開啟等。采用的變送器和檢測設(shè)備，有液位變送器、壓力變送器、流量變送器、溫度變送器、泥土界面儀和余氯分析儀等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁閥、繼電器、調(diào)頻電機(jī)等。
    1)數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行設(shè)備
    系統(tǒng)中所用數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行設(shè)備有溫度變送器，測量范圍0～300℃；HP-420型壓力變送器，測量／顯示和傳送壓力和液位，量程0～1Mpa，精度0．05 Mpa；HD1000超聲波液位計(jì)，測量蓄水池液位，且有數(shù)字顯示，測量范圍0～5 m，滿足RS232／485標(biāo)準(zhǔn)；YL-1型余氯分析儀，檢測水中的余氯含量，測量范圍0～2．5 mg／L，分辨率0．01 mg／L；KVQJ電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)輸水管道的通斷狀態(tài)，通過智能節(jié)點(diǎn)的模擬通道輸出0～40 mA電流信號調(diào)節(jié)其開啟度；濁度測量儀，測量／顯示和傳送清水池中的濁度，借以調(diào)整絮凝池的投藥量，測量范圍0．001～100 NTU，測量精度±2％NTU，分辨率0．000 1～0．001NTU；漏氯報(bào)警儀，對泄漏的氯氣進(jìn)行測量／顯示和報(bào)警，其傳感器安裝在現(xiàn)場，通過電纜與值班室內(nèi)顯示(報(bào)警)器連接，報(bào)警范圍0～10ppm；電磁流量計(jì)，測量管道流量，按口徑測量精度為±0．5％或±1．0％，流速范圍0．2～11 m／s(可選)，符合RS485標(biāo)準(zhǔn)；PH測量儀，在線測量水樣中的PH值，用以調(diào)控加氯與投藥量，測量范圍0～14PH，測量精度±0．1％；超聲波液位差計(jì)，測量／顯示和傳送格柵兩邊液位差，控制齒爬式格柵去污機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，清除進(jìn)水池的漂浮物，測量范圍0～6 m，測量精度為±2％量程(或2 mm)；變頻電機(jī)，在變頻器的控制下實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟／停、加速與減速；泥土界面儀，檢測沉砂池和絮凝池中的泥砂位置，并給出泥砂分布圖譜，計(jì)算出泥砂層的高度或厚度，測量范嗣0～5 m，測量精度0．1 m，分辨率0．03 m。
    2)變頻控制器
    變頻控制器，用于變頻電機(jī)調(diào)速，選用的是富士FRENIC5000G／P11S型變頻器，一種低噪音、高性能、多功能變頻器，變頻范圍0～20 000 Hz，具有模擬／數(shù)字量I／O端口，可接收4～20 mADC電流或0～10 VDC電壓、脈沖電平和開關(guān)量，輸出開關(guān)量和調(diào)頻電壓。該變頻器可采用兩種變頻工作方式，一種是通過自帶的液晶觸摸控制面板，鍵人工作模式和控制命令，使變頻器處于自動運(yùn)行方式；另一種是經(jīng)RS485端口與PC機(jī)連接，再由系統(tǒng)控制程序或組態(tài)軟件創(chuàng)建人機(jī)對話界面和通訊協(xié)議，使變頻器處于受控運(yùn)行方式，本系統(tǒng)采用的是后一種方式。
    以上設(shè)備與智能節(jié)點(diǎn)連接，在智能節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的控制下對水廠中的全部生產(chǎn)流程實(shí)施監(jiān)控。

2 智能節(jié)點(diǎn)
    隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可用于數(shù)據(jù)采集與控制的CPU芯片多。但是，要作為全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，相比之下，Eche lon公司推出的Neuron Chip可謂其中的佼佼者之一。比如MC143120／143150芯片，有3個(gè)CPU，分別是MAC處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器；另有1 kB／2 kBRAM、10 kB ROM、0．5 kB／1 kB E2ROM和2個(gè)16位計(jì)數(shù)器，支持ISO／OSI協(xié)議。其中MAC處理器主要用于外部介質(zhì)訪問控制，實(shí)現(xiàn)ISO／OSI 7層協(xié)議的第1～2層功能；網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)ISO／OSI 7層協(xié)議的第3～6層功能，處理網(wǎng)絡(luò)變量、地址認(rèn)證、后臺診斷、軟件定時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理及路由等項(xiàng)工作；應(yīng)用處理器位于ISO／OSI協(xié)議的最上層，執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序，為用戶操作服務(wù)。3個(gè)CPU之間通過內(nèi)部設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)緩沖器和應(yīng)用緩沖器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
