LonWorks技術(shù)在測長(cháng)室溫度控制中的應用

LonWorks(Local Operating Networks，局部操作網(wǎng)絡(luò ))是由美國Echelon公司于20世紀80年代后期開(kāi)發(fā)出來(lái)的。LonWorks是一種完整的、開(kāi)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(lái)越多的設備制造商和用戶(hù)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(mǎn)足現代化樓宇、工廠(chǎng)、交通運輸系統、城市基礎設施(水、電、氣等)、家庭等環(huán)境自動(dòng)化系統的分布式控制網(wǎng)絡(luò )要求。如今，許多知名大公司已向全世界提供各類(lèi)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80年代后期，美國Echelon公司開(kāi)發(fā)了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它是一個(gè)開(kāi)放的控制網(wǎng)絡(luò )平臺，是目前控制領(lǐng)域中應用最廣的通用控制總線(xiàn)技術(shù)之一。該技術(shù)提供一個(gè)平坦的、對等式的控制網(wǎng)絡(luò )架構，給各種控制網(wǎng)絡(luò )應用提供端到端的解決方案。

1.1 LonWorks技術(shù)的特點(diǎn)

LonWorkS技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，它包括1個(gè)固化的高級通信協(xié)議(LonTalk)、3個(gè)微處理器、1個(gè)多任務(wù)操作系統和靈活的輸入／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，只有第七層應用層是根據應用對象自行定義，大大節約了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本投入。其主要特點(diǎn)有：

開(kāi)放性和互操作性 LonWorks技術(shù)符合ISO的OSI標準，具有很好的開(kāi)放性、互聯(lián)性和互操作性，符合LonMark標準的不同公司的產(chǎn)品可以相互兼容，系統進(jìn)行擴容十分方便。

分布式無(wú)主站控制 LonWorks網(wǎng)絡(luò )采用無(wú)主站點(diǎn)對點(diǎn)的對等結構，各節點(diǎn)地位均等，每個(gè)節點(diǎn)都能完成控制和通信功能。部分節點(diǎn)的故障不會(huì )造成系統癱瘓，提高了系統的穩定性，降低了維護難度。

系統結構靈活 LonWorks網(wǎng)絡(luò )拓撲結構靈活多變，可根據具體應用工程的結構特點(diǎn)定義系統結構。

成本低，維護容易 由于分布式結構，節省布線(xiàn)、增加新設備、改變設備地址、調整運行參數、系統升級只需通過(guò)微機設置，不必更改硬件設備，因此可以節省硬件數量與投資，節省安裝與維護費用。

1.2 LonWorks網(wǎng)絡(luò )原理

LonWorks網(wǎng)絡(luò )中設備通信是采用一種稱(chēng)為L(cháng)on Talk的網(wǎng)絡(luò )標準語(yǔ)言實(shí)現的。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò )上不同設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)，使設備中的應用程序能在網(wǎng)上對其他設備發(fā)送和接收報文而無(wú)須知道網(wǎng)絡(luò )拓撲、名稱(chēng)、地址或其他設備的功能。LonTalk協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實(shí)、優(yōu)先級發(fā)送以便設定事物處理時(shí)間。對網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)的支持使得遠程網(wǎng)絡(luò )管理工具能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和其他設備相互作用，包括網(wǎng)絡(luò )地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題和啟動(dòng)／停止／復位點(diǎn)。LonTalk是一個(gè)分層的以數據包為基礎的對等的通信協(xié)議，像類(lèi)似的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣。但是，LonTalk協(xié)議是設計用于控制系統而不是數據處理系統的特定的要求。每個(gè)數據包由可變數目的字節構成，長(cháng)度不定，并且包含應用層的信息以及尋址和其他信息。信道上的每個(gè)設備監視在信道上傳輸的每個(gè)數據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點(diǎn)應用程序所需的信息或者它是否是網(wǎng)絡(luò )管理數據包。LonTalk協(xié)議是直接面向對象的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的鏈接。當定義為輸出的網(wǎng)絡(luò )變量改變時(shí)，能自動(dòng)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點(diǎn)收到它的改變，以便激活相應的處理進(jìn)程(事件觸發(fā)型)。標準網(wǎng)絡(luò )變量能使不同制造商的產(chǎn)品通過(guò)建立標準的數據傳送模式、正確地翻譯、傳送數據，便于設備的互換和互操作。另外，由于網(wǎng)絡(luò )變量的長(cháng)度有限，所以提供了4種類(lèi)型的報文服務(wù)：應答方式、請求／響應方式、非應答重發(fā)方式、非應答方式。

