基于LonWorks的管控一體化系統的設計和實(shí)現

關(guān)鍵詞：LonWorks；管控一體；自動(dòng)抄表

以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的
管控一體化系統
現場(chǎng)總線(xiàn)是一種新型的以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網(wǎng)絡(luò )為主要內容的綜合技術(shù)。一方面，它把單個(gè)分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，以現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)控制網(wǎng)絡(luò )系統，另一方面，它有和計算機系統相互通信的協(xié)議標準，可以和上層的管理信息系統進(jìn)行集成和互操作。圖1表示了基于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)的管控一體化系統的結構。
(1)現場(chǎng)控制層： 由傳感器、執行器等智能儀表構成。
(2)過(guò)程控制層：完成基于GUI的監控功能。
(3)信息管理層：完成信息管理、生產(chǎn)決策等功能。

管控一體化系統設計實(shí)例
為了對管控一體化系統的設計和實(shí)現進(jìn)行實(shí)踐性的研究，我們設計了自動(dòng)抄表和收繳費信息管理系統。
系統概述
系統采用TCP/IP(TCP/IP協(xié)議)技術(shù)和LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(LONTALK協(xié)議)，使得網(wǎng)絡(luò )拓撲結構具有良好的可靠性和可擴展性。軟件采用動(dòng)態(tài)數據交換技術(shù)(DDE)和Windows可視化編程技術(shù)，實(shí)現了實(shí)時(shí)監控和信息管理二者的集成和融合，并保證了軟件的可擴展性。整個(gè)系統的結構如圖2所示。
整個(gè)系統包括：
TCP/IP網(wǎng)絡(luò )數據交換機;數據服務(wù)器;自動(dòng)抄表服務(wù)器;LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )路由器;抄表控制器;遠傳表。
抄表控制器的設計和實(shí)現
我們利用LonBuilder開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行了抄表控制器的設計，包括硬件和軟件兩部分，硬件以Neuron芯片為核心元件，軟件采用Neuron C語(yǔ)言進(jìn)行編制。抄表控制器能夠對電表輸出的數字脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)將脈沖數通過(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò )傳輸給上層的監控軟件，另外還可以接受監控軟件的命令對電表進(jìn)行實(shí)時(shí)的關(guān)斷控制。

