LonWorks現(xiàn)場總線在樓宇自控系統(tǒng)中的應用

摘要：智能建筑是建筑技術與計算機技術相結合的產(chǎn)物，是未來建筑發(fā)展的方向。現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng)，具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性強，實現(xiàn)了控制管理一體化的結構體系等優(yōu)點。著重討論了LonWorks現(xiàn)場總線技術的特點并將其應用在智能建筑中，同時給出了基于LonWorks技術的樓宇自控系統(tǒng)設計的實例，提出LonWorks技術能有效地解決集散控制系統(tǒng)的通信難題。
關鍵詞：LonWorks總線；BA系統(tǒng)；智能建筑；智能節(jié)點

    智能建筑(Intelligent Buildings)是建筑技術與計算機技術相結合的產(chǎn)物，是未來建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動化系統(tǒng)(Building AutomationSystem，BAS)通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)組成。樓宇自動化系統(tǒng)是利用計算機及網(wǎng)絡技術、自動控制技術和通信技術構建的綜合管理和控制系統(tǒng)。

1 智能大廈自動化領域的幾種現(xiàn)場總線
    上個世紀80年代，隨著計算機可靠性提高，價格大幅下降，出現(xiàn)了由多個計算機構成的集中、分散相結合的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)。DCS是利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統(tǒng)。它的測量變送儀表一般是模擬儀表，因此屬于一種模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)。
    90年代，隨著控制技術、計算機技術、通信技術的發(fā)展，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)(Field ControlSystem，F(xiàn)CS)。FCS是一種全數(shù)字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng)，具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性強、實現(xiàn)了控制管理一體化的結構體系等優(yōu)點?，F(xiàn)場總線開創(chuàng)了工業(yè)自動控制的新紀元，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。鑒于FCS的許多優(yōu)點，其已被廣泛應用到BAS控制領域，其中比較有代表性的現(xiàn)場總線有LonWorks，BACnet，CAN，EIB等。
    (1)LonWorks
    LonWorks技術是美國Echelon公司1991年推出的局域操作網(wǎng)，具有完整的開發(fā)系統(tǒng)平臺，包含所有設計、配置和支持控制網(wǎng)的元素，是目前最為先進的控制網(wǎng)絡技術。
    (2)BACnet
    BACnet是世界上第一個面向樓宇自動控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢。它詳細闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實現(xiàn)的途徑、使用的通信介質(zhì)、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規(guī)則。它的最大優(yōu)點是可以與Ethernet、LonWorks等網(wǎng)絡進行無縫集成，以解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問題，故其不太適用于智能傳感器、執(zhí)行器等末端設備。
    (3)CAN
    CAN總線最初是德國Bosch公司為設計汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)而提出的，現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國際標準，在電力、石化、空調(diào)、建筑等行業(yè)均有應用。CAN的主要優(yōu)點在于：采用8．B的短幀傳送；具有多種錯誤校驗方式；采用無損壞的仲裁技術；CAN芯片不但價格低而且供應商多。CAN的主要缺點在于其支持的節(jié)點數(shù)較少。
    (4)EIB
    歐洲安裝總線(European Installation Bus，EIB)1990年被提出，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場總線標準。1999年EIB被引進中國的智能化建筑領域，并在上海同濟大學建立了EIB認證技術培訓中心。

