（电气工程专业论文）基于lonworks技术在水闸自动控制系统的设计.pdf

b a s e do nl o n w o r k st e c h n o l o g yi nd a ma u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e md e s i g n a b s t r a c t b a s e do 1l o n w o r k sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l ec o n s t r u c t st h ef i e l d s u p e r v i s i o nn e t w o r k f o rf l o o d g a t e s p u m ps t a t i o n , f o r m u l a t i n g ai n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tp l a t f o r mf o rf l o o dm a n a g e m e n tb yu t i l i z i n gw e bs e r v i c et e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ee x p l a i n ss y s t e mc o n s t r u c t i o na n dl i v es u p e r v i s i o ns y s t e md e s i g n t h e d e s i g n e di n t e l l i g e n ts u p e r v i s i o ns y s t e mf o rg a t eg r o u pa n dt h eo p e n e dd a t a m a n a g e m e n tp l a t f o r m , p r o v i d e ss i g n i f i c a n th e l pt ot h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d i n t e l l i g e n td e c i s i o n - m a k i n go nf l o o da n dp r o j e c ts t a t u s ，a n dg i v e ss t r o n gs u p p o r tt o w a t e rr e s o u r c ea n df l o o d - p r o o f m a n a g e m e n t b ym o d i f y i n gt h ea u t o m a t i o ns y s t e mo ft h eo r i g i n a lp u m pg a t em e c h a n i c a l d e v i c e s ；t h i sa r t i c l eu t i l i z e sf i e l db u st e c h n o l o g y ，s m a r ti n s t r u m e n t a t i o na n dc o m p u t e r a u t o m a t i cs u p e r v i s i o ns y s t e m , t or e a l i z et h er e m o t ec o l l e c t i n ga n dt r a n s f e r r i n g i n f o r m a t i o no f f l o o dl e v e l ，g a t ep o s i t i o na n dp r o j e c tl i v ei n l a g e t h i sa r t i c l em o r e o v e r i sa l s om e a n tt op r o m o t et h ef u l l yi m p l e m e n t a t i o no fc o m p u t e ra u t o m a t i cc o n l x o l ， c o n s t r u c t i n gt h ew a t e rp o w e rm o d e lf o rt h er i v e rb a s i n , a n du l t i m a t e l yr e a l i z i n g c o m p u t e ri n t e l l i g e n td e c i s i o n - m a k i n g i na c c o r d a n c et ot h ed e v e l o p m e n tg o a l sr a i s e d b ys h a n g h a i l sp l a no f “i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rw a t e ri n d l l s t r y ，a n dt oc o m p