基于LongWorks供水系统的设计

1  引言

近年来，运用网络化监控分散智能仪表设备，广泛应用于楼宇智能化。本文介绍并采用研华的webaccess组态软件开发人机界面，基于longworks工业总线技术，实现网络化监控楼宇分布式恒温恒压供水系统的设计。 

2  lonworks技术及其应用概况

美国埃施朗公司(echelon)公司于1991年提出了lonworks(local operating networks,局部操作网络)网络,简称l0n网。lonworks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制网络技术，其核心是采用neuron芯片和lontalk协议。lonworks 2006年被接受转化为中国国家标准gb/z 20177－2006 《lonworks asni/cea709及ansi/cea 852》。

2.1 支持osi七层模型的lontalk协议

lontalk协议是lon总线的专用协议，是直接面向对象的网络协议，它支持osi七层模型，在lontalk的七层协议中，介质访问方式为p-p csma(predictive p-presistent csma)，采用网络逻辑地址寻址方式，优先级机制保证了通信的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。

2.2 有通信和控制功能的neuron芯片

neuron芯片内置现成的i/o对象和固化了完整的lontalk协议。芯片内部有3个8位cpu、11个编程i/o口、5个网络通信端口，不仅具有强大的通信功能，更集采集和控制于一体。

2.3 开放性

lonworks支持多种通信媒介，如双绞线、同轴线缆、光纤和无线微波等；支持任意自由拓扑网络结构，组网络拓扑结构可以是任意形式，可以是星型、树型、网型等，实现真正的点对点通讯，网络节点之间使用逻辑连接，这使得系统中节点的增加、修改很容易，便于系统调整和扩充升级。

由于lonworks在组建分布式监控网络方面有优越的性能，到目前为止,使用lonworks技术的生产厂家已经超过3000多家，世界大的楼宇控制公司,如霍尼维尔、安德沃、西比、江森、兰吉尔、萨切维尔等都正在采用lonworks技术改造产品。lonworks技术已大量应用于现代化楼宇、工业、农业、医疗和交通运输业等。

3  advantech webaccess简介

advantech webaccess是研华公司基于浏览器的hmi和scada组态软件，基于web浏览器的客户端既可监视又可控制。advantech webaccess区别于其它软件的最大特点就是，全部的工程组态、数据库设置、图像制作和软件管理都可以通过internet和intranet在异地使用标准的浏览器完成。它采用分布式结构体系，每个监控节点都可以独立运行或与其它监控节点组成一个大型工程。使用webaccess更快速的配置lonworks网络并且增加系统可靠性。
 
4  供水系统硬件组成

楼宇分布式恒温恒压供水系统主要工艺流程如图1所示，采用增压泵p6、p7供给冷水；采用增压泵p3、p4提供水源，经换热器供给热水，其中p3和p6带变频器调节。监控网络如图2所示，其核心是采用安拓晋科技的lonworks总线控制器：一个cpu单元、一个四路模拟量输出单元fio-4ao、一个8路模拟量输入单元fio-8ai、两个4路输出和4路输入的数字量单元fio-d8x。利用lonworks总线控制器的pid功能，自动调节变频器、电动调节阀和加热调压器，实现恒温和恒压供水。

图1  供水系统工艺流程图
 
5  系统软件开发

5.1 lonworks网络开发

lonworks网络使用nodebuilder3.1开发工具开发。nodebuilder开发工具是一个为neuron芯片和埃施朗公司智能收发器开发应用程序的硬件和软件平台，nodebuilder工具包括nodebuilder软件和lonmaker集成工具，开发过程为：

(1) 配置网络接口ilon100：本系统lonworks网络通过lonworks网络适配器卡与上位机连接。ilon100的配置主要是设置网络接口名字，为lonmaker提供网络接口，设置的具体内容包括：接口类型、ip地址和端口号。

(2) 创建lonworks网络及节点：使用lonmaker平台创建一个lonworks网络，并增加一个节点。检索该节点的loncpu可以获取硬件的网络变量表。图3为本系统的部分变量表，表中可以看到有8路数字输出的网络变量和4组pid,以及他们的当前值，改变网络变量的值，就可以测试网络上的设备。



