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1、L o n Wo r k s 技术在楼宇自动化领域的应用 广东 工 业大学自 动 化学院 谢凌广 摘要: 本丈 结合智能建筑的 特点， 介绍了 L o n W o r k ， 技术的特点并论述了用L o n W o r k s 网络技 术实 现的B A S 控制系 统方案， 充分体现了 现场总线 在楼宇自 动化领城的前景。 关健词: L o n W o r k ，现场总 线( F C S )楼宇自 动化( B A S )集散监拉系统( D C S ) 干智能建筑进行分布式网络管理和控制。楼宇自动 化近年来正在向着开放系统迅速发展。在实时控制 方面，实现可互相操作的现场总线 L o n Wo r
2、 k ， 网络 技术的通信协议 L o n T a l k ，为楼宇自 动化中的传感 器、 执行器和控制器之间网络化操作奠定了基础。 1前盲 2 L o n Wo r k s 技术概述及在楼宇自动化系统 的应用 楼宇自动化系统( B A S ) 是按分布式信息与控制 理论设计的集散监控系统 ( D C S ) ， 它是由计算机技 术、自 动控制技术、 通信网络技术和人机接口 技术 相互发展渗透而产生! 1 1 难适应智能大厦种类繁多 的设备检测和控制要求。 L o n Wo r k ， 技术是专门为实时控制而设计的、 能 在控制层提供互操作的现场总线技术， 作为局城网 络技术在控制领域的延伸和
3、应用， L o n W o r k : 网络是 将控制系统按局域网络( L A N ) 的方式进行构造， 用 网络节点代替L A N中的工作站， 并将其安装于监控 现场， 直接与 各种监控传感器和控制器相连。L o n - W o r k s 网中每个节点间可以实现点到点的信息传 送， 具有极其良 好的 互操作性， 这样使整个网 络实 现了 无中心的真正的分布式控制模式。 这种网 络集 数据采集、 分析、 控制和网络通信为一体， 十分适合 传感器和执行器 晶振 I 电像 v0调理 神经元芯片 收发器 1 6 K - 5 8 K R O M L o . W. r k . 总线 图1 L o n
4、Wo r k s 智能节点结构框图 2 6 V d 4 N o . 3 C I T Y B U IL D I N G IN T E L L I G E N T S Y S T E M 2 . ，L o n Wo r k s 技术简介 L o n W o r k ， 技术是美国E c h e l o n 公司9 0 年 1 2 月 推出的一种现场总线技术，L o n ( L o c a l O p e r a ti n g N e t w o r k ) 的意思为局部操作网络， 具有现场总 线技 术的一切特点。现场总线是一种工业总线，它是自 动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网 络。国际电工
5、委员会( I E C ) 和现场总线基金会( F F ) 对现场总线作了如下定义: 现场总线是连接智能现 场设备和自动化系统的数字式、 双向传拾多分支结 构的通信网络1 2 1 。 目 前， 世界上许多著名的自 动化 厂商和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 。 技术。迄今为止，使用L o n - W o r k s 技术的生产厂商已有3 0 0 ( 】 多家，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
6、表处于 1 9 9 5 年成立， 目 前有六十多家中国厂商加人了L o n - W o r k 。 控制网络的O E M行列， L o n W o r k 。 控制网络 技术已大量应用于各主要工业领域， 如工业厂房、 楼宇及家庭自动化、 农业、 医疗和运翰业等。 L o n Wo r k ， 分布式测控网 络技术， 它真正并彻底 地贯彻了“ 分散控制、 集中管理” 的控制思想， 在国 际和国内都得到越来越广泛的应用。更准确地说 L o n W o r k s 技术有效地解决了集散控制系统的通讯 难题。 2 . 2 L o n Wo r k s 技术的主要性能特点 L o n W o r k s
7、 网络系统由智能节点组成， 每个智能 节点可具有多种功能的I / 0功能。 用户可以对节点 进行再编程， 实现用户自 定义的算法和功能。节点 结构如图1 所示， 各个节点之间可 通过不同的传输 介质进行数据传输， 并遵循I S O / O S I 的7 层模型， w w w . oaha. net i L o n W o r k 。 技术包括监控网络的设 计、安装、开发和调试的一整套方 法，要使用多种专用的硬件设备和 软件程序， 主要包括以下几个方面: L o n Wo r k ， 的技术核心是神 经元芯片N e u r o n ，这种使用 C M O S C I S I 技术的神经元芯片使实
8、现低成 本的网络控制成为可能。在N e u r o n 芯片中有3 个8 位的C P U , 第一个 C P C为介质访问控制处理器，处理 L o n T a l k 协议的第一层和第二层， 它 包括驱动通信子系统硬件和执行冲 突避免算法; 第二个C P U为网络处 理器、 处理 L O n T a l k协议的第三层到 第六层. 它进行网络变量的处理、 寻址、 事务处理、 证实、 背景诊断、 软件计时器、 网络管理和函数路径 选择等， 它还控制网络通信口， 物理地发送和接受 数据包; 第三个C P U为应用处理器， 它执行用户编 写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。 N e u ro n
