現(xiàn)場(chǎng)總線與遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)

1 引 言

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室設(shè)備之間的一種全分散的、 全數(shù)字化的、 智能、雙向、多站點(diǎn)、 開放式的通信網(wǎng)絡(luò)。它的出現(xiàn)導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，并形成一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)一 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS (Fieldbus Control System) 。與此同時(shí)，隨著Internet 的廣 泛應(yīng)用， 計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到迅速發(fā)展，Internet 成為了信息時(shí)代的主要信息載體。 并引起工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

一方面， 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備底層向上發(fā)展， 逐 步擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)化、開放性和分布性;另一方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)從互聯(lián)網(wǎng) Internet 頂層向下滲透， 直至和底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通信。具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò) ( 或現(xiàn)場(chǎng)總線 ) 、 企業(yè) 網(wǎng) ( Intranet ) 和因特網(wǎng)( Internet ) 把分布于各局部現(xiàn)場(chǎng)、獨(dú)立完成特定功能的控制計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來(lái)， 以達(dá)到資源共享、 協(xié)同工 作、 遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中管理為目的的全分布式設(shè)備控制和狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。

LonWorks作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一 種,是美國(guó)Echelon公司2 0世紀(jì) 9 0年代推出的一種新型控 制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 I S O定義的開放系統(tǒng)互聯(lián) O S I 全部七層協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，因其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 、通訊協(xié)議公開等特性得到深入研究和廣泛應(yīng)用。本文介紹了一套完整的集組態(tài)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)視為一體的 LonWorks現(xiàn)場(chǎng) 總線網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)CS2003，它是針對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的3套模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)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(shuō)明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

CS2003是具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能的 LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 因此應(yīng)實(shí)現(xiàn) 以下幾點(diǎn)功能。

①下位 LonWorks智能節(jié)點(diǎn)可對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

②現(xiàn)場(chǎng)上位計(jì)算機(jī)可進(jìn)行控制功能組態(tài)和實(shí)時(shí)畫面監(jiān)視。 并具有實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、 數(shù)據(jù)報(bào)表生成、 打印和多媒體語(yǔ)音報(bào)警功能。

③在客戶端瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)上直觀地顯示各個(gè)控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)圖、實(shí)時(shí)曲線圖。

根據(jù)系統(tǒng)的工作流程和實(shí)現(xiàn)功能，可將系統(tǒng)劃分 為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、上位監(jiān)控級(jí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)。它包括 LON通用智能節(jié)點(diǎn)( 硬件) 、 上位組態(tài)控制和監(jiān)視平臺(tái)( 軟件) 以及遠(yuǎn)程監(jiān)視平臺(tái)( 軟件) ，如圖 1所示 。

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和上位監(jiān)控級(jí)采用兩層全分布式體系結(jié)構(gòu)?？刂萍?jí)主要是由LON智能節(jié)點(diǎn)完成現(xiàn)場(chǎng)的控制功能。監(jiān)控級(jí)則一方面基于各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組態(tài) 、通過(guò)LonManagerDDE( 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換) 服務(wù)程序進(jìn)行 網(wǎng)絡(luò)通信和信息處理，并在上位組態(tài)監(jiān)控 平臺(tái) VCC( Visual Control Configuration ) 及 VSC(Visual Supervisory Configuration)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控;另一方面，通過(guò)TCP/I P協(xié)議與校園網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)采用了典型的瀏覽器、Web應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的B/s模式三層體系結(jié)構(gòu)。其中，Web 服務(wù)器、 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器都部署在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)上。LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存取 由 Web應(yīng)用服務(wù)器以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的形式實(shí)時(shí)發(fā)布，供經(jīng)過(guò)授權(quán)的客戶端瀏覽器來(lái)監(jiān)視。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1) 現(xiàn)場(chǎng)控 制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室3套設(shè)備的檢測(cè)量和控制量都不多，所以信號(hào)傳輸速率選78 Kbps; 在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及可靠性方面， 選擇了總線式拓?fù)涠皇? 自由拓?fù)浞绞剑笳咴诰W(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、信息交換頻繁時(shí)可靠性不如前者， 而且采用 自由拓?fù)涫且跃嚯x為代價(jià)的。

2) LON通用智能節(jié)點(diǎn)( 硬件) 設(shè)計(jì) 對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的 3套裝置,自行設(shè) 計(jì)并制 作 了 3個(gè) LonWorks 智能節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)示意 圖如圖 2所示。神經(jīng)元芯片 MC143150是節(jié)點(diǎn)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(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。Servicepin單元用于節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)。按照裝置檢測(cè)量和控制量的個(gè)數(shù)和信號(hào)的量程范圍， 在每塊智能控制節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)了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，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(shè)計(jì) 按照模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則，C S 2 0 0 3的軟件模塊 由 3部分組成。

①節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集與處理程序模塊，由節(jié)點(diǎn)開 發(fā)軟件 NodeBuilder 、節(jié)點(diǎn) 映像軟件LonManagerProfile和網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)軟件 LonMaker 實(shí)現(xiàn)。

②上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信軟件 LonManager DDE Server 實(shí)現(xiàn)。

③可以在客戶端瀏覽器訪問(wèn)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(tái)。它集控制、人機(jī)界面、圖形、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一身。

VCC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(guò) LonManagerDDE 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。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(shù)據(jù)管理模塊、 報(bào)警處理模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊。在它的遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)中， 由于考慮到需要遠(yuǎn)程客戶端和服務(wù)器端雙方確認(rèn)消息，且應(yīng)確保數(shù)據(jù)的完整性，因此選用 TCP/I P傳輸控制協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