l e t et h e i n i t i a ls t a g e so fw h i c h , t h es y s t e ms p e c i f i e dc a nf u l l ya n ds p e c i f i c a l l yr e c o r dt h ed a t a o f r i v e rb a s i na n dw o r k i n gs t a t u s ，h e l p sp r o p e r l ym a n a g ew a t e rr e s o u r c ea n dc o r r e c t l y u t i l i z et h el i m i t e dc l e a nw a t e rr e s o u r c e ，p r o v i d i n gv a l u a b l eh i s t o r yd a t af o rf u t u r e f l o o dm a n a g e m e n te n g i n e 君r i n g ，h e l p i n gt ob u i l dt h ew a t e rp o w e rm o d e lf o rt h er i v e r b a s i na sw e l la st ou l t i m a t e l yr e a l mc o m p u t e ri n t e l l i g e n to p e r a t i o na n dd e c i s i o n m a k i n g k e yw o r d s ：l o n w o r k s 、w e bs e r v i c e 、b u st e c h n o l o g y 、s l u i c eg a t es t a t i o n m o n i t o r 插图清单 图1 - 1基于现场总线的程监控示意图。3 图卜2混合结构的远程监控系统示意图4 图卜3基于以太网的远程监控示意图4 图2 1l o n w o r k s 设备网络化系统图9 图2 2 监控系统总体结构图1 0 图2 - 3n e u r o n 芯片的基本结构图1 1 图2 - 4 智能节点的硬件结构图1 1 图2 - 5 通信接口卡硬件结构图1 2 图2 - 6 监控系统软件结构图1 3 图3 - 1 监控点结构图1 8 图3 - 2 监控系统平台1 9 图3 - 3系统结构示意图2 1 图3 - 4总线型接法示意图2 5 图3 - 5自由拓扑型接法示意图2 5 图3 6闸站l o n w o r k s 的连接图2 6 图4 1软件系统结构3 4 图4 2三层x m l w e b 结构图3 5 图4 3c o r b a i i o p 与x m l 结合的三层客户机服务器模型3 6 图4 - 4 系统通讯协议4 0 图4 - 5 应用软件架构4 l 图4 - 6闸门控制器图4 4 图4 - 7 控制过程流程图4 6 图4 8 闸门程控操作条件流程图4 7 图4 - 9闸门开门准备流程图4 8 图4 - 1 0 闸门开门控制流程图4 9 图4 - 1 l 套闸充( 放) 水控制1 流程图，。5 0 图4 1 2 套闸充( 放) 水控制2 流程图5 1 图4 1 3 搁门控制流程图5 2 图4 1 4 关门准备控制流程图5 3 图4 1 5 闸门关闭控制流程图5 4 图4 1 6 脱扣控制流程图5 5 图5 - 1g i s 地理信息系统图5 7 图5 2闸门模拟运行图5 9 图 图 图 图 一3 闸站水位实时趋势图6 0 4闸站报警日志记录6 1 5 水位曲线图6 1 1 l o n 霄o r k s 水务信息化解决方案6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名j 猢 签字日期：如7 年一- 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅 和借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 3 五乱 导师签名 签字日期： 叫年；月g 日 签字1 3 期： 加7 年阴8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 二弓宅l 眨葛：司譬弓奄k 乞丑 通讯地址：邮编： 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我 的导师刘春副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、 完成课题、论文成稿，都倾注了刘老师的心血。刘老师广博的学识、严谨的治 学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业孜孜不倦的追求，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。感谢所有的同学给予的帮助。 第一章绪论 前言 信息技术特别是网络技术和计算机技术的飞速发展已经对社会生产、生活 和管理产生了深远的影响。