LonWorks現場總線控制系統的軟硬件全面解決方案

摘　要：介紹了基于LonWorks現場總線技術的控制系統的軟件及硬件解決方法，提出了對LonWorks節點圖形化編程以及實現Infranet到Internet一體化的技術方案。
　　關鍵詞：現場總線控制系統（FCS），LonWorks，IEC1131-3，現場控制網絡，國際互聯網

The Hardware and Software Total Solution for
a LonWorks Based Control System

　　Abstract：A map road of the hardware and software total solution for a LonWorks based Fieldbus control system（FCS） is introduced,the methods of programming the LonWorks nodes and integrating Infranet and Internet are provided.
　　Key words：Fieldbus control system （FCS）,LonWorks,IEC1131-3,Infranet,Internet

　　什么是PLC和DCS之后最具生命力的控制系統設備？現場總線控制系統,也就是FCS。
　　FCS系統最感性的特征是：構成自動化系統的各種傳感器、執行器及控制器通過現場控制網絡聯系起來，通過網絡上的“對話”完成傳統系統需要硬件連接才能傳遞的信號，也正是通過這種“對話”完成彼此的協調，從而實現自動化控制。FCS系統以其網絡化、標準化、開放性和可互操作等諸多技術優勢向傳統的控制系統裝備發起挑戰，其帶來的不僅是控制裝備的技術更新，更是工程設計方法的革命。
　　在FF，Profibus, Interbus, CAN等諸多現場總線技術中，LonWorks現場總線是唯一一種涵蓋Sensor Bus、Device Bus和Fieldbus三種應用層次的總線技術，另外LonWorks支持雙絞線、電力線、電話線、紅外光、無線電及光纖等多種傳輸介質，從而使LonWorks技術廣泛地應用到電力系統、樓宇自動化、輕工、食品、環保及其他傳統的工業控制領域。通過LonMark認證的LonWorks產品，無論來自哪一個制造商，都可以達到“無縫連接”，實現互操作。
　　EIC2000開放控制系統正是基于LonWorks現場總線的FCS系統，它豐富的硬件系列產品及標準化的軟件，為用戶提供了一個FCS的全面解決方案，真正實現了從Infranet到Internet的一體化。

1　EIC2000開放控制系統的系統結構
　　EIC2000開放控制系統的系統結構如圖1所示。

圖1　EIC2000系統結構圖
2　EIC2000開放控制系統的產品構成
2.1　硬件
　　．LonWorks現場智能儀表
　　．LonWorks智能控制器和智能IO（Smart Controller/Smart IO）
　　．LonWorks復雜控制器及網關LonPLC
　　．LonWorks網絡選件
　　所有EIC2000的硬件產品都有神經元芯片（Neuron chip）及LonWorks網絡接口，出廠時都有預加載程序，大體上完成4部分功能，即上電自診斷、故障統計與報警、輸入輸出及通信。除此之外，還可以通過LonWorks網絡遠程下裝用戶自定義程序。
　　LonWorks現場智能儀表有溫度變送器和壓力變送器。
　　EIC2000智能IO完成現場信號的采集和驅動，以獨立工作的模塊方式提供給使用者，每個模塊可接16或8路現場信號，信號類型有開關量輸入輸出、脈沖量輸入、標準模擬量輸入（0～20 mA, 4～20 mA,0～2.5 V,0～5 V）、標準模擬量輸出（0～20 mA,4～20 mA, -5～+5 V，0～10 V）、RTD和熱電偶。
　　EIC2000的智能模塊中，有2個非常有特色的產品：時鐘模塊SCH-10和網絡變量顯示模塊LonMeter。前者為系統提供同步時鐘和完成一些時間相關的調度算法，后者為現場設備提供一個觀測的“窗口”。LonMeter帶一個LCD顯示屏，可背光顯示，亮度可調，4行顯示，每行16個字符，可同時顯示4個網絡變量測量值及提示信息，并可按鍵翻屏，滾動顯示60個網絡變量，從而解決了許多系統難以解決的現場觀測問題。
　　EIC2000智能控制器帶有多種類型的現場信號接口，可以完成一定的控制功能，如回路調節，邏輯控制等，一般安裝在被控制對象（馬達、罐體等）旁邊，并通過LonWorks網絡與其他EIC2000設備或計算機連接起來。
　　LonPLC是一種軟PLC（SoftPLC），用符合IEC1131-3標準的PLC編程平臺IsaGraf編程，沒有直接的現場信號接口，現場信號的數據都是通過LonWorks網絡從Smart IO或Smart Controller獲取，一般用來完成大范圍內的控制與聯鎖，LonPLC與Smart IO或Smart Controller構成的系統規模可任意擴展或裁剪。
　　網絡選件指的是PC機LonWorks適配器PCLTA-10/SLTA-10、路由器和網絡終端器，其概念及用法與普通雙絞線以太網相應的產品類似。
2.2　軟件
　　．LonWorks節點圖形化算法組態：OnLon
　　．LonWorks網絡管理軟件：VisualLon
　　．LonWorks到Internet接口軟件：WebLon
　　．人機界面軟件及其驅動程序（推薦Intouch和LNS DDE Server）
　　用EIC2000構成系統，必須具備VisualLon 和 LNS DDE Server，如果還需要在Smart IO 或Smart Controller中編寫自定義的控制算法，還必須用到OnLon。
　　VisualLon和OnLon是工具類軟件，只在工程設計或維護時需要，系統正常運行時只需人機界面軟件及其驅動程序，而且工程中每用到一臺PC機，就要相應地購買一套人機界面軟件及其驅動程序。
　　VisualLon和OnLon是通用的LonWorks系統工具軟件，不僅適用于EIC2000，也適用于所有符合LonMark協議的產品。
　　VisualLon提供LonWorks節點的安裝、節點替換、節點測試、程序加載、網絡變量綁定等網絡管理功能，還提供節點的網絡變量讀取、修改及節點配置參數的設定功能。
　　OnLon是全世界第2個對LonWorks節點圖形化編程的軟件，它符合IEC1131-3標準，用功能方塊圖編制控制程序，編譯后下載到LonWorks節點上。除此之外，OnLon還提供Neuron C編程環境，用戶可以用此功能編程自己的功能塊，并加到OnLon的功能塊庫中。
　　OnLon提供的編程及調試環境，能滿足用戶一般的應用及開發需要，用易于使用的軟件代替昂貴復雜的開發設備是OnLon的根本出發點，這一點對應用工程師來說，尤為重要。OnLon提供的標準功能塊分6種：
　　．算術運算（加、減、乘、除、開方、均值、移位等）
　　．邏輯運算（與、或、非、比較等）
　　．控制運算（PID、濾波器、比較器、放大器、觸發器、雙速、死區等）
　　．共享功能（鎖存、時鐘、折線等），這些功能塊向用戶開放Neuron C代碼，使用者可以在基礎上修改形成新的功能塊
　　？ 網絡變量功能塊，提供一個方便直觀的對話環境，讓用戶通過簡單的選擇，完成網絡變量的命名、類型的選擇、存儲方式及網絡屬性的配置，通過這種功能塊定義的網絡變量符合LonMark標準
　　？ 硬件輸入輸出功能塊，這是唯一與承載算法的硬件相關的功能塊，在這一交互式環境中，用戶選擇所用的硬件類型，指定IO口及其掃描時間。不同廠家的硬件產品提供不同的驅動軟件，OnLon接受2種形式的驅動軟件：庫函數和Neuron C代碼，因此OnLon不僅可以用在EIC2000系統中，也可用到任何一種基于3150 Neuron Chip的LonWorks產品中。
　　到目前為止，OnLon能提供57種標準功能塊和6種自由共享功能塊。OnLon功能塊還將不斷地擴展。除OnLon開發者開發新的功能塊以外，還向全世界OnLon使用者征集自由共享功能塊和購買OEM功能塊，使這一中國人開發的軟件不斷完善，成為世界級的精品軟件。 OnLon編譯后的最終代碼是基于時間周期性執行的。系統提供秒級和毫秒級2個基本時鐘，每個模塊的執行周期可由用戶設置。