2 LonWorks技術的特點
    LonWorks技術是1991年由美國埃施朗(Eche—lon)公司推出的，LonWorks技術所使用的標準通信協(xié)議是LonTalk協(xié)議，該協(xié)議遵循國際標準化組織(ISO)1984年公布的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型的定義，它提供了(OSI)參考模型定義的全部7層協(xié)議，通過變量直接面向?qū)ο笸ㄐ牛W(wǎng)絡協(xié)議開放，可以實現(xiàn)互操作。每一個域最多有255個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。所以，一個域最多可以有255×127=32 385個子網(wǎng)。LonWorks技術是專門為實時控制而設計的，在Lon網(wǎng)絡中大批設備(傳感器、執(zhí)行器等)和Lon的控制節(jié)點相互配合，使用LonTalks協(xié)議，經(jīng)過多種傳輸媒體進行節(jié)點之間的通信，靈活組成各種各樣的分布式智能控制系統(tǒng)。LonWorks技術能在控制層提供互操作的Lon現(xiàn)場總線技術，其安裝的節(jié)點數(shù)遠遠超過了任何其他現(xiàn)場總線產(chǎn)品，幾乎囊括了測控應用的所有范疇。更準確地說，LonWorks技術有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通信難題。LonWorks控制網(wǎng)絡技術擁有諸多優(yōu)點，集中體現(xiàn)在：
    (1)Neuron芯片是LonWorks技術的核心元件，它內(nèi)部帶有3個8位微處理器：1個用于鏈路層的控制；1個用于網(wǎng)絡層的控制；1個用于執(zhí)行用戶的應用程序。該芯片還包括11個I／O口和完整的LonTalk通信協(xié)議。包括神經(jīng)元芯片的Lon節(jié)點具有通信和控制功能，部分節(jié)點故障不會造成系統(tǒng)癱瘓，對系統(tǒng)的調(diào)試、維護和穩(wěn)定性都有著重要的意義。
    (2)LonWorks技術支持多種通信介質(zhì)(雙絞線、電力線、電源線、光纖、無線和紅外)和它們的互聯(lián)。
    (3)由于LonWorks技術直接面向?qū)ο笸ㄐ?。開發(fā)人員只需將主要精力花在Lon節(jié)點應用設計方面，而不需要專門去實現(xiàn)和測試傳輸線路和通信系統(tǒng)。
    (4)LonWorks的微處理器接口程序，即MIP軟件。用MIP軟件可以開發(fā)出各種低成本的網(wǎng)關，從而使各種網(wǎng)絡的互聯(lián)成為輕而易舉的事情。
    (5)提供LonBuilder，NodeBuilder，Neuron C及LonManager等強有力的開發(fā)工具平臺，給系統(tǒng)設計、維護和升級改造帶來極大的方便。

3 基于LonWorks技術的樓宇自控系統(tǒng)設計實例
    某智能大廈系統(tǒng)總監(jiān)控點為1 240個，其中數(shù)字量控制點：DI有625個，DO有358個；模擬量控制點：AI有254個，A0有3個。
    系統(tǒng)采用美國埃施朗(Echelon)和先導公司(Ad—vanced Tech Inc．)以LonWorks技術為核心的EU—BAS樓宇自控系統(tǒng)作為大樓的樓宇監(jiān)控系統(tǒng)，而所有的傳感器和執(zhí)行機構則選定美國江森(Johnson con—tro1)公司的進口產(chǎn)品，上層監(jiān)控軟件采用美國Wonder—ware公司的Intouch 7．O組態(tài)軟件開發(fā)。
3．1 系統(tǒng)結構
    EU—BAS樓宇自動化系統(tǒng)是一種通過中央計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡將分布在各監(jiān)測現(xiàn)場的區(qū)域智能節(jié)點連接起來的集散型控制系統(tǒng)，具有集中操作、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理論，系統(tǒng)采用分層分布式控制結構，由中央控制中心的操作站和各監(jiān)控現(xiàn)場的區(qū)域智能節(jié)點組成，系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點之間連接采用現(xiàn)場總線技術來實現(xiàn)。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

