LonWorks分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境溫度控制中的應(yīng)用

LonWorks（Local Operating Networks，局部操作網(wǎng)絡(luò)）是由美國Echelon公司于20世紀(jì)80年代后期開發(fā)出來的。LonWorks是一種完整的、開放的、可互操作、成熟的和低成本的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，越來越多的設(shè)備制造商和用戶在其控制網(wǎng)絡(luò)方案中采用該技術(shù)。到目前為止，全世界已有2 500多家公司利用LonWorks技術(shù)生產(chǎn)各種各樣的LonWorks產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)代化樓宇、工廠、交通運輸系統(tǒng)、城市基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣等）、家庭等環(huán)境自動化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)要求。如今，許多知名大公司已向全世界提供各類LonWorks技術(shù)的產(chǎn)品。LonWorks技術(shù)于1996年進(jìn)入中國，取得了迅速發(fā)展。

1 LonWorks技術(shù)

20世紀(jì)80年代后期，美國Echelon公司開發(fā)了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一個開放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺，是目前控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的通用控制總線技術(shù)之一。該技術(shù)提供一個平坦的、對等式的控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，給各種控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供端到端的解決方案。

1.1 LonWorks技術(shù)的特點

LonWorkS技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，它包括1個固化的高級通信協(xié)議（LonTalk）、3個微處理器、1個多任務(wù)操作系統(tǒng)和靈活的輸入／輸出方式。LonTalk協(xié)議提供了OSI參考模型所定義的全部7層協(xié)議，其中1～6層協(xié)議固化在神經(jīng)元芯片中，只有第七層應(yīng)用層是根據(jù)應(yīng)用對象自行定義，大大節(jié)約了開發(fā)時間和成本投入。其主要特點有：

開放性和互操作性 LonWorks技術(shù)符合ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的開放性、互聯(lián)性和互操作性，符合LonMark標(biāo)準(zhǔn)的不同公司的產(chǎn)品可以相互兼容，系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容十分方便。

分布式無主站控制 LonWorks網(wǎng)絡(luò)采用無主站點對點的對等結(jié)構(gòu)，各節(jié)點地位均等，每個節(jié)點都能完成控制和通信功能。部分節(jié)點的故障不會造成系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了維護(hù)難度。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活 LonWorks網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變，可根據(jù)具體應(yīng)用工程的結(jié)構(gòu)特點定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

成本低，維護(hù)容易 由于分布式結(jié)構(gòu)，節(jié)省布線、增加新設(shè)備、改變設(shè)備地址、調(diào)整運行參數(shù)、系統(tǒng)升級只需通過微機(jī)設(shè)置，不必更改硬件設(shè)備，因此可以節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝與維護(hù)費用。

1.2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)原理

LonWorks網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備通信是采用一種稱為Lon Talk的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)語言實現(xiàn)的。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備彼此間智能通信的底層協(xié)議組成。LonTalk通信協(xié)議是LonWorks技術(shù)的核心，該協(xié)議提供一套通信服務(wù)，使設(shè)備中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對其他設(shè)備發(fā)送和接收報文而無須知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚Q、地址或其他設(shè)備的功能。LonTalk協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認(rèn)、報文證實、優(yōu)先級發(fā)送以便設(shè)定事物處理時間。對網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的支持使得遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理工具能夠通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備相互作用，包括網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)的重新配置、下載應(yīng)用程序、報告網(wǎng)絡(luò)問題和啟動／停止／復(fù)位點。LonTalk是一個分層的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對等的通信協(xié)議，像類似的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣。但是，LonTalk協(xié)議是設(shè)計用于控制系統(tǒng)而不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特定的要求。每個數(shù)據(jù)包由可變數(shù)目的字節(jié)構(gòu)成，長度不定，并且包含應(yīng)用層的信息以及尋址和其他信息。信道上的每個設(shè)備監(jiān)視在信道上傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)包以確定自己是否收信人。若是，則處理以判明是否包含本節(jié)點應(yīng)用程序所需的信息或者它是否是網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)包。LonTalk協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即通過網(wǎng)絡(luò)變量實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的鏈接。當(dāng)定義為輸出的網(wǎng)絡(luò)變量改變時，能自動地將網(wǎng)絡(luò)變量的值發(fā)送出去，使所有該變量定義為輸入的節(jié)點收到它的改變，以便激活相應(yīng)的處理進(jìn)程（事件觸發(fā)型）。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量能使不同制造商的產(chǎn)品通過建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳送模式、正確地翻譯、傳送數(shù)據(jù)，便于設(shè)備的互換和互操作。另外，由于網(wǎng)絡(luò)變量的長度有限，所以提供了4種類型的報文服務(wù)：應(yīng)答方式、請求／響應(yīng)方式、非應(yīng)答重發(fā)方式、非應(yīng)答方式。

為了簡化網(wǎng)絡(luò)配置和管理，可以把邏輯地址分配給節(jié)點，邏輯地址讓用戶把一個名字和物理設(shè)備與節(jié)點配合。使用LonTalk的控制網(wǎng)中的邏輯地址在網(wǎng)絡(luò)配置時定義。所有邏輯地址有2個部分，第一部分是指定域的ID，這個指定域就是節(jié)點的集合，常常是整個系統(tǒng)，他們之間可以互操作。邏輯地址的第二部分以獨特的15位節(jié)點地址規(guī)定域中的一個單一節(jié)點，或者以它獨特的8位組地址規(guī)定一個預(yù)先定義的節(jié)點組。每個在網(wǎng)上傳輸?shù)陌瑐鬏敼?jié)點（源地址）的邏輯節(jié)點地址和接收節(jié)點地址（目的地址），他們可能是物理神經(jīng)元地址，邏輯節(jié)點地址，組地址或廣播地址。

