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摘要 现场总线是当今自 动控制技术发展的热点，而l o n w o r k s 现场总线是目 前最 具竞争力的现场总线之一，在工业、楼宇、家庭自 动化、农业、医疗和运输业等 方面具有广泛的应用。为了更好的使用 l o n wo r k s 技术，以及充分利用该技术的 特征和优点来建立一个真正的开放监控系统， 本文首先介绍了l o n wo r k s 现场总 线技术的主要特点及l o n wo r k s 网络的组成， 并对l o n wo r k s 网络的结构与传统 的控制系统的结构进行了比 较; 接着分析与讨论了 几种基于l o n wo r k s 网 络的监 控系统的实现方式， 其中嵌入式( w e b s e r v e r ) 监控系统在国内工程中还未曾 应用: 然后针对 目前的热门问题一控制网络与信息网络的集成，分析与讨论了 l o n wo r k s网络与信息网络的集成;另外，网络架构的组建也是一个非常重要的 问 题，因此在本文中 对此也做了 分析研究，并对高性能复杂的网络架构进行了 展 望; 最后结合一个实际例子， 对如何实施l o n wo r k s 网 络监控系统进行了 说明。 关键词:l o n wo r k s 现场总线 监控系统系统集成网络架构 ab s t r a c t t h e f i e l d b u s i s n o w a d a y s t h e f o c u s o f t h e a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l l e d t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t , a n d t h e l o n wo r k s f i e l d b u s i s o n e o f t h e m o s t c o m p e t it i v e f i e l d b u s e s a t p r e s e n t , h a v i n g e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i n s u c h a s p e c t s a s i n d u s t r y , b u i l d i n g , h o m e a u t o m a t i o n , a g r i c u l t u r e , m e d i c a l t re a t m e n t a n d t r a n s p o rt s e r v ic e . t h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r o n l y f o r b e tt e r u s i n g l o n wo r k s t e c h n o l o g y , a n d f u l l y m a k e u s e o f f e a tu r e s a n d b e n e f i t s o f t h i s t e c h n o l o g y t o s e t u p t r u l y o p e n m o n i t o r i n g s y s t e m s . f i r s t , t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e m a i n f e a t u r e s o f l o n wo r k s f i e l d b u s t e c h n o l o g y a n d c o m p o s i t i o n o f l o n wo r k s n e t w o r k , a n d c o m p a r e s t h e s t r u c t u r e o f l o n wo r k s n e t w o r k w i t h t h e s t r u c t u r e o f t h e t r a d i t i o n a l c o n t r o l s y s t e m ; n e x t ly , a n a l y s e s a n d d i s c u s s e s s e v e r a l k i n d s o f r e a l i z a t i o n w a y s b as e d o n m o n i t o r i n g s y s t e m o f l o n wo r k s n e t w o r k . a m o n g t h e m t h e e m b e d d e d ( w e b s e r v e r ) c o n t r o l s y s t e m h a s n o t b e e n a p p l y e d i n t h e p r o j e c t a t h o m e ; t h e n d i r e c t a g a i n s t t h e p r e s e n t h o t p r o b l e m t h e i n t e g r a t i o n o f c o n t