9、 芯片的编程语言为N e u r o n C ，它是从 A N S I C中派生出来的， 并对A N S I C 进行了册减和 增补。一个运行N e u ro n C应用程序的节点， 最多可 E l 说明6 2 个网络变I。一个网络变量可以是N e u - r u n C变量或结构， 其最大长度可达3 1 个字节。 最多 3 1 个字节的数组可以被嵌人在一个结构里并作为 一个网络变量来传播。 N e u ro n 芯片有一个非常通用 的通信口， 它有五个引脚组成， 利用这五个引脚可 以 配置成各种通信介质接口( 网络收发器) 。 N e u ro n 芯片既可以从具有五个引脚的通信口， 也可以
10、从具 有 1 1 个引脚的1 / 0口 发送和接受信息。这些引脚 可以用在不同的配置下， 为外部硬件提供灵活的接 口和接人芯片内部计时时钟。 1 / O口有四类3 4 个预 编程的1 / O对象， 用来实现有效的侧量、 计时和控 制应用操作。 .L o n Wo r k ， 技术的核心为L o n T a l k 通信协议， 协议遵循由国际 标准化组织( I S O ) 定义的开放系统 互连( O S I ) 模型， 提供了7 层协议所有内容的服务。 在通信方式上采用一种改进的C S M A ( 载波监听多 路访问) ， 称为 带预 测的P 一 P e r s is te n t C S M
11、A 算法。 .L o n T a l k 协议支持多种传愉介质， 如双绞线、 电力线、 超声波、 红外线、 光纤等。每一种介质称为 一种信道， 每一种信道有专用的收发器作为智能节 点与通信介质的接口 器件。 不同的传输信道可通过 路由器实现互联。 在不同的介质中有不同的传轴速 率， 最高达到1 . 2 5 M b p s ， 传 输 距离最 远为2 . 7 K m ， 每 个信道最多可接3 . 2 万个节点。 . 在网络结构上，L o n T a l k协议支持分散的 P e e r t o P e e r 的通信， 节点可以组成总线型、 环型、 树 型等多种网络拓扑结构， 并可组成自由拓扑结
12、构。 网络通信采用面向对象的设计方法， 可使用一种称 为N e u ro n C的语言进行编程。 2 . 3 L o n Wo r k s 与楼宇自 动化 楼宇自动化是对智能建筑内所有动力、 楼宇设 备进行自动监侧和控制的系统， 它通常是由中央管 理站、 通信控制器, D D C 、 传感器和执行器等组成的 集散型控制系统 ( D C S ) ， 也是一个开放的网络通信 系统。 一般可以把建筑物自动化开放系统分成两部 分考虑: 一部分是低速部分， 主要涉及传感器、 执行 器和控制器所构成的实时环境; 另一部分是高速部 分， 主要涉及大量数据传送和高级的网络环境， 如 报警处理、命令优先安排以及
13、动态数据交换、 开放 数据库连接等。 建筑物楼宇自 动化系统其各工作站 之间的住处通信通常基于E t h e rn e t 网或T C P / I P 协 议，而下级通信控制器及D D C的通信则墓于R S - 2 3 2 , R S 一 4 4 2 协议， 采用对等或令牌控制的 信息传 输。 现场总线是一种通信技术， 它用数字仪表代替 了 模拟仪表， 以申 行通信方式取代传统的4 一 2 0 o u 1 的模拟信号， 一条现场总线可为众多的可寻址现场 设备实现多点连接， 支持底层的现场智能设备与高 层的系统通过公用传愉介质交换信息。 更为关键的 是用新一代的现场总线控制系统 F C S 代替
14、传统的 集散型控制系统 ( D C S ) ， 实现了现场通信网络与控 制系统的 集成。 传统的D C S 采用“ 操作站 一控制站 C IT Y a B U IL D IN G IN T E L L IG E N T S Y S T E M v o l. 4 M . 3 2 7 一现场仪表”三 层主从结构方式， 而现场总线则把 输人/ 输出单元， 控制站的功能分散到现场智能仪 表中。 每个智能仪表都有自 己的C P U 单元， 进 行测 量、 调节、 诊断、 输出等功能的操作。每个智能仪表 成为总线中的一个节点，节点间通过现场总线连 接， 任何一个节点的故障都不会影响到其它节 点。 因 此，
15、 F C S比D C S 具有更优越的关系结构， 它与 D C S系统的关键区别在于取消了庞大的集中测控 分站， 而将测量、 控制、 传感器等划分成更小的 单 元， 并集成到被控对象中去， 将计算处理能力向对 象分散，并利用集中的上级计算机完成系统的协 调。L o n Wo r k s 网络的智能节点中包含温度检测、 相 对湿度检测、 二氧化碳检测、 风门执行器、 变风量控 制、 风机盘管控制以及恒温控制器、 冷冻机、 单元通 风器、墙挂式检测器、阀门执行器、报警及报警管 理、 数据记录及趋势分析等。基于L o n Wo r k ， 网络技 术的梭宇自动化系统， 如图2 所示， 全面综合了计
16、算机、 控制和通信技术， 采用集散、 现场总线等分布 式控制系统的结构及先进的管理技术。它主要由大 量分散在智能建筑物内部的各设备子系统以及作 为核心对它们进行测量、 监视、 控制、 管理和协调的 L o n W o r k s 智能节点构成， 具体包括: 变配电系统 L o n W a r k s 单点智能节点 ( S i 叼e P o i n t S m a rt N o d e 简称S P N )有一个N e u ro n 微处理器和网络接 口， 允许以节点的形式存在于L o n W o r k s 网络中， 它 能用作温度和湿度传感器、 单输出继电器的节点。 可以对智能建筑物的供电状况进行实时监视和控 制， 包括对各级电力开关设备， 配电柜高压和低压 侧状态， 主要回路的电流、 电压及功率因 数， 变压器 及电缆的温度， 发电机运行状态等的监测与控制， 对故障进行报警等; 另外， 通过对用电 情况的计量 和统计， 利用科学的管理方法， 合理均衡负荷， 以保 障安全、 可靠地供
