Lonworks总线及其应用

1.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.PROFIBUS，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、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，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的一致性和互操作性
2.1. Lonworks的一致性
Lonworks的一致性是指产品符合ANSI/EIA 709.1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、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 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Lonworks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、造纸等应用领域都占有重要的地位。
2. 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：
BAS的组成：
1. 建筑设备运行管理的监控,包括：1、 暖通空调系统的监控(HVAC); 2、 给排水系统监控; 3 、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:1、电视监控系统；2、防盗报警系统；3、出入口控制及门禁系统；4、安保人员巡查系统；5、汽车库综合管理系统；6、各类重要仓库防范设施；7、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，达到对机电设备进行综合管理、 调度、监视、操作和控制。
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。
3.Lonworks技术应用实例如下：
1.工程简介
　　本工程是一栋机关办公楼，分主楼和配楼两部分，由办公室、多功能厅、餐厅及接待室等用房组成。主楼建筑面积26000平方米，地下一层，地上九层。配楼建筑面积7600平方米，地下一层，地上五层。本工程属于旧楼改造项目，改造后的大楼将实现楼宇设备的自动控制，达到对大楼内的水、电、热、空调、通风、电梯、高低压配电、停车场等系统进行监测、控制和科学管理，以实现舒适、安全、高效、节能的目的，并使设备损耗降低，延长使用寿命。
2. 系统总体设计
　　本楼宇自动化系统包括：冷冻水系统、新风机组、空调机组、给排水系统、变配电系统、电梯系统、照明系统、有害气体检测系统和热交换系统九部分。由于Lonworks技术的开放性和全分布式的特点，并且考虑到以后与其它功能子系统的集成，决定采用Lonworks技术作为本系统的技术平台。这个平台上集成了来自三个不同厂商的基于Lonworks技术的产品，它们分别是：美国SIEBE公司的I/A系列新风、空调控制器；澳大利亚AUSLON公司的DI-10E1；Echelon公司的LonPoint系列产品(DI-10、DO-10、AI-10、SCH-10和LPR-10路由器模块)。
　　系统的网络结构充分体现了Lonworks控制网络的特点，即全分布式的，对等的，开放性的网络结构，与集中式网络比较，Lonworks控制网络的节点控制箱放置在被控对象的附近，这样做减少了布线工作量，节省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于调试及维护。另外，如果网络中一个设备出现故障不会影响全网其它设备的正常工作，把故障点分散到最小的程度。
　　整个网络采用自由拓朴结构，网线线采用Echelon公司推荐的Belden公司8741型双绞线，连接方式全部采用手拉手连接方式。整个系统分为三个子网，主楼部分分成两个子网：21台新风机组组成一个子网，其它照明、给排水、变配电等系统为另一个子网；配楼所有系统组成第三个子网。每个子网之间采用路由器(LonPoint的LPR－10)相互隔离。
3. 系统功能
　　在系统功能设计过程中，除了要对楼宇内各机电设备实现基本功能的控制以外，要着重考虑系统节能，以便为用户日后带来更大的经济效益。
　3.1 冷冻水系统
　　主要是对3台冷水机组、3台冷却塔、3台冷却水泵、3台冷冻水泵、集水器、分水器及相关阀门和水流开关等设备进行监视和控制。
　　◆ 自动监测冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵的工作状态、故障情况。
　　◆ 由LonPoint的SCH-10模块控制冷冻机组定时启/停。
　　◆ 由实际冷负荷控制冷水机组的开启台数，并对相应的阀门和水泵进行联动控制。
　　◆ 根据供回水压差PID控制旁通阀的开度，保持供回水压差平衡。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各个设备的运行情况，并可强制控制旁通阀的开度。
　3.2 新风机组
　　主要对主楼的21台新风机组和配楼的7台新风机组进行监视和控制。
　　◆ 自动监测新风机组的新风温度、送风温度、送风湿度、新风阀门和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。
　　◆ 自动监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。
　　◆ 根据送风温度PID调节冷/热水阀门的开度，保持送风温度在一定范围内。