r o l n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n n e t w o r k , a n a l y s e s a n d d i s c u s s e s t h e i n t e g r a t io n o f l o n wo r k s n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n n e t w o r k ; i n a d d i t i o n , s y s t e m a t i c f r a m e w o r k o f n e t w o r k i s v e r y i m p o rt a n t , s o i t i s a n a ly s e d a n d r e s e a r c h e d i n t h e p a p e r , a n d i t i s a ls o lo o k d f o r w a r d t o s o m e h ig h p e r f o r m a n c e , c o m p li c a t e d n e t w o r k f r a m e w o r k s . c o m b i n e s a c o n c r e t e i n s t a n c e f i n a l l y , t o t h e t h i n g t h a t i t p r o v e s h o w t o i m p l e m e n t l o n w o r k s m o n i t o r in g s y s t e m . k e y w o r d s : l o n wo r k s f i e l d b u s mo n i t o r i n g s y s t e m s y s t e m i n t e g r a t i o n ne t wo r k f r a me wo r k 独创性 ( 或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果.尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教 育 机构的 学 位或 证书 而 使 用过的 材料。 与我 一同 工 作的同 志 对本 研究 所做 的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处， 本人承担一切相关责任。 本人签名: a t 日 期 w好. i . , 歹 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安电子科技大学有关保留 和使用学位论文的规定，即: 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文 ( 与学位论文相关)工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 日期 日期 l 5 z a 0 3 . l . 止兰竺凡叼二 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 现场总线技术的产生与特点 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低， 计算机与计算机 系统得到迅速发展， 而处于生产过程底层的测控自 动化系统，由 于采用一对一连 线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自 封闭式的集散系统，难以 实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自 动化系统成为 “ 信息孤岛” 要实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场 环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场 自 动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的 信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下于2 0世纪 8 0年代中期在国际 上发展起来的。 川 根据国际电工委员会i e c 1 1 5 8 定义，现场总线 ( f i e l d b u s )是 “ 安装在生产过 程区域的现场设备/ 仪表与控制室内的自动控制装置/ 系统之间的一种串行、数字 式、多点通信的数据总线” 。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化的、智能 化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现信息相互交换，共同完 成自 动控制功能的网 络系统与控制系统。因此，现场总线是面向工厂底层自 动化 及信息集成的数字化网络技术，是一种数字通信协议，它使得自 控系统和设备有 了 通 信能 力。 基 于 这 项 技 术的自 动 化 系 统 称 为f c s ( f i e ld b u s c o n tr o l s y s t e m ) . 