在应用需求和w e b 技术的推动下迅猛发展的 i n t e r n e t 技术，不仅仅是纯粹的技术革新和对传统通信方式限制的突破，它 更是为人们观察问题提供了一个全新的视角、思路，在很大程度上导致了一个 传统的产业和行业的根本性交革。互联网作为当代社会的信息高速通道，把大 量局域网连接成广域网，对社会发展和人类生活产生了重要影响。在该项技术 迅速发展与不断成熟的同时，也深刻影响着相关领域的技术发展。 远程监控是指远端的监控系统通过通信系统对现场的系统进行监测与控制， 其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生产资 源和社会资源的优化配置。现代远程监控技术是计算机技术、通信技术、网络 技术和监控技术的结合，是信息技术与控制技术的集成。 远程监控的物质基础在于控制系统和通信系统，网络技术( 特别是 i n t e r n e t 技术) 不仅极大的扩充了远程监控中所需的通信手段，而且网络技术 的渗透和应用需求的推动还使传统的控制技术发生了根本性的变革，使得传统 的控制系统向着开放性、智能化、网络化、集散化的方向发展，并导致了控制 网i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 的产生和发展。i n f r a n e t 和i n t e r n e t 的融合和一体化使得工厂自动化和信息自动化最终集成到一起而形成企业综合 自动化，成为“以信息化带动工业化”在实践中的一种诠释：使得远程监控不 仅建立在控制自动化的基础上，更融合到企业综合自动化中去，从而使得远程 监控在应用中的作用、地位和范围得以大大拓展。 1 1 远程监控技术目前概况 控制网络与i n t e r n e t 结合基础上的远程监控控制网络一般指以控制“事物 对象”为特征的计算机网络系统，简称为i n f r a n e t ，它主要面向企业或某个系 统的底层。控制网络技术来源于计算机网络技术，与一般的计算机网络有很多 共同点，但又有不同和独特之处，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是其基本要求； ( 2 ) 控制网络强调在恶性劣环境下数据传输的完整性和可靠性： ( 3 ) 通信方式多使用广播或组播方式： ( 4 ) 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容，即互 操作性的问题。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域发展趋势，因此，利用网络技术实现 远程监控具有十分重要的意义，远程监控可以使企业充分利用异地智力和物质 资源。降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，大大增强 企业的综合竞争实力。从工业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越 来越分散，要总揽现场控制信息和生产状况，或要实现对分散在各工厂和生产 线上的控制网络进行状态监控、远程软件下载及设备的诊断维护，只有通过 i n t e r n e t ，特别是对一些大型的跨省或跨国公司要实现对分散在各地的下属公 司，进行经营、生产概况的数据、曲线总揽，监视工厂生产装置的运行状态，更 是迫切要求控制网络和i n t e r n e t 相结合来实现远程监控。所以，将控制网络 与i n t e r n e t 结合将成为控制领域的一个新方向，成为实现远程监控的主要途 径和方式。目前现场总线技术和工业以太网技术已经成为网络化的控制技术研 究的热点。 1 1 1 基于现场总线的远程监控 现场总线技术是9 0 年代兴起的m m “2 1 、近年来备受关注并得到迅速发展 的控制网络新技术，它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域，是控 制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。它以具备数字计算与数 字通信能力的现场设备作为网络节点，以总线作为节间实现数字通信的联系纽 带，构成开放式、数字化的控制网络，因而被誉为自动化领域的通信与网络技 术：它改变了传统分布式控制系统的结构，把控制算法集成到智能节点中，使得 智能节点可以执行对生产现场的控制。由于现场总线技术适应了控制系统向智 能化、网络化、分散化的发展趋势，显示了强大的生命力，得到了迅速发展，成 为控制领域的优点技术。 通过现场总线的将智能设备连成开放式的控制网络，改变过去那种封闭 式的、集中式的、不灵活的控制体系，由于开放性导致网络中设备的增多从而 形成远比p l c 、终端处理器和分布式控制系统d c s 功能更为强大的控制系统。 不仅如此，由此形成的开放性网络还为控制设备连入i n t e r n e t 网提供了便 利。现场总线系统接入i n t e r n e t ，在一定条件下，便可能通过i n t e r n e t 对生 产系统和现场设备的运行状态及各种参数进行远程监控，而不必亲临现场，通 过网络实现对远程被控对象的控制，以节省大量的交通、人力。