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基于Lon+Works技术的智能控制网络在水务工程中的应用.pdf

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江苏大学硕士擘位论文AbstractFieldbus is a brand new network integrating automatic controltechnology,which is based on the open systems interconnection model.Ithas many Mvanced characteristics such as full digital communication,intelligent feld devices,completely distributed structure and openinterconnect protoc01.Fieldbus can change the traditional automationfrom isolating ination system to distributed,intelligent controlnetwork.LON fieldbus invented by Echelon corporation in the middle of90s is a network technology used in field ofautomation contr01.It has theadvantage ofunity,open and interoperation.First this paper discusses basic concept of fieldbus.After introducingof basic theory of fieldbus,background of putting forward the task andauthor’s main works,it reviews briefly the develop course ofthe fieldbus,introduces the advanced character of fieldbus and puts forward theprospect of the fieldbus development.At last the paper introducesprogresses of water conservancy in our country.The paper detailedlydissertates the technology content of LON fieldbus chapter 3.According to the need of designing the intelligent node,it introduces thecore technology of LonWorks,including Neuron chip,fh mware ofNeuron chip,sofrware system of Neuron C language,LonWorl国development tools,discusses the theories of interopembility and thes ofrealizing the interoperability by Echelon corporation.After introducing basic theories,chapter 4 put forward a design in shanghai taihu drainage area sluice and pumping station netcontrol system using LonWorks technology.It discusses detailedly theintelligent node realization of the sluice controlling from the ways ofhardware and soRware,including core module circuit,data collectingiii江苏大学硕士学位论文circuit,power circuit.At the base of hardware circuit,the paper discussesthe data collecting and checking,function analysis and control byusing Neuron C language.Alter that the chapter introduces the bottomnetwork configuration,蜥ng forward a new that using iLONl00intemet server to connect bottom equipments.In chapter 5 the paper discusses the ways ofrealizing local illspectingfunction by using Web Access software.In this chapter it includescommunication protocol and configuration parameter of configurationsoftware and simple script language.In the end the paper brieflyintroduces the network fabric of sluice and pumping station net controlsystem based on B/S fabric.It realized real time inspection and water ination collection tothe Huangpu fiver in shanghai taihu drainage area sluice and pumpingstation net control system using LonWorks technology.By thedecision-making system we can control the sluice running in optimizeway.This system insures the shanghai prevent flood system effectively.Keyword Fieldbus,LonWorks, intelligent node, sluicecontrolling江苏大学硕士学位论文1.1引言第一章绪论计算机、自动化、信息技术的飞速发展,网络的广泛应用极大的改变了人们的生产生活方式。