现场总线是计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的结合， 是当今自 动控制技术发展的热点。它的出现代表了一种有突破意义的新的控制思 想，开辟了一个新的时代，是控制领域的一场革命，使传统的控制系统无论在结 构上还是在性能上出现巨大的飞跃。 概 括 起来， 现 场 总 线 具 有以 下 主 要 特点 : 4 0 1 . 现场设备智能化。 现场设备 ( 传感器、驱动器、执行机构等设备)是带有串行通信接口的智能 化 ( 可编程或可参数化)设备。设备或仪表智能化可使控制站的部分控制功能下 移分散到各个现场设备/ 仪表中，从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于 执行复杂的高层次的控制算法。 . 数字化通信取代4 - 2 0 m a模拟信号. 传统技术， 现场层设备与控制器之间的连接是一对一 ( 一个i / o点对设备的一 个测控点) ，所谓 i / o接线方式，信号传递4 - 2 0 m a( 模拟量信息)或2 4 v d c( 开 关量信息)信号。而现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备 ( 智能 化、带有通信接口) 连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 l o n w o r k s 现场总线的应用研究 . 分布式的f c s 系统更好地体现了 “ 信息集中， 控制分散” 的思想。 与传统的d c s相比， f c s 有其自 身的优点。 f c s 系统具有高度的分散性， 它 可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能 自 主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。 . 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体。 现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可 从现场设备获取大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成 设备远程控制、参数化及故障诊断工作。 . 现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸。 传统的现场层设备与控制器之间的通信量有限，难以实现设备之间及系统与 外界之间的信息交换，使自 控系统成为工厂中的“ 信息孤岛” ，严重制约了企业信 息集成及企业综合自 动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使 自 控系统与设备加入工厂信息网络， 成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的 覆盖范围一直延伸到生产现场。 1 .2 现场总线技术的发展及标准 目 前，国际上现场总线技术、 产品及系统发展迅速， 许多国际著名自 动化、 仪表、电 器制造商均有现场总线产品及系统，如罗克威尔、西门子、施耐得、罗 斯蒙特、霍尼威尔、横河等。现场总线技术己 成为工业自 动化及测控领域内的热 门技术，正以前所未有的速度在工业控制领域推广和应用.在我国的各行各业， 如制造业、流程工业、冶金、电力、交通、楼宇等自 动化系统中都有其应用。人 们预言它将成为2 1 世纪的开放式控制系统。 现场总线技术得以 实 现的 一个关 键问 题， 是要在自 动化行业中 形 成一 个制造 商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准。国际上著名的自 动化产品及现场设 备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自 己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持国际标准组织 制定现场总线国际标准.这就使得现场总线产品五花八门，失去统一的标准。目 前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。 自8 0 年代末以 来， 有几种现场总 线技术己逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，它们具有 各自 的 特点， 也显示了较强的生命力。它们是: 基金会现场总线、l o n w o r k s , p r o f i b u s , c a n , h a r t 等等。 由 于技术和利益的原因， 现在这几种现场总线标 准并存。a i d 1 .3 l o n wo r k s 现场总线技术简介 l o n w o r k s 现场总线是现场总线中最具竞争力的现场总线之一，是由美国 第一章绪论 e c h e l o n 公司研制的，具有现场总线技术的一切特点.目 前， 世界上许多著名的自 动化厂商如h o n e y w e l l , j o h n s e n c o n t r o l s , a b b , p h i l i p s , h p 等都采用了l o n wo r k s 技术， 使用l o n wo r k s 技术的生产厂商已 超过3 0 0 0 家， 并安装了5 0 0 多万个节点。 