Lon Works技術(shù)縱橫談

眾所周知，自動(dòng)監控系統(或稱(chēng)為測控系統)正在向分布式和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，分布式監控系統的關(guān)鍵在于其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即通常所說(shuō)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。目前有多種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)并存，并在不同的應用領(lǐng)域得到了不同程度的應用，如在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，美國Echelon公司推出的Lon Works總線(xiàn)技術(shù)就得到了大量應用，并很快發(fā)展到工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)。Lon Works技術(shù)為設計和實(shí)現可互操作的控制網(wǎng)絡(luò )提供了一套完整、開(kāi)放、成品化的解決途徑。

1、發(fā)展歷史

Lon Works是局部操作網(wǎng)絡(luò )（Local Operating Network）的縮寫(xiě)。它是由美國Echelon公司研制、于1990年正式公布的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置，其最高通信速率為1.25Mbps（通信距離不超過(guò)130m），最遠通信距離為27000m（通信速率為78Kbps），節點(diǎn)總數可達32000個(gè)。網(wǎng)絡(luò )的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等。

Lon Works的信號傳輸采用可變長(cháng)幀結構。每幀的有效字節可由0～288個(gè)。Lon Works所采用的Lon Talk通信協(xié)議被封裝在稱(chēng)之為Neuron的神經(jīng)元芯片中。芯片中有3個(gè)8位CPU，一個(gè)用于實(shí)現ISO/OSI模型中的第1層和第2層的功能，稱(chēng)為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器；第二個(gè)用于完成3～6層的功能，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )處理器；第三個(gè)對應于第7層，稱(chēng)為應用處理器。芯片中還具有信息緩沖區，以實(shí)現CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò )緩沖區和應用緩沖區。

Lon Work技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷的幾個(gè)重要階段如下：

• 1990年，發(fā)明Lon Works技術(shù)，Lon Talk協(xié)議
• 1993年，Lon Mark互操作協(xié)會(huì )成立
• 1997年，LNS網(wǎng)絡(luò )操作系統架構
• 1998年，協(xié)議成為ANSI/EIA-709.1標準
• 2001/2002年，Lon Works/IP路由技術(shù)PLT-22電力線(xiàn)以及雙絞線(xiàn)成為ANSI/EIA-790.2/3標準
• 2002年，第3代工具-NodeBuilder3

2、應用領(lǐng)域

Echelon公司于90年代初在美國推出Lon Works技術(shù)后即引起轟動(dòng)。隨后，Lon Works技術(shù)的用戶(hù)、系統集成商和OEM產(chǎn)品生產(chǎn)商的隊伍迅速擴大，其中包括世界上許多著(zhù)名的自動(dòng)化廠(chǎng)商如Honeywell， Johnsen Controls， ABB， Philips， Yokogawa， HP等。截止到1997年的統計，已有2500家生產(chǎn)廠(chǎng)商生產(chǎn)和使用Lon Works產(chǎn)品，已有500萬(wàn)個(gè)Lon Works節點(diǎn)在使用運行。已有3500種Lon Works OEM產(chǎn)品問(wèn)世，其中30%～40%應用在工業(yè)方面。而Lon Works技術(shù)最大的應用領(lǐng)域在樓宇自動(dòng)化（building automation）方面，它包括建筑物監控系統的所有領(lǐng)域，即入口控制、電梯和能源管理、消防／救生／安全、照明、供暖通風(fēng)、測量、保安等等。在建筑業(yè)中，Lon Works協(xié)議中的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC層），即七層協(xié)議中的第一、二層已被美國供暖、空調和制冷工程師學(xué)會(huì )（ASHRAE）接納為建筑自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )（BACnet）的標準，同時(shí)也被美國國家標準協(xié)會(huì )（ANSI）制定的有關(guān)標準所采納。在歐洲，Lon Works協(xié)議被認為是歐洲標準CENTC247和CENTC205的一部分。在工業(yè)控制領(lǐng)域，根據自動(dòng)化研究協(xié)會(huì )（ARC）和風(fēng)險開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì )（VDC）的獨立研究，Lon Works網(wǎng)絡(luò )被認為是工業(yè)傳感器和設備總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)的開(kāi)拓者和領(lǐng)導者。Lon Works網(wǎng)絡(luò )取消了那些復雜的配線(xiàn)約束，取消了PLC和PC，將控制分散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上去，在半導體制造工廠(chǎng)、氣體壓縮站、石油儲罐區、石油和水泵站、印染廠(chǎng)、造紙廠(chǎng)等應用領(lǐng)域都占有重要的地位。

世界上有超過(guò)半數的半導體生產(chǎn)廠(chǎng)家安裝了Lon Works控制網(wǎng)絡(luò )，在通過(guò)嚴格的考察之后，半導體設備材料國際（SEMI）最后選擇了Lon Works協(xié)議作為半導體生產(chǎn)的傳感器總線(xiàn)標準之一。

美國國家航天航空總署（NASA）控制的AGATE工業(yè)協(xié)會(huì )選擇Lon Works協(xié)議作為下一代民用飛行器標準的一部分。

美國鐵路運輸聯(lián)盟選擇Lon Works控制網(wǎng)作為將100多萬(wàn)節車(chē)廂改裝成電控氣動(dòng)剎車(chē)系統的最佳方案。紐約城市運輸管理局和新澤西州運輸管理局已確定Lon Works網(wǎng)絡(luò )為鐵路車(chē)廂控制網(wǎng)絡(luò )的標準。世界各地的運輸業(yè)公司都正在將Lon Works網(wǎng)絡(luò )用于急救車(chē)、活動(dòng)住房車(chē)、鐵道路口信號和柵欄等系統中。