    在外特性方面，MC143120／143150具有11個(gè)I／O口、8位雙向數(shù)據(jù)線和16位地址線，支持TTL電平，支持并／串行數(shù)據(jù)輸入輸出，可外接64 kB外部存儲器。在11個(gè)I／O口中包括RS-232／485串行通信口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、位輸入輸出等。傳送數(shù)據(jù)可以是位，也可以是字節(jié)，還可同時(shí)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部存儲器RAM／ROM用以駐留系統(tǒng)程序和用戶開發(fā)的應(yīng)用程序，比如操作系統(tǒng)、LonTalk通信協(xié)議、IO數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)配置、地址表和一個(gè)全世界唯一的48位標(biāo)識碼，即神經(jīng)元ID號。也正是這ID號，是構(gòu)建全分布式網(wǎng)絡(luò)體系的基礎(chǔ)。這種節(jié)點(diǎn)，除了連接到底層控制網(wǎng)上之外，還可直接連接到企業(yè)Internet／Intranet上。作為底層節(jié)點(diǎn)使用，其示意如圖1所示。

    除此之外，Echelon公司還給出了配套的智能收發(fā)器、節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具NodeBuilder和通信協(xié)議LonTalk。通過可編程收發(fā)器，Neuron Chip可與多種通信介質(zhì)連接，比如雙絞線、同軸電纜、光纖，無線和紅外線等。并且針對不同的通信接口，可配置為三種不同的接口模式：單端、差分和專用模式，以適應(yīng)不同的編碼方式和波特率。在ROM中包含LonTalk協(xié)議的固化程序，這使得Neuron芯片能保證在每一個(gè)裝置(節(jié)點(diǎn))中以公共協(xié)議通信，解決了兼容性問題，使LonWorks裝置(節(jié)點(diǎn))在同一網(wǎng)絡(luò)上的連接簡單快捷。
    LonWorks節(jié)點(diǎn)是同物理上與之連接的I／O設(shè)備交互作用并在網(wǎng)上使用LonTalk協(xié)議通信的一類對象，有兩種類型。在第一種類型中，Neur on芯片是唯一的處理器，充當(dāng)LonWorks的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。適合于I／O設(shè)備簡單，處理任務(wù)不復(fù)雜的系統(tǒng)，稱之為基于Neuron芯片的節(jié)點(diǎn)(Neuron Chip-hosted)；在第二種類型中，Neuro芯片只作為通信處理器，充當(dāng)LonWorks的網(wǎng)絡(luò)接口，節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序由主處理器來執(zhí)行，這類節(jié)點(diǎn)適合于對處理能力、輸入／輸出能力要求較高的系統(tǒng)，稱之為基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)(host—based)，主處理器可以是其他微控制器或者PC機(jī)等。

3 智能節(jié)點(diǎn)的配置
    為了便于用戶使用，Echelon公司在推出Neuron Chip以后，又推出了以上述Neuron Chip為核心用于現(xiàn)場底層的節(jié)點(diǎn)控制器，也稱為回路控制器。其中HLC-1是最基本的一種，滿足LonWorks技術(shù)對于底層節(jié)點(diǎn)的全部要求，不僅可以執(zhí)行協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，完成底層控制，而且還提供通信介質(zhì)接口，以公用的協(xié)議進(jìn)行通信。對于外部，具有4通道0～5V(4～20mA)12位A／D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入、2通道0～5V(4～20 mA)12位D／A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出，2通道數(shù)字量(觸點(diǎn)或電平)輸入及2通道開關(guān)量輸出，還能組合2通道PID調(diào)節(jié)器。安裝完成后，HLC-1回路控制器不僅可以實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，還可以完全脫離上層管理系統(tǒng)，自行完成底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及設(shè)備運(yùn)行的調(diào)控。而且，HLC-1采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，多個(gè)HLC-1可組合在一起，構(gòu)成一個(gè)大的模塊，以連接更多的前端測控設(shè)備。