还可以根据需 要，建立起地区级的、国家级的乃至世界级的控制中心，便于大型企业集团所 属工厂整体管理，从而提高经济效益。系统示意图如图卜1 所示： 一冒中一应用嘏务器能够与一i n t e r n e f 交互信息服务- ( 鉴于1 n r r 一技术韵瞽汲 应用和发展，b s 模式的系统结构成为应用模式的主流和发展趋势，此处的应用 照务器宜采用w e b 服务器) ，远端用户控制模块也驻留在应用服务器中，该模块 主要完成被控对象数据以及监控画面的实际生成与显示工作，并提供人机数据 接口，远端用户可方便地向控制设备发送控制命令( i n t e r n e t 用户通过 i n t e r n e t ，企业内部用户通过i n t e r n e t ) ，使客户端只需要安装浏览器软件就 可以对现场设备进行访问。 2 i 区固匾巫习臣亟五困 局域网 i n t e r n e t 本地监控系统 图1 - 1 基于现场总线的监控示意图 建设以现场总线控制网络为基础的实现企业管理、经营、控制一体化的企 业综合自动化，是许多现代企业正努力实现的目标。通过企业网络将管理、经 营、控制协调为一体整体，实现产品开发、生产加工、原料供应与产品储运、 市场信息、企业管理、决策过程等的一体化解决方案，是企业自动化的根本任 务。由此远程监控系统就成为企业综合自动化不可缺少的一环。 1 1 2 基于以太网的远程监控 一般来讲、控制系统网络可分为三层：信息层、控制层和设备层( 传感执 行层) 。传统的控制系统在信息层大都采用以太网( e t h e r n e t ) 。而在控制层和设 备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。此时在控制层、设备层与信息 层之间的数据流动和系统集成由于数据格式本身以及数据传输格式的不同一般 需采用网关来进行数据转换，形成混合的网络结构，示意图如图卜2 所示。加 上国际上就现场总线标准没有达成统一的标准，如果系统中针对不同需要采用 了几种现场总线产品，这就使得连接系统中各种网络的网关关联起来更为复 勇钉 。 竹使 图1 2 混合结构的远程监控系统示意图 上述的将以太网和现场总线连接的方法，可以有效的保护既有的技术和投 资并实现系统集成，然而随着以太网技术和嵌入式技术的发展，将以太网直接 用于控制层和设备层组网正在变成现实。发展到今天的交换式以太网在确定性、 速度和优先法则等方面性能的提高，阻碍以太网应用于工业实时控制环境的难 点已被解决。随着计算机技术和嵌入式技术的发展，嵌入式i n t e r n e t 技术使 得配备了i p 传感器( i n t e r n e t p r o t o c o ls e n s o r ) 的现场设备具有以太网接口， 这样e t h e r n e t 就可以直接到达传感器和执行器。由于与i n t e r n e t 的无缝结 合、低成本高带宽以及广泛的开放性和兼容性，以太网早已成为商业管理网络 成为企业内部网i n t e r n e t 的首要选择，那么它应用于企业现设备控制层是控 制网络发展的趋势，将极大地促进信息从传感器到管理层的集成，实现现场设 备层和企业管理层的无缝连接，拓展了远程监控系统的作用空间，成为远程监 控系统发展的一大趋势和热点。将现场设备和企业管理层直接集成于同一层以 太网上形成扁平化的工业控制网络实现远程监控示意图如图1 3 所示： 图1 3 基于以太网的远程监控示意图 可以说，接入i n t e r n e t 是控制网络发展的必然趋热，以太网是现场总线 发展的未来趋势。目前几个主要的现场总线组织都在开发基于以太网的现总线 协议( 如f f 、p r o f i b u s c o n t r o l n e t 等) ，更有一些公司己在开发具有以太网接 4 口的总线产品，并有研究成果和产品出现，如惠普公司应用i e e e l 4 5 1 2 标准 生产嵌入式以太网控制器具有1 0 一b a s et 以太网接口，运行f t p h t t p t c p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备：现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 用高速以太网作为h 2 的一种选择开发现场总线与以太网的连接产 品的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e tp r o g r a m ) 计划也已经完成原形产品进入编写标 准规范阶段：1 9 9 8 年成立的i n d u s t r i a la u t o m a t i o n0 p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ( i a o n a ) 也在致力于分析在工业自动化领域应用以太网和i n t e r n e t 协 议的障碍，研究可能的实现方法并提出相关的标准。思科公司于2 0 0 3 年3 月 推出了c a t a l y s t 2 9 5 5 系列针对工业环境的以太网交换机。