在中国，e c h e l o n北京代表处于 1 9 9 5年成立，目 前有六十多家中国厂商加入了 l o n w o r k s 控制网 络的o e m行列， l o n w o r k s 控制网 络技 术己 大量应用于 各主 要 工业领域， 如工业厂房自 动化、 楼宇及家庭自 动化、 农业、医疗和运输业等。 l o n wo r k s 现场总线与其它现场总线相比 有如下特点:9 j . l o n wo r k s 网 络完全满足了未来发展对测控网络的要求。 未来的发展要求 测控网络应具备如下条件: ( 1 )开放性:网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。 ( 2 )互操作性:网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。 ( 3 )通信媒介:可用任何传输媒介进行通信， 包括双绞线、电 力线、光纤、 同轴电缆、无线电波和红外光波，并且多种媒介应该能够在同一 个网络中混合使 用。 ( 4 )网络结构: 应该能够使用所有现在己有的网络结构，如主从式、 对等式 以及客户/ 服务式。 ( 5 )网络拓扑: 应该不受总线型网 络拓扑单一形式的限制。网络拓扑应该可 以自 由 组合，也就是说， 除了总线型拓扑结构之外，用户还可以 选择任意形式的 网络拓扑。 目 前较流行的现场总线，如f f , c a n等，都达不到上述要求。如许多现场总 线只能选用几种专用的介质来通信.而l o n wo r k s 技术却可以完全满足上述这些 基本要求。 . l o n t a l k 通信协议执行i s o定义的o s i 七层参考模型。 这使它具备了网 络的基本功能。除l o n t a l k 协议以 外，还没有哪一个协议能够提供o s i 参考模型 所定义的全部七层服务，这也是l o n t a lk 协议区别于其它各种协议的重要特点。 . 与其它现场总线相比， l o n w o r k s 具有局域网的功能， 所以 与异型网的 兼容性比任何现存的现场总线都好，这一点对形成真正的网络有十分重要的意义。 . l o n w o r k s 还能把新老设备方便地纳入它的网络， 组成一个新的 控制网 络，这是别的现场总线目 前还难以 实现的。 . l o n wo r k s 还提供与l a n的 接口， 从而使l a n与l o n w o r k s 网 络有机 结合。 1 .4 论文工作的目的及内容安排 e c h e l o n公司 所推出的 l o n w o r k s 技术是一套可供自 控系流厂商及集成商二 次开发的技术平台，其开发系统配置齐全，即插即用互联方便。但也由于厂商及 l o n w o r k s 现场总线的应用研究 集成商众多，技术应用层次不同，使在二次开发及集成过程中应用 l o n wo r k s 技 术的程度不同，所提供的系统性能也就截然不同。另外，l o n wo r k s 技术是一个 启动平台而不是一个保证无缝互可操作性的终端使用方案。使用它能大大简化开 放控制系统的设计和安装，但能否正确的运用仍然有赖于理解该技术本身，以及 知道如何充分利用该技术的特征和优点来建立一个真正的开放监控系统。本文的 目 的正是为了 更好的应用l o n w o r k s 技术及建立基于l o n w o r k s 网 络的开放监控 系统。 为此， 本论文从l o n wo r k s 技术的 特点及l o n w o r k s 网络的 组成出 发， 主要 研究与 讨论了实现监控系统的方法、l o n wo r k s 控制网 络与信息网络的集成、网 络架构组建及如何实施l o n wo r k s 监控系统等问 题。其中许多工作通过实验来完 成。 其内容结构安排如下: 第一章: 绪论. 介绍了现场总线技术: 对l o n wo r k s 现场总线进行简单介绍， 并分析了l o n w o r k s 现场总线与其它现场总线相比的主要 特点 及其目 前的发展状 况; 针对目 前应用中 存在的问 题，阐 述了 本论文工作的目 的、 设想及方法。 第二章: l o n w o r k s 现场总线技术。首先介绍了l o n w o r k s 技术的特点; 然 后对 l o n wo r k s的网络结构与传统的控制系统结构进行了比较:最后介绍了 l o n wo r k s 网络的组成，并提供了 有关正确设计l o n wo r k s 网 络的信息. 第三章:基于 l o n w o r k s网络实现监控的方法。分析与讨论了几种基于 l o n wo r k s 网络的监控系统的实现方法，以 满足不同的使用情况。 它们是: 使用 l o n m a k e r 工具进行监控的 方法; 用l m 十 l n s d d e s e r v e r + 监控组态软件进行监控 的方法;使用 v b + l n s开发平台开发监控系统的方法;嵌入式 ( w e b s e r v e r ) 监 控系统的实现方法。 第四章: l o n w o r k s 控制网 络与信息网 络的集成。 介绍了 控制网 络与信息网 络的有关概念; 基于l o n wo r k s 网络集成的优势及两种实现l o n wo r k s 控制网络 与信息网络的集成的方法。 