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    案例頻道

    Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線在水閘泵站SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用
    • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:工業(yè)以太網(wǎng)     行業(yè):機(jī)械    
    • 點(diǎn)擊數(shù):2370     發(fā)布時(shí)間:2005-07-05 09:02:15
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    1、概述

        在太湖流域(上海部分)建立水閘泵站監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)黃浦江上游河道的水情和工情進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控,實(shí)時(shí)采集水情數(shù)據(jù)、通過信息傳輸與處理,在決策系統(tǒng)支持下,作出優(yōu)化調(diào)度與調(diào)控水閘泵站運(yùn)行,這對(duì)于“洪水走廊”功能的有效發(fā)揮,對(duì)于確保上海市城市防洪安全和充分發(fā)揮清水資源的合理利用,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。工程包括太浦河等四條河道沿線共36個(gè)泵閘的本地自動(dòng)控制以及相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制。

        現(xiàn)場(chǎng)閘站作為最終執(zhí)行者,不僅要完成現(xiàn)場(chǎng)水情、工情采集的功能,還承擔(dān)遠(yuǎn)程監(jiān)控的任務(wù)。同時(shí)考慮到將來還需要進(jìn)一步自動(dòng)測(cè)記潮汐、雨量以及水質(zhì)等信息參數(shù),為建立流域水動(dòng)力模型及智能化調(diào)度決策作準(zhǔn)備。

        本文采用了美國Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)閘門的就地自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控,整體結(jié)構(gòu)參見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。Lonworks技術(shù)是美國Echelon公司九十年代中期推出的一種用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),是用于工業(yè)設(shè)備控制開放的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

        閘站監(jiān)控點(diǎn)采用Lonworks總線的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:
        (1) 布線簡(jiǎn)單:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)直接通過Lonworks通用采集控制模塊掛在總線上,并通過一根雙絞線采用自由拓?fù)涞姆绞竭B接到監(jiān)測(cè)主機(jī),布線極其簡(jiǎn)單、可靠。不僅實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的監(jiān)測(cè),同時(shí)可以監(jiān)測(cè)故障信號(hào),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷。
        (2) 與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的無縫聯(lián)接:現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)采用i,Lon 100 internet服務(wù)器,該服務(wù)器既可以作為現(xiàn)場(chǎng)控制器,也可以連接Lonworks網(wǎng)絡(luò)到企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)或者Internet。由于內(nèi)置了Web Server,因此允許通過Web的方式訪問其內(nèi)置的時(shí)序調(diào)度、報(bào)警處理和數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序。此外,它還提供一個(gè)用作和監(jiān)控中心相互集成的SOAP/XML Web Services接口,通過該接口可以實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前最流行的Microsoft.Net架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)組態(tài)和監(jiān)控功能,而該架構(gòu)是一個(gè)全開放的軟件平臺(tái),真正做到底層設(shè)備的扁平化、互操作性和全開放性。
        (3) 技術(shù)成熟、節(jié)點(diǎn)開發(fā)周期短:作為遠(yuǎn)程測(cè)控終端(RTU),閘站監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制器以神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)為核心,采用與OSI(開放系統(tǒng)互連)七層參考模型兼容的Lontalk協(xié)議,只在應(yīng)用層上需要開發(fā),從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。
        (4) 擴(kuò)展性強(qiáng):Lonworks是世界上唯一支持OSI全部七層協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是開放的,其核心之一是利用“網(wǎng)絡(luò)變量”來綁定監(jiān)測(cè)點(diǎn)I/O信息的邏輯關(guān)系,擴(kuò)展性強(qiáng)。

    2、系統(tǒng)架構(gòu)