圖1 基于LonWorks的管控一體化系統的結構

圖2 自動(dòng)抄表及收繳費管理系統結構

圖3 自動(dòng)抄表控制器的硬件接口圖

硬件設計
Neuron芯片我們選用MC143150，LonWorks收發(fā)器選用FTT-10A，LonWorks通信介質(zhì)選用雙絞線(xiàn)。利用MC143150的通訊口(CP0——CP4)和FTT-10A相連完成與LonWorks網(wǎng)絡(luò )的通信，利用MC143150的I/O口(I/O0——I/O10)與遠傳表和關(guān)斷開(kāi)關(guān)相連，完成數據采集和關(guān)斷控制。圖3為節點(diǎn)的硬件接口框圖。
軟件設計
LonWorks抄表控制器軟件的主要功能是：對遠傳電表的輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和計數，并根據監控程序傳來(lái)的關(guān)斷命令關(guān)斷相應電度表的用電電路。軟件中使用了網(wǎng)絡(luò )變量、I/O對象、自定義事件等，其中的關(guān)鍵點(diǎn)是：
?網(wǎng)絡(luò )變量和EEPROM存儲類(lèi)型數據
抄表值輸出網(wǎng)絡(luò )變量NVO_DATA：這是一個(gè)用戶(hù)自定義的結構類(lèi)型的輸出網(wǎng)絡(luò )變量，它用來(lái)存放與此抄表控制器相連接的最多4個(gè)電度表的脈沖輸出累加值。
關(guān)斷控制器狀態(tài)網(wǎng)絡(luò )變量NVI_STATE：這是一個(gè)整型的標準網(wǎng)絡(luò )變量，它的值反映了四路關(guān)斷控制開(kāi)關(guān)Ki(i=1，2，3，4)的狀態(tài)。NVI_STATE表示為二進(jìn)制數為0000N4N3N2N1，Ki的狀態(tài)對應NVI_STATE的第i位(Ni) 。當Ni為0時(shí)表示Ki 斷開(kāi)，相應的用電電路斷開(kāi)，當N1為1時(shí)表示Ki 關(guān)合，相應的用電電路通暢?？梢酝ㄟ^(guò)此狀態(tài)的變化進(jìn)行用電電路的關(guān)斷控制。
兩個(gè)EEPROM存儲類(lèi)型的數據：一個(gè)是用于存儲電脈沖累計值的unsigned 數組sum，另一個(gè)是用于保存關(guān)斷狀態(tài)的整數變量state。將它們放入EEPROM存儲器中，而不是放入RAM中，這樣當節點(diǎn)掉電時(shí)，其值不會(huì )丟失。
?I/O對象
IO0-IO3被定義為leveldetect I/O對象，用于檢測遠傳電表發(fā)來(lái)的脈沖，該對象可以以最小間隔200ns的頻率將外部TTL電平脈沖的下降沿鎖定。當檢測到脈沖的下降沿時(shí)，I/O對象的值被設定為1，可以用when語(yǔ)句對該鎖定值進(jìn)行采樣，采樣的同時(shí)清除該值。
IO4——IO7被定義為bit I/O對象，用于發(fā)出關(guān)斷命令。
?系統事件和自定義事件
Neuron C語(yǔ)言采用事件驅動(dòng)機制，當事件被用戶(hù)操作或系統命令觸發(fā)時(shí)，相應的事件程序將被執行。
系統reset事件：當節點(diǎn)上電或芯片復位時(shí)將首先觸發(fā)此事件，程序中用此事件進(jìn)行初始化工作。
脈沖采集事件：當I/O0—I/O3的數據位(dat—data4)由0變?yōu)?時(shí)將觸發(fā)該事件，用于脈沖的檢測并進(jìn)行脈沖值的累加。
關(guān)斷事件：當NVI_STATE網(wǎng)絡(luò )變量有變化時(shí)，意味著(zhù)有關(guān)斷命令到來(lái)，這時(shí)將觸發(fā)關(guān)斷事件，它將根據NVI_STATE的值置關(guān)斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
定時(shí)器事件：程序定義了一個(gè)秒計時(shí)器，用于定時(shí)的將采集數據存入EEPROM中。
圖4為軟件流程。