    監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：信號轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、LonWorks采集控制網(wǎng)絡、上位監(jiān)控PC子系統(tǒng)。
    系統(tǒng)中LonWorks現(xiàn)場網(wǎng)絡由三類節(jié)點組成：
    (1)模擬量采集節(jié)點
    主要由Neuron芯片、TP—FTl0自由拓撲收發(fā)器、程序存儲器、串行A／D芯片等組成?？赏瓿?4路模擬量信號的數(shù)一模轉(zhuǎn)換，采樣分辨率為10位。
    (2)開關量采集節(jié)點
    主要由Neuron芯片、TP—FTlO自由拓撲收發(fā)器、程序存儲器、移位寄存器等組成。可接24路開關量輸入，信號全部采用光電隔離。
    (3)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點
    通過RS 232C串口LonTalk接口模塊LON—EU／SLTA，支持LonTalk協(xié)議，可以對LonWorks網(wǎng)絡進行安裝、配置、網(wǎng)絡管理；LON—EU／SLTA通過連接Modem的RS 232C接口，各類主機可以實現(xiàn)對LonWorks網(wǎng)絡遠程遙控及進行現(xiàn)場維護；L0nWorks網(wǎng)絡的工作節(jié)點通過Modem也可以向遠程主機報警、傳遞信息等。LON—EU／SLTA還能實現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡向其他RS 232C測控網(wǎng)絡的路由功能。
    主干網(wǎng)為總線型結構，通信速度達到1．25 MB／s；各子網(wǎng)為星型結構，通信速度為78．5 KB／s。主干網(wǎng)與子網(wǎng)通過LonWorks專用路由器進行連接，子網(wǎng)的局部網(wǎng)絡故障不會影響主干網(wǎng)和其他子網(wǎng)的正常通過Lon—Works網(wǎng)絡為對等網(wǎng)絡結構，監(jiān)控主機的故障不會影響整個監(jiān)控網(wǎng)絡各個節(jié)點的正常工作。
    在上位PC機部分，采用LON—EU／SLTA作為LonWorks網(wǎng)絡接口，將LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為串行通信，與上位監(jiān)控機相聯(lián)。這樣通過監(jiān)控機將LonWorks網(wǎng)絡集成到計算機局域網(wǎng)(LAN)，在LAN上則采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行更高一級的系統(tǒng)集成。
3．2 軟件實現(xiàn)
    軟件設計主要包括LON智能節(jié)點的編程、安裝維護和上位監(jiān)控軟件實現(xiàn)。
    LON智能節(jié)點編程采用Neuron C，它完全兼容C，具有豐富的功能子程序，用戶無須關心網(wǎng)絡通信、內(nèi)存分布等問題，只須根據(jù)應用系統(tǒng)的需求直接編程控制節(jié)點I／O端口，實現(xiàn)對測控對象的訪問；各節(jié)點之間以網(wǎng)絡變量的形式進行互訪，實現(xiàn)點對點、點對多點的信息交換。
    BA系統(tǒng)的網(wǎng)絡安裝維護軟件選用LonMaker forWindows軟件。LonMaker for Windows軟件是美國Echelon公司開發(fā)的LonWorks網(wǎng)絡安裝維護軟件。它提供密碼保護為操作人員提供操作與維護權限，該軟件的圖形化界面使操作人員能直接明了地對各個智能節(jié)點進行安裝、下載應用程序以及參數(shù)設置，操作人員利用其完善的自診斷功能對各個智能節(jié)點或網(wǎng)絡的故障進行檢測。
    BA系統(tǒng)的上層監(jiān)控軟件采用Intouch 7．O組態(tài)軟件來開發(fā)，它是基于Windows的32位面向?qū)ο蟮膱D形化HMI應用程序生成工具，用于工業(yè)自動化、過程控制和管理性監(jiān)測，集成了當今微軟最先進的軟件技術。Intouch 7．O提供了支持LonWorks技術的I／O Serv—er，可與LON—EU2000系統(tǒng)產(chǎn)品進行連接，實現(xiàn)整個BA系統(tǒng)的實時監(jiān)控。
    當BA系統(tǒng)安裝配置完成后，操作人員即口關閉LonMaker for Windows軟件讓BA系統(tǒng)獨立運行；對BA系統(tǒng)的監(jiān)控通過Intouch 7．O軟件實現(xiàn)，這樣有利于系統(tǒng)安裝和監(jiān)控的完全獨立，可以有效地防止操作人員的誤操作而導致系統(tǒng)的癱瘓。
    方案設計選用LNS DDE Server全32位應用軟件，安裝在中央監(jiān)控主機中，有上層監(jiān)控軟件Intouch 7．O同時運行，它的功能是實現(xiàn)BA系統(tǒng)和In—touch 7．O軟件的實時數(shù)據(jù)交換。記錄數(shù)據(jù)、報警信息和紀要等可以直接分別存入上層監(jiān)控軟件的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，或轉(zhuǎn)換成Microsoft Execl等文件格式并存在當?shù)赜脖P中，通過大樓內(nèi)部局域網(wǎng)，任何上網(wǎng)用戶都可以讀取該文件并打印出來，方便使用。
    整個LonWorks BA系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)通訊如圖2所示。

    DDE是進程之間的通訊機制，它使用Windows消息和共享內(nèi)存，使相互合作應用程序能夠交換數(shù)據(jù)。DDE中存在著一種協(xié)議，發(fā)送應用程序和接收應用程序在交換數(shù)據(jù)時必須遵守這種協(xié)議。一般來說，數(shù)據(jù)的提供者就是DDE服務程序，而數(shù)據(jù)的接受者就是DDE客戶程序。在這里，Intouch 7．0應用程序為DDE客戶程序，Lon Manager DDE服務程序為服務程序。LonManager服務程序在LonWorks網(wǎng)絡和Windows客戶程序之間交換網(wǎng)絡變量數(shù)據(jù)。

4 結 語
    以LonWorks技術為核心的LonMark標準將被世界更多標準組織認證與認可、引用，成為世界家用電器和控制設備網(wǎng)絡化方面重要的跨行業(yè)標準。LonWorks技術將人們的生活帶入Internet時代。我們身邊的樓宇、家庭、工廠和交通運輸系統(tǒng)中，存在著由家用電器相互連接構成的無形網(wǎng)絡。