LonWorks现场总线在楼宇自控系统中的应用

摘要：智能建筑是建筑技术与计算机技术相结合的产物，是未来建筑发展的方向。现场总线是一种全数字化、全分散、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统，具有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性强，实现了控制管理一体化的结构体系等优点。着重讨论了LonWorks现场总线技术的特点并将其应用在智能建筑中，同时给出了基于LonWorks技术的楼宇自控系统设计的实例，提出LonWorks技术能有效地解决集散控制系统的通信难题。
关键词：LonWorks总线；BA系统；智能建筑；智能节点

    智能建筑(Intelligent Buildings)是建筑技术与计算机技术相结合的产物，是未来建筑发展的方向。智能建筑主要由楼宇自动化系统(Building AutomationSystem，BAS)通信自动化系统和办公自动化系统组成。楼宇自动化系统是利用计算机及网络技术、自动控制技术和通信技术构建的综合管理和控制系统。

1 智能大厦自动化领域的几种现场总线
    上个世纪80年代，随着计算机可靠性提高，价格大幅下降，出现了由多个计算机构成的集中、分散相结合的分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)。DCS是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种综合控制系统。它的测量变送仪表一般是模拟仪表，因此属于一种模拟数字混合控制系统。
    90年代，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，出现了基于现场总线的控制系统(Field ControlSystem，FCS)。FCS是一种全数字化、全分散、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统，具有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性强、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。现场总线开创了工业自动控制的新纪元，被誉为自动化领域的计算机局域网。鉴于FCS的许多优点，其已被广泛应用到BAS控制领域，其中比较有代表性的现场总线有LonWorks，BACnet，CAN，EIB等。
    (1)LonWorks
    LonWorks技术是美国Echelon公司1991年推出的局域操作网，具有完整的开发系统平台，包含所有设计、配置和支持控制网的元素，是目前最为先进的控制网络技术。
    (2)BACnet
    BACnet是世界上第一个面向楼宇自动控制网络的数据通信协议，代表了智能建筑发展的主流趋势。它详细阐述了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通信介质、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。它的最大优点是可以与Ethernet、LonWorks等网络进行无缝集成，以解决不同厂家的楼宇自控系统相互间的通讯问题，故其不太适用于智能传感器、执行器等末端设备。
    (3)CAN
    CAN总线最初是德国Bosch公司为设计汽车监控控制系统而提出的，现在它已经成为一种国际标准，在电力、石化、空调、建筑等行业均有应用。CAN的主要优点在于：采用8．B的短帧传送；具有多种错误校验方式；采用无损坏的仲裁技术；CAN芯片不但价格低而且供应商多。CAN的主要缺点在于其支持的节点数较少。
    (4)EIB
    欧洲安装总线(European Installation Bus，EIB)1990年被提出，经过十多年的发展，已成为欧洲最有影响的建筑智能化现场总线标准。1999年EIB被引进中国的智能化建筑领域，并在上海同济大学建立了EIB认证技术培训中心。

2 LonWorks技术的特点
    LonWorks技术是1991年由美国埃施朗(Eche—lon)公司推出的，LonWorks技术所使用的标准通信协议是LonTalk协议，该协议遵循国际标准化组织(ISO)1984年公布的开放系统互联(OSI)参考模型的定义，它提供了(OSI)参考模型定义的全部7层协议，通过变量直接面向对象通信，网络协议开放，可以实现互操作。每一个域最多有255个子网，每个子网最多可以有127个节点。所以，一个域最多可以有255×127=32 385个子网。LonWorks技术是专门为实时控制而设计的，在Lon网络中大批设备(传感器、执行器等)和Lon的控制节点相互配合，使用LonTalks协议，经过多种传输媒体进行节点之间的通信，灵活组成各种各样的分布式智能控制系统。LonWorks技术能在控制层提供互操作的Lon现场总线技术，其安装的节点数远远超过了任何其他现场总线产品，几乎囊括了测控应用的所有范畴。更准确地说，LonWorks技术有效地解决了集散控制系统的通信难题。LonWorks控制网络技术拥有诸多优点，集中体现在：
    (1)Neuron芯片是LonWorks技术的核心元件，它内部带有3个8位微处理器：1个用于链路层的控制；1个用于网络层的控制；1个用于执行用户的应用程序。该芯片还包括11个I／O口和完整的LonTalk通信协议。包括神经元芯片的Lon节点具有通信和控制功能，部分节点故障不会造成系统瘫痪，对系统的调试、维护和稳定性都有着重要的意义。
    (2)LonWorks技术支持多种通信介质(双绞线、电力线、电源线、光纤、无线和红外)和它们的互联。
    (3)由于LonWorks技术直接面向对象通信。开发人员只需将主要精力花在Lon节点应用设计方面，而不需要专门去实现和测试传输线路和通信系统。
    (4)LonWorks的微处理器接口程序，即MIP软件。用MIP软件可以开发出各种低成本的网关，从而使各种网络的互联成为轻而易举的事情。
    (5)提供LonBuilder，NodeBuilder，Neuron C及LonManager等强有力的开发工具平台，给系统设计、维护和升级改造带来极大的方便。

