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1、Lonworks 总线及其应用2008-2-27 17:03:00 来源：一、现场总线现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，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。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。迄今为止，比较成熟的并且比较有影响力的现场总线则有以下几种类型：1.FF，2.Pro
2、fibus，3.CAN，4.Lonworks，5.Devicenet，6.Interbus，7.WorldFIP，8.Swiftnet，9.P-net，10.CC-link，11.AS-i，12.controllnet。由于现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求，设备一对一的分别进行连线的结构形式。把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线系统在技术上具有以下特点：(1)系统具有开放性和互用性通信协议遵从相同的标准，设备之间可以
3、实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产品组成开放互连的系统。系统间、设备间可以进行信息交换，不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。(2)系统功能自治性系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。(3)系统具有分散性现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。(4)系统具有对环境的适应性现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。由于现场总线结构简化，不再需要 DCS 系统的
4、信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线，节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易于重构等优点。下面本文对 Lonworks 总线和其技术特点及原理进行详细阐述：1. Lonworks 总线及 Lonworks 系统特点Lonworks 是由美国 Echelon 公司于 20 世纪 90 年代初推出的现场总线，它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议，这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线，在工业控制系统中可同时应用在Sensor Bus、
5、Device Bus、Field Bus 等任何一层总线中。它除了具有上面说提到的现场总线的公共的特点外，另外，在一个 Lonworks 控制网络中，智能控制设备 (节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。一个 Lonworks 控制网络可以有 3 个到30000 个或更多的节点：传感器功能(温度、压力等) 、执行器功能 (开关、调节阀、变频驱动等)、操作接口(显示、人机界面等)、控制功能(新风机组、VAV 等) 。由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，Lonworks 分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本
6、和运行费用。神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。同时还采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质和多种拓扑结构，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。Lonworks 的核心是神经元芯片 (Neuron Chip)，使用 CMOS CLSI 技术的神经元芯片使实现低成本的控制网络成为可能。神经元芯片是高度集成的内部含有 3 个 8 位的 CPU：第一个 CPU 为介质访问控制处理器，处理 LonTalk 协议的第一层和第二层；Neuron 芯片的编程语言为 Neuron C
7、，它是从ANSI C 中派生出来的，并对 ANSI C 进行了删减和增补。Neuron 芯片可以通过 5 个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可以通过 11 个应用管脚与现场的传感器和执行器交换信息。11 个应用管脚具有 34 种应用操作模式，可以在不同的配置下为外部提供灵活的接口和芯片内部的计时器应用。第二个 CPU 为网络处理器，它实现 LonTalk 协议的第三层至第六层；第三个 CPU 为应用处理器，实现LonTalk 协议的第七层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。神经元芯片实现了完整的 Lonworks 的 LonTalk 通信协议。而开放式 Lonworks
8、系统具有如下的特点：(1)在设计、安装和启动上采用工业标准的网络服务。(2)包含来自多个厂商的符合 Lonmark 的产品。(3)除非和传统系统相互作用或者规范要求，不需要网关。(4)与专用垂直子系统的实施不同，强调水平功能性。并且由于在工程应用中这个开放式系统包含来自多厂商的，那么各个厂家的设备之间使如何实现一致性和可互操作性呢，LonMark 标准便是为解决这一问题而制定的。如果 Lonworks 系统集成商想要构建开放式系统，就应该尽可能使用满足 LonMark 标准的产品，并且要使用基于 Lonworks 的网络服务的网络工具设计、安装和启动网络。2. Lonworks 的一致性和互操
