控制网

柳光轩

1  现场总线
90年代初，通信部门掀起了电源集中监控潮，电源集中监控是指对通信电源设备、空调设备和环境条件（统称动力设备）进行集中监控、集中维护、集中管理，为实现机房无人值守创造一个良好的环境。
现场总线在计算机和动力设备之间架起一座通信桥梁，实现信息与设备共享。
国际电工委员会IEC给现场总线的定义是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。其基本内容：以串行通信数字信号取代传统的4～20mA模拟信号；一条现场总线可为众多的可寻址的现场设备实现多点联接；支持底层现场智能设备与高层控制系统采用公用传输介质交换信息。
现场总线的优点是：控制系统的开放性、功能下载的彻底性、信息传输的数字化。
现场总线的不足是没有形成一个统一的国际化标准，数十种现场总线标准使用户不知所向，给应用带来许多麻烦。
现场总线的核心是通信协议，不同厂家的总线模块产品，采用不同的通信协议，为了实现在Intranet下集成，需要解决通信协议的转换问题，基本对策有两种：
网关策略：经IEC制定共产生了8种现场总线标准，在现场总线的通信协议未取得一致的情况下，采用网关转换通信协议，实现不同现场总线的互联。但这样做既加大了硬件投入，又增加了网络延迟，此乃下策。协议策略：在众多的现场总线中，必有一种最适宜的现场总线应用于本系统，开发及其应用通信协议，此乃上策。
电源集中监控采用局（站）通信协议SCP，它定义了物理层、数据链路层、网络层、应用层共四层，如图1所示。

 
图1  SCP与OSI层次结构示意图

SCP应用层为原电信总局下发的前端智能设备通信协议ECP。
SCP网络层采用现场总线FB，为了与ECP协议衔接，保留了分布式控制系统DCS。
SCP数据链路层和物理层采用三种方案：
(1)  MS/TP（主从/令牌）加RS485，这是一种屏蔽双绞线局域网，为电源设备提供通信速率高达76Kbps的通信方式；
(2)  PTP（点到点协议）加RS232，提供Modem及电话线通信方式，其通信速率为9.6～56Kbps；
(3)  LON TALK协议（以下介绍）。
2  LonWorks技术
LonWorks是美国Echelon公司于90年代推出的现场总线，广泛用于设备测控系统，用来实时地测控数据量不甚多的测量信息、状态信息和控制信息，适宜于电源集中监控。
2.1  LON TALK协议
LON TALK是LonWorks的通信协议，是唯一定义了OSI模型的全部七层协议。LON TALK协议的处理器是LonWorks的核心，称为Neuron（神经元）芯片，内含3个8位CPU。第一个CPU是固化的介质访问控制器，处理LON TALK协议的第一层和第二层；第二个CPU是固化的网络处理器，处理LON TALK协议的第三层到第六层；第三个CPU是活化的应用处理器，实现LON TALK协议的第七层，执行由用户自编的代码及其所调用的操作系统。
在SCP引入的第三种方案中，LON TALK协议的第七层（应用层）是前端智能设备的通信协议ECP，图2是根据ECP协议编制的LON TALK协议第七层。

 
图2  按ECP编写的LON TALK第七层

任何厂家的智能设备，都可以通过LON TALK协议转换到ECP，接入LonWorks网络。
2.2  LonWorks模块
图3所示为LonWorks模块的两个工作原理图，图3(1)是一块可编程的LonWorks模块接线图，具有4路模拟差分输入或者8路单端输入以及一组LonWorks数据线。图3(2)是LonWorks模块作为网络上的一个智能节点，它是集测量、控制、通信和I/O调理于一体的高级VLSI器件，内嵌LON TALK协议的神经元芯片。

 
(1)  LonWorks智能模块接线图
 
(2)  LonWorks智能节点结构框图
图3  LonWorks模块

任何厂家的非智能设备（含传感器、执行器），都可以通过LonWorks模块智能化设备接入LonWorks网络。
2.3  LonWorks网络
LonWorks网络由许多智能节点组成，不同性质的电源设备与LonWorks模块串接成为网络上的节点。智能设备（IE）由LON TALK协议转换通信协议接入网络；非智能设备（NIE）由LonWorks模块智能化设备接入网络。
网关G连接了计算机和LonWorks网络，形成电源集中监控低层网络，如图4所示，通过总线模块实现遥测、遥信、遥控，完成通信电源设备的近端监控。

 
图4  低层网络

3  Intranet环境
Intranet是开放的、采用TCP/IP协议的、考虑安全的企业内部信息网络。Intranet的技术基础是Web技术，其模式是浏览器/服务器的组合，通过通用网关接口CGI（Common Gateway Interface）与现场总线相连，可以获取信息、加载控制实现通信电源设备的远程监控。
3.1  Web技术
Web是存放在网络服务器上一系列完整的信息，在电源集中监控，每时每刻都有不断的信息到达。Web技术在于实现现场数据与Web服务器之间的双向传输；现场数据从现场总线实时传递给Web服务器；控制信息从Web服务器实时加载到现场总线，如图5所示。

