基于LonWorks的网络控制实验平台的设计

2012-01-25楼俊君程启明

制造业自动化 2012年12期

楼俊君，程启明

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090）

现场总线技术因其开放性、分散性和低成本已广泛应用于自动控制领域。LonWorks作为一种典型的现场总线标准，具有开放的网络操作体系、标准的网络通信协议、支持多种介质之间相互通信等优点。本文主要介绍一个基于LonWorks现场总线的网络控制实验平台的开发与应用，系统主要由上位计算机、路由器、智能神经元节点等组成，具有平台界面友好、通信实时可靠等优点。

现场总线；节点；控制

0 引言

现场总线技术将专用微处理器嵌入传统的测量控制仪表，使它们具有数字计算和数字通信能力，从而使单个分散的测量控制设备变成网络节点，再通过现场总线将各网络节点相互连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议进行数据传输和信息交换，共同完成特定的自控任务。它实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和柔性，可方便地进行重组和扩建[1～4]。

现场总线沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，它将一对一的模拟信号传输方式变为一对多的数字信号传输方式，大大节约了模拟信号传输过程中的大量A/D、D/A转换装置和布线安装成本，提高了信号的传输精度和抗干扰能力，它的出现开辟了控制系统的变革。

LonWorks作为现场总线的一种，支持国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI全部7层协议的现场总线标准，具有开放的网络操作体系、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支持多种介质之间的相互通信等特点，在国际和国内都得到广泛的应用。

目前LonWorks现场总线技术主要应用在楼宇自动化方面，包括建筑物监控系统的所有领域，如电梯和能源管理、消防/救生/安全、照明、供暖通风、保安等，但在工业控制方面应用很少。由于LonWorks控制网络有布线简单、通讯实时、控制分散的优点，所以很多厂商开始致力于LonWorks技术在工业控制领域的开发。本文介绍一个基于LonWorks现场总线的网络控制实验平台的开发，包括该平台的总体设计思想、各部分实现及其在三级串联水箱液位控制中的应用。

1 系统结构图

在工业控制系统中，用于监控的上位计算机通常是工业控制计算机，而分布在现场的控制装置一般是单回路控制器或智能仪表。在基于LonWorks现场总线的控制系统中，控制装置已改由集控制、通信和I/O为一体的Neuron多处理器芯片和LonTalk通信协议组成的智能节点控制器承担[5,6]。这样，各智能节点不仅能独立完成数据采集、处理和控制任务，而且能依赖其嵌入的LonTalk通信协议，实现与其他智能节点的数据通信，通过分布在现场的路由器，实现与监控上位计算机的连接，以便上位计算机对现场数据进行各种处理，实现真正意义上的集中监控、优化与控制。

本网络控制系统作为一个综合的监视控制网络，采用现场控制级与上层监控级的两层全分布式体系结构，如图1所示。系统主要由智能神经元节点、路由器和插有PCNSS网卡的上位计算机组成，各部分作用如下所述。

图1 系统结构图

智能神经元节点以Neuron 芯片为核心，节点内部具有实现其特定的功能用Neuron C语言编写的软件程序,各智能节点负责对现场信号的采集、状态检测和实时控制，并利用LonWorks技术提供的通信服务，与其他节点和路由器进行双向数据通信。

路由器是监控系统的神经中枢，可连接不同通讯介质和波特率的网络，承担神经元节点与监控上位计算机间的数据传输。

上位机通过PCNSS网卡与路由器相连，由于大部分控制功能已由在现场的智能神经元节点完成，所以上位计算机主要基于各个节点信息进行节点组态、网络通讯、信息处理和动态监控。

2 智能神经元节点开发

智能网络控制节点主要由8通道模拟量输入/输出模块、4通道开关量输入/输出模块和FTT-10A通信模块组成，每通道模拟量输入范围为1～5V，模拟量输出范围为4～20mA，并带光电隔离。节点最大寻址I/O模块数为255，用户可根据需要灵活配置。该节点上电后可自动识别I/O模块，具有即插即用功能。其硬件结构示意图如图2所示。外部信号经AI调理通道、DI调理通道引至神经元芯片MC143150的I/O引脚，当用户通过上位机对该节点进行组态下装时，神经元芯片会自动执行写入EPROM的应用程序，将输入通道的数据读入，经计算后把控制量由AO、DO调理通道输出，并通过FTT-10A通讯模块与其他节点通信。

神经元芯片MC143150是节点的控制和核心，它内部有介质访问控制处理器、网络处理器和应用处理器，有强大的网络通讯功能。3150的通讯端口CP0、CP1与FTT-10A通讯模块相连，配合工作在单端模式，完成网络通讯功能。NVRAM与EPROM共同构成本节点的片外存储器。Service pin单元用于节点和网络的安装和维护。为使节点硬件产品具有“柔性”，用可编程组合逻辑器件GAL16V8译码选通存储器芯片和输入/输出通道地址。