图2  供水系统监控网络结构图

(3) lonworks编程：nodebuilder软件是基于neuron芯片的软件工具，设备应用程序采用neuron c语言编写，其主要的特点就是引入网路变量，网路变量的传送是通过lontalk协议完成的，对用户是透明的，网路变量提供了一个非常灵活的由系统节点操作分布数据的方法，应用程序开发者可忽略网路变量传送的目标地址、打包拆包、报文缓冲区、节点寻址、请求/响应/重发等低层的网路操作，网路变量简化开发和安装分布系统的过程；而任务调度是由事件驱动(event driven)运行客户提交的任务。系统的关键程序如下：

定义网络变量。根据检索loncpu获取硬件的网络变量表，定义对应的网络变量类型及名称，就可以对硬件进行读写。

config network input   snvt_count nciio_scan=1000;
//系统扫描时间1秒
network output  snvt_state nvo_module_di[2];
//数字量输入模块变量
network input  
snvt_count  nvi_module_do[8]={1,1,1,1,1,1,1,1};
//数字量输出模块变量(与图3网络变量表对应)
network input   snvt_count  nvi_module_ao[4];
//模拟量输出模块变量
network output  snvt_count  nvo_module_ai[8];
//模拟量输入模块变量
network output  snvt_count  nvomodulestatus[4];
//各模块状态指示
network input   snvt_count  nvi_setpoint[4];
//pid运算设定值
network input   snvt_count_inc nvi_p[4]={1,1,1,1};
//pid调节参数p(与图3网络变量表对应)
network input  
snvt_count_inc nvi_i[4]={10,10,10,10};//pid调节参数i
network input   snvt_count_inc nvi_d[4];//pid调节参数d
network input   snvt_count nvi_cal[4]={100,100,100,100};
//pid运算值过程量
network input   snvt_count  nvi_control_flag=0;
//1为可以开启设备运行
使用when()语句定义定时器事件timer_expires，定时读写网络变量数据，实现对硬件设备控制，下面介绍恒压供热实现程序。
when (timer_expires(io_scan_timer))// io_scan_timer定时值
{
……
//////////////增压泵p3的pid控制///////////////////
if(nvi_control_flag) {
pid_control_flag[0]=1;//启动第一组pid计算标志位
nvi_module_do[3]=0;// 启动供热恒速泵p4
pid_count();/////pid计算控制
}
else
{
all_device_off();//////关闭所有设备
}
///////////////供热恒速泵p4控制//////////////////
if((nvi_module_ao[0]>4000)&(nvi_setpoint[0]>pid_in[0]))
{//如果对变频器输出工程量大于4000(最大调节量4095
//对应50hz)而且pid设定值大于测量值
if(pump_open1_time<14) {
pump_open1_time++;
if(pump_open1_time>=10)  { //持续时间大于等于10妙
nvi_module_do[3]=0; // 启动供热恒速泵p4
}
}
   }  
else
   {
  pump_open1_time=0;
   }
if((nvi_module_ao[0]<200)&(nvi_setpoint[0]< p>
{//如果对变频器输出工程量小于200而且pid设定值小
//于测量值
if(pump_close1_time<14) {
pump_close1_time++;
if(pump_close1_time>=10)  {//持续时间大于等于10妙
nvi_module_do[3]=1; //停止供热恒速泵p4
}
   }
   else
   {
 pump_close1_time=0;
   }
……
}

5.2 系统人机界面的开发

系统人机界面的开发平台是advantech webaccess，webaccess的网络架构共由3部分组成：工程节点、监控节点、客户端。

(1) 工程节点：工程节点是一个普通的web服务器，需要设置它的ip地址、http端口、tcp端口。

(2) 监控节点：主要是设置与硬件设备通信接口和连接的硬件设备，可以通过串口、以太网或其他通讯接口实时地和自动化设备进行通讯，webaccess提供一系列硬件设备驱动程序，包括plc、单片机、ddc、dcs、输入输出设备和echelon的lonworks现场总线设备。

(3) 全功能客户端：webaccess使用active x技术提供实时数据、趋势和动态的图表文件。


图3  网络变量表(部分)
 
6  结束语

经过调试，基于longworks总线控制器的恒温恒压楼宇供水系统，能够与现场设备正常通信，调节性能好，人机界面直观地显示系统的动态数据和图表，并且通过internet实现远程监控。本系统设计也适用于火电厂、工厂的恒温恒压供水系统，其工艺流程稍有增减，但控制系统也可采用本文介绍的设计方法实现。 

参考文献
[1] 刘泽祥. 现场总线技术. 北京：机械工业出版社，2005.