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近年來，隨著全球經濟的快速發展，能源短缺問題變得越來越突出。如何有效利用和節約能源，已成為現代工業生產所面臨的重要問題之一。為了更有效的節能降耗，石化企業不斷通過各種先進手段以加強對生產過程的控制，比以往任何時候都重視提高計量檢測水平和加強節能的管理工作。確實，石化行業對石油及其產品等物料的計量管理非常重要，此項工作不僅直接影響到企業的制造成本；也是考核和衡量化工企業裝置運行水平的重要指標。
計算機和網絡等新技術的引入，為石化行業實現物料計量的計算機集中檢測和管理提供了支持。它可以計算機為平臺，實現對地理分散的物料流量等實時參數的采集，通過現場總線上傳到計算機，在上位機上完成計量數據處理、實時監控和報警、記錄和數據統計等工作，從而徹底改變傳統、分散的人工抄表以及現場巡回維護等管理方式。這些都充分表明了物料計量管理在石化企業的應用具有重要意義。本文結合某石化企業的應用背景，介紹一種基于LonWorks技術的分布式物料計量與管理系統，并給出設計和實現方法。
1 物料計量管理的功能需求和設計考慮
1.1 工藝情況簡介
根據某石化企業的工藝背景和實施情況，各個物料的進出口管道、存儲區和生產裝置比較分散，流量計量儀表被分散安裝在相對集中的A裝置區、B裝置區、存儲區和消防泵房。A裝置區和B裝置區主要包括石油化工原料、氮氣、儀表空氣、蒸汽、低溫水、循環水和成品等，各有10余臺儀表；存儲區主要有蒸汽總管、成品、氮氣和低溫水等若干臺儀表；消防泵房主要包括石油化工原料總管、氮氣總管、氫氣總管、儀表空氣總管、生活蒸汽和返回原料總管等，合計有若干臺儀表。所有這些參數均需要實時檢測后，傳送給上位計算機集中處理，以實現計量和管理功能。
1.2 系統功能要求
物料計量與管理系統利用微機技術，將流量計量信心的檢測、傳輸、處理、集中顯示和記錄管理等功能融為一體。需要系統能夠盡量減少硬件的使用數量、提高設備的利用率、簡化二次接線、節省投資，克服地點分散、功能單一等缺點和不足。
系統的功能主要包括現場流量變送器信號的采集、數據傳輸，實現對流量參數和設備儀器狀態的監視、流量累積和歷史記錄等，為ERP或其它信息管理系統提供可靠的基礎數據。
1.3 系統設計考慮
物料計量管理系統的結構及通信方式的選擇，對保證系統高度可靠性、提高運行性能、節約投資以及順利實現至關重要。因此，采用簡單、可靠的現場通信網絡是實現物料計量計算機管理的關鍵技術。
根據計算機集成制造系統CIM-OSA（Computer Integrated Manufacturing-Openness System Architecture）模型和PUDU模型，企業的控制管理層次大致可分為5層。其中，底層的單元層和設備層是企業信息流和物流的起點，以控制為主。能否實現高效、低成本的控制管理，直接關系到產品的質量、成本和市場前景，而傳統的DCS、PLC控制系統由于其控制的相對集中，導致了可靠性的下降和成本的上升，且無法實現真正意義上的互操作性；同時，又因其自身系統的相對封閉，與上層管理信息系統的信息交換也存在一定困難。因此，作為一種趨勢，現場總線系統正逐漸成為控制領域的主流。
現場總線技術是20世紀末工業生產過程自動化技術發展的最新階段，現場總線控制網絡是一個全數字、全分散、全開放的新型控制系統，它采用了現代計算機技術中的網絡技術、微處理器技術及軟件開發技術，實現了現場儀表之間的數字連接以及現場儀表的智能化，推進著現場控制級以數字信息構成現場級信息網絡，標志著自動測控系統的發展方向。
美國Echelon公司推出的LonWorks就是一種低成本、高性能的現場總線網絡，由于其具有協議的開放性與互操作性、通信介質的多樣性、網絡拓撲結構的靈活性、通信速率高、可靠性強等方面的技術優勢，已被廣泛應用于航空／航天、智能樓宇自動化、能源計量和工廠自動化等領域。
2 系統的總體結構
2.1 硬件配置
物料計量管理系統從硬件配置上來看，主要由圖1所示的若干單元組成，包括監控計算機、LonWorks網絡適配卡、智能節點和現場的傳感器設備等。
圖1 系統的硬件配置
(1) 監控計算機
監控計算機主要實現網絡管理方面的各種功能，運行計量管理監控程序來監視和管理所有現場智能節點，查看在線運行狀態，實現對節點的手動操作和控制等功能。
(2) LonWorks網絡適配卡
LonWorks網絡適配卡采用的是PCLTA-10型網絡適配卡，它是一種特殊性質的節點，其主要作用是連接監控計算機和LonWorks控制網絡。使得監控計算機與控制網絡中的智能節點間通過網絡變量來交換數據，起到上傳下達的通信作用。
(3) 智能節點