在工业控制领域正逐步从集散控0Distributed Control System,DCS及单纯的可编程序控制Programmable Logic Controller,PLC向现场总线控制Fieldbus Control System,FCS转变,从简单的点对点控制向复杂的网络控制转变。现场总线是一类工业数据总线,它是工业控制领域中计算机通信系统最低层的低成本网络。根据国际电工委员会IEC61158标准定义现场总线是指安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动装置/系统之间的一种数字式、串行、双向传输、多分支结构的通信网络01。这样的定义强调了现场总线的两个重要特点。首先,现场总线是数字化的通信网络。现场总线是通信技术在控制领域的应用。现场的智能仪表拥有自己的CPU,具有通信能力。智能仪表之间完全通过数字信号通信,避免了信号衰减、共模干扰和外部干扰的问题,提高了控制系统的可靠性。其次,现场总线是开放的分布式底层控制网络。现场总线是在DCS的基础上发展起来的,现场总线的智能仪表能完成基本控制、参数补偿、参数修改、报警、显示等功能,真正实现了分散控制。而且各个设备使用相同的协议,也就能够与其他设备进行信息共享,消除了传统的DCS的各个系统之间形成的“信息孤岛”的缺点,体现了开放性的特点。这也正是现场总线的本质.现场总线的另一个特点是互操作性,这就要求制定一个统一的国际标准。目前世界上现场总线的类型很多,从1984年美国仪表协会ISA下属的ISA/SP50开始制定标准以来,己经出现了FF、Lonworks、Profibus[3】、CAN、HART等几十个总线标准脚。虽然从理论上来说一种现场总线可以面向所有工业控制领域,但是鉴于技术流派、经济效益,特别是商业利益的原因,到目前为止还没有一种现场总线能覆盖所有的应用面。可以肯定,由于上述原因,多种总线并存的局面还会存在相当长的时间。江苏大学硕士学位论文1.2课胚简介太湖流域综合治理骨干工程上海部分位于上海市青浦、松江、闵行、金山四个区境内,工程范围为黄浦江干流段浦西西河泾和浦东千步泾起上游段河道以及太浦河、拦路港、红旗塘河道管理范围内的全部区域,河道总长度约90公里。区域内地势低洼,地面高度仅为2.20~3.50m上海吴淞基准,低于上海一般地面高程,易受洪涝灾害。河道两岸的配套建筑物构成了沿河地区一线防洪控制工程,形成太湖流域洪水东排长江的全封闭“洪水走廊”,承担着太湖及太湖流域上游地区的泄洪、排涝以及上海市的引清输水与改善水环境条件等功能。在太湖流域上海部分建立水闸泵站监控系统,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、通过信息传输与处理,在决策系统支持下,作出优化调度与调控水闸泵站运行,这对于“洪水走廊”功能的有效发挥,对于确保上海市城市防洪安全和充分发挥清水资源的合理利用,具有重大的现实意义。在太湖流域水闸泵站监控系统中采用了Lonworks现场总线。实现现场闸门的就地自动控制和远程监控。Lonworks技术是美国Echelon公司九十年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术,是用于工业设备控制的开放的数据网络。监控系统中采用Lonworks总线技术的优点主要体现在l布线简单无论是节制闸或套闸,其现场设备信号如闸门开度、水位、搁门器位置、钢丝绳松动监测以及相关辅助设备的等I/O信号直接通过Lonworks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。2与远程管理系统的无缝联接现场监测主机采用Lonworks总线核心产品i,Lon 100 intemet服务器,该服务器是Echelon公司和思科公司联合开发的高性能的网络接口。它既可以作为现场控制器,也可以连接LonWorks网络到企业珥网络或者Intemet。由于内置了一个Web Server,因此允许通过Web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监控中心相互集成的SO舭VⅪL Web Services接口,通过该接口可以实现在当前最流行的MicrosoR.Net架构下实现组态和监控功能,而该架构是一个全开放的软件平台,真正做到底层设备的扁平化、互操作性和全开放性。3技术成熟、节点开发周期短作为远程测控终端RTu,子系统监测点控制器以神经元芯片Neuron Chip为核心,采用与O S I开放系统互连七层参考模型2江苏大学硕士学位论文兼容的Lonmlk协议,只在应用层上需要开发,从而实现真正的分布式控制·4扩展性强Lonworks是世界上唯一支持OSI全部七层协议的现场总线技术,网络协议是开放的,其核心之一是利用“网络变量”来绑定监测点I/O信息的逻辑关系,扩展性强。t.3本人主要工作本人的主要工作如下硬件电路设计闸门控制器的硬件电路设计,包括数字量输入输出,RS485RS232转换电路,供电电源电路,复位电路。在设计时要注意按照神经元芯片的要求选择与神经元芯片兼容的硬件,同时要注意电源的滤波、抗干扰设计,复位电路的可靠性。整个硬件电路要充分合理的利用神经元芯片的11个I/O口。Lonworks网络配置利用iLonl00 Internet服务器进行底层网络组网,将闸站现场的各个监控设备配置到Lonworks网络中来。软件部分设计Neuron C程序设计要充分的考虑到闸门控制的各项因素。保证控制逻辑的高可靠性。