1 引言
1.1 組態(tài)控制軟件
組態(tài)控制軟件是可實現(xiàn)各種控制功能的具有配置性質(zhì)的程序。通過組態(tài)就可以實現(xiàn)預(yù)定的控制方案。可以使用戶在不需要編代碼程序的情況下，便可生成適合自己需求的應(yīng)用系統(tǒng)，這些應(yīng)用系統(tǒng)軟件就是組態(tài)軟件，它由開發(fā)人員完成，本文提出了基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制來實現(xiàn)對組態(tài)軟件的開發(fā)方法，提出了一種基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組態(tài)方法，給出其設(shè)計思想和實現(xiàn)方法。
1.2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制方法 – 節(jié)點
LON網(wǎng)上的每個控制節(jié)點稱為LON節(jié)點或LONWORKS 智能設(shè)備，它包括一片Neuron芯片、傳感器和控制設(shè)備、收發(fā)器和電源。
Neuron芯片是節(jié)點的核心部分，它包括一套完整的通信協(xié)議，即LonTalk協(xié)議，從而確保節(jié)點間使用可靠的通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互操作。因為Neuron芯片可以直接與它所監(jiān)視的傳感器和控制設(shè)備相連，所以一個Neuron芯片可以傳輸。
傳感器或控制設(shè)備的狀態(tài)、執(zhí)行控制算法，和其它Neuron芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。使用Neuron芯片，開發(fā)人員可以集中精力設(shè)計并開發(fā)出更好的應(yīng)用對象而無需耗費(fèi)太多的時間去設(shè)計通訊協(xié)議、通訊的軟件和硬件，這樣減少了開發(fā)的工作量，節(jié)省了大量的開發(fā)時間。
LonWorks節(jié)點編程是用Neuron C 來實現(xiàn)的，程序要經(jīng)過編譯和燒錄后才能載入節(jié)點中運(yùn)行;或者也有一些節(jié)點經(jīng)過編譯可以直接下載到節(jié)點運(yùn)行。在此我們把組態(tài)的思想引入組態(tài)控制軟件中，為控制網(wǎng)絡(luò)預(yù)先提供豐富的控制功能模塊，通過改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的邏輯關(guān)系來達(dá)到改變網(wǎng)絡(luò)控制功能的目的。
1.3 引入組態(tài)到LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點、特點
● 用戶不需要用Neuron C語言編程，只要根據(jù)實際需要進(jìn)行適合自己的組態(tài)配置。
● 實現(xiàn)的功能多，方便用戶實現(xiàn)各種控制功能。
● LonWorks本身帶有通訊協(xié)議，組網(wǎng)方便、靈活。
2. 基于LonWorks的組態(tài)控制
2.1 組態(tài)軟件生成：
有的組態(tài)軟件將控制功能模塊稱為“軟PLC或Soft PLC”，也有的稱“軟邏輯”。組態(tài)控制軟件編程工具采用圖形化編程語言，只需用鼠標(biāo)“點擊、拖動”就可以建立一個可重復(fù)使用的控制方案，大大減少工程時間和人力。一個應(yīng)用程序中可以有很多控制模塊。開發(fā)人員利用Neuron C 語言編制通用控制程序。通用控制程序由許多基本功能模塊組成，各個模塊可以實現(xiàn)不同的控制功能。基本功能模塊有若干個輸入和輸出，每個輸入和輸出管腳都有唯一的名稱，不同種類的功能塊其每個管腳的意義、取值范圍也不相同。
控制模塊基本功能塊包括：數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊（實現(xiàn)數(shù)的加、減、乘、除、乘方、開方等基本運(yùn)算）;邏輯運(yùn)算模塊（實現(xiàn)邏輯的與、或、非、延時、選擇開關(guān)等功能）;變量模塊（提供運(yùn)算的操作數(shù)并存放最終的運(yùn)算結(jié)果）以及常用的控制算法模塊（例如PID控制等）。