        本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)為三層架構(gòu):最底層為水位儀、開度儀等工情水情傳感器,通訊為RS-232串口通信, 使用串行網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LonWorks網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。其上一層為78Kbit/s雙絞線自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LonWorks網(wǎng)絡(luò), 這層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將各閘站的串行網(wǎng)關(guān)連接起來, 或者僅僅作為中間接口提供給上層網(wǎng)絡(luò), 這層網(wǎng)絡(luò)的中心管理單元為i.Lon 100以太網(wǎng)服務(wù)器(每個(gè)閘站用一個(gè));最上層是以太網(wǎng)或者電話撥號(hào)網(wǎng)絡(luò), 將全市或更大范圍內(nèi)的閘站連接起來, 最終集中到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心為第三層的中心管理單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        i.Lon100本身具有以太網(wǎng), 電話線(可選)和LonWorks三種接口。負(fù)責(zé)將其下的各LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息傳送到監(jiān)控中心. 在這里, 所有的LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是串行網(wǎng)關(guān)。 以太網(wǎng)絡(luò)為i.Lon 100首選路由, i.Lon100本身具有內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器, 電話撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)為其備選路由。

        除基本的網(wǎng)絡(luò)通信功能之外, i.Lon100 提供了大量的網(wǎng)絡(luò)管理功能. 例如, i.Lon100 具有報(bào)警功能塊, 在出現(xiàn)設(shè)備問題和網(wǎng)絡(luò)通信故障的時(shí)候, i.Lon100可以自行決定向上發(fā)送報(bào)警消息. i.Lon100 具有數(shù)據(jù)記錄的功能, 可以搜集網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的正常運(yùn)行信息,將其存儲(chǔ)在自己所帶的外存中, 供后續(xù)處理使用. 另外, i.Lon 100強(qiáng)大的定時(shí)邏輯功能塊可以開發(fā)比較復(fù)雜的管理功能。

        此外, 對(duì)雙絞線的LonWorks網(wǎng)絡(luò), 具體指標(biāo)見下(設(shè)備數(shù)可以通過路由器擴(kuò)展)

     拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    設(shè)備最大距離 

    終結(jié)器數(shù) 

    網(wǎng)絡(luò)帶寬 

    網(wǎng)段設(shè)備數(shù) 

     自由拓?fù)?/FONT>

     500米

     1個(gè)

     77.8K

     64

     總線型

     2700米

     2個(gè)

     77.8K

     64

    表1. LonWorks 自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

    3、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        水閘泵站SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括:本地閘站串行網(wǎng)關(guān)的開發(fā)、監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)以及組網(wǎng)設(shè)計(jì)。
        (1)串行網(wǎng)關(guān)的開發(fā)
        串行網(wǎng)關(guān)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)水位儀、開度儀等傳感器的信息轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)onworks通信協(xié)議,并根據(jù)一定的邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的自動(dòng)控制??梢圆捎矛F(xiàn)有廠商的產(chǎn)品,或者立足于自行開發(fā), 兩者的硬件設(shè)備內(nèi)容基本一致. 無論是自行開發(fā)還是外購, 神經(jīng)元芯片內(nèi)部的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序都必須自行開發(fā), 以滿足不同協(xié)議轉(zhuǎn)換的需要。
           
        如圖2所示,對(duì)一個(gè)串行網(wǎng)關(guān)設(shè)備, 印制板大體包含如下內(nèi)容:
        ● 智能收發(fā)器. 內(nèi)含神經(jīng)元芯片. 是所有LonWorks設(shè)備的核心.
        ● 電平轉(zhuǎn)換單元  負(fù)責(zé)整合RS-232信號(hào)不同的電平
        ● 外圍電路. 包含一些LonWorks設(shè)備獨(dú)有的簡(jiǎn)單電路, 如Service Pin電路, 復(fù)位電路
        ● 隔離變壓器. 保護(hù)和耦合LonWorks設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)上
        ● 電源
        所有這些設(shè)備都可以在一個(gè)很小的印制電路扳上實(shí)現(xiàn)。


        串行網(wǎng)關(guān)的軟件程序采用類似C語言的Neuron C來開發(fā). 每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序流程為類似Windows的基于事件的回調(diào)函數(shù). 每個(gè)回調(diào)函數(shù)的開發(fā)工作量視不同的應(yīng)用有所不同, 但都相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)短.對(duì)于比較有經(jīng)驗(yàn)的工程師, 很快就可以入門。