3　從Infranet到Internet的一體化
　　Internet技術將改變人類的生活方式，自動化控制系統當然不能例外。Wonderware公司的SCOUT,Intellution公司的FIX Internet, PC Soft International,Inc的WIZCON for Internet以及EIC2000的WebLon都是這一理念下的成果。
　　Internet的本質在于網絡化，FCS系統的實質正是網絡化。現場控制網絡（Infranet）到國際互聯網（Internet）的一體化，就是要通過Internet網獲取和修改控制系統的信息，從而在最大的外延上體現分布式控制系統的內涵。
　　WebLon結構如圖2所示，它運行在Windows NT平臺上，實現EIC2000和Internet的連接。 從圖中可以看出，運行WebLon的PC必須同時運行HTTP Sever，必須有LonWorks網絡適配器和TCP/IP網絡接入設備（網卡、路由器或modem）。

圖2　WebLon結構圖
在瀏覽器一端的PC上，必須有一個能運行Java程序的瀏覽器（IE4.0或Navigator4.0以上版本均可以）和一個事先設計好的Web頁面。
　　Web頁面可以用任何一種頁面設計工具設計，由一系列Applet組成頁面的主體，WebLon提供的Applet有兩類，即代理Applet 和界面Applet。
　　界面Applet通過WebLon Server實現對LonWorks網絡的訪問和進行可視化處理（如實現工業動畫、趨勢圖等），而代理Applet統計頁面中界面Applet的數量，并把它們用到的網絡變量清單提交給WebLon Server。一個頁面中只有一個代理Applet，但可以有任意數量的界面Applet，從而形成豐富多彩的“活”的瀏覽器界面。
　　由于Internet開放性所帶來的安全性問題，WebLon中設計了完善的訪問授權機制。
　　WebLon 除了其技術上的優點外，經濟上最主要的好處是只要一套軟件（WebLon），通過Internet技術允許在任意地點有任意多的PC對EIC2000系統進行監控，而全部免費。

4　結論
　　EIC2000已經在山東無名啤酒廠、貴陽啤酒廠、杭州傳化、華北制藥廠等地應用，領域涉及食品、化工、輕工及樓宇自動化，最近又在實施儲油罐監測系統、城市污水處理系統工程。
　　FCS必將對傳統的PLC和DCS產生強烈的沖擊，對我國的自動化系統制造商來說，無疑是巨大的機會，EIC2000以其全面的解決方案和Infranet到Internet的一體化，為FCS系統國產化進行了成功的實踐，對我國用電子技術改造傳統產業作出積極的貢獻。

作者單位：北京冶金自動化院智能裝備所（100071）

參考文獻

　[1]Lewis R W.Programming industrial control system using IEC1131-3.The Institution of Electrical Engineer
　[2]Gesytec G H.Easylon Tools for intelligent networking：Gesytec Brochure