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摘 要：本文介紹了臺(tái)達(dá)PLC在LONWORKS樓宇自控中的應(yīng)用，介紹LONWORKS的技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用前景，對工業(yè)產(chǎn)品在民用行業(yè)的應(yīng)用作具體的闡述．
關(guān)鍵詞：LONWORKS LONTALK PLC 樓宇自控

1 引言

美國Echelon公司于1991年提出了LonWorks(Local Operating Networks,局部操作網(wǎng)絡(luò))網(wǎng)絡(luò),簡稱L0N網(wǎng)。 LonWorks是一種完整的、全開放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡(luò)方案中采用LonWorks技術(shù)。到目前為止,全世界已有2500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(yùn)輸系統(tǒng)、城市基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、氣等)、家庭等環(huán)境自動(dòng)化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)要求。在1995年,LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)被美國確定為樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的一部份。目前,世界大的樓宇控制公司,如霍尼韋爾、安德沃、西比、江森、蘭吉爾、薩切維爾等都正在采用LonWorks技術(shù)改造產(chǎn)品,已形成世界技術(shù)潮流。L0N網(wǎng)標(biāo)志著控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的新紀(jì)元。

2 L0N網(wǎng)與其它工業(yè)總線網(wǎng)

前期LONWORKS產(chǎn)品的市場開拓過分集中于和傳統(tǒng)的PLC/IPC現(xiàn)場總線的競爭。然而，在Profibus、Interbus、CAN總線盛行的工業(yè)環(huán)境中，顯然沒有很強(qiáng)的競爭能力。因此，LONWORKS轉(zhuǎn)而在樓宇以及一些孤立的工業(yè)現(xiàn)場（例如染色機(jī)）取得了巨大進(jìn)展。許多工程實(shí)例表明：通過精心設(shè)計(jì)，大樓可以只裝備單獨(dú)的一個(gè)LONWORKS網(wǎng)絡(luò)，使得HVAC（供熱、通風(fēng)和制冷）、電力照明、陽光屏蔽和安全功能以及開放式控制設(shè)備能在網(wǎng)絡(luò)上互操作，參見圖1。



圖一 LONWORKS的網(wǎng)絡(luò)圖示

與之相反，LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用前景并沒有得到認(rèn)可，自身也遇到很多的困難。原因就是對分布式智能控制的原理接受不足。然而，LONWORKS以其出色的穩(wěn)定性以及靈活的自由拓?fù)洳季�技術(shù)領(lǐng)先于基于RS485的傳統(tǒng)現(xiàn)場通訊布線技術(shù)。LONWORKS能夠巧妙而經(jīng)濟(jì)地滿足特殊要求。能夠以功能簡表的形式為開發(fā)商提供解決方案的基礎(chǔ)。對許多設(shè)備諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、泵、變頻器、PLC、閥門、傳感器等都有功能簡表。

由于LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用前景并沒有得到大家的認(rèn)可，轉(zhuǎn)而在樓宇自控行業(yè)得到很大的發(fā)展。而對于樓宇自控中的機(jī)電設(shè)備的控制，LONWORKS并沒有大的優(yōu)勢，這反而是傳統(tǒng)的PLC/IPC的天下。PLC/IPC以其通用性、可靠性以及低廉的成本優(yōu)勢牢牢地占據(jù)著傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械/工業(yè)設(shè)備控制的根據(jù)地。這也是LONWORKS在多年來與PLC/IPC競爭工業(yè)現(xiàn)場后無法得到很大發(fā)展的原因。然而，畢竟LONWORKS以其對等設(shè)計(jì)和智能分布式現(xiàn)場設(shè)備在技術(shù)上領(lǐng)先今天的工業(yè)自動(dòng)化系（PLC/IPC現(xiàn)場總線）整整一代。隨著工業(yè)自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對傳統(tǒng)PLC的網(wǎng)絡(luò)要求也越來越高，工業(yè)以太網(wǎng)這個(gè)新鮮名詞也隨之出現(xiàn)。而且也有了取代現(xiàn)場總線的趨勢。

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(jié)構(gòu)是最好的。P2P體系結(jié)構(gòu)和其它任何一種分級(jí)的體系結(jié)構(gòu)相比，不再具有分級(jí)體系結(jié)構(gòu)與生俱來的單點(diǎn)故障。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，來自某一個(gè)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(gè)非中央設(shè)備之間的通信包括了一個(gè)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(jì)相比之下，它允許兩個(gè)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(jì)中，設(shè)備的故障更多的可能是只影響到一個(gè)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 可以看出通過監(jiān)控的傳統(tǒng)的主從通訊網(wǎng)絡(luò)與P2P體系通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。