在应用需求的推动下， 以太网在控制领域的应用技术将不断发展，以太网技术自身在i n t e r n e t 技术 发展的推动下也在不断发展，这一切使得未来基于以太网的远程监控发展关景 广阔。 与i n t e r n e t 技术的结合是控制的发展方向，通过i n t e r n e t 对位于世界 任何地方的任何设备进行监控是远程监控发展趋势。i n t e r n e t 技术在应用的推 动下一直处于不断的发展和变革中，随着i n t e r n e t 技术的发展以及控制网络 与i n t e r n e t 集成技术的发展，可以设想将来会在现有的各种i n t e r n e t 协议 基础上发展出专用于控制网络的协议，实现控制网络和i n t e r n e t 的无缝互 连。可以想，随着i n t e r n e t 技术的发展，i n t e r n e t 资源( 地址资源、带宽资源、 网络资源等) 不断满足日益增长的需求，为每一个内嵌网络接口和小型网络服 务器的智能设备分配一个i pa d d r e s s ，从而将智能控制设备直接纳入 i n t e r n e t ，作为i n t e r n e t 的一个节点最终成为现实。 1 1 3 其他技术在远程监控中的新应用 近年来，随着网络技术、通信技术和计算机技术的不断发展，出现了将多 种技术融入远程监控中以及远程监控系统实现途径的多样化局面，这大大拓展 了远程监控在实践中应用的广度和深度，使得远程监控的渗透到社会生产和生 活的方方面面。 随着人们对现场环境全方位的监控需求的发展，随着技术发展导致应用成 本的下降，多媒体通信技术越来越广泛地应用在诸如远程会议系统、远程教育 等远程监控中，而不仅仅传统的银行、交通、医疗等系统。1 9 9 0 年国际电信联 盟制定的远程通信的国际标准更是大大促进了多媒体通信技术的推广应用。可 以预见随着技术发展以及导致的成本下降，多媒体技术在远程监控中将得到越 来越广泛的应用，使得远程监控更为生动，人们获得身临其境的感觉。 通信网络的发展导致通信手段的多样化，人们不断尝试将各种各样的通信 网络和联网方法来构成远程监控系统，以适应不同的现场条件和不同的应用需 求不仅仅是i n t e r n e t ( l a n 、w a n ) 网络，在组建远程监控系统的过程中，人们 还用到电话网( p s t n ) 、综合业务数字网( i s d n ) 、光纤、有线电视网( h f c ) 以及无 5 线通信网络。文献中应用全球移动通信网g m s 的短消息业务实现无线远程监控 令人耳目一新。逐步选用无线通信技术是发展的趋势之一，今后若干年，随着 i n t e r n e t 的无线访问、无线局域网、无线家居智能系统( 如蓝牙技术) 等技术的 不断成熟，无线通信技术将会在远程监控中得到更为广泛的应用。 近年来兴起的虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一种由计算机 和多种传感器设备共同的构建的、能使用户投入其中并以人的自然技能实时参 与其中操作的三维信息空间，其最大的特征是沉浸性、交互性和多感知性。它 以仿真的方式创造一个反映实体对象时变化与相互作用的声像俱全的三维图形 世界，并可以直接参与探索仿真对象在所处环境中的作用和变化。目前，由于 虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及，该技术在远 程监控系统中的应用尚处于起步阶段：主要应用于航空航天、医学实习、建筑 设计、军事训练、体育训编、误乐游戏等领域：在国外，虚拟现实技术已应用 于课堂教学。 1 2 课题概况 1 2 1 课题研究的意义 根据水务信息化的规划框架，近期目标是实现互联互通、信息共享；中期 目标是实现自动监控、网上办事；长远目标是实现智能决策和实时调度。分析 实现这些目标所要做的各级任务，归纳起来，就是从网络化、标准化来整合现 有系统、建造新的系统。这包括硬件网络化( 控制网络) 和软件系统( 数据网 络) 的整合。l o n w o r k s 技术提供从控制网络到基于w e b s e r v i c e s 的软件平台的 系统解决方案。 水务信息化是城市信息化管理的重要组成部分脚叫”，建立上海市水闸泵站 自动控制系统，将对本市的防洪、除涝、水资源调度、水环境保护与治理赋予 科学化的决策和现代化的管理。作为整个城市水务信息化建设的基础平台之一， 信息化系统的规划与设计应符合技术发展的方向，充分体现水务系统分散与大 范围的特点，同时考虑水务信息管理内容的不断增加与深化，使建成后的系统 监控内容增加扩充方便，以满足水务信息化发展的要求，提升城市信息化管理 的水平，最大程度保护政府的建设投资。 2 2 课题研究的现状 目前水利自动化系统在解决部分应用问题的同时“，也暴露出了它的很多弱 点：系统的封闭性，产品的专用性，不能集成不同厂家的产品，难于集成不同 时期或功能建立的子系统。问题的根源在于系统厂商提供的系统是基于厂商专 有的通信协议，采用了以主从结构为主的网络结构，采用的是封闭系统。 