為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )配置和管理，可以把邏輯地址分配給節點(diǎn)，邏輯地址讓用戶(hù)把一個(gè)名字和物理設備與節點(diǎn)配合。使用LonTalk的控制網(wǎng)中的邏輯地址在網(wǎng)絡(luò )配置時(shí)定義。所有邏輯地址有2個(gè)部分，第一部分是指定域的ID，這個(gè)指定域就是節點(diǎn)的集合，常常是整個(gè)系統，他們之間可以互操作。邏輯地址的第二部分以獨特的15位節點(diǎn)地址規定域中的一個(gè)單一節點(diǎn)，或者以它獨特的8位組地址規定一個(gè)預先定義的節點(diǎn)組。每個(gè)在網(wǎng)上傳輸的包，包含傳輸節點(diǎn)(源地址)的邏輯節點(diǎn)地址和接收節點(diǎn)地址(目的地址)，他們可能是物理神經(jīng)元地址，邏輯節點(diǎn)地址，組地址或廣播地址。

LonTalk協(xié)議體現了網(wǎng)絡(luò )變量(NV)的全新概念，NV簡(jiǎn)化了設備制造商應用程序的設計工作，并方便了以信息為基礎而不是以指令為基礎的控制程序的設計。所謂網(wǎng)絡(luò )變量就是任何數據項(例如溫度、開(kāi)關(guān)量、位置設定值)，是一個(gè)特定設備的應用程序從網(wǎng)上其他設備得到的(輸入NV)或提供給其他設備(輸出NV)。

設備中的應用程序不需要知道輸入NV來(lái)自何處或輸出NV走向何處。應用程序輸出NV的值變化時(shí)，它就把這個(gè)新值寫(xiě)入一個(gè)特定的存儲單元。在LonWorks網(wǎng)絡(luò )設計和安裝過(guò)程中會(huì )發(fā)生一個(gè)叫“捆綁”的過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程配置LonTalk固件，以確定網(wǎng)上要求NV的設備或其他設備的邏輯地址，匯集和發(fā)送適當的包到這個(gè)設備。與此類(lèi)似，當LonTalk固件收到其他應用程序所需的輸入NV的更新數值時(shí)，就把它放在一個(gè)特定的存儲單元，應用程序知道在這個(gè)單元總能找到最新的數據。這樣，“捆綁”過(guò)程就在一個(gè)設備中的輸出NV和另一設備或設備組的輸入NV之間建立了邏輯連接，連接可以想象為“虛擬線(xiàn)路”。假設一個(gè)節點(diǎn)有一個(gè)物理開(kāi)關(guān)和對應的稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)ON／OFF”的輸出NV，而另一節點(diǎn)驅動(dòng)稱(chēng)為“燈ON／OFF”輸入NV的一個(gè)燈泡，連接這兩個(gè)NV建立一個(gè)邏輯連接，其功能效應就如同從開(kāi)關(guān)到燈泡連接一條物理線(xiàn)路，如圖1所示。

1.3 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)

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(dòng)化控制而言，平坦的、對等式(P2P)體系結構是最好的。P2P體系結構和其他任何一種分級的體系結構相比，不再具有分級體系結構與生俱來(lái)的單點(diǎn)故障。在傳統的體系結構中，來(lái)自某一個(gè)設備的信息要傳遞給目標設備，必須先傳送到中央設備或者網(wǎng)關(guān)。因此，每?jì)蓚€(gè)非中央設備之間的通信包括了一個(gè)額外的步驟，或者說(shuō)增加了故障的可能性。P2P體系結構的設計相比之下，它允許兩個(gè)設備之間直接通信，這避免了中央控制器的故障可能性，并且排除了瓶頸效應。此外，在P2P設計中，設備的故障更多的可能是只影響到一個(gè)設備，而不象非平坦的、非對等式體系結構中潛在的影響到許多設備。由圖2可以看出傳統的主從通信網(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(cháng)室溫度控制中的應用實(shí)例

某公司測長(cháng)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，要求達到20℃±0.3℃的控制精度。而且該測長(cháng)室房間長(cháng)度較長(cháng)，要做到較均勻的高精度溫度控制，必須在設計的時(shí)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，一方面是控制系統及設備的選擇上，另一方面是在控制方法的選擇上。在控制系統的選擇方面，選用了加拿大Distech公司的Easy Control系統。Distech公司成立于1997年，其總部位于加拿大，該公司的控制系統產(chǎn)品全線(xiàn)支持LonWorks標準?；贚onWorks系統的優(yōu)點(diǎn)，在控制系統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T(mén)P／FT-10，78 kb／s通信速率。

整個(gè)控制系統的配置如圖3所示。

在管理和操作計算機上安裝了PCLTA-20型LonWorks網(wǎng)絡(luò )接口卡，并安裝了Distech的軟件LonWatcher和LonDisplay。在系統編程和組態(tài)時(shí)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。

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

系統建立時(shí)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(lèi)似與Basic語(yǔ)言的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，控制程序如下：

3 結 語(yǔ)

由于LonWorks技術(shù)的使用使得本控制系統的組態(tài)和編程變得更為簡(jiǎn)單，LonWorks網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)使得系統的通信變得更為穩定。配合高精度傳感器的使用，在測長(cháng)室的溫度控制上取得了滿(mǎn)意的效果，滿(mǎn)足了溫度控制的要求。隨著(zhù)各大控制系統供應商不斷推出基于LonWorks的產(chǎn)品，相信LonWorks技術(shù)在將來(lái)會(huì )得到更長(cháng)足的應用。