智能節點主要完成數據采集、數據處理和轉換等功能。其內部主要由總線收發器、Neuron芯片、信號轉換模塊，其他硬件電路組成。總線收發器用于對通信介質的連接，可采用雙絞線收發器、電力線收發器、無線收發器等；Neuron芯片由3個8位的微處理器組成，其中的MAC處理器用于介質訪問控制，網絡處理器用于完成LonTalk協議的3~6層，應用處理器用于執行用戶程序及其對系統程序的調用。信號轉換模塊是用一個A/D轉換器，實現對物料流量信號的采集和轉換。
(4) 傳感器
傳感器是測控系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的電信號，然后傳送給智能節點。
(5) 終端電阻
終端電阻是一個特殊的電阻包或電阻塊，其作用像濾波器，可消除由眾多電纜線和設備所產生的噪聲，因此在LonWorks總線的末端掛接一個終端電阻可以確保整體電路信號的穩定性。
2.2 軟件支持
(1) 數據采集和處理
掛接在LonWorks總線上的各個智能節點對現場的設備進行模擬量的數據采集，經過數據處理將結果以網絡變量的形式送到LonWorks網絡。具體包括以下幾個方面：
• 數據采集：數據采集的主要功能是將模擬信號（壓力、流量、溫度）通過光電隔離和A/D轉換后變成數字信號，然后送入Neuron芯片。
• 信號濾波：由于測量設備現場的信號通常帶有干擾，特別是那些惡劣環境下的信號，節點中采用硬件濾波和軟件濾波相結合的方法，來濾除輸入信號中的噪聲。
• 網絡變量通信：Neuron芯片中內嵌的LonTalk協議表示層中的數據被稱為網絡變量，其中的標準網絡變量類型（SNVTs）已經將某些數據類型（如壓力\流量和溫度等）規范化。
• 工程單位換算：將檢測到的無量綱數據轉換為帶量綱的工程單位數據。
(2) 通信網絡平臺架構
• LNS體系結構組成
LNS（LonWorks Network Service）體系結構提供了一個強大的客戶/服務器網絡架構，并以對象集合的方式為那些與LonWorks網絡交互的應用程序提供網絡服務，如圖2所示。LNS架構主要包括網絡服務器（NSS）、LCA對象服務器（LCA Object Server）和LCA數據服務器（Data Server）等。
圖2 LNS體系結構
NSS提供網絡服務，接收從計量管理監控程序發出的網絡操作請求，執行相應的網絡操作服務。在LNS體系架構下，網絡服務器提供了一個網絡數據庫，客戶可以通過該數據庫，對網絡上的節點進行網絡管理操作。LCA對象服務器是在NSS上加上一層外殼，以便于更好地使用NSS服務，同時負責管理和維護應用數據庫。Data Server提供了一些監控網絡數據的API函數，能直接提供數據服務、訪問網絡變量和顯示報文。Object Server ActiveX Control采用Windows的ActiveX技術，給開發人員提供了一種以對象為方式訪問網絡各設備的方法。
• 節點間通信方式
節點可以通過網絡變量或顯式報文與其它節點通信。對于顯式報文來說，數據域的大小是可變的；對于網絡變量來說，數據域的大小是一個常數。除了用于LonTalk文件傳輸協議的報文以外，顯式報文不象網絡變量那樣提倡互操作性，因為顯式報文的數據格式部分直接依賴于具體的應用程序。另外，網絡變量使用的EEPROM表空間（table space）比顯式報文要多。
網絡變量大大簡化了復雜的分布式應用的編程，不但提供了非常方便靈活的分布式數據共享的方式，而且使程序員不需要處理報文緩沖區、節點地址和請求／響應等一些底層細節。基于對顯式報文和網絡變量的分析比較，結合本系統應用的實際情況，以采用網絡變量的方式進行節點間的通信較為適宜。
(3) 數據庫管理
為了在計量監控程序中，對大量采集到的數據實現存儲、處理和查詢等管理功能，就需要建立數據庫系統，這也是連接生產控制層和信息管理層的橋梁和紐帶。可以采用Microsoft公司的SQL SERVER 7.0來建立數據庫系統。數據庫管理功能主要包括數據通信、數據存儲和數據分析。
• 數據通信
用戶需要通過人機監控畫面與數據庫系統進行維護和控制，數據庫系統可以提供ODBC接口給監控程序來方便數據交換。
• 數據存儲
數據庫存儲由信息源收集到的各種數據，根據定義在數據庫中的各個實體（表格）間的關系，最終方便監控應用程序和用戶的調用。
• 數據分析
根據應用數據庫存儲的數據，如以年月日為查詢條件的歷史數據，可以進行橫向和縱向的數據分析比較，以便企業制定具體的計劃方案。
3 監控軟件開發
計量管理監控軟件以微軟的Visual Basic 6.0作為工具，結合Echelon公司的LNS開發包來實施開發。其主要功能包括計量數據的補償計算、網絡安裝和配置、網絡維護和網絡監控。
3.1 計量補償算法