圖4 抄表控制器軟件流程

監控程序設計
要對底層遠傳電表進(jìn)行監控，需要具有DDE功能的Windows應用程序和支持LonTalk數據格式的DDE Server程序，我們選用 C++ Builder 5.0作為監控程序的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，應用LonManager DDE Sever完成監控程序程序和LonWorks網(wǎng)絡(luò )的底層通信。使用C++ Builder的DDE Seesion組件(DdeClientConv，DdeClientItem，DdeServerConv和DdeServerItem)，我們進(jìn)行了監控程序設計，它可以實(shí)時(shí)讀取和顯示用戶(hù)用電情況，并可根據用電用戶(hù)的交費情況計算資金結余情況，下傳關(guān)斷命令。
下面是監控程序設計時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
?建立DDE會(huì )話(huà)：使用DdeClientConv組件可以建立Windows應用程序和DDE Server的會(huì )話(huà)。因為監控程序和底層抄表節點(diǎn)的通訊是通過(guò)LonTalk網(wǎng)絡(luò )變量，所以建立DDE會(huì )話(huà)的話(huà)題(Topic)是“netvar”，對應的連接函數調用形式為SetLink("lmsrvr1","netvar")。連接建立后再用函數OpenLink()打開(kāi)會(huì )話(huà)，這樣DDE會(huì )話(huà)初始化工作便完成了。
?脈沖值讀取和用電量的換算：當DDE連接建立以后就可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數據的讀取了，程序通過(guò)查詢(xún)的方式對抄表節點(diǎn)輸出的電量脈沖累加值進(jìn)行讀取，函數調用形式為：DdeClientConv1->RequestData(cn.NVO_DATA)。然后根據電表的脈沖常數(PlusConst)進(jìn)行用電量的換算，將折合后的用電量存放到數組Count中。
?欠費關(guān)斷功能：從抄表節點(diǎn)讀出用電量后和用電用戶(hù)的預存用電量進(jìn)行比較，如果兩者的差值大于給定值(MaxCredit)，將對關(guān)斷網(wǎng)絡(luò )變量NVI_STATE進(jìn)行修改，即向抄表節點(diǎn)下達關(guān)斷命令，具體的函數調用形式為：PokeData (cn.NVI_STATE, IntToStr(New_State))
?用電情況的顯示和實(shí)時(shí)更新：用電情況分為“個(gè)表監控”和“全表監控”兩種方式在不同表單頁(yè)上同步顯示出來(lái)。同時(shí)為了實(shí)時(shí)更新數據，程序中定義了一個(gè)計時(shí)器組件，當計時(shí)時(shí)間間隔(可在程序中隨時(shí)設定)到時(shí)，將進(jìn)行脈沖的重新讀取、用電量的換算和關(guān)斷狀態(tài)重新指定等。另外，在任何時(shí)間都可以進(jìn)行手動(dòng)的數據更新操作。
自動(dòng)抄表及收繳費管理系統的設計和實(shí)現
我們在監控程序的基礎上，用C++ Builder 5.0作為開(kāi)發(fā)工具，利用它提供的數據庫支持功能進(jìn)行了“自動(dòng)抄表及收繳費管理系統”的設計和實(shí)現。它除了可以完成實(shí)時(shí)監控功能外，還可以進(jìn)行用電數據的抄收、查詢(xún)、打印等信息管理功能。
運用C++ Builde的BDE Administrator工具，我們?yōu)檎麄€(gè)系統建立了一個(gè)別名為CheckBD的數據庫，數據庫中主要含有以下數據表：
?用電用戶(hù)帳戶(hù)數據表Account.dbf：存儲用戶(hù)基本信息和帳戶(hù)信息。
?用電用戶(hù)用電數據表Check.dbf：存儲用戶(hù)的實(shí)時(shí)用電量。
?用電基本信息數據表Info.dbf：存儲電價(jià)、利率基本信息等。
?系統合法用戶(hù)數據表SysytemUser.dbf：存儲系統合法的操作員和管理員信息。
?系統操作記錄數據表Operation.dbf：存儲系統每次的使用記錄。
圍繞CheckDB數據庫，充分應用C++ Builder提供的數據庫組件，包括數據訪(fǎng)問(wèn)組件(Data Access)、數據源組件(Data Source)和數據感知組件(Data Aware)等，就可以實(shí)現此應用系統。它除包含了一般MIS系統的基本功能外，還集成了對遠傳電表的監控和抄收等控制功能。

管控一體化系統開(kāi)發(fā)設計的一般方法
通過(guò)“自動(dòng)抄表及收繳費管理系統”這一實(shí)例的設計和實(shí)現過(guò)程，我們探索出了一套基于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的管控一體化系統開(kāi)發(fā)設計的一般方法和步驟，現總結如下：
(1)運用Neuron神經(jīng)元芯片及其上的專(zhuān)用語(yǔ)言Neuron C進(jìn)行Lonworks網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)的設計，實(shí)現現場(chǎng)控制層的功能。
(2)利用DDE技術(shù)和支持DDE的高級語(yǔ)言進(jìn)行Windows下GUI監控程序的設計，完成LonWorks控制信息向信息管理系統的轉換和傳遞，實(shí)現過(guò)程監控層的功能。
(3)在信息管理層，利用數據庫技術(shù)和可視化技術(shù)進(jìn)行以監控程序為基礎的信息管理應用軟件(MIS系統)的開(kāi)發(fā)，完成控制功能和信息管理功能的集成，實(shí)現信息管理層功能。
通過(guò)這三個(gè)步驟便可以實(shí)現任何圖1所示結構的管控一體化系統。

結語(yǔ)
本文詳細敘述了一個(gè)管控一體化系統的設計和實(shí)現過(guò)程，并以此為實(shí)例進(jìn)行了管控一體化系統設計開(kāi)發(fā)一般方法、一般步驟的總結和討論。運用這個(gè)方法可以簡(jiǎn)單、快速、高效地進(jìn)行任何管控一體化系統的設計和實(shí)現?！?/P>

參考文獻
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作者簡(jiǎn)介：馬春光，講師，博士生，主要研究方向：信息安全、現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)、計算機應用。