    在某水廠的設(shè)計(jì)方案中，底層配置了4個(gè)Lonworks智能節(jié)點(diǎn)，即回路控制器HLC-1。其中2個(gè)節(jié)點(diǎn)由組合模塊組成，各含2個(gè)8路模擬量輸入模塊，用以對格柵絮凝沉淀池的20個(gè)液位計(jì)輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、記錄和匯總。另外2個(gè)節(jié)點(diǎn)的模擬／數(shù)字輸入模塊分別用于進(jìn)水口和出水口數(shù)據(jù)監(jiān)測。在進(jìn)水口測量流量、濁度、入水管壓力；在清水池檢測余氯含量、濁度、PH值、水位；在出水管口檢測出水流量和壓力。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    每一個(gè)節(jié)點(diǎn)配置FTT-10A收發(fā)器，以提高通信能力。該收發(fā)器支持自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(包括星型、總線型和環(huán)型等)，通信速率為78 kbps；其中總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最長通信距離是2 700 m，可滿足一般小型水廠的需求。當(dāng)超出最大通信距離后，可在總線兩端使用中繼器，以延長通信距離。
    由智能節(jié)點(diǎn)向上，連接網(wǎng)絡(luò)適配器，這里選用PCLTA-10，可插入PC機(jī)的擴(kuò)展槽上，既能與所有和總線連接的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對等雙向通信，又能快速與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和高級監(jiān)控功能，在PC機(jī)與現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)之間起到“上傳下達(dá)”的作用。同樣．配置FTT-10A收發(fā)器，提高通信能力，支持自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可連接128個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，這里僅連接了4個(gè)。

4 智能節(jié)點(diǎn)編程
    在整個(gè)系統(tǒng)中，除了LonWorks提供的系統(tǒng)開發(fā)程序之外，大量的應(yīng)用程序須結(jié)合現(xiàn)場需求來編寫。由于C語言提供位操作指令，因此是一種非常適合于編寫與硬件相關(guān)的控制程序的語言。為了便于用戶使用，Echelon公司在推出Neuron Chip和系統(tǒng)開發(fā)程序之外，還提供了Neuron C編程語言，一種基于ANSI C而為神經(jīng)元芯片開發(fā)設(shè)計(jì)的編程語言。對ANSI C進(jìn)行了擴(kuò)展，允許程序員以自然的方式描述事件驅(qū)動任務(wù)，可控制任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級，可將I／O對象直接映射到處理器的I／O端口，通過定義網(wǎng)絡(luò)變量把受控對象聯(lián)系起來，還可為用戶提供一種實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)共享的簡單方法，支持顯式報(bào)文傳送，還可直接對LonTalk協(xié)議的底層設(shè)備進(jìn)行訪問，便于設(shè)計(jì)LonWorks系統(tǒng)應(yīng)用程序。
    由于LonWorks系統(tǒng)程序中包含NodeBuilder，因此對智能節(jié)點(diǎn)編程可在NodeBuilder環(huán)境下進(jìn)行。步驟包括：1)定義IO對象；2)定義定時(shí)器對象；3)定義網(wǎng)絡(luò)變量；4)定義顯式報(bào)文；5)定義任務(wù)；6)編寫自定義函數(shù)等。