根据上海市水闸泵站计算机智能控制系统一期的运行情况来看，一方面上 述问题没有很好地解决，同时，由于系统没有采用专网，租用电信网络传输， 6 传输质量不稳定，因此，要求对于后建水务自动化监控系统提出了开放性、产 品的互操作性，网络通信协议的标准化思想。其目的是为了实现系统的充分集 成，降低系统集成成本。 2 3 课题研究的主要任务 为了全面提高区域防汛快速反应能力和水资源调度质量，充分发挥水利工 程的泄洪排涝、引清输水与改善水环境条件等工程效益。按照上海市水务局 信息化总体规划和上海市水闸泵站计算机自动控制系统可行性研究报告 的要求，在太湖流域综合治理骨干工程( 上海部分) 建立水闸泵站调控系统( 以 下简称子系统) ，对黄浦江上游河道的水情和工情进行实时自动监测、监控，实 时采集水情数据，有效发挥“洪水走廊”功能，确保上海市城市防洪安全和合 理利用清水资源。本期工程的任务是按照上海市水务局信息化总体规划和上海 市水闸泵站计算机自动控制系统可行性研究报告的要求：完成本子系统的主干 框架、主要监测站点建设和远程监控站点( 试点) ；为全面实施计算机自动控制、 建立流域的水动力模型和最终实现计算机智能调度决策，为实现上海市水务信 息化规划提出的发展目标，完成前期基础建设，系统设计是围绕这些重要组成 内容进行的。水情与工情的监测 本课题名上海水闸泵站计算机自动控制系统可行性研究计划项目【沪计投 ( 2 0 0 3 ) 0 6 0 号】 7 第二章l o n w o r k s 技术介绍 2 1 l o n w o r k s 现场总线及其特点 l o n w 0 r k s 技术是美国e c h e l o n 公司的一项新型现场总线技术咖o ”，它是一 种分布式智能控制网络，l o n w o r k s 是设备网络化的、既成事实的跨行业标准。 许多行业已经吸收l o n w o r k s 网络作为其正式的行业标准，这标志着l o n w o r k s 网络能够在该行业普遍使用。这些标准包括： 美国国家标准协会控制网络标准：a n s i7 0 9 1 ； 美国铁路协会标准：从r ； 美国楼宇智能化行业标准：a s h r a e ； i e e e 标准； i f s f 行业标准； s 跚i 行业标准。 l o n w o r k s 现场总线具有以下主要技术特点： l o n w o r k s 技术网络通信协议l o n t a l k 符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开 放系统互联( o s i ) 模型，提供了o s i 参考模型所定义的全部七层服务。 l o n w o r k s 网络拓扑可以选择多种形式的网络拓扑结构。可在多种通信介质 下通信，包括双绞线、电力线、光纤等，并且多种介质可以在同一网络中混合使 用。在一个l o n w o r k s 现场总线系统中网络节点数可为3 2 0 0 0 多个。 l o n w o r k s 技术改善了的c s m a ( 载波侦听多路访问) 通信协议，使网络在负载 很重时，仍保持较高性能。l o n w o r k s 技术的通信速率可达1 2 5 m b s ，光纤介质最 长通信距离为3 5 0 0 。双绞线介质在通信速率为7 8 k b s 时直接通信距离为 2 7 0 0 m 。 由于采用了一系列先进的控制技术，l o n w o r k s 控制网络功能极强，可靠性 很高，并使得成本大大降低。 2 2l o n w o r k s 技术与设备网络化 l o n w o r k s 技术提供了“控制网络系统”应用开发的理想平台，构建了高性 能的分布式智能化监控系统，l o n w o r k s 技术的目的就是使现场底层设备网络化。 网络由通信介质、智能装置和节点组成。智能l o n 节点与其所连接的外部设施 发生相互作用“小”1 ，并以开放的l o n t a l k 协议与其它节点通信，从而可以实现 企业管理平台与若干现场级控制设备的有效集成。 在现场总线技术迅速发展的同时，i n t e r n e t 技术的使用和迅速发展使得企 业网一现场总线网的两级构架已经越来越受到w e b 技术的冲击，基于i n t e r n e t 的远程实时监控系统不仅可以实现异地控制，也可以实现大范围的资源共享。 将实时监控应用系统架构于i n t e r n e t 计算环境中，可以从许多方面改善监控系 8 统的性能和扩展增强系统功能。例如： ( 1 ) 大范围共享资源，形成丰富的数据库，为高层基于知识的决策提供支 持； ( 2 ) 可实现远程监控现场级情况的平台，便于生产管理人员大范围统筹和 直接干预现场； ( 3 ) 便于实现设备的远程维护。近年来，基于i n t e r n e t 的远程实时监控系 统实现技术的研究，受到了国内外学者和工程技术人员的密切关注和 重视。 i l o n1 0 0i n t e r n e t 服务器是一个高性能的网络接口“”，它可以连接 l o n w o r k s 网络到企业i p 网络或者i n t e r n e t 。它内置了一个w e bs e r v e r ，因此 允许通过w e b 的方式访问其内置的时序调度、报警处理和数据记录应用程序。 此外，它还提供一个用作和企业应用相互集成的s o a p ) 强几w e bs e r v i c e s 接口。 