第五章:网络架构的分析与讨论。从应用软件的角度出发分析与讨论了 几种 网 络架构的形式， 并对一些高 性能、复杂的网 络架构进行了 展望. 第六章:l o n w o r k s 网 络监控系统的实 施. 介绍了 实 施l o n w o r k s 监控系统 的主要任务;目前使用较多的 l o n p o i n t产品;并通过一个例子对如何实施 l o n wo r k s 监控系统进行了 进一步的说明。 第二章 l o n wo r k s 现场总线技术 第二章l o n wo r k s 现场总线技术 l o n wo r k s现场总线包括很多技术，本论文并不介绍其所有。而是从 l o n wo r k s现场总线技术的基本概念出发，概括了其主要的特点及优点;并通过 对l o n wo r k s 的网络结构与传统的控制系统结构的比较，可对基于l o n wo r k s 网 络的开放监控系统有一深刻的理解，也可见其为什么先进;最后主要讨论 l o n wo r k s 的网络组成，通过对各部件的讨论，可对l o n wo r k s 现场总线技术有 更深入的了解，其中也包含正确组建网络的有关信息. 2 . 1 基本术语 1 3 1 1 、l o n t a l k 协议 l o n t a l k 通 信协议 是l o n w o r k s 技术的 核心。 该 协议 提供了 一 套通信服务， 使 装置中的应用程序在网上对其它装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、 名称、 地址或其它装置的功能. l o n t a l k 协议能有选择地提供端到端的报文确认、 报文证 实和优先级发送，以 便设定有界事务处理时间。对网络管理业务的支持使远程网 络管理工具能通过网络和其它装置相互作用，包括网络地址和参数重新配置、下 载应用程序、 报告网 络问 题和节点应用程序的 起始 / 终止/ 复位。 此通信协议为控制 网络而作，因而具有小数据包、响应及时、安全、可靠、对等方式通信、使智能 分散化等优点。 l o n t a lk协议为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。在 l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体， 形成一个网络控制 系统。它具有以下的特点: . 对 o s i 的七层协议的支持，是直接面向 对象的网络协议， 这是以 往的现 场总线所不支持的。 . l o n t a l k 协议支持包括双绞线、电 力线、 无线、 红外线、同 轴电 缆和光纤 在内的多种传输介质。 . l o n t a l k应用可以 运行在任何主处理 器上。 主处理 器 微控制器、 微处 理 器、 计算机) 管理l o n t a lk 协议的第六层和第七层， 并使用l o n wo r k s 网 络接口 管 理第一层到第五层。 . l o n t a l k 协议支持总线型、 星型、自由拓扑等多种拓扑结构类型， 极大地 方便了控制网络的构建。 . l o n t a l k 协议使用网 络变量与其它节点通信。 网络变量可以是任何单个数 据项也可以是结构体，并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念 大大简化了复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量。 2 、网络变量 ( n v) 第二章l o n wo r k s 现场总线技术 参数。 象标准网络变量类型 ( s n v t s )一样，配置属性 ( c p s )支持用户定义类型 ( u c p t s )和标准类型 ( s c p t s ) e s c p t s允许以更有效的方式来配置任何和 l o n m a r k 兼容的节点。 2 .2 l o n wo r k s 现场总线的主要特点 除了 在前面提到的特点之外， l o n wo r k s 现场总线还具有如下特点， 归纳如下: . l o n wo r k s 技术的基本元件一n e u r o n芯片，同时具备通信与控制功能， 并且固化了i s o / o s i 的全部七层通信协议，以 及3 4 种常见的1 / o控制对象: . 改善了c s m a , l o n wo r k s 称之为p r e d i c t iv e p - p e r s i s t a n t c s ma 。这样， 在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪; . 网络通信采用了 面向对象的设计方法， l o n wo r k s 技术将其称之为 “ 网 络变量” 。使网络通信的设计简化成为参数设置。 这样，不但节省了大量的设计工 作量，同时增加了通信的可靠性; . l o n wo r k s 技术通信的每帧有效字节可以从0 到2 2 8 个字节; . l o n w o r k s 技术的通信速度可达1 .2 5 m b p s ( 此时有效距离为1 3 0 m ) ; l o n wo r k s 测控网络上的节点数可以达到3 2 3 8 5 个; l o n w o r k s 技 术的 直 接 通 信 距 离 可以 达 到2 7 0 0 m( 双 绞 线， 7 8 k b p s ) ; 针对不同的通信介质有不同的收发器和路由器; . 