遠(yuǎn)程監(jiān)視軟件由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)發(fā)布兩部分完成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分是在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)上部署數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器， 監(jiān)聽上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接請(qǐng)求，在與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)建立連接后， 遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類， 通過(guò)ODBC ( 開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)) 把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù) 中的相應(yīng)數(shù)據(jù)表。而數(shù)據(jù)發(fā)布部分完成的功能主要是部署 We b應(yīng)用服務(wù)器， 建立 We b應(yīng) 用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的連接， 對(duì)Web服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)使之具有動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的發(fā)布功能。具體實(shí)現(xiàn)為： 首先通過(guò)IIS(Internet Information Server) 部署 Web 應(yīng)用服務(wù)器，Web服務(wù)器通過(guò) ADO(ActiveX DataObject) 與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器建立連接 ， 不斷從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器取得最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用 ASP編寫動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立綁 定后，客戶端通過(guò)瀏覽器就 可以監(jiān)視最新的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

4) LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信方式 CS2003系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)通信主要分為兩種情況： 一種是上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的 VCSC監(jiān)控平臺(tái)與 LON通用智能節(jié)點(diǎn)之間的通信;另一種是LON通用智能節(jié)點(diǎn)相互之間的通信。LonWorks 現(xiàn)場(chǎng)總線通信也有兩種方式，一種是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行通信，另一種是通過(guò)顯示報(bào)文來(lái)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。無(wú)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。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 ) 。因此， CS 2003中 LON通用智能節(jié)點(diǎn)相互之間的通信采用網(wǎng)絡(luò)變量的方式，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，只要在網(wǎng)絡(luò)安裝時(shí)定義各節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)變量的連接，通信就可通過(guò) LonTalk協(xié)議透明地完成。

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(guò)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)程序下裝通信使用了顯示報(bào)文方式。

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

CS2003目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室3套控制對(duì)象 ：三級(jí)串聯(lián)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(shí)驗(yàn)為例， 介紹此套系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)步驟及效果。

壓力控制系統(tǒng)原理圖如圖 3所示，它有 3個(gè)互相串聯(lián)的不同大小的氣缸裝置、 兩路進(jìn)氣管道及其上的手動(dòng)閥 F1 ～F3 、 兩臺(tái)電/ 氣轉(zhuǎn)換器、氣閉式氣動(dòng)閥 Vcl和 vc2以及 3臺(tái)壓力變送器組成。其中，電/氣轉(zhuǎn)換器的輸入控制信號(hào)為4～2O mA，對(duì) 應(yīng) 輸 出 蒸 汽 壓 力 2 0～100 kPa( 蒸汽源 0.1 2 MP a )，相應(yīng)氣閉式氣動(dòng)閥的開度為100%～0 ， 壓力變送器的輸入壓力信號(hào)為0 ～80 kPa 。 對(duì)應(yīng)輸出電流信號(hào)為4-20 mA。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

①利用 LonManager LonMaker 安裝工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的邏輯安裝與配置， 所有的網(wǎng)絡(luò)配置信息將存儲(chǔ)在本地的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，DDE服務(wù)器就可以使用該數(shù)據(jù)庫(kù)信息來(lái)完成有關(guān)的任務(wù)。

②在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行LonManager DDE服務(wù)程序。 并啟動(dòng) VCSC組態(tài)監(jiān)控平臺(tái)。

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(duì)應(yīng)的LON節(jié)點(diǎn)，地址在組網(wǎng)時(shí)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(yùn)行后可觀察壓力值 的實(shí)時(shí)曲線，然后根據(jù)控制效果在 VC C中在線修改參數(shù)值不斷進(jìn)行調(diào)試 。

⑤啟動(dòng) V S C的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送畫面， 輸入遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的 I P地址， 發(fā)送連接請(qǐng)求。與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的連接完成后， 即可向其發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

⑥在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)上， 配置好 We b服務(wù)器并完成相應(yīng)的 Web服務(wù)器開發(fā)。使得 Web服務(wù)器能從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器得到最新的數(shù)據(jù)并具有發(fā)布實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的能力。

⑦在客戶端，只需點(diǎn)擊 IE瀏覽器，選擇壓力控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)名，即在瀏覽器地址欄輸入http://20 2.197.xx .xx /pressure.html 后，即可在計(jì)算機(jī)屏幕上看到壓力控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果： PID控件的設(shè)定值為65 kPa ，Kp =3 ， Kd =1 ， Ki =0 。壓力初始 值 為70.5kpa時(shí)， 經(jīng)過(guò)20 S 已接近設(shè)定值， 到將近25 s 時(shí)則達(dá)到了設(shè)定值65 kPa 。在上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程客戶端均能正確顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 歷史數(shù)據(jù)查詢、 多媒體報(bào)警、 報(bào)表曲線功能正常。系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，達(dá)到預(yù)期要求。

5 結(jié) 論

本文主要介紹了一個(gè)具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能的LonWorks現(xiàn) 場(chǎng)總 線過(guò) 程控制 實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng) CS2003 的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn)， 它運(yùn)用了 LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)、 ActiveX控件、 Web數(shù)據(jù)庫(kù)、 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用證明了CS2003有效地模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的上位組態(tài)監(jiān)控、 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上實(shí)時(shí)發(fā)布和客戶端通過(guò)瀏覽器對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視 的過(guò)程， 組態(tài)界面友好、運(yùn)行實(shí)時(shí)可靠。