i l o n1 0 0 工作电压为1 0 0 至2 4 0 v a c 。用户可以选择购买内置5 6 kv 9 0 模拟调 制解调器的i l o n1 0 0 。 下图2 - 1 为基于i l o n1 0 0i n t e r n e t 服务器将底层设备网络联结到远程 管理中心的系统结构图。 图2 - 1l o n w o r k s 设备网络化系统图 系统的特点： 使用i l o n1 0 0 阅读脉冲表输入并发送到远程管理中心； 可以使用i l o n1 0 0 调度应用软件： 使用更多l o n w o r k s 控制模块可以增加补充特点； 服务中心可以使用s o a p x 札，根据系统要求检索数据； 使用i l o n1 0 0 ，的w e b 服务器，服务人员能通过w e b 浏览器查看信息。 w e bs e r v i c e 是目前应用最为广泛和先进的可编程的应用逻辑，基于 m i c r o s o f t n e t 模式，使用标准的网页协议实现。它适应于多种的客户端( 与使 用平台无关) ，例如：股票价格，天气消息，或直接从控制系统得到数据等，从 而使得构建不同地点的分布应用系统变得容易。 而i l o n1 0 0 遵循通用的w e bs e r v i c e 标准，支持s o a p 简单目标接入 9 协议( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 、x m l ( 在类似互联网的，分散的、分 布的环境中交换信息的基本协议) ，以及w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 。同时能自动处理在应用中的s o a p 输入、输出信息的映射。 综上所述，基于l o n w o r k s 技术构建的设备网络，可以通过i n t e r n e t 远程 接入企业管理系统，同时满足互操作性和全开放的协议。即无论在何中平台上 都能实现远程监控，而不需要依赖于某中特定的组态软件或硬件。 2 3 基于l o n w o r k s 的现场监控系统 2 3 1 系统总体结构 在基于l o n w o r k s 技术的监控系统设计中“”测，考虑控制系统要易于扩展 和升级的需要，系统采用分布式的总体结构。系统分为过程管理级和现场控制 级，系统总体结构如图2 2 所示。 图2 2 监控系统总体结构图 现场控制级是监控系统的基础，负责完成现场监控任务，它由连接到现场总 线上的智能节点构成现场智能网络。智能节点主要用于接收和处理传感器来的 输入数据，控制执行器操作和执行网络通信等任务。过程管理级完成系统监控任 务，主要功能为系统参数设寅、智能节点状态检测、监控数据动态显示、数据分 析报警提示、网络通信管理、实时数据采集、数据打印等。 2 3 2 系统硬件 2 3 2 1n e u r o n 芯片基本结构 n e u r o n 芯片是在一个芯片上集成了3 个c p u 、存储器、i o 接口等部件的 一种超大规模集成电路乜1 1 ，它同时具备了通信、控制、调度和i 0 等功能，并且 固化了i s o o s i 的全部七层l o n t a l k 网络通信协议，组成了l o n w o r k s 技术的核 心。控制网络的每个智能监控装置均使用n e u r o n 芯片，其提供i o 接口实现与 传感器、执行器或外部设备之间的数据输入输出，完成各种现场所需的数据处理 和控制算法，并通过嵌入的l o n t a l k 协议固件和适用于不同通信介质的收发器模 块，在网络上实现数据通信。图2 - 3 示意了n e u r o n 芯片的基本结构。 n e u r o n 芯片的c p 0 c p 4 是五个通信引脚，可提供单端、差分和特殊应用模 式等多种网络通信方式：i o _ o i 0 _ l o 是1 1 个i o 引脚，通过编程可配置成3 4 种不同的i o 对象，包括直接i o 对象、定时器计数器z o 对象、串行i o 对 象、并行z o 对象等 图2 - 3n e u r o n 芯片的基本结构图 2 3 2 2 智能节点硬件结构 为使监控系统与现场测量和控制装置紧密结合，更适合于现场环境，提高系 统的可靠性，研制开发了高性能价格比的智能节点。智能节点主要用于实现对系 统现场设备的控制，获取现场信息，并把现场监控信息通过现场总线发送给主控 计算机。智能节点结构如图2 7 所示。 图2 - 4 智能节点的硬件结构图 n e u r o n 3 1 5 0 芯片为智能节点的核心，n e u r o n 3 1 5 0 “”芯片需要片外非易失性 器来存放n e u r o n 芯片的l o n t a l k 协议、多任务调度程序、i o 应用库等固 玛外还需要配备附加的存储器存储现场智能节点应用程序和相关信息。i o ! 电路是为方便连接测量、控制装置而设计的。通信电路中的收发器是现场 ：节点与l o n w o r k s 测控网络之阔的接口。图2 - 4 电路中采用的f t l 一l o 是用 【绞线通信介质的收发器模块。 