圖2 網(wǎng)絡(luò)組織對比圖

3 L0N網(wǎng)原理

LonWorks網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的通信是采用一種稱為LonTalk的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)語言實(shí)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協(xié)議提供的通信服務(wù)，使得設(shè)備中的應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上同其他設(shè)備發(fā)送和接收報(bào)文而無需知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)的名稱、地址，或其他設(shè)備的功能。LonWorks協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報(bào)文確認(rèn)、報(bào)文證實(shí)和優(yōu)先級(jí)發(fā)送，以提供規(guī)定受限制的事務(wù)處理次數(shù)。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，這包括網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)的重新配置、下載應(yīng)用程序、報(bào)告網(wǎng)絡(luò)問題和啟動(dòng)/停止/復(fù)位設(shè)備的應(yīng)用程序。LonTalk——也就是LonWorks系統(tǒng)——可以在任何物理媒介上通信，這包括電力線，雙絞線，無線（RF），紅外（IR），同軸電纜和光纖。

而所謂互操作性意味著每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的裝置能夠根據(jù)自己需要發(fā)布的信息變成數(shù)字式串行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接到達(dá)另一個(gè)裝置。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移通常涉及一個(gè)信息發(fā)送者，一個(gè)或一個(gè)以上的接收者。發(fā)送者和接收者之間一定要有某種形式的連接，數(shù)據(jù)才能以一連串的開--關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。所有連接到某一特定信道的裝置必須有同一速率運(yùn)行的兼容收發(fā)器，如此才能夠達(dá)到互操作的目的。但是可互操作的網(wǎng)絡(luò)并不是傳統(tǒng)的主從式通訊網(wǎng)絡(luò)（點(diǎn)對點(diǎn)）可以達(dá)到的，網(wǎng)絡(luò)裝置間串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移要求一套通訊協(xié)議，協(xié)議通常以嵌入軟件或固件代碼形式存在于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)裝置中。包含這個(gè)協(xié)議代碼和某種類型的操作智能的裝置稱之為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它包括一片Neuron神經(jīng)芯片、傳感和控制設(shè)備、收發(fā)器(用于建立Neuron芯片與傳輸之間的物理連接)和電源。

LonTalk通訊協(xié)議是LONWORKS技術(shù)的核心，該協(xié)議提供一套通信服務(wù)，使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報(bào)文而無須知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚�稱、地址或其他裝置的功能。LONTALK協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報(bào)文確認(rèn)、報(bào)文證實(shí)、優(yōu)先級(jí)發(fā)送以便設(shè)定事物處理時(shí)間。它是一個(gè)分層的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對等的通信協(xié)議，象有關(guān)的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣。但是，LONTALK協(xié)議設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)裝置監(jiān)視在信道上傳輸?shù)拿總�(gè)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(diǎn)應(yīng)用程序所需的信息或者它是否是個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)包。LonTa1k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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)結(jié)。當(dāng)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(jié)點(diǎn)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,最多31B,又提供了四種類型的報(bào)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(diǎn)，邏輯地址讓用戶把一個(gè)名字和物理裝置與節(jié)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(jié)點(diǎn)的集合他們之間可以互操作。邏輯地址的第二部分以獨(dú)特的15位節(jié)點(diǎn)地址規(guī)定域中的一個(gè)單一節(jié)點(diǎn)。

而對于PLC介入到LONWORKS網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)/狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，則必須由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序?qū)�PLC進(jìn)行操作。

4 L0N網(wǎng)在智能樓宇控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
本文以上海某大型廣場的智能樓宇控制系統(tǒng)中，涉及到臺(tái)達(dá)PLC的LONWORKS系統(tǒng)的部分為例，介紹網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PLC通訊配置的網(wǎng)絡(luò)變量以及命令格式。在該系統(tǒng)中，機(jī)電設(shè)備為中央空調(diào)風(fēng)柜，PLC根據(jù)回風(fēng)溫度經(jīng)過PID調(diào)節(jié)新風(fēng)閥門的開度，以達(dá)到控制房間或單元室溫的目的。風(fēng)柜網(wǎng)絡(luò)原理圖參看圖3。


圖3 風(fēng)柜網(wǎng)絡(luò)原理圖

網(wǎng)絡(luò)變量
nviConfig   配制網(wǎng)絡(luò)變量
nvoDR[0～7]   只讀模擬量（AI）
nvoXR[0～7]   只讀數(shù)字量（DI）
nviMW[0～12]   只寫數(shù)字量（DO）
nviDW[0～31]   只寫模擬量（AO）
配制網(wǎng)絡(luò)變量
nviConfig輸入格式：X 　X X X XXXXXXXX
指令 操作號(hào)  ： 設(shè)定值