3 基于LonWorks技术的楼宇自控系统设计实例
    某智能大厦系统总监控点为1 240个，其中数字量控制点：DI有625个，DO有358个；模拟量控制点：AI有254个，A0有3个。
    系统采用美国埃施朗(Echelon)和先导公司(Ad—vanced Tech Inc．)以LonWorks技术为核心的EU—BAS楼宇自控系统作为大楼的楼宇监控系统，而所有的传感器和执行机构则选定美国江森(Johnson con—tro1)公司的进口产品，上层监控软件采用美国Wonder—ware公司的Intouch 7．O组态软件开发。
3．1 系统结构
    EU—BAS楼宇自动化系统是一种通过中央计算机系统的网络将分布在各监测现场的区域智能节点连接起来的集散型控制系统，具有集中操作、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理论，系统采用分层分布式控制结构，由中央控制中心的操作站和各监控现场的区域智能节点组成，系统内的节点之间连接采用现场总线技术来实现。系统的结构如图1所示。

    监控系统由三部分组成：信号转换子系统、LonWorks采集控制网络、上位监控PC子系统。
    系统中LonWorks现场网络由三类节点组成：
    (1)模拟量采集节点
    主要由Neuron芯片、TP—FTl0自由拓扑收发器、程序存储器、串行A／D芯片等组成。可完成24路模拟量信号的数一模转换，采样分辨率为10位。
    (2)开关量采集节点
    主要由Neuron芯片、TP—FTlO自由拓扑收发器、程序存储器、移位寄存器等组成。可接24路开关量输入，信号全部采用光电隔离。
    (3)通信协议转换节点
    通过RS 232C串口LonTalk接口模块LON—EU／SLTA，支持LonTalk协议，可以对LonWorks网络进行安装、配置、网络管理；LON—EU／SLTA通过连接Modem的RS 232C接口，各类主机可以实现对LonWorks网络远程遥控及进行现场维护；L0nWorks网络的工作节点通过Modem也可以向远程主机报警、传递信息等。LON—EU／SLTA还能实现LonWorks网络向其他RS 232C测控网络的路由功能。
    主干网为总线型结构，通信速度达到1．25 MB／s；各子网为星型结构，通信速度为78．5 KB／s。主干网与子网通过LonWorks专用路由器进行连接，子网的局部网络故障不会影响主干网和其他子网的正常通过Lon—Works网络为对等网络结构，监控主机的故障不会影响整个监控网络各个节点的正常工作。
    在上位PC机部分，采用LON—EU／SLTA作为LonWorks网络接口，将LonTalk协议转换为串行通信，与上位监控机相联。这样通过监控机将LonWorks网络集成到计算机局域网(LAN)，在LAN上则采用TCP/IP网络协议进行更高一级的系统集成。
3．2 软件实现
    软件设计主要包括LON智能节点的编程、安装维护和上位监控软件实现。
    LON智能节点编程采用Neuron C，它完全兼容C，具有丰富的功能子程序，用户无须关心网络通信、内存分布等问题，只须根据应用系统的需求直接编程控制节点I／O端口，实现对测控对象的访问；各节点之间以网络变量的形式进行互访，实现点对点、点对多点的信息交换。
    BA系统的网络安装维护软件选用LonMaker forWindows软件。LonMaker for Windows软件是美国Echelon公司开发的LonWorks网络安装维护软件。它提供密码保护为操作人员提供操作与维护权限，该软件的图形化界面使操作人员能直接明了地对各个智能节点进行安装、下载应用程序以及参数设置，操作人员利用其完善的自诊断功能对各个智能节点或网络的故障进行检测。
    BA系统的上层监控软件采用Intouch 7．O组态软件来开发，它是基于Windows的32位面向对象的图形化HMI应用程序生成工具，用于工业自动化、过程控制和管理性监测，集成了当今微软最先进的软件技术。Intouch 7．O提供了支持LonWorks技术的I／O Serv—er，可与LON—EU2000系统产品进行连接，实现整个BA系统的实时监控。
    当BA系统安装配置完成后，操作人员即口关闭LonMaker for Windows软件让BA系统独立运行；对BA系统的监控通过Intouch 7．O软件实现，这样有利于系统安装和监控的完全独立，可以有效地防止操作人员的误操作而导致系统的瘫痪。
    方案设计选用LNS DDE Server全32位应用软件，安装在中央监控主机中，有上层监控软件Intouch 7．O同时运行，它的功能是实现BA系统和In—touch 7．O软件的实时数据交换。记录数据、报警信息和纪要等可以直接分别存入上层监控软件的系统数据库，或转换成Microsoft Execl等文件格式并存在当地硬盘中，通过大楼内部局域网，任何上网用户都可以读取该文件并打印出来，方便使用。
    整个LonWorks BA系统各部分之间的数据通讯如图2所示。

    DDE是进程之间的通讯机制，它使用Windows消息和共享内存，使相互合作应用程序能够交换数据。DDE中存在着一种协议，发送应用程序和接收应用程序在交换数据时必须遵守这种协议。一般来说，数据的提供者就是DDE服务程序，而数据的接受者就是DDE客户程序。在这里，Intouch 7．0应用程序为DDE客户程序，Lon Manager DDE服务程序为服务程序。LonManager服务程序在LonWorks网络和Windows客户程序之间交换网络变量数据。

4 结 语
    以LonWorks技术为核心的LonMark标准将被世界更多标准组织认证与认可、引用，成为世界家用电器和控制设备网络化方面重要的跨行业标准。LonWorks技术将人们的生活带入Internet时代。我们身边的楼宇、家庭、工厂和交通运输系统中，存在着由家用电器相互连接构成的无形网络。