3 网络通讯方式

LonWorks现场总线通信有两种方式，一种是通过网络变量进行通信，另一种是通过显示报文来进行。网络变量是一个节点中的一个对象，从通信的角度分为输入和输出两种类型，一个输入的网络变量可以和其他节点的多个输出网络变量相连，一个输出的网络变量也可以和其他节点的多个输入的网络变量相连。无论何时，一个节点的网络变量更新，则所有与之相连的网络变量也相应地更新[7]。网络变量属于高层通讯方式，实现简单，但其通讯数据域大小固定（31byte）。一般将现场信号如被测点温度、压力、流量等定义为网络变量，从而简化系统开发和安装过程。

显示报文属于一种低层通讯方式，其实现相对复杂，功能却很灵活。显示报文通信数据域大小可变，只要在228byte范围即可。对于用户组态程序下装这一通讯任务，考虑到组态程序只要使用了3个以上的功能块，下装通信数据域的大小就会超过网络变量31byte的限制，且不同用户的组态程序大小不一，下装次数不定，因此组态程序下装通信必须使用显式报文方式。

图2 节点硬件示意图

在此，采用主从应答通信服务模式和分帧技术，分帧是指将来自应用层的控制组态程序消息转化为小包或帧，通信规程的制定遵循CAI方式，其中C(Code)表命令码，A(Address)表地址码，I（Information）表信息码。具体帧格式的定义如图3所示，其中Code为报文码，“0”表示上位下装包，“1”表是下位响应包；NodeAddr为下装节点地址，对应着下装的节点地址；Cmd为命令码，“1”表示组态参数包，“2”表示运行命令包；PacketNo为包号，在响应包中“255”表示未正确接收发送包；Data为控制组态程序信息码；Check为校验码，为前面除Code外所有字节的异或。

图3 帧格式定义示意图

用户组态程序下装至下位节点的存储器后，下位节点会自动运行由开发人员用Neuron C编制的程序，从而使下位节点执行相应控制功能。

Neuron C程序设计思路为：首先判断报文消息是否发送本节点，若是再通过消息包相应标志位判断消息包为组态参数包还是命令运行包，根据参数包类型执行不同的操作。

4 上位组态监控平台的开发

本网络控制平台的软件模块由两部分组成：一部分为节点内部数据采集与处理程序模块，另一部分为上位计算机监控软件模块。前一部分由节点开发软件NodeBuilder、节点映象软件LonManager Profile和网络安装维护软件LonMaker实现；后一部分由我们自行开发的上位组态监控软件VCSC(Visual Control and Superviser Configuration)结合网络通信软件LonManager DDE Server[8]实现。

上位组态监控软件VCSC的设计思想为：在VB环境下利用ActiveX控件制作各可视功能块，每个功能块看作带有输入/输出接口和组态参数设置接口的封装体，当用户将自己编制的组态程序下装时，即将程序里功能块的参数按一定的格式存放后分帧打包，通过LonManager DDE Server与下位节点通讯，将程序写入下位节点的程序存储器中。

5 网络控制平台在水箱液位控制中的应用

本实验室三级串联水箱液位系统实验原理图见图4，它由三个串联的水箱装置本身、两路进水管道及其上的手动阀V1～V6、两台电/气转换器、气闭式气动阀Vc1和Vc2、以及三台液位变送器组成。其中，电气转换器的输入控制信号4～20mA对应输出蒸汽压力20～100Kpa(蒸汽源0.12Mpa)，相应气闭式气动阀的开度为100%～0%，液位变送器的输入液位信号0～10 cm对应输出电压信号1～5V。控制目标：初始状态三个水箱水位全空时，阀Vc1打开，1＃水箱进水；一旦1＃水箱液位上升至目标高度，阀Vc1关闭，1＃水箱停止进水；当1＃水箱排水至全空时，阀Vc2打开，2＃水箱进水；一旦2＃水箱液位上升至目标高度，阀Vc2关闭，2＃水箱停止进水；当三个水箱水位都排空时，实验结束；液位的目标高度为水压允许条件下的最大高度。

图4 液位系统实验原理图

1）实验方法：三个神经元节点分别控制三个水箱对象，节点从A/D通道分别采集对应某一个水箱液位高度的液位变送器电压信号，它们所需要的其他水箱的液位高度信号则通过LonWorks现场总线网络以网络变量这一网络对象的形式从其它节点上获取，然后节点1、2分别根据自身的专家规则推理判断后，从各自D/A通道分别输出控制信号u1和u2控制对应1＃和2＃水箱进水管道的气动阀门开度。

2）组态方法：操作员通过主机的上位组态监控平台对三个节点进行组态下装。节点1组态如图5所示,节点2组态如图6所示，节点3组态如图7所示。使用SCB比例偏置功能块确定控制目标水箱液位高度，用PT两位控制功能块及OR或功能块实现控制策略，用输出功能块进行控制量输出。

3）实验运行效果：设定水箱液位目标高度为6cm，运行结果为1＃、2＃水箱分别经过9s和25s左右到达目标高度，较好完成控制任务。