2 3 通信接口卡硬件结构 通信接口卡位于主控计算机p c i 插槽内，完成现场智能节点与主控计算机 i 信接口，图2 _ 8 所示是基于n e u r o n 芯片的通信接口卡结构，它由n e u t o n 芯 片外存储器、双口r a m 、i o 接口与调理电路、通信电路和其它附加电路等 。 再 旨 疆 图2 - 5 通信接口卡硬件结构圈 其中，n e u r o n 3 1 5 0 芯片为通信接口卡的核心芯片，是通信接口卡的中央处 自- k ；( c p u ) 。双口r a m 作为通信接口卡内存，它又被映射到主控讲+ 算机内存空 p ，由此来实现通信接口卡n e u r o n 3 1 5 0 芯片与主控计算机c p u 之间高速数据 廷，从而完成主控计算机和现场总线系统通信。 3 系统软件 与系统的总体结构和硬件结构相对应，监控系统又可分为现场控制软件 智能节点软件) 、通信接口卡软件、主控计算机监控软件。它们的结构关系 目2 - 6 所示。 1 2 图2 - 6 监控系统软件结构图 l o n w o r k s 网络智能节点监控程序用n e u r o n c 语言编写，主要用于实现对现 场设备的控制，获取现场信息，并把现场监控信息发送给主控计算机。智能节点 与主控计算机约定通信 2 3 3 1 智能节点软件 l o n w o r k s 网络智能节点监控程序用n e u r o n c 语言编写，主要用于实现对现 场设备的控制，获取现场信息，并把现场监控信息发送给主控计算机。智能节点 与主控计算机约定通信协议和软件接口方式。其功能包括总线通信、设备自检 与故障诊断、监测与控制执行等。 协议和软件接口方式。其功能包括总线通信、设备自检与故障诊断、监测 与控制执行等。 2 3 3 2 通信接口卡软件 l o n w o r k s 网络通信接口卡程序用n e u r o n c 语言编写，完成主控计算机与现 场总线网络通信。当主控计算机要向网络发送数据时，只需按照与智能节点约定 的通信协议将命令和数据写入双口r a m ，通信接口卡n e u r o n 芯片读取双口r a m 中的命令和数据，按照主控计算机的要求把信息发送给现场总线上的智能节点。 当现场总线网络智能节点需要与主控计算机通信时，智能节点先把数据发送给 通信接口卡，然后通信接口卡将接受到的数据按照与主控计算机约定的通信协 议存放在双口r a m 指定的区域，主控计算机读取双口r a m 中的命令和数据进行处 理，完成主控计算机与现场总线智能节点通信。 2 3 3 3 主控计算机监控软件 主控计算机监控软件是在w i n d o w s 平台上用v i s u a l c + + 编写的，采用面向 对象的编程方法，通过对工程问题的归纳与抽象，生成了系统所需的若干个基本 “类”，从而使软件系统本身具有良好的扩展性。主控计算机通过现场总线获得 各智能节点监控数据，形成现场监控数据库，通过对数据库的处理，实现数据动 态显示、检索查询、存储、打印等功能。主控计算机可以设置智能节点状态参 数以及对智能节点状态进行监测，使系统实时掌握现场总线智能节点状态。主控 计算机还可向智能节点发出控制指令，使现场的控制器执行控制操作。 2 4l o n 帅r k s 技术优点 l o n w o r k s 就是当前国际上流行的一种设备网络化的标准( a n s i e i a7 0 9 1 s t a l d a r d ) 。l o n w o r k s 网络技术是美国e c h e l o n 公司9 0 年代推出的一种用于自 动控制领域的分布控制的网络技术，是用于工业设备控制的开放的数据网络， l o n w o r k s 控制网络本身是局域网，它符合i s o 的o s i 模型，又不同于普通的局域 网，它是针对控制对象研制的新型网络，其特点是与通讯介质无关。以数据交换 率和响应时间来衡量网络性能，它的网络造价十分低，每个节点比般局域网 的每个节点造价低几倍，美国人称该网为局部操作网，从一般操作网到局部操作 网的具体解决办法统称为l o n w o r k s 技术。监控点采用l o n w o r k s 总线技术的优 点主要体现在： 开放性：l o n w o r k s 协议是公开的，得到工业界的广泛接收和支持。 互操作性：凡是符合l o 嘣a r k 互操作规范的产品可以实现完全的互操作， 从而为用户提供了更多的选择，保护了用户的投资。 灵活的网络结构：l o n w o r k s 提供广泛的通讯介质支持和灵活的网络拓朴结 构，l o n w o r k s 技术支持各种常用的通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、同轴电 缆、无线通讯和红外线等，多种介质可以同一个网络中混合使用，另外还支持各 种网站拓扑结构，如总线型、星形、自由拓扑等。 布线简单：无论是节制闸、套闸或泵站，其现场设备信号( 如闸门开度、 水位、搁门器位置、雨量以及相关辅助设备等的i 0 信号) 直接通过l o 珊o r k s 通用采集控制模块挂在总线上，并通过一根双绞线采用自由拓扑的方式连接到 监测主机，布线极其简单、可靠。不仅实现控制信号的监测，同时可以监测故 障信号，实现现场设备的远程诊断。 与远程管理系统的无缝联接：现场