在家電市場(chǎng)，電子工業(yè)協(xié)會(huì )（EIA）的集成家用系統（IHS）技術(shù)委員會(huì )正在計劃最終建立一個(gè)基于Lon Works技術(shù)的全新家用控制網(wǎng)絡(luò )標準EIA709。

在加油站系統中，國際加油站標準論壇（IFSF）已把Lon Works技術(shù)選定為加油站通信標準。歐洲的加油站使用Lon Works網(wǎng)絡(luò )來(lái)控制泵、油罐計量、電子信號、轎車(chē)清洗、付款終端、照明、保安和制冷等服務(wù)。

由此可見(jiàn)，Lon Works技術(shù)已深入到很多領(lǐng)域，在新一代自動(dòng)化控制系統中占有重要的地位。圖1展示了在一個(gè)生產(chǎn)車(chē)間中采用Lon Works監控網(wǎng)絡(luò )的情況。

圖1 在生產(chǎn)車(chē)間中采用Lon Works監控系統

3、Lon Works 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

Lon Works是唯一涵蓋全部三個(gè)層次（Sensor Bus、Device Bus和Field Bus），符合ISO/ OSI7層參考模型的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。在一個(gè)多種層次的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品并存競爭的現實(shí)環(huán)境下，Lon Works兼收并蓄，成為連接過(guò)去、包容現在、面向未來(lái)的工業(yè)總線(xiàn)技術(shù)。另外，LONWORKS技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是無(wú)行業(yè)限制。它不是針對某特定應用領(lǐng)域而設計，所以智能設備/系統，智能儀器/儀表，智能I/O模塊，智能控制器等等，都可以使用這一技術(shù)。

Lon Works技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron chip)，它由美國摩托羅拉公司和日本東芝公司生產(chǎn)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

• Lon Works技術(shù)的基本元件--Neuron芯片，同時(shí)具備了通信與控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七層通信協(xié)議，以及34種常見(jiàn)的I/O控制對象。
• 改善了CSMA，Lon Works稱(chēng)之為Predictive P-Persistant CSMA。這樣，在網(wǎng)絡(luò )負載很重時(shí)，不會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )癱瘓。
• 網(wǎng)絡(luò )通信采用了面向對象的設計方法，Lon Works技術(shù)將其稱(chēng)之為"網(wǎng)絡(luò )變量"。使網(wǎng)絡(luò )通信的設計簡(jiǎn)化成為參數設置。這樣，不但節省了大量的設計工作量，同時(shí)增加了通信的可靠性。
• Lon Works技術(shù)的通信的每幀有效字節可以從0到228個(gè)字節。
• Lon Works技術(shù)的通信速度可達1.25MBps（此時(shí)有效距離為130M）。
• Lon Works技術(shù)一個(gè)測控網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)數可以達到32000個(gè)。
• Lon Works技術(shù)的直接通信距離可以達到2700m（雙絞線(xiàn)，78KBps）。
• 針對不同的通信介質(zhì)有不同的收發(fā)器和路由器。
• 有LON-WEB網(wǎng)關(guān)，可以連接INTERNET。

4、技術(shù)核心

Lon Works技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。它是由美國Echelon公司研制的一種集通信、控制、調度和I／O支持為一體的高級VLSI器件。并只受權由美國MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生產(chǎn)。通過(guò)對硬件和固件（firmware）的有機結合，芯片可以提供Lon Works網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要的所有關(guān)鍵功能。即處理所有Lon Talk通信協(xié)議消息，傳感信號輸入和控制信號輸出，存儲和安裝指定的參數及程序，實(shí)現各種應用功能等。

神經(jīng)元芯片內部含有3個(gè)8位流水線(xiàn)作業(yè)的微處理器（CPU）。其中處理器1＃為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制處理器（media　access　control），它控制Lon Talk七層協(xié)議中的第1層物理層和第2層數據鏈路層，并可以驅動(dòng)通信子系統的硬件來(lái)完成沖突避免算法。處理器1＃通過(guò)共享存儲器中的網(wǎng)絡(luò )緩沖區與處理器2＃通信。處理器2＃為網(wǎng)絡(luò )處理器（network），它控制網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中的第3層到第6層（網(wǎng)絡(luò )層、運輸層、會(huì )話(huà)層和表示層），可完成網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)程、編址、處理事項進(jìn)程、報文鑒定、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò )管理和路由尋址等功能。處理器2＃使用共享存儲器中的網(wǎng)絡(luò )緩沖區與處理器1＃通信，使用應用緩沖區與處理器3＃通信。處理器3＃為應用處理器（application），它實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中的第7層應用層，執行用戶(hù)代碼和用戶(hù)代碼調用的操作系統來(lái)進(jìn)行工作，大部分應用程序的編程語(yǔ)言為Neuron　C。處理器3＃使用共享存儲器中的應用緩沖區與處理器2＃通信。除應用層需由用戶(hù)編程外，其余6層都由固件來(lái)完成。所謂固件就是固化在芯片內（或芯片外）ROM中的有關(guān)通信協(xié)議的軟件。用戶(hù)可以完全不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò )底層的事情，例如網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制等等，這些都由處理器1＃和處理器2＃自動(dòng)完成。神經(jīng)元芯片內3個(gè)處理器功能如圖2所示。