LonTalk協(xié)議體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)變量（NV）的全新概念，NV簡化了設(shè)備制造商應(yīng)用程序的設(shè)計工作，并方便了以信息為基礎(chǔ)而不是以指令為基礎(chǔ)的控制程序的設(shè)計。所謂網(wǎng)絡(luò)變量就是任何數(shù)據(jù)項（例如溫度、開關(guān)量、位置設(shè)定值），是一個特定設(shè)備的應(yīng)用程序從網(wǎng)上其他設(shè)備得到的（輸入NV）或提供給其他設(shè)備（輸出NV）。

設(shè)備中的應(yīng)用程序不需要知道輸入NV來自何處或輸出NV走向何處。應(yīng)用程序輸出NV的值變化時，它就把這個新值寫入一個特定的存儲單元。在LonWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和安裝過程中會發(fā)生一個叫“捆綁”的過程，通過這個過程配置LonTalk固件，以確定網(wǎng)上要求NV的設(shè)備或其他設(shè)備的邏輯地址，匯集和發(fā)送適當(dāng)?shù)陌竭@個設(shè)備。與此類似，當(dāng)LonTalk固件收到其他應(yīng)用程序所需的輸入NV的更新數(shù)值時，就把它放在一個特定的存儲單元，應(yīng)用程序知道在這個單元總能找到最新的數(shù)據(jù)。這樣，“捆綁”過程就在一個設(shè)備中的輸出NV和另一設(shè)備或設(shè)備組的輸入NV之間建立了邏輯連接，連接可以想象為“虛擬線路”。假設(shè)一個節(jié)點有一個物理開關(guān)和對應(yīng)的稱為“開關(guān)ON／OFF”的輸出NV，而另一節(jié)點驅(qū)動稱為“燈ON／OFF”輸入NV的一個燈泡，連接這兩個NV建立一個邏輯連接，其功能效應(yīng)就如同從開關(guān)到燈泡連接一條物理線路，如圖1所示。

1.3 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點

LonWorks是一種對等式的通信網(wǎng)絡(luò)。雖然組建控制網(wǎng)絡(luò)的方法有很多，但是對于自動化控制而言，平坦的、對等式（P2P）體系結(jié)構(gòu)是最好的。P2P體系結(jié)構(gòu)和其他任何一種分級的體系結(jié)構(gòu)相比，不再具有分級體系結(jié)構(gòu)與生俱來的單點故障。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，來自某一個設(shè)備的信息要傳遞給目標(biāo)設(shè)備，必須先傳送到中央設(shè)備或者網(wǎng)關(guān)。因此，每兩個非中央設(shè)備之間的通信包括了一個額外的步驟，或者說增加了故障的可能性。P2P體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計相比之下，它允許兩個設(shè)備之間直接通信，這避免了中央控制器的故障可能性，并且排除了瓶頸效應(yīng)。此外，在P2P設(shè)計中，設(shè)備的故障更多的可能是只影響到一個設(shè)備，而不象非平坦的、非對等式體系結(jié)構(gòu)中潛在的影響到許多設(shè)備。由圖2可以看出傳統(tǒng)的主從通信網(wǎng)絡(luò)與對等的通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。

2 LonWorks技術(shù)在測長室溫度控制中的應(yīng)用實例

某公司測長室由于其特殊工作環(huán)境的需要對環(huán)境溫度的控制要求較高，要求達(dá)到20℃±0.3℃的控制精度。而且該測長室房間長度較長，要做到較均勻的高精度溫度控制，必須在設(shè)計的時候做充分的考慮。

為了能確保溫濕度的高精度控制，做了兩方面的工作，一方面是控制系統(tǒng)及設(shè)備的選擇上，另一方面是在控制方法的選擇上。在控制系統(tǒng)的選擇方面，選用了加拿大Distech公司的Easy Control系統(tǒng)。Distech公司成立于1997年，其總部位于加拿大，該公司的控制系統(tǒng)產(chǎn)品全線支持LonWorks標(biāo)準(zhǔn)?；贚onWorks系統(tǒng)的優(yōu)點，在控制系統(tǒng)的選用上使用了該公司的產(chǎn)品。

在控制器的選用上選用了EC-12B型控制器。該控制器為自由可編程控制器，微處理器采用神經(jīng)元芯片3150，8位處理器，CPU速度為10 MHz。使用LonTalk通信協(xié)議，通訊接口為TP／FT-10，78 kb／s通信速率。

整個控制系統(tǒng)的配置如圖3所示。

在管理和操作計算機(jī)上安裝了PCLTA-20型LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口卡，并安裝了Distech的軟件LonWatcher和LonDisplay。在系統(tǒng)編程和組態(tài)時使用了Distech的LonWorks網(wǎng)絡(luò)管理工具LonWatcher進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)變量的組態(tài)，并且對控制器進(jìn)行編程。

系統(tǒng)的操作畫面完成繪制后使用Distech的HMI軟件LonDisplay進(jìn)行顯示。測長室的溫度控制為AHU單元，其控制畫面和流程如圖4所示。

系統(tǒng)建立時首先使用LonWatcher組態(tài)工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編量的“綁定”，然后在編程環(huán)境下用類似與Basic語言的編程語言進(jìn)行編程，控制程序如下：

3 結(jié) 語

由于LonWorks技術(shù)的使用使得本控制系統(tǒng)的組態(tài)和編程變得更為簡單，LonWorks網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點使得系統(tǒng)的通信變得更為穩(wěn)定。配合高精度傳感器的使用，在測長室的溫度控制上取得了滿意的效果，滿足了溫度控制的要求。隨著各大控制系統(tǒng)供應(yīng)商不斷推出基于LonWorks的產(chǎn)品，相信LonWorks技術(shù)在將來會得到更長足的應(yīng)用。