在上位監控計算機上要顯示瞬時流量值和累積值，就必須對流量進行參數補償修正計算，目前最常用的幾類流量計（差壓、渦街、電磁等）受影響的主要參數為密度等。如速度式流量計測量的是體積流量，但是物料平衡或能源計量皆需要用質量流量計算，因此這些流量計除檢測體積流量外，最主要檢測的是流體的密度。在實際計算時，針對不同的流量類型，通過對密度與溫度、壓力之間關系，采用相應的計算方法進行補償，以提高流量計量精度。
3.2 基于LNS的網絡安裝
將LonWorks網絡上的節點進行物理連接后，相互間仍是獨立的，需要通過組網來建立邏輯上的連接。根據LNS的體系結構和所選擇的開發工具，采用面向對象的程序設計方法，通過封裝、調用對象的方法、屬性和事件，來完成對LonWorks網絡的安裝。下面給出的程序代碼示意了有關全局數據庫的初始化、新建網絡數據庫和節點安裝等過程。
frmMain.lcaObjectServerMain.Open ' 打開對象服務器數據庫
Set m_networkCollection = frmMain.lcaObjectServerMain.networks ' 設置網絡集合
Set NSIs = frmMain.lcaObjectServerMain.NetworkInterfaces ' 在接口下拉列表中顯示網絡接口名
For i = 1 To NSIs.count
NSIName = NSIs.Item(i).Name
If NSIName=”LON1” Then
Combo.AddItem NSIName
End If
Next i
Combo.Text = Combo.List (0)
Set m_currentNetwork = m_networkCollection.Add(Network1, C:\DB\, True) ' 新建一個網絡數據庫
Set m_currentSystem = m_currentNetwork.Systems.Item(1) ' 打開子系統，啟動NSS
m_currentSystem.Open
m_currentSystem.Subsystems.Add "Subsystem1" ' 初始化子系統，默認添加Subsystem1
m_currentSystem.MgmtMode = lcaOnNet ' 連接網絡，設置網絡管理模式為在線模式lcaOnNet
optSubsystem= m_currentSystem.Subsystems.item (3) ' 選擇子系統，默認添加為Subsystem1
DeviceCollection = optSubsystem.AppDevices ' 設置節點集合
Set optDevice = DeviceCollection.Add(deviceName.Nothing, Nothing, Nothing) ' 添加節點
optDevice. NeuronId=ServicePinNeuronId ' 寫入物理節點的Neuron ID號
optDevice. Commission ' 網絡映像裝入節點，使物理節點和邏輯節點相連
optDevice.State=LcaStateCnfgOnline ' 節點處于在線方式
3.3 基于LNS的網絡節點監控
網絡安裝好以后可以實現對網絡上的節點進行監控，LNS提供有兩種系統級別的監控方式：單點監控與集合監控。根據實際需要，本系統中采用了單點監控方式，單點監控需建立臨時性的監控點，應用程序通過臨時監控點來控制網絡
變量，當程序退出后，監控點由LNS撤銷。由于所監控的網絡變量對象經常改變，所以監控方式采用的是垂詢方式（poll）。垂詢方式屬于非綁定方式，監控程序可以直接在網絡中對一個輸入型網絡變量寫值，或者讀取一個輸出型網絡變量的值。在垂詢方式下，可以設置監控對象的屬性，以決定該方式的特性。監控程序可以通過利用節點網絡變量對象的Value屬性來對網絡變量的值進行操作。圖3示意了監控軟件對網絡節點的在線實時數據的監控。
圖3 節點實時數據監控
3.4 人機監控畫面設計
計量管理的人機監控程序采用面向對象的程序開發工具Visual Basic 6.0開發。監控程序具有圖形化界面，實現良好的人機交互形式，主要由計量數據的顯示模塊（包括瞬時和累積流量的顯示）、數據管理模塊（實現數據存儲和交換的功能）、實時曲線顯示模塊、歷史數據查詢模塊等幾個部分組成。監控畫面主要用于顯示各個節點設備和通道的計量數據，其中包括了瞬時和累積流量的顯示；數據瀏覽畫面以表格的形式提供更多的信息；數據管理畫面主要實現數據存儲和備份的功能；實時曲線顯示畫面可以動態的顯示某監控節點和某通道的計量數據；歷史數據查詢可以按用戶的時間設定來查找歷史數據。
4 結論
作為一種先進的現場總線，LonWorks以其獨特的優點顯示出了巨大的發展潛力，特別是在LNS技術的支持下，為最終實現應用于石化企業的分布式計量管理系統提供了一條有效的途徑。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號