信功能 有l o n - we b网关，可以连接i n t e rn e t ，与i p网络无缝连接; 系统采用对等的真正分布式控制模式，控制节点能够独立完成控制和通 ，控制节点故障不会造成系统瘫痪， 使用方便， 功能强大， 性能稳定可靠，系 . 统维护容易; . l o n wo r k s 控制网络组网非常简单，软件组态也非常灵活，安装成本低， 升级改造费用低; . 网络通信协议已固化在c p u内，不需用户开发， 使得系统开发容易，应 用编程简单，开发周期大大缩短; . 本系统是一开放系统，可以与非l o n w o r k s 的其它系统相兼容，具有良 好的互操作性，对将来的设备维修、升级改造非常有利。 2 .3 l o n wo r k s 控制网络与传统控制系统的比较 控制系统发展至今经历了以下几个过程: 第一代:基地式仪表控制系统: 第二代:电动单元组合式模拟仪表控制系统; 第三代:集中式数字控制系统; l o n w o r k s 现场总线的应用研究 第四 代:集散式控制系统d c s ; 第五代:现场总线控制系统f c s . 目 前常见的集散控制系统， 备通过 d d c( 直接数字控制器) 3 1 1 是专用子系统分级岛。 如图2 . 2 所示，各种现场设 连接至上位机。这种结构所带来的主要缺点是: 注: 丛 一_上 位 机 .一数 字 控 制 器 .现场设各 图2 .2 专用子系统分级岛 i 、分层结构 . 安装费用高，人力与布线工作量大，随着系统的扩大， 对系统的增加、 移动、变化变得越来越困难; . 需自 定义编程，各子系统之间有许多重复的功能与工作: . 每个控制器都代表一个单点故障，而且控制器仍然要通过许多电 线控制 所有的传感器和执行器，所以如果出现故障，非常不容易排除; . 传感器和执行器是典型的 “ 哑”终端，它们没有内部智能或通信能力。 2 、专用化 . 硬件和软件的所有权使每个生产厂家生产它们自己的系统及在此系统中 提供的所有智能设备，把用户限制在只能选用单一厂家产品: 对服务的选择有局限性; 系统间不能无缝的连接，系统间可通过网关及定制的程序来联系，但成 : 本高，可靠性差，用户被永远限制在提供网关和定制程序的厂家。 而l o n w o r k s 控 制网 络的 结 构 如图2 .3 所示， 是 平 坦的 分 布 式结 构。 它具 有 如下特点: 1 、平面化 消除了 布线的复杂度，降低了安装费用; 对系统的增加、移动、变化及管理变得很容易; 每一点执行某些控制操作，把操作分布在整个网络上，降低了总的安装 第二章 l o n w o r k s 现场总线技术 费用，使故障点减至最少，从而提高了可靠性; . 每个设备都可以进行决策和信息处理，因而消除了专用的现场仪表和中 央控制器。 网路工具 图2 . 3 平坦的分布式结构 2 、开放式 . 无需任何网关的帮助，网络中的每一个节点都能够向其它节点发送信息 包， 也能够接收其它节点发来的 信息包; . 可以购买多个供应商的具有互操作性的元件或设备。 2 .4 l o n wo r k s 控制网络的组成 l o n wo r k s 控制网络是由与通信介质相连的节点组成，节点间使用 l o n t a l k 协议相互通信。每个节点装载有应用代码，用来处理与l o n wo r k s 环境有关的对 象，如网络变量、 1 / o等。 如图 2 .4所示，是一个由 l o n wo r k s的各种部件组成的控制网络图。在 l o n wo r k s 控制网络中，可使用各种通信介质，通过路由 器连接到主干网。网络 管理工具如s c a d a工作站、 l n s 服务器、 安装工具和h mi 等也是网络中的节点， 连接在主干线上，对网络进行管理与监控。l o n wo r k s 控制网络不仅可在本地监 控与管理，也可远程监控和管理，如通过 s l t a - 1 0串行网络接口经电话网或通过 i .l o n 1 0 0 0 i n t e r n e t 服务器经i p网对远程设备或网络进行监控或管理。 l o n wo r k s 网络可简化为图 2 . 5所示。概括起来，l o n wo r k s 网络由节点、 网络工具、信道、基础设备等组成。对各组成成分的描述如表2 . 1 所示。 成分描述 节点 基于n e u r o n 芯片的智能传感器， 执行器或控制器等 信道网 络通信的介质， 例如双绞线或无线频段等 基础设备用于 组织网 络的设备， 例如l o n w o r k s 路由 器节点等 网络工具 一个基于l n s的系统级的 节点， 它能为l o n w o r k s 网络提供诸如安装、 维 护 、 监 控 和 诊 断 的 服 务 。 网 络 工 具 可 以 集 成 到 网 络 中 或 者 当 需 要 时 接 入 到 网 络 中 人 机 界 面 ( h m i ) 也 是 一 个 网 络 工 具 ， 它 经 常 是 网 络 的 一 个 固 定 部 分一 表2 . 1 l o n wo r k s 网络组成成分描述表 l o n wo r k s 现场总线的应用研究 终结器图 表 rir2r3c1c2 注意 e c h e l o n p a r t 4 白由拓扑 结构 ( t p / f t - 1 0 , t p / l p - 1 0 ) 厂 自 y r, acry 1一弓片 - o 5 2 . 