現場總線與遠程監(jiān)視系統(tǒng)

1 引 言

現場總線是用于現場儀表與控制系統(tǒng)和控制室設備之間的一種全分散的、 全數字化的、 智能、雙向、多站點、 開放式的通信網絡。它的出現導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構的變革，并形成一種新型的網絡集成式全分布控制系統(tǒng)一 現場總線控制系統(tǒng)FCS (Fieldbus Control System) 。與此同時，隨著Internet 的廣 泛應用， 計算機技術和網絡技術得到迅速發(fā)展，Internet 成為了信息時代的主要信息載體。 并引起工業(yè)界和學術界的廣泛關注。

一方面， 現場總線技術從工業(yè)現場設備底層向上發(fā)展， 逐 步擴展到網絡化、開放性和分布性;另一方面，計算機網絡從互聯網 Internet 頂層向下滲透， 直至和底層的現場設備可以通信。具有遠程監(jiān)視功能的現場總線控制系統(tǒng) 應運而生，它通過現場控制網絡 ( 或現場總線 ) 、 企業(yè) 網 ( Intranet ) 和因特網( Internet ) 把分布于各局部現場、獨立完成特定功能的控制計算機互聯起來， 以達到資源共享、 協(xié)同工 作、 遠程監(jiān)視和集中管理為目的的全分布式設備控制和狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。

LonWorks作為現場總線的一 種,是美國Echelon公司2 0世紀 9 0年代推出的一種新型控 制網絡技術。它支持國際標準化組織 I S O定義的開放系統(tǒng)互聯 O S I 全部七層協(xié)議的現場總線標準，因其網絡結構簡單、成本低 、通訊協(xié)議公開等特性得到深入研究和廣泛應用。本文介紹了一套完整的集組態(tài)控制、實時監(jiān)視、遠程監(jiān)視為一體的 LonWorks現場 總線網絡控制實驗系統(tǒng)CS2003，它是針對過程控制實驗室現有的3套模擬工業(yè)現場的實驗系統(tǒng)：壓力控制系統(tǒng)、溫度/流量控制系統(tǒng) 、自行開發(fā)的液位控制系統(tǒng)，文中主要說明系統(tǒng)的總體設計及實現。

2 系統(tǒng)的體系結構

CS2003是具有遠程監(jiān)視功能的 LonWorks現場總線過程控制實驗系統(tǒng)， 因此應實現 以下幾點功能。

①下位 LonWorks智能節(jié)點可對控制對象進行實時控制。

②現場上位計算機可進行控制功能組態(tài)和實時畫面監(jiān)視。 并具有實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、 數據報表生成、 打印和多媒體語音報警功能。

③在客戶端瀏覽器的網頁上直觀地顯示各個控制對象的運行狀態(tài)圖、實時曲線圖。

根據系統(tǒng)的工作流程和實現功能，可將系統(tǒng)劃分 為現場控制級、上位監(jiān)控級和遠程監(jiān)控級。它包括 LON通用智能節(jié)點( 硬件) 、 上位組態(tài)控制和監(jiān)視平臺( 軟件) 以及遠程監(jiān)視平臺( 軟件) ，如圖 1所示 。

現場控制級和上位監(jiān)控級采用兩層全分布式體系結構?？刂萍壷饕怯蒐ON智能節(jié)點完成現場的控制功能。監(jiān)控級則一方面基于各個節(jié)點進行節(jié)點組態(tài) 、通過LonManagerDDE( 動態(tài)數據交換) 服務程序進行 網絡通信和信息處理，并在上位組態(tài)監(jiān)控 平臺 VCC( Visual Control Configuration ) 及 VSC(Visual Supervisory Configuration)進行動態(tài)監(jiān)控;另一方面，通過TCP/I P協(xié)議與校園網內的遠程控制計算機進行數據傳送。遠程監(jiān)控級采用了典型的瀏覽器、Web應用服務器、數據庫服務器的B/s模式三層體系結構。其中，Web 服務器、 數據庫服務器都部署在遠程控制計算機上。LonWorks 現場總線控制網絡采集的實時數據， 經過數據庫服務器存取 由 Web應用服務器以動態(tài)網頁的形式實時發(fā)布，供經過授權的客戶端瀏覽器來監(jiān)視。

3 系統(tǒng)的實現

1) 現場控 制網絡設計過程控制實驗室3套設備的檢測量和控制量都不多，所以信號傳輸速率選78 Kbps; 在拓撲結構及可靠性方面， 選擇了總線式拓撲而不是 自由拓撲方式，后者在網絡規(guī)模較大、信息交換頻繁時可靠性不如前者， 而且采用 自由拓撲是以距離為代價的。