9、作性2.1. Lonworks 的一致性Lonworks 的一致性是指产品符合 ANSI/EIA709.1 标准的指标。ANSI/EIA 709.1 标准符合国际标准化组织的底层协议标准，其中从第一层到第六层的功能完全有标准来处理，使用者只需对应用层进行编程。最容易达到的办法是应用包含有 ANSI/EIA 709.1 标准的微处理器。神经元芯片和 ANSI/EIA 709.1 标准配合作为固件可进入所有采用神经元芯片的设备中去。它可做为主处理器被执行应用，也可以作为总线连接器给世纪的主机提供通信渠道。2.2. Lonworks 的互操作性因为符合一致性的两个设备在如何交换数据的过程中仍然存在各
10、种可能性，所以一致性还不足以保证节点之间有意义的相互作用。节点之间必须在如何交换数据，如何翻译数据，以及动作引起的反映等方面做出约定，才能保证互操作性和可靠的通信。LonMark 互操作性准则便为 Lonworks 设备之间的互操作提供了基础。一个基于互操作的 Lonworks 设备的应用层接口包括很多元素：节点对象；特定应用的 LonMark对象；一般的 LonMark 对象，如传感器、执行器和控制器对象；单个的网络变量、配置属性和互操作文件传输机制。物理层的互操作性和收发设备有关。介质、通信方法、位速率和收发器型号必须匹配。目前，LonMark 标准的物理层通道类型包括光纤、双绞线、电力线
11、、INTERNET 协议。除了要有连接神经元芯片或相当处理器的通信端口的合适的收发器外，还要设置合适的一系列的通道参数，使通信协议能够以正确的格式发送和接收报文，来实现互操作。这个通信协议便是LonTalk 协议。3. LonTalk 通信协议LonTalk 协议遵循 ISO 定义的开放系统互连(OSI) 模型，它除了为 Lonworks 控制网络实现可互操作性提供条件。还提供了 OSI 参考模型所定义的全部七层服务。它具有以下的特点：（1） LonTalk 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。（2） LonTalk 应用可以运行在任何主处理器(Host
12、 Processor)上。主处理器(微控制器、微处理器、计算机)管理 LonTalk 协议的第六层和第七层并使用 Lonworks 网络接口管理第一层到第五层。（3） LonTalk 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。（4） LonTalk 协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型，极大地方便了控制网络的构建。综上可知， Lonworks 技术是支持完全分布式的网络控制技术，是开放的、可互操作的控制系统的一个技术平台。近年来的 Lon
13、works 的用户、系统集成商和 OEM 产品生产商的队伍迅速扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商，如 Honeywell、ABB、Philips、HP 等。据 1997 年统计，已有2500 家生产和使用 Lonworks 产品，已有 500 万个 Lonworks 节点在使用运用。已有 3500 种LonworksOEM 产品问世，其中 30-40应用于工业领域。而 Lonworks 最大的应用领域在楼宇自动化，它包括建筑物监控系统的所有领域，即人口控制、梯和能源管理、消防/救生/ 安全、照明、保暖通风、测量、保安等。在工业控制领域，Lonworks 在半导体制造厂、石油、印刷、造纸等
14、应用领域都占有重要的地位。二、Lonworks 技术在楼宇自动化系统中的应用为了方便我们更好地理解 Lonworks 所控制的对象是什么，应该怎样控制，如何更好地控制。下面则给出两个具体的工程应用实例对 Lonworks 技术进行说明，为此，本文插入下面一些有关BAS（Building Automation System）的一些相关知识。相比与传统的那种封闭的楼宇控制系统，现在的楼宇自动化控制系统（BAS）就是对大厦内的各种机电设施进行全面的计算机监控管理，如空调制冷系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯、消防、安全防范系统等；通过对各个子系统进行监控、控制、信息记录，实现分散节能控制和
15、集中科学管理，为建筑物用户提供良好的工作环境，为建筑物的管理者提供方便的管理手段，从而减少建筑物的能耗并降低管理成本。其基本组成及相应功能如下：1.BAS 的组成(1) 建筑设备运行管理的监控,包括：a.暖通空调系统的监控(HVAC); b.给排水系统监控; c.供配电与照明系统监控。(2)火灾报警与消防联动控制、电梯运行管制(3)公共安全技术防范,包括:a.电视监控系统；b.防盗报警系统；c.出入口控制及门禁系统；d.安保人员巡查系统；e.汽车库综合管理系统；f.各类重要仓库防范设施；g.安全广播信息系统。诸多的机电设备之间有着内在的相互联系，于是就需要完善的自动化管理。建立机电设备管理系统
16、，达到对机电设备进行综合管理、调度、监视、操作和控制。2.BAS 的功能(1)制定系统的管理、调度、操作和控制的策略；(2)存取有关数据与控制的参数；管理、调度、监视与控制系统的运行；(3)显示系统运行的数据、图象和曲线；打印各类报表；(4)进行系统运行的历史记录及趋势分析；统计设备的运行时间、进行设备维护、保养管理等； 具体地说，传统的楼宇自控系统就其本身而言是一种封闭的系统，主要表现在其通信协议上。不同厂商的产品采用不同的通信协议，互不兼容，而现在的 BAS 则使用的是一种开放控制技术，为实现对建筑物内水、电、消防、保安等各类设备的综合监控和管理，利用计算机网络和接口技术将分散在各子系统中不同楼层的直接数字控制器连接起来，通过联网实现各个子民中央监控管理级计算机之及子系统之间的信息通信是一套分布式智能控制系统，该系统在网络结构上突破了传统集散系统二级网、三级网的概念，系统中所有的控制和管理设备均可通过 Lon Words 现场总线连接在一起，各控制设备之间可实现点对点的通讯方式，组成对等式的通讯网络。三、Lonworks 技术应用实例1.工程