3 q t 1 %, 1 / 8 w 1 0 0 p f , 2 5 0 v 1 0 0 p f , 25 0 v 自由拓扑信 道需要在信 道的任何位 置接一个终 结器 4 4 1 0 0 总线拓扑 结构 ( t p / f t - 1 0 , t p / l p - 1 0 ) 厂 户 甲 r,2 1c2 “ 洲卜 1 0 5 q 士 1 %, 1 / 8 w i o o g f , 2 5 0 v i o o p f , 2 5 0 v 在总线拓扑 结构的两端 各接一个终 结器 4 4 1 0 1 总线拓扑 结构 t p / x f - 7 8 , t p / xf - 1 2 5 0 ) r1u cic2r2 cc 5 9 0 士i %, 1 / 8 w 3 4 0 q 士 1 %, 1 / 8 w 1 0 2 0 士 1 %, 1 / 8 w o a s i s , _ 5 0 v me t a l p o ly e s t e r 0 . 3 3 1 在采用 电力线通信的系统中，需要相祸合器. 2 .4 .4 网络工具 在 l o n wo r k s 总线中，需要一个网络管理工具。当单个节点建成以 后，节点 之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时 也需要对节点的网络变量和显示报文进行相应的绑定连接;一旦网 络系统建立并 正常运行后，还需对其进行维护;对一个网络系统还需要有上位机能够随时了解 第二章 l o n w o r k s 现场总线技术 该网络所有节点网络变量和显示报文的变化情况。 总之， 网络工具是一个基于l n s 的系统级的节点， 它能为l o n wo r k s 网络提供诸如安装、 维护、 监控和诊断服务。 网络工具可以集成到网络中或者当需要时接入到网络中。 人机界面 ( h m i ) 就 是一 个网 络工具， 它经常 是网 络中的 一个固 定部分。 l o n wo r k s 用户、集成商可以根据以下选择网络管理工具: . l o n ma k e r f o r wi n d o w s 集成工具; . e c h e l o n 现成的网络工程工具d m- 2 1 嵌入式工具; . 基于 l o n wo r k s网络服务 ( l n s )的工具，即使用 e c h e l o n的 l n s f o r w i n d o w s 开发包开发的 工具。 本章小结 本章介绍了l o n wo r k s 现场总线这一先进的技术， 它采用的是l o n t a l k 协议， 使用网络变量与其它节点通信，可支持各种介质，采用任何的拓扑结构类型等。 另外 l o n wo r k s 控制网络不仅提供了一个开放的、互操作的系统，而且具有布纸 简单、安装费用低、可靠性高、系统易变化及方便管理等优点， l o n wo r k s 现场总线的应用研究 3 .2 使用l m + l n s d d e s e r v e r + 组态软件进行监控的方法 3 .2 . 1 监控系统的基本结构 此种监控系统的基本结构如图3 .6 所示。 其基本组件为: 上位机 ( 装有监控组 态软件) 、 l n s d d e s e r v e r , l o n m a k e r f o r w i n d o w s、 l o n wo r k s 网 络等。 在此系统中， 上位机可监视l o n wo r k s 网络， 读取网 络中 节点采集的现场实时 数据， 并显示运行中的各节点的工作状况及历史图 表， 使所有数据一目了 然，同 时 实 现 对 数 据的 判别、 分 析 及 贮 存等。 同 样， 上 位 机 也 可 控 制l o n w o r k s 网 络， 能直接向被控设备发送数据信息，控制某一节点的某种状态。基于这种结构，可 方便、灵活地实现对控制网络的监控。 上 位 机( h s i ) i ns d de s e r v e r l o n n b k e r f o r w i n d o w s l o n we a k s n e t w o r k 图3 .6监控系统结构图 3 .2 .2 监控系统各组件介绍 1 , l o n wo r k s 网络及 l o n ma k e r f o r w i n d o w s 在 前 面己 经 介 绍 过。 在监 控 一 个 网 络 之 前， 需 使 用l n s 安 装 工 具 如l o n m a k e r f o r w i n d o w s 对网 络进行安装， 使得每个设备能够与同 一网 络中的其它设备进行通 信。当安装工具对网络中的设备配置时，把这一配置信息备份于l n s s e r v e r 中， 安装完成时， l n s s e r v e r 中包含了整个网络的配置图、 所有设备的名称、设备的 网络变量、配置属性及l o n ma r k 对象等信息. l n s d d e s e r v e r 使用l n s s e r v e r 中的 信息完成它的任务。 2 , d d e与l n s d d e s e r v e r 所 谓d d e -d y n a m ic d a t a e x c h a n g e 即 动态 数 据交 换， 是w i n d o w s 平台 上 的一个完整的通信协议，它使应用程序能彼此交换数据和发送指令。