2) LON通用智能節(jié)點( 硬件) 設計 對于實驗室的 3套裝置,自行設 計并制 作 了 3個 LonWorks 智能節(jié)點，其硬件結構示意 圖如圖 2所示。神經元芯片 MC143150是節(jié)點的控制 核心，它的通訊端 口 CPO， CP1與 FTT-10A通訊模塊相連，配合工作 在單端模式，完成網絡通訊功能。NVRAM 與 EPROM 共同構成本節(jié)點的片外存儲器。Servicepin單元用于節(jié)點和網絡的安裝和維護。按照裝置檢測量和控制量的個數和信號的量程范圍， 在每塊智能控制節(jié)點都設計了8通道模擬量輸入/ 輸出模塊、 4通道 開關 量輸入/ 輸出模塊，每通道模擬量輸 入范 圍為 1～5v， 模擬量輸出范圍為4 ～2 0 mA，并帶光電隔離。

3) 軟件設計 按照模塊化結構化設計原則，C S 2 0 0 3的軟件模塊 由 3部分組成。

①節(jié)點內部的數據采集與處理程序模塊，由節(jié)點開 發(fā)軟件 NodeBuilder 、節(jié)點 映像軟件LonManagerProfile和網絡安裝維護軟件 LonMaker 實現。

②上位監(jiān)控計算機運行的組態(tài)監(jiān)控軟件模塊， 由上位組態(tài)監(jiān)控軟件 VCSC結合網絡通信軟件 LonManager DDE Server 實現。

③可以在客戶端瀏覽器訪問到現場數據的遠程實時監(jiān)視軟件模塊。

上位組態(tài)監(jiān)控 軟件(VCSC) 是基于 Visual Basic 6.0環(huán)境下開發(fā)的， 包括組態(tài)控制(VCC) 和組態(tài)監(jiān)視(vsc) 兩套平臺。它集控制、人機界面、圖形、數據庫、網絡等技術于一身。

VCC的設計 思想為 在VB環(huán)境下利用ActiveX控件制作各可視功能塊，每個功能塊看作帶有輸入/ 輸出接口和組態(tài)參數設置接口的封裝體，當用戶將自己編制的組態(tài)程序下裝時，即將程序里功能塊的參數按一定的格式存放后分幀打包，通過 LonManagerDDE Server 與下 位節(jié) 點通訊，將程序寫入下位節(jié)點的程序存儲器中。VSC則包括了可視化的監(jiān)視畫面繪制 S UR—D R A W 程序模塊、 數據管理模塊、 報警處理模塊和遠程監(jiān)視模塊。在它的遠程監(jiān)視模塊設計中， 由于考慮到需要遠程客戶端和服務器端雙方確認消息，且應確保數據的完整性，因此選用 TCP/I P傳輸控制協(xié)議來進行數據交換。

遠程監(jiān)視軟件由數據存儲和數據發(fā)布兩部分完成。數據存儲部分是在遠程控制計算機上部署數據庫服務器， 監(jiān)聽上位監(jiān)控計算機的連接請求，在與上位監(jiān)控計算機建立連接后， 遠程控制計算機對現場上位機發(fā)送過來 的數據進行分類， 通過ODBC ( 開放式數據庫互聯) 把數據存入數據庫 中的相應數據表。而數據發(fā)布部分完成的功能主要是部署 We b應用服務器， 建立 We b應 用服務器和數據庫服務器的連接， 對Web服務器進行開發(fā)使之具有動態(tài)網頁的發(fā)布功能。具體實現為： 首先通過IIS(Internet Information Server) 部署 Web 應用服務器，Web服務器通過 ADO(ActiveX DataObject) 與數據庫服務器建立連接 ， 不斷從數據庫服務器取得最新的實時數據，用 ASP編寫動態(tài)網頁。動態(tài)網頁和實時數據建立綁 定后，客戶端通過瀏覽器就 可以監(jiān)視最新的現場實時數據。[!--empirenews.page--]

4) LonWorks網絡通信方式 CS2003系統(tǒng)的控制網絡通信主要分為兩種情況： 一種是上位監(jiān)控計算機的 VCSC監(jiān)控平臺與 LON通用智能節(jié)點之間的通信;另一種是LON通用智能節(jié)點相互之間的通信。LonWorks 現場總線通信也有兩種方式，一種是通過網絡變量進行通信，另一種是通過顯示報文來進行。