組態(tài)控制軟件存盤時自動對程序進(jìn)行編譯、檢查語法錯誤，同時生成一定格式的消息包，準(zhǔn)備傳遞給Neuron芯片。這些特定格式的數(shù)據(jù)包有：控制模塊綜合描述（例如所含的控制模塊總個數(shù)，參數(shù)總個數(shù)，中間變量總個數(shù)等），各模塊的描述（例如該模塊的模塊數(shù)，參數(shù)個數(shù)，中間變量等），各模塊的參數(shù)表，各模塊代碼表，各模塊的中間變量存放順序表等。
組態(tài)Neuron節(jié)點通過顯式消息與PC機(jī)進(jìn)行通訊，接收模塊消息包。該節(jié)點中存有與基本功能模塊相應(yīng)的執(zhí)行模塊代碼，將數(shù)學(xué)模塊、邏輯模塊、變量模塊和控制算法模塊等分別寫成單獨(dú)的函數(shù)，可按照組態(tài)軟件生成的消息包被調(diào)用，并可將執(zhí)行結(jié)果傳送給PC機(jī)或其它 Neuron節(jié)點。假如組態(tài)中某個功能塊的參數(shù)發(fā)生了改變，則重新編譯程序并將最新生成的模塊消息包發(fā)給 Neuron芯片，使之總是執(zhí)行最新的功能塊，實現(xiàn)組態(tài)的在線編譯與控制。組態(tài)Neuron節(jié)點在接收消息時，根據(jù)消息標(biāo)簽將消息數(shù)據(jù)賦給該節(jié)點定義的不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)組態(tài)軟件生成的所有相關(guān)消息被收到后，功能塊才可以執(zhí)行。
Neuron各節(jié)點之間通過網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行通訊。在組態(tài)Neuron節(jié)點中，預(yù)定義一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)變量，既有輸入類型，也有輸出類型。其總個數(shù)不超過Neuron C 語言中允許定義的網(wǎng)絡(luò)變量的總個數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)變量的使用極大的簡化了開發(fā)和安裝分散系統(tǒng)的處理過程，各節(jié)點可以獨(dú)自定義，然后簡單地連接在一起或斷開某幾個連接，以構(gòu)成新的LONWORKS應(yīng)用，大大增加了系統(tǒng)的靈活性，開放性。網(wǎng)絡(luò)變量通過給節(jié)點相互之間明確的網(wǎng)絡(luò)接口而極大地提高了節(jié)點產(chǎn)品的互操作性。互操作性帶來得好處是：節(jié)點能很方便地安裝到不同類型的網(wǎng)絡(luò)中，并保持節(jié)點應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)配置獨(dú)立性。節(jié)點可以安裝到網(wǎng)絡(luò)中并且只要網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù)類型匹配，就可以邏輯建立地與網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點的連接。
一個網(wǎng)絡(luò)變量NV（Network Variables）是節(jié)點的一個對象，它可以定義為輸入也可以定義為輸出網(wǎng)絡(luò)變量。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)變量在一個節(jié)點的應(yīng)用程序中被賦值后，LonTalk協(xié)議將修改了的輸出網(wǎng)絡(luò)變量新值構(gòu)成隱式消息，透明的傳送到可與之共享數(shù)據(jù)的其它節(jié)點或PC機(jī)。這里的網(wǎng)絡(luò)變量其實為隱式消息。
由于每個網(wǎng)絡(luò)變量的數(shù)據(jù)長度一經(jīng)確定就不能改變，且最多只有31B，所以限制了它的使用范圍。為此，可考慮同時使用了Neuron C 提供的顯示消息這一數(shù)據(jù)類型。