    其中網(wǎng)絡(luò)變量和顯式報(bào)文是節(jié)點(diǎn)之間交換信息的載體，是在LonWorks網(wǎng)絡(luò)上傳送的數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系主要是通過網(wǎng)絡(luò)變量來實(shí)現(xiàn)的，因此使用網(wǎng)絡(luò)變量可實(shí)現(xiàn)LonMark的互操作性，方便編程和安裝。而Neuron C編程的主要對象就是網(wǎng)絡(luò)變量NV(Network Variables)，又稱隱式消息，是節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)對象。其類型可以是整型、布爾型或字符串型數(shù)據(jù)，用戶可在應(yīng)用程序中自由定義。顯式報(bào)文也稱為顯式消息，其中數(shù)據(jù)長度最大228個(gè)字節(jié)，而網(wǎng)絡(luò)變量最多31個(gè)字節(jié)。而任務(wù)，是對事件的反應(yīng)，即當(dāng)某事件發(fā)生時(shí)應(yīng)用程序執(zhí)行何種操作。另外，還可以在Neuron C程序中由用戶編寫自定義函數(shù)，以完成一些常用功能。和標(biāo)準(zhǔn)C不同，Neuron C必須要寫出函數(shù)原形，也可以將一些常用的函數(shù)放到頭文件中，以供程序調(diào)用。
    由于在進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集和控制的時(shí)候，通過串行口和神經(jīng)元芯片進(jìn)行通信，因此選擇Neurowire IO對象，即同步全雙工串行通信模式IO對象。對11個(gè)IO引腳的定義為：IO_0到IO_7是片選信號，IO_8是時(shí)鐘，IO_9是數(shù)據(jù)出，IO_10是數(shù)據(jù)入。就是說，該I／O對象使用全同步串行數(shù)據(jù)格式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被移入的同時(shí)也進(jìn)行數(shù)據(jù)移出。NeurowireI／O對象還可被配置為主／從模式。主模式，時(shí)鐘信號輸出；從模式，時(shí)鐘信號是輸入。在主模式下，引腳IO_0～I(xiàn)O_7中的一個(gè)或多個(gè)可被用作片選信號，在從模式下，引腳IO_0～I(xiàn)O_7中的一個(gè)可被設(shè)計(jì)成超時(shí)引腳。
    當(dāng)使用具有不同比特率的多路復(fù)用串行對象或Neurowire I／O對象時(shí)，必須使用編譯器指令“#pragmaenable_multiple_baud”，且在所用I／O函數(shù)(如io_in()和io_out())之前。其中，對Neurowire輸入／輸出對象進(jìn)行顯式配制的Neuron C語句如下：
    IO_8 neurowire master |slave[select(pin-nbr)][timeout(pin-nbr)]
    [kbaud(const-expr)][clockedge(+|-)]io-object-name；
    作用是：IO_8：指定Neurowire輸入／輸出對象使用引腳IO_8～I(xiàn)O_10，其中IO_8時(shí)鐘信號，IO_9串行數(shù)據(jù)輸出，IO_10串行數(shù)據(jù)輸入；
    Master：指定Neuron芯片在引腳IO_8上提供時(shí)鐘，輸出；
    Slave：指定Neuron芯片檢測引腳IO_8上的時(shí)鐘，輸入；
    Select(pin-nbr)：為Neurowire master指定片選引腳，為IO_0～I(xiàn)O_7之一；
    Timeout(pin-nbr)：為Neumwire slave指定一個(gè)可選擇的超時(shí)信號引腳，其范圍是IO_0～I(xiàn)O_7；使用超時(shí)信號引腳，當(dāng)neuron芯片等待時(shí)鐘的上升沿或下降沿時(shí)，將檢查該引腳的邏輯電平，如果檢測到邏輯電平為“1”，停止傳輸；
    Kbaud(eonst-expr)：為Neurowire master指定比特率，const-expr可為1 kb／s、10 kb／s或20 kb／s；對于10 MHz的Neuron芯片輸入時(shí)鐘，缺省值為20 kb／s；
    Clockedge(+|-)：指定數(shù)據(jù)觸發(fā)時(shí)鐘信號極性，clockedge(+)為上升沿，clockedge(-)為下降沿；
    io-object-name：由用戶為該I／O對象指定的名字。
    將系統(tǒng)中所用設(shè)備和IO對象進(jìn)行定義，并對所用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程后即可連網(wǎng)使用。例如利用智能節(jié)點(diǎn)采集開關(guān)量信號來控制指示燈，來實(shí)現(xiàn)對數(shù)字量的輸入和輸出控制。其中數(shù)字量輸入程序如下：


5 結(jié)論
    文中分析了LonWorks智能節(jié)點(diǎn)的組成原理、編程和使用，又介紹了用其構(gòu)成水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡(luò)的底層控制網(wǎng)所用設(shè)備和組網(wǎng)方法。這對于任何設(shè)計(jì)自動化生產(chǎn)線的工程項(xiàng)目，都有一定的參考價(jià)值。