網絡變量是一個節(jié)點中的一個對象，從通信的角度分為輸入和輸出兩種類型。無論何時,一個節(jié)點的網絡變量更新， 則所有與之相連的網絡變量也相應地更新。網絡變量屬于高層通訊方式，實現簡單，但其通訊數據域 大 小 固 定( 31byte ) 。因此， CS 2003中 LON通用智能節(jié)點相互之間的通信采用網絡變量的方式，將現場信號如被測點溫度、 壓力、 流量等定義為網絡變量，只要在網絡安裝時定義各節(jié)點之間網絡變量的連接，通信就可通過 LonTalk協(xié)議透明地完成。

顯示報文屬于一種低層通訊方式，其實現相對復雜， 功能卻很靈活。顯示報文通信數據域大小可變，只要在 228byte范圍即可。對于用戶組態(tài)程序下裝這一通訊任務，考慮到組態(tài)程序只要使用了3個以上的功能塊， 下裝通信數據域的大小就會超過網絡變量 31byte的限制， 且不同用戶的組態(tài)程序大小不一， 下裝次數不定， 因此組態(tài)程序下裝通信使用了顯示報文方式。

4 應用實驗

CS2003目前已實現對過程控制實驗室3套控制對象 ：三級串聯水箱液位系統(tǒng)、溫度/流量控制系統(tǒng)、氣缸壓力控制系統(tǒng)的成功控制。以氣缸壓力控制系統(tǒng) P I D控制實驗為例， 介紹此套系統(tǒng)的實驗步驟及效果。

壓力控制系統(tǒng)原理圖如圖 3所示，它有 3個互相串聯的不同大小的氣缸裝置、 兩路進氣管道及其上的手動閥 F1 ～F3 、 兩臺電/ 氣轉換器、氣閉式氣動閥 Vcl和 vc2以及 3臺壓力變送器組成。其中，電/氣轉換器的輸入控制信號為4～2O mA，對 應 輸 出 蒸 汽 壓 力 2 0～100 kPa( 蒸汽源 0.1 2 MP a )，相應氣閉式氣動閥的開度為100%～0 ， 壓力變送器的輸入壓力信號為0 ～80 kPa 。 對應輸出電流信號為4-20 mA。實驗步驟如下。

①利用 LonManager LonMaker 安裝工具進行網絡系統(tǒng)的邏輯安裝與配置， 所有的網絡配置信息將存儲在本地的數據庫內，DDE服務器就可以使用該數據庫信息來完成有關的任務。

②在上位監(jiān)控計算機運行LonManager DDE服務程序。 并啟動 VCSC組態(tài)監(jiān)控平臺。

③在VCC上按照控制要求繪制控制組態(tài)圖，將組態(tài)圖下裝到 壓力系統(tǒng)所對應的LON節(jié)點，地址在組網時已確定為 1 。

④在 VS C中按工藝流程繪制組態(tài)監(jiān)視 畫面，運行后可觀察壓力值 的實時曲線，然后根據控制效果在 VC C中在線修改參數值不斷進行調試 。

⑤啟動 V S C的遠程數據發(fā)送畫面， 輸入遠程控制計算機的 I P地址， 發(fā)送連接請求。與遠程控制計算機的連接完成后， 即可向其發(fā)送實時數據。

⑥在遠程控制計算機上， 配置好 We b服務器并完成相應的 Web服務器開發(fā)。使得 Web服務器能從數據庫服務器得到最新的數據并具有發(fā)布實時動態(tài)網頁的能力。

⑦在客戶端，只需點擊 IE瀏覽器，選擇壓力控制系統(tǒng)的動態(tài)網頁名，即在瀏覽器地址欄輸入http://20 2.197.xx .xx /pressure.html 后，即可在計算機屏幕上看到壓力控制系統(tǒng)動態(tài)網頁。

實驗運行效果： PID控件的設定值為65 kPa ，Kp =3 ， Kd =1 ， Ki =0 。壓力初始 值 為70.5kpa時， 經過20 S 已接近設定值， 到將近25 s 時則達到了設定值65 kPa 。在上位監(jiān)控計算機和遠程客戶端均能正確顯示實時數據， 歷史數據查詢、 多媒體報警、 報表曲線功能正常。系統(tǒng)運行狀況良好，達到預期要求。

5 結 論

本文主要介紹了一個具有遠程監(jiān)視功能的LonWorks現 場總 線過 程控制 實驗 系統(tǒng) CS2003 的設計與實 現， 它運用了 LonWorks現場總線控制網絡、 ActiveX控件、 Web數據庫、 TCP/IP網絡通訊等關鍵技術。實驗應用證明了CS2003有效地模擬了工業(yè)現場的上位組態(tài)監(jiān)控、 現場數據的網上實時發(fā)布和客戶端通過瀏覽器對企業(yè)現場進行實時監(jiān)視 的過程， 組態(tài)界面友好、運行實時可靠。