　　◆ 在冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制新风机组定时启/停。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各项运行参数，并可强制启/停新风机组。
　3.3 空调机组
　　主要对主楼的2台空调机组进行监视和控制。
　　◆ 自动监测空调机组的新风温度、新风湿度、回风温度、回风湿度、新/回风阀门开度和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。
　　◆ 自动监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新/回风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。
　　◆ 根据新风焓值和回内焓值PID调节冷/热水阀门的开度，保持回风温度在一定范围内。
　　◆ 在冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制新风机组定时启/停。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各项运行参数，并可强制启/停空调机组、强制新/回风阀门的开度、强制冷/热水阀门的开度、强制启/停风机、强制启/停加湿阀。
　3.4 照明系统
　　主要对主楼和配楼的公共照明、应急照明和泛光照明进行监视和控制
　　◆ 自动监视各路照明的开关状态。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制各路照明的定时开/关。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，不仅可观察到各路照明的状态，还可强制开/关各路照明。
　3.5 变配电系统
　　主要对变配电系统的2路高压进线、4台变压器、6个高压断路器、4个低压断路器、1个高压母联开关和2个低压母联开关进行监测。
　　◆ 自动监测并定期记录高压进线和低压出线的电压、电流、功率因素、有功功率和无功功率和电度等参数。
　　◆ 自动监视断路器和高/低母联开关的工作状态和报警状态。
　　◆ 自动监视4台变压器的高温报警和超高温报警状态。
　　◆ 自动监测变电室的室内温度。
　　　　在这个楼宇自动化系统中，还包括给排水、电梯、热交换、有害气体检测、送/排风等系统，这些系统大都是对相关的设备进行状态监测，这里不作详细介绍。
　　
4. 人机界面(Human Machine Interface，HMI)
　　这个楼宇自动化系统的人机界面由美国WonderWare公司的Intouch组态软件经二次设计完成。通过Echelon公司提供的PCLTA-10网络接口卡和LNSDDE Server动态数据交换软件，人机界面可以从Lonworks网络上采集信息，也可以把控制命令发送给网络上的控制节点，而完成相应的控制任务。它具有以下功能：
　　（1） 操作功能：提供5级操作密码；能够强制控制一些设备的启/停；可以调整及修改设定值；可以增加、修改、取消设备运行的时间表；可以修改模拟量的报警限值。
　　（2） 设备管理功能：所有设备的原始信息，例如设备编号、设备型号、设备的物理位置和设备的生产厂商等；设备投入运行时间、故障记录和设备维修报告记录。
　　（3） 数据实时显示功能：所有被测量的模拟量数据与开关量的状态都能在相应的画面上生动、形象地表现出来。
　　（4） 故障报警功能：当设备出现故障时，系统能及时显示出当前报警信息，并有报警音乐提示，同时能记录在故障记录表中。
　　（5） 报表打印功能：能编制各类数据的报表，打印输出给管理人员。
　　
　5. 总结
　　由于采用了开放的Lonworks技术作为这个楼宇自动化系统的技术平台，在选择产品时可以有更多的选择余地，这样有效地控制了系统成本，保护了业主的投资。基于Lonworks技术的网络具有很好的扩充性，我们可以分期添加一些功能不同但都是基于Lonworks技术的系统到这个网络中。
4. Lonworks总线技术展望
当然与其它几种总线相比，Lonworks主要应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。由PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA组成的PROFIBUS,DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型. 而基于CAN-BUS技术的Devicenet总线，则是一种理想的设备层现场总线。它主要被广泛应用于现代工厂自动化系统，尤其是汽车制造行业等。
参考了相关的总线与BAS方面的资料，对于Lonworks总线，我认为在以下几个方面可以进一步发展完善以提高竞争力。
1. 我们可以给予各个节点更多的可视化操作，实现人与控制中心的反馈交流功能，而不是单单的在节点处设置几个传感器，通过对一些模拟量进行采集而达到监控功能，毕竟人才是最好的传感器，如果在神经元芯片为核心的终端加入可视化操作功能。
2. 在BAS与外部网络的资源共享方面，在该总线技术开放的前提下，我们应该实现Lonworks网络与外部INTERNET的无缝连接，或使用GPRS技术与移动网络的无缝连接，可以为业主随时随地提供有关自己家里房间电气设备等的相关信息。
对于世界范围内的总线来说，我则认为应该制定一个统一的标准，打破各总线的封闭状态，尽量使其兼容，能够实现跨总线类型的一致性与互操作性，在BAS领域方面，BACnet则做的不错，因此我们应该根据其各自总线的特点，取长补短，重点发展，充分利用现有的通信技术和网络技术的先进性，不断完善和发展， 制定出标准的总线协议，这样才嫩更加有利于技术的创新与发展。
参考文献：
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