 
图5  Web信息服务的框架

Web服务器与现场数据之间双向传送的工作过程是：
(1)  在服务器一侧的登录者通过Web浏览器浏览到需要的主页后，通过超文本传输协议（HTTP）向Web服务器发出请求。
HTTP定义了Web的通信交换机制、请求与回应格式以及各种数据对象等。
(2)  服务器的HTTP Daemon（守护进程）将请求首先提给安全认证服务器，然后通过环境变量传递给主页指定的CGI。
安全认证服务器，对来自Intranet内外访问者的身份和权限认证，必要时可以加密和解密信息。
CGI是Web服务器与外部应用程序交互的一个标准接口。
环境变量的内容有CGI与服务器协议的版本号、服务的名字、客户端的IP地址及域名地址、客户端的请求方式、内容、编码、访问信息的合法性以及用户的输入信息。
(3)  CGI将交互主页中用户输入的信息提取出来，负责调用相应的处理程序，并启动此程序进行处理：
①  完成客户端与服务器的交互操作，打破服务器软件的局限性，允许采用各种语言去实现HTTP、HTML（超文本标识语言）无法实现的功能。
②  当需要查询各种历史数据时，可以去访问外部数据库。
③  沟通不同的服务平台，如交换平台、传输平台、查障平台。
(4)  处理程序将信息通过信道传向监控级计算机、现场总线、现场数据，可以将它们视为一个动态数据库（虚框内）。
(5)  现场数据的反馈信息由动态数据库通过HTML文件返回给服务器，最终显示在屏幕上。
3.2  Intranet层次
现代控制系统的范畴，已不再局限于某个工厂或院子，而是一个更为广泛的地区乃至全球，电源集中监控系统，涵盖了局站、市县、地区、省区、大区五个层次。
现代通信网络：PSTN、X25、DDN、FR、ISDN、ATM是沟通现场总线和Intranet信道。
将现场总线集成到Intranet，根据Intranet所处的地位可以分为三个层次：监控层（局域网）、管理层（城域网）、信息层（广域网），如图6所示。
监控层：监控层是现场总线的底层网络，由现场总线模块完成I/O多种功能的测量、诊断和控制，通过计算机软件对现场设备的各种运行参数进行实时测控、障碍报警、事故处理。它相当于电源集中监控的监控站。
管理层：将现场总线监控层的实时数据集成到Web服务器，生成各类数据信息，进行优化处理，实现动态管理。它相当于电源集中监控的城市监控管理中心。

 
图6  远程监控系统结构和层次

信息层：将监控层、管理层、通信网络融为一体，实现数据共享、主体优化、操作开放。有关人员登录到Web服务器，可能根据各自的权限，进行相关的监控和管理。它囊括了电源集中监控的地区、省区、大区监控管理中心。
4  一个城市监控管理中心
4.1  简述
1995年原绍兴市邮电局第一期电源集中监控工程基本建成，形成了一个城市监控中心和城东等14个监控站联网组成的电源集中监控系统，由于当时技术的局限性，如LonWorks尚未引入国内，前端智能设备通信协议ECP还未出台，接着又进行了技术改造。图7所示为实施技术改造的总体方案，表1列出了技术改造前后情况对照。

图7  浙江省绍兴市电源集中监控系统

4.2  监控中心
监控中心是电源集中监控的一个Web站点，能完成四项功能任务。

表1 

(1)  电源网管
设置市区管辖地理图一幅，标明监控站位置，绿色显示供电正常，红色显示供电异常（停电、故障）。
(2)  定点监控
定点监控指监控中心向某监控站进行访问，需设计一个友好的界面。
一个电源监控站通常有几十台电源设备，可以分成五个系统，设置八幅界面图：交流供电系统一幅、直流供电系统三幅（直流供电、整流器、开关电源）、油机发电系统一幅、机房空调系统二幅（中央空调、专用空调）、环境监测系统一幅。
在这八幅界面上，划分遥测区（显示测量数据）、遥信区（显示状态及告警）、遥控区（显示操作点）。
(3)  自动上报
自动上报是监控站向监控中心发出的报警信号，表示某监控站某设备出问题了，它可以在运行界面上，弹出一个报警窗口，显示地点、时间、内容，还可用声光同时报警，也可将报警信号传给值班人员的手机。
(4)  编制报表（略）
4.3  监控站
图7的虚框内为经过技术改造后的城东电源监控站。网关G连接了计算机和LonWorks网络，由LonWorks模块扩展的16路数采器与电源设备串接成为LonWorks网络上的智能节点，城东电源监控站共有8个智能节点。
节点1由Lon TALK协议（TM）转换辛普森柴油发电机组的通信协议；节点2由LonWorks模块（FM）智能化无锡柴油发电机组；节点3、4由LonWorks模块（FM）智能化两台佳力图空调；节点5由LonWorks模块（FM）智能化一套（四柜）交流配电设备；节点6由LonWorks模块（FM）智能化一套（五台）F150配置整流器；节点7、8由LonWorks模块（FM）智能化两组48V?1000AH蓄电池。