顯式消息的長度是可變的，且最長可以是228B。顯式消息必須使用一個預(yù)定的對象來構(gòu)造，然后使用顯式函數(shù)以及預(yù)定事件來處理這些顯式消息。
用預(yù)定事件msg_arrives來接收消息。
本設(shè)計中，由message-code判斷要接收的消息數(shù)據(jù)msg_in.data應(yīng)該存放到那一部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。message-code有head, stragehead, code, parameter, index, 和run等。其中，head為控制模塊頭，stragehead為控制模塊描述頭，code為接收代碼表，parameter為接收參數(shù)表，index為接收索引表，run為接收程序開始執(zhí)行命令。這些消息分別對應(yīng)組態(tài)軟件編譯生成的消息包格式。只有當(dāng)組態(tài)Neuron節(jié)點收到全部的模塊消息和執(zhí)行命令run后，模塊才被執(zhí)行。
2.2 實例
對于實現(xiàn)一個加法運(yùn)算（加法器）來講，其組態(tài)功能圖如圖：
模塊1為變量模塊（輸入輸出模塊）中的常量模塊，模塊2、3都為變量模塊（輸入輸出模塊）中的網(wǎng)絡(luò)變量輸入模塊，模塊4為數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊中的加法模塊，模塊5為變量模塊（輸入輸出模塊）中的輸出模塊。
若要實現(xiàn)這樣一個加法功能，首先在組態(tài)工具中畫出如圖2所示的功能組態(tài)圖，經(jīng)編譯后生成所需的模塊代碼。如模塊頭文件為：
Varsize 12 0 0 0 0 //中間變量所需暫存單元
Stragenum 1 //控制模塊個數(shù)
Parasize 2 //參數(shù)所需存儲單元
Codesize 20 //代碼所需存儲單元
Indexsize 24 //索引所需存儲單元
Globalsize 0 //全局變量所需存儲單元
在模塊進(jìn)行執(zhí)行時，
1） 執(zhí)行模塊1，將參數(shù)值從參數(shù)表中取值，放入中間變量表;
2） 執(zhí)行模塊2，將相應(yīng)的輸入網(wǎng)絡(luò)變量放入中間變量表;
3） 執(zhí)行模塊3，將相應(yīng)的輸入網(wǎng)絡(luò)變量放入中間變量表;
4） 執(zhí)行到模塊4時，從中間變量表中取使能端的參數(shù)，從中間變量表中取輸入端1的參數(shù)，從中間變量表中取輸入端2的參數(shù)，將兩操作數(shù)相加，運(yùn)算結(jié)果放回中間變量表。
5） 執(zhí)行模塊5，從中間變量表中將數(shù)值賦給相應(yīng)的輸出網(wǎng)絡(luò)變量。
2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Ø 代碼結(jié)構(gòu)：由4個字節(jié)組成，分別用16進(jìn)制表示。
Ø 代碼結(jié)構(gòu)的含義：
第一字節(jié)表示種類（ category），即四大模塊（數(shù)學(xué)模塊、邏輯模塊、變量模塊和控制模塊）中的某一類;
第二字節(jié)表示類型（kind），即某一模塊中的具體功能;
第三和第四字節(jié)表示索引（index）。
Ø 索引表的結(jié)構(gòu)：由二個字節(jié)組成;在程序中用16進(jìn)制表示。
Ø 索引（index）表的含義：
I. 占兩個字節(jié)。
II. 分別由各個功能塊的四個部分組成：
A. 第一部分表示某個功能塊由幾個輸入、輸出集成，分別對應(yīng)中間變量表的指針數(shù)值。
B. 第二部分表示輸入網(wǎng)絡(luò)變量。本設(shè)計中輸入數(shù)據(jù)由消息節(jié)點的消息變量發(fā)送，再由接受節(jié)點接受，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到另一個接受節(jié)點上來，并轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)變量，再由網(wǎng)絡(luò)變量送入PTAG表，以便進(jìn)行運(yùn)算。