        (2)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
        監(jiān)控軟件架構(gòu)如圖3所示。中心軟件需要添加SOAP/XML驅(qū)動(dòng). 該軟件在基于Microsoft .NET軟件下開發(fā)相當(dāng)簡(jiǎn)易. 本文采用非常簡(jiǎn)潔的SOAP/XML驅(qū)動(dòng)+組態(tài)軟件結(jié)構(gòu), 其他接入都可以通過加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn). 這些軟件模塊彼此之間的拆裝不受其他部分的影響。


    圖3 監(jiān)控軟件框架

        此次太湖流域(上海部分)水閘泵站SCADA系統(tǒng)采用美國BroadWin公司的網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess。WebAccess實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的Web技術(shù)完美結(jié)合,突破了傳統(tǒng)組態(tài)軟件在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程工程維護(hù)、遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)零距離的監(jiān)控能力等功能。

        依據(jù)分中心功能需求和應(yīng)用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性的要求,整個(gè)系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

        依據(jù)分中心功能需求和應(yīng)用軟件系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性的要求,整個(gè)系統(tǒng)采用基于SOAP/XML等多種協(xié)方式并存的軟件結(jié)構(gòu)。如圖4所示。


    圖4 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)

        I類閘站的通訊方式:6個(gè)I類閘站現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用軟件利用SOAP/XML通訊協(xié)議,從各現(xiàn)場(chǎng)的 iLON100服務(wù)器中直接采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

        總中心、分中心、匯聚站間的通訊方式:分中心和匯聚站的應(yīng)用軟件利用相同原理直接讀取其負(fù)責(zé)監(jiān)控的各現(xiàn)場(chǎng)的iLON100服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),傳送運(yùn)行參數(shù)至iLON100服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)控制原理。如果某分中心下已有I類閘站的情況,則I類閘站下的數(shù)據(jù)傳遞是經(jīng)由1類閘站再送至分中心實(shí)現(xiàn)。例如:太浦河分中心的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是經(jīng)由I類閘站取得,而并非直接從現(xiàn)場(chǎng)的iLON100中讀取。

        總中心應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)來源,是經(jīng)由各分中心應(yīng)用軟件傳送上來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并通過ODBC接口將全部歷史數(shù)據(jù)寫入ORACLE數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

        市調(diào)度中心與太湖流域子系統(tǒng)的通訊方式:位于子系統(tǒng)總中心的應(yīng)用軟件將建立Web Server網(wǎng)站發(fā)布站點(diǎn),利用B/S架構(gòu)向市調(diào)度中心提供標(biāo)準(zhǔn)的HTTP訪問接口。市調(diào)度中心的操作人員使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器登錄子系統(tǒng)總中心的Web Server,可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)太湖流域子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        水閘泵站監(jiān)控界面效果如圖5所示:


    圖5 水閘泵站SCADA系統(tǒng)軟件界面

    4、結(jié)束語

        利用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線以及WebService技術(shù),不僅可以建立水閘泵站SCADA系統(tǒng),還可以為建立河網(wǎng)分片、分系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)模型提供極大便利。因?yàn)樵撃P椭谐肆髁?、閘位以及水位等參數(shù)以外,還需要考慮河道上下游邊界條件、降雨產(chǎn)流模型和水質(zhì)模型等相關(guān)參數(shù)的采集。監(jiān)測(cè)點(diǎn)這些參數(shù)信號(hào)的后續(xù)接入只需要直接掛在Lonworks總線上即可;同時(shí)對(duì)于附近水域的關(guān)聯(lián)信號(hào)可以利用“網(wǎng)絡(luò)變量”這種簡(jiǎn)單的形式實(shí)現(xiàn)水力信息的綜合處理,從而節(jié)省了設(shè)備的投入成本,提高了節(jié)點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)性和可靠性。借助于WEB Service,可以將子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息遠(yuǎn)程接入上級(jí)監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)城市水域的管理信息化。

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