两个同时运 行的程序之间通过d d e 方式交换数据时建立c l i e n t / s e r v e r 关系。提出问 题的一方 即申 请告知信息的应用程序， 为c l i e n 客户) ， 回答的一方即 提供信息的应用程序， 为s e r v e r ( 服务器) . 通过d d e方式建立的数据， 连接通道是双向的，即c l i e n t 不 第三章基于l o n wo t u c s 网络实现监控的方法 但能够读取s e r v e r 中的数据， 而且可以对其进行修改。一旦c l i e n t 和s e r v e r 之问 建立连接关系， 则当s e r v e r 中的数据发生变化后就会马上通知c l i e n t . w i n d o w s 操作系统中 有一个专门 协调d d e 通信的 程序d d e m l ( d d e 管理库) 。 实际上c l i e n t 和s e r v e r 之间的多数会话并不是直达对方的，而是经由d d e ml中 转。 d d e c l i e n t 程序向d d e s e r v e r 程序请求数据时， 它必须首先知道d d e s e r v e r 程序的 名称( a p p l i c a t i o n 名) 、 d d e 主 体名( t o p ic 名) 、 还要 知道 请求哪一个数 据 项 ( i t e m名) . 通常a p p l i c a t i o n 名就是d d e s e r v e r 的 应用程序名称， 但不绝对。 t o p ic 名和i t e m名也 是由d d e s e r v e r 在其内 部设 定好的。 所有d d e s e r v e r 程序的 a p p lic a t i o n 名、 t o p ic 名 都 注册 在系 统中。 当 一 个d d e c l ie n t 向 一 个d d e s e r v e r 请求数据时， d d e c l i e n t 必须向 系统报告d d e s e r v e r 的a p p l i c a t io n 名和t o p i c 名。 只有当a p p l i c a t i o n 名、 t o p i c 名与d d e s e r v e r 内 部设定的 名称一致时， 系统a % j d d e c l i e n t 的 请求传达给d d e s e r v e r 。 当a p p l i c a t i o n 名 和.t o p i c 名 相符时， d d e s e r v e r 马上判断i t e m名是否合法。 如果请求的i t e m名是d d e s e r v e r 中的 合法数 据项，d d e s e r v e r即建立此项连接。建立了连接的数据发生数值改变后，d d e s e r v e : 会随时 通知d d e c l i e n t 。一个d d e s e r v e r 可以 有多 个t o p i c 名， i t e m名的 数量也不受限制。 这样当一个c l i e n t 发出一个开始d d e 对话的请求时， 所有在p c 机上运行的 应用程序看到这一消息，正是通过服务器名称 ( a p p l i c a t i o n ) 、主题名 称( t o p ic ) 、 项目 名 称( i t e m ) 这三 个 约定 的 标 识 将 这 一 消 息 送 往 指定的 服 务 器。 l n s d d e s e r v e r 是一个基于l n s操作系统的软件包，是与d d e兼容的到 l o n wo r k s 网络的接口，且和许多人机界面及s c a d a软件包兼容。它是3 2 位应 用程序， 可以 打开l n s 数据库，使任何与d d e 、兼容的m i c r o s o ft w i n d o w s 应用程 序能监控 l o n wo r k s 控制网络而不用编程。 通过l n s d d e s e r v e r l o n wo r k s 网 络上设备可与w i n d o w s 应用程序方便地交换信息 ( 网络变量、配置属性、显示报 文、节点对象等) ，也就是说，利用l n s d d e s e r v e r ，任何承担d d e c l i e n t 的应 用程序能监视和控制一个或多个l o n wo r k s 网络。 l n s d d e s e r v e : 中的 三个约定标识如下: 1 8 1 a p p l i c a t i o n : 信息 应 送达的 服务 器名称。 如向l n s d d e s e r v e r 发送信息， 客 户可以 指定l n s d d e( 缺省值) 作为a p p l i c a t i o n . t o p ic : 指 定的 服务 器中 ， 客 户 接 收 或 发 送 信息 的 类型。 服 务 器通 过t o p i c 对 它所 提供的 服务进 行分 类， 标准格式为网 络名. 系 统路 径.t o p i 。 类型。 t o p i c 类型由 以下六类组合而成:网络变量、配置属性、l o n ma r k对象、设备、显示报文及系 统。 i t e m : 在指定的t o p i 。 中， 客户想发送或接收的 特定信息的名称。 如客户告 知 l n s d d e s e r v e r ， 它想获取m o n it o r 设备上名为“ a t u s 的网络变量的