C. 第三部分表示輸出網(wǎng)絡(luò)變量。運(yùn)算結(jié)果放入PTAG中間變量表，輸出時再從中間變量表中取出運(yùn)算結(jié)果，送入接受方節(jié)點（本節(jié)點上）即NEUM節(jié)點上的輸出網(wǎng)絡(luò)變量，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上傳遞后，再由連接后的輸入網(wǎng)絡(luò)變量從另一個節(jié)點（即消息節(jié)點）上可以讀出數(shù)據(jù)。
D. 第四部分表示常量。其值由參數(shù)表中取出，參數(shù)表中的數(shù)據(jù)由消息發(fā)送過來。
III. 各個功能塊的次序和每個功能塊中四個部分的次序，由組態(tài)的次序決定。
第一部分的格式：
第二部分（輸入網(wǎng)絡(luò)變量的格式）：
第三部分（輸出網(wǎng)絡(luò)變量）的格式：
第四部分（常量）的格式：
Ø 中間變量表的結(jié)構(gòu)：由數(shù)據(jù)的類型決定字節(jié)長度。
中間變量表通過賦初值來確定其結(jié)構(gòu)，此時中間網(wǎng)絡(luò)變量只有空結(jié)構(gòu)，沒有數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)等待輸入，由變量模塊、取數(shù)據(jù)函數(shù)GET（）、設(shè)置數(shù)據(jù)函數(shù)SET（）來完成。變量模塊中分三個類型，有常量、網(wǎng)絡(luò)變量輸入和網(wǎng)絡(luò)變量輸出。這三種類型的數(shù)據(jù)最終都要放入中間變量表中，輸入時，如是常量，則從參數(shù)表中取出常量，放入中間變量表中。參數(shù)表中的數(shù)據(jù)預(yù)先由消息節(jié)點發(fā)送，在讀參數(shù)表時已讀入數(shù)據(jù)。由READP（）程序完成。
如不是常量，則由網(wǎng)絡(luò)變量輸入來接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還是由消息節(jié)點發(fā)送過來，用GET（）函數(shù)讀入，再由SET（）函數(shù)放入PTAG中間變量表，以備運(yùn)算使用。
輸出時，再由中間變量表中取出，放進(jìn)輸出網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行輸出。再由節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到消息節(jié)點，通過消息節(jié)點上的輸入網(wǎng)絡(luò)變量可以觀察運(yùn)算結(jié)果。
特別要注意的是：中間變量表的字節(jié)長度是隨著常量數(shù)據(jù)的類型（只有整型和浮點型）、網(wǎng)絡(luò)變量的數(shù)據(jù)類型來確定，因而，不同的模塊運(yùn)算中間變量表的長度是不同的，這也反映在索引表的內(nèi)容上。
Ø 中間變量（Ptag）表的格式：（一個模塊）
Ø 參數(shù)表的格式：（放常量）
要實現(xiàn)這樣的加法功能，先在組態(tài)工具中畫出如上圖的組態(tài)功能圖，經(jīng)編譯后生成所需的控制模塊代碼。
如設(shè)計代碼為：｛0，0，0，0，0，1，0，2，0，1，0，4，1，0，0，6，0，2，0，10｝。索引表設(shè)計為：｛16，0，16，0，16，0，16，3，16，1，16，6，16，0，16，3，16，6，16，9，16，9，16，0｝。//16 完全和程序中生成的數(shù)據(jù)類型的編程方法有關(guān)。
3 結(jié)束語
在LonWorks技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)組態(tài)控制有著廣闊的發(fā)展空間。依靠極強(qiáng)的Neuron芯片及LonTalk協(xié)議，使得組態(tài)控制得以在線編譯并實時運(yùn)行。采用消息包的形式向Neuron 芯片傳送組態(tài)控制的模塊，減少了Neuron 編程的工作量以及編譯工作，增加了系統(tǒng)的靈活性和開放性。為組態(tài)軟件的發(fā)展提供了更為開闊的市場。