同时利用网络变量将闸门现场的数据如闸门位置,水位等发送到LON网络上。利用组态软件实现远程监控通过监控软件WebAccess中添加的s0AP/ⅪV【L通讯协议,从各现场的iLON 100服务器中直接采集现场实时数据和运行状态参数。通过脚本语言编辑实现人机界面。江苏大学硕士学位论文第二章现场总线控制系统随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次,覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展,引起了自动化系统结构的变革,逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。2.1现场总线的发展20世纪50年代前,第一代过程控制体系结构出现嘲.随后的25年,第二代过程控制体系使用的是4~20mA的模拟信号。到了70年代,人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机,从而产生了集中式控制,即第三代控制体系结构。集中控制是以计算机为基础加上扩展I/O接口而构成。这一代控制系统初步采用数字信号代替模拟信号提高了控制系统的精度和信号传输的抗干扰能力。但是由于当时的计算机价格昂贵,人们企图用一台计算机代替所有用于过程控制的仪表,用一个操作员控制台代替原来庞大的模拟仪表盘。这种系统使得控制操作变得异常简单,操作台上只有数字显示和一些按钮,一个控制回路的参数能作为操作条件的函数。另外用专用的非常简单的DDc语言编程,使用者只需将有关参数填入相应的表格。但是当时的计算机可靠性还较差,一旦计算机出现某种故障,就会造成所有的控制回路瘫痪、生产停止的严重局面。因此这种危险高度集中的控制系统很难被人们所接受。到了80年代,由于微处理器被嵌入到各种设备中。使设备具有了智能化,于是产生了分布式控制,即第四代过程控制体系结构DES州“1。它针对集中式控制系统风险集中的弊端,把一个控制过程分解为多个子系统,由多台计算机协同完成,采用阶梯式控制结构,具有现场级的控制单元。现场控制单元中的I/0模块接收来自现场设备的4~20mA模拟信号,再将其转换为数字信号传送给控制单元。同时接收来自控制单元的指令,转换成相应的控制信号,指挥现场设备完成控制功能。集散控制系统DCS的确切定义没有形成一个明确的标准。目前比较常用有两种理解方式4江苏大擘硕士学位论文第一种是广义上的,从DCS的字面语义上理解的,控制器通过某种通讯协议能实现相互之间进行数据交换,并能实现“管理集中,控制分散”功能的控铜系统就可以称为集散控制系统DCS;第二种是狭义上的,相对于PLC而言的。集散型控制系统源于模拟仪表技术,在运算放大器的基础上得以发展的,侧重于模拟量处理。过去在复杂的过程控制中流程工业的控制系统一般选用集散型控制系统DCS,他们一般是一些国际大公司专门研发的功能很完善的一整套控制系统。DCS产品在电力、石化、化工等行业发挥了重大作用,但是国际上DCS产品的生产专有化和价格的高昂;由于整套系统的各种产品都由自己研发,存在产品更新慢、通讯协议采用自己的专用协议各公司都有各自的标准,缺乏通用性和系统的开放性,这些都严重阻碍了DCS的普及和技术改造。在80年代中期,国外就提出现场总线的概念。原始的现场总线思想非常简单,它针对传统集散型控制系统DCS的问题,希望用一个开放的独立于产品厂家的多回路通信系统来取代4~20mA的电流标准。到了90年代,由于电子技术和计算机技术的高速发展,现场总线的技术条件才得以完善。叫”2.2现场总线概述根据国际电工委员会mC和美国仪表协会ISA的定义,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络嘲。它的关键标志是能支持双向,多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络集成式全分布式控制系统,同时它又是一种低带宽的底层控制网络,是CIPS/CIMS计算机集成过程系统/计算机集成制造系统的最底层“”。现场总线一出现,就受到了各方面的关注。国内外各大著名的自动化厂商出于各自利益的考虑,都研究并开发了各种各样的现场总线产品。于是出现了多种现场总线的企业标准、集团标准和国家标准。1999年底,IEC通过了FF、Profibus、ControlNetce】等八种国际总线标准。现场总线表现为一种通信网络现场总线符合自己的通信协议,并最终表现为具体的设备。正确地理解现场总线,应该从本质特征上来考虑。现场总线的本质含义表现在以下几个方面;江苏大学硕士学位论文1、现场总线是一种数字化通信网络。这方面的特征是现场总线在控制领域带来革命性变化的本质基础。现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备,是一种用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。在此基础上,出现了各种现场总线通讯协议,包括FF、HART、Profibus、CAN、LonWorks等等。对应每一种协议,都有支持厂商和各种硬件和软件以及系统产品。网络数字化,是现场总线应用的本质之一.正是因为实现了数字化,才导致了双向通讯、通讯多变量,从而控制分散,管理分散。2、现场的核心是总线协议,即总线标准。一种类型的总线,只要其总线协议一经确定,相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言,各类总线都是一样的,都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据.但由于各种原因,各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线满足可互操作性要求,使其成为真正的开放系统,在IEC国际标准,现场总线通讯协议模型的用户层中,就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作,每个现场总线装置都用装置描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器,它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息,并且与主站无关,所以可以使现场装置实现真正的互操作性。