指 令：R 讀設(shè)定值，W 置設(shè)定值；
操作號(hào)： 00    通信格式設(shè)定
01~08   nvoDR[0～7] 連接設(shè)定
09~16   nvoXR[0～7] 連接設(shè)定
17~29   nvoMW[0～12] 連接設(shè)定
30~61   nvoDW[0～31] 連接設(shè)定
設(shè)定值：通信格式設(shè)定 BBBBB_TT (BBBBB波特率 如09600,_ 空格,TT 通信秒間隔 如01)
連接設(shè)定： SSIIAAAA (SS設(shè)備號(hào) 如01，II指令 如02，AAAA地址 如1AFF)
連接量

只讀模擬量和只讀數(shù)字量按通信秒間隔自動(dòng)讀設(shè)備進(jìn)行刷新，只寫數(shù)字量和只寫模擬量賦值網(wǎng)絡(luò)變量時(shí)自動(dòng)發(fā)送到設(shè)備。

由于LONTALK協(xié)議規(guī)定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中已經(jīng)包含該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，并且是以名稱的形式存在于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到PLC的通訊部分無須顧及PLC的通訊地址，而只需通用默認(rèn)的PLC地址即可，參見圖4。

圖4中，變量規(guī)定為只讀，在臺(tái)達(dá)PLC的通訊協(xié)議中，D0對應(yīng)的地址為H1000，則，D100對應(yīng)的地址為H1064，依此類推。由于LONTALK協(xié)議的網(wǎng)關(guān)地址已經(jīng)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中得到確定，那么，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PLC的通訊就變成了標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的程序，只需使用PLC默認(rèn)的通訊地址即可，如圖4、圖5、圖6所示PLC的通訊地址都統(tǒng)一為1。

由圖3，現(xiàn)場的監(jiān)控由文本顯示器TP04G來實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)端的監(jiān)控通過LONWORKS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。這樣組成一個(gè)分布式智能控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)端的上位計(jì)算機(jī)通過與末端的LON網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)從信道中接受到的數(shù)據(jù)包判斷是否是合適本網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包，如是，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序再將數(shù)據(jù)下達(dá)至PLC，完成遠(yuǎn)端的監(jiān)控。

雖然LON分布式智能控制系統(tǒng)不要求末端的PLC提供地址，但是文本顯示器與PLC的地址設(shè)置功能大大地方便了程序編寫者與現(xiàn)場的調(diào)試人員，以下簡單地介紹該功能的使用：TP04G提供了DELTA Mx的DRIVER，該功能適用于DELTA PLC的多地址應(yīng)用場合。我們知道，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的生產(chǎn)制造中，我們需要的是標(biāo)準(zhǔn)化的程序，以簡化現(xiàn)場的調(diào)試以及方便程序文件的管理。那么，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的組網(wǎng)過程中，必不可少地需要改變PLC的地址，以達(dá)到組網(wǎng)控制的目的。如果通過傳統(tǒng)的改變PLC程序來實(shí)現(xiàn)的話，一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備就有一套程序。很不方便程序的管理。使用文本顯示器的DELTA Mx功能只需在文本的系統(tǒng)菜單中改變文本的通訊地址即可，而文本程序中需要對PLC的D1121設(shè)置成相應(yīng)地址即可實(shí)現(xiàn)。

文本顯示器提供的萬年歷功能為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)定時(shí)開/關(guān)機(jī)功能提供了方便，PLC可以通過萬年歷的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的定時(shí)開關(guān)機(jī)控制。網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)為樓宇機(jī)電設(shè)備的管理者提供了方便，管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)對位于大樓任何位置的機(jī)電設(shè)備下達(dá)指令，也可以隨時(shí)通過LON網(wǎng)絡(luò)查看任何位置的機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了樓宇智能控制。

5結(jié)束語

LonWorks技術(shù)已經(jīng)逐漸成為小區(qū)/樓宇智能化系統(tǒng)的基本規(guī)范。LonWorks網(wǎng)絡(luò)非常容易與其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連,如Internet網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制。LonWorks開放式、可互操作性、成熟和低成本的特點(diǎn),使得眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡(luò)方案中采用LonWorks技術(shù)。另外,對于最終用戶來說,項(xiàng)目的初期投資大為減少,系統(tǒng)管理簡單,增加新功能又十分簡便。由此可以推斷,LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)越來越為人們重視和推廣。PLC作為通用可靠的工業(yè)控制器，依然在工業(yè)現(xiàn)場得到廣泛的應(yīng)用，在民用市場的網(wǎng)絡(luò)要求越來越多的今天，相信日益強(qiáng)大的PLC的網(wǎng)絡(luò)功能一定也會(huì)越來越多地進(jìn)入人們的日常生活中。

參考文獻(xiàn)：
［1］LONWORKS原理和實(shí)踐概述.埃施朗公司
［2］Jurgen W.hertel . Industrial Control

作者簡介:
李錦鋮（1973-）　工程師　從事工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)多年，現(xiàn)在中達(dá)電通股份有限公司任應(yīng)用工程師。