3、现场总线的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑,是基础。道理很简单,FcS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议,即相关的通讯规约,不具备数字通信功能,那么所谓双向数字通信只是一句空话,也不能称之为现场总线控制系统。再一点,现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品,那么现场总线控制系统的特点也就不存在了,所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的.4、现场总线系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统,无论是采用1CS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上,采用现场总线后,可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少,甚至增加了,而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力,另一方面要让大量信息在现场就地完成处理,减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。6江苏大学硕士学位论文5、减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此,网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点,放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的话,应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张,稍微减少一点信息的传输就够用了,那就应选减少信息传输的方案。现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块,虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别,但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块,是系统组态所要解决的问题。考虑这个问题的原则是尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。嘲Ⅲ嘲2.3当前流行的现场总线现状现场总线最早产生于1984年,随后各大组织在大型跨国公司的支持下为了维护自己的利益,为了能在现场总线的市场竞争中抢占制高点,纷纷制定自己的标准,形成了目前现场总线百家争鸣的局面。在1999年底ICETC65负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会通过了FFFoundation Fieldbus,基金会现场总线、ProfibusProcess Fieldbus、WorldFIP、PNet、FF HSE、Swift Net,World FIP等8种国际总线标准。同时虽然在现场总线IEC61158中只包括上述8种,但是如LonWorks、CAN、HART、Device Net、BAC Net等都有自己的应用背景,而且在自已的领域产生了一定的影响,都在积极增强自身的竞争能力,他们不会轻易放弃自己的总线标准和市场份额。因此,在今后很长一段时间内,各大总线将会相互竞争,共同发展,每种现场总线将形成其特定的应用领域,最终能占有市场的总线将集中在少数几种有竞争力的总线上。标准众多为用户选择造成了极大的不便。从目前典型的现场总线来看,FF总线技术是针对工业过程自动化来开发的,该协议在满足工业现场环境、安全环境、总线供电等方面有全面考虑,工业控制领域的最佳选择FF现场总线技术。LON总线技术可拥有电力线载波收发技术等独特优势,并消除了布线复杂度可直接与Ethemet联接,具有通讯速率高、通信距离远的特点。在应用层给用户很7江苏大学硕士学位论文大的自由度,有很好的灵活性。因此,很适合于城市信息化、楼宇自动化以及电力自动化领域。目前在世界范围内已经被推广应用于楼宇自动化、城市信息化、电力自动化领域。但是由于其在工业环境和防暴方面考虑不够,目前还不是很适合应用于工业过程自动控制领域。CAN总线技术具有实时性好,抗干扰能力强,自动出错处理及故障保护功能的技术特点,可应用于环境复杂、可靠性要求高的领域。目前主要应用于测控测试仪器、执行机构的通信,他应用于过程自动化还不够成熟,适合于汽车电子铡控网络和野外检测控制网络。HART协议总线技术实际上不是真正的现场总线技术,它保留了4~20mA的模拟信号,既确定了用户原有投资的有效性,也让用户对现场智能仪表有深刻的体会在国内大量使用模拟仪表,工业现场仪表没有完全智能化的今天,采用HART仪表作为一种过渡很具有现实意义。在断续控制为主的自动化控制领域Profibus是较优的现场总线。2.4现场总线发展的趋势现场总线发展到今天,关于标准的争论已经告一段落。但是计算机通信技术的飞速发展,为现场总线技术带来了新的亮点。2.4.1以太网引入现场总线领域以太网目前在公用数据网络中已经非常成熟了。过去人们认为以太网的信道分配方式采用l一持续的CSMA/CD带冲突检测的载波侦听和多路访问协议Ⅲ,因此它是不确定的,不适合实时性要求较高的场合应用;又因为以太网不提供电源,必须要有额外的供电电缆,不是本质安全系统。所以,人们在工业领域一直不敢采用以太网。今年来网络技术发展迅速,上述问题都已得到基本解决1采用交换机,接入网络的节点各自独占一条线路。避免了冲突2采用高速背板交换或微处理器交换,响应时问是确定的。据ARC公司的分析, 126个节点的100-交换式以太网的响应时间是23Ⅲs,几乎可以满足各种控制系统的要求。
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