（农业机械化工程专业论文）基于lonworks的现场临控的设计和实施.pdf

摘要 随着电子计算机及网络技术的飞速发展，自动控制技术不 断进步。现场总线的出现，标志着自动化领域又一个新时代的 开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 l o n w o r k s 技术以其在开放性、互操作性等方面的性能， 成为了现场总线技术的杰出代表之一，并且在世界范围的多个 领域中得到了广泛的应用。 本文为设计和实施替代e c h e l o n 公司相关监控软件而剖析 了基于l o n w o r k s 的现场监控的基本原理，其主要包含两 层含义：第一层含义是指l o n 网现场节点间的信息传递，主 要通过网络变量的连接来实现；另一层是指上位机对l o n 网 的监控，通过d d e 在上位机与l o n 网络之间实现数据的交 换和共享。 ， j l o n 网的现场节点是同物理上与之相连的i o 设备交互作 用手陆网络上使用l o n t a l k 协议与其它节点互相通信的一类对 象。n e u r o n 芯片是节点的核心部分。它包括一套完整的通信 协议，即l o n t a l k 协议，从而确保节点间使用可靠的通信标准 进行互操作。l o n t a l k 协议是遵循i s o 的o s i 参考模式的完整 的7 层协议，它使l o n 网能够直接面向对象通信。网络变量 使节点之间的通信实现通过捆绑网络变量便可完成。网络变量 的使用极大地提高了节点产品的互操作性。 上位机中基于w i n d o w s 的监控程序通过d d e 完成网络变 量更新的接收和发送，以达到监视和控制l o n 网节点的目的。 d d e 协议是一种开放的与语言无关的基于消息的协议，它 允许w i n d o w s 应用程序之间以任何人为约定的格式交换数据 或命令。c o n e s l d s1 0d d es e r v e r 的设计和实施完成了l o n 网与监控程序阅的数据共享和数据交换任务。c o n e s - l n m1 0 网络管理软件则主要用于安装和维护节点，捆绑连接网络变 量，建立网络数据库。 。 根据以上基本原理潍文最后介绍了利用l o n w o r k s 技术 开发的c o n e s l 2 1 0 0 条列软、硬件产品的一个演示系统。 关键字tl o n w o r k s 节点网络变量监视控制 ，、 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e c o m p u t e r a n dt h en e t w o r k t e c h n o l o g y d e v e l o p i n ga tv e r yf a s ts p e e d ，t h et e c h n o l o g yo f a u t o m a t i cc o n t r o l i sc o n t i n u o u s l yg o i n ga h e a d a p p e a r a n c eo ft h ef i e l d b u si n d i c a t e s a n o t h e rb e g i n n i n go fan e w a g e a tt h ea u t o m a t i o nf i e l d ，a n di tw i l l h a v ea g r e a te f f e c to n t h ed e v e l o p m e n to f t h ef i e l d l o n w o r k s t e c h n o l o g y h a sb e c o m ea l l o u t s t a n d i n g r e p r e s e n t a t i o n o ft h ef i e l d b u sf o ri t s o p e n ，i n t e r o p c r a b l e p e r f o r m a n c e ，a n dh a s b e e nw i d e l yu s e da l lo ft h ew o r l d t h i s p a p e r a n a l y s e s t h ef u n d a m e n t so f m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g b a s e dl o n w o r k si nt h ef i e l di no r d e rt od e s i g na n d i m p l e m e n t t os u b s t i t u t et h e p e r t i n e n t s o f t w a r e p r o v i d e db y e c h e l o n w h i c ha r cm o s t l yt w om e a n i n g ，t h ef i r s ti sh o wt h e l o n w o r k sn o d e sc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r ,w h i c h i s i m p l e m e n t e db yb i n d i n g n e t w o r kv a r i a b l e st o g e t h e r t h es e c o n di s h o wt h eh o s tm o n i t o r sa n dc o n t r o l st h el o n w o r k sn e t w o r k w h i c hi si m p l e m e n t e db ye x c h a n g i n ga n d s h a r i n gt h ed a t ab e t w e e n t h eh o s ta n dt h en e t w o r kv i ad d e t h el o n w o r k sn o d e sa r eak i n do fo b j e c t s ，w h i c hi n t e r a c t w i t ht h ei ，od e v i c e sa t t a c h e da n du s et h el o n t m kp r o t o c o lt o c o m m u n i c a t ew i t ht h eo t h e rn o d e s n e u r o nc h i pi sk e yd e v i c ei na n o d e ，w h i c hi n c l u d e sas e to fi n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l - - l o n t a l kp r o t o c o lt oe n s u r et h a tt h en o d e sc a nu s ear e l i a b l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dt oi n t e r a c tw i t ho n ea n t h e r tt h e l o n t a l k p r o t o c o lf o l l o w s t h ei s o 7 - l a y e ro s l r e f e r e n c em o d e l b y b i n d i n gn e t w o r kv a r i a b l e st o g e t h e rc o m m u n i c a t i o n a r ec o m p l e t e d b e t w e e nt h e n o d e s u s i n g n e t w o r kv a r i a b l e sc a l le n h a n c et h e i n t e r o p e r a b i l i t yo f t h e p r o d u c t s m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ga p p l i c a t i o n sb a s e d w i n d o w si nt h eh o s t c o m p l e t er e c e i v i n ga n ds e n d i n gn e t w o r kv a r i a b l e s u p d a t e sv i ad d et o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h en o d e so ft h el o n w o r k sn e t w o r k s d d ep r o t o c o l i sb a s e do nm e s s a g e ，w h i c hi s o p e na n di n d e p e n d e n to ft h el a n g u a g e i t a l l o w s e x c h a n g i n g u s e r s p e c i f i e d d a t ao rc o m m a n d sb e t w e e nw i n d o w s a p p l i c a t i o n s d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g c o n e s l d s1 ，0d d es e r v e r c o m p l e t e s t h et a s k so f e x c h a n g i n g a n d s h a r i n g d a t ab e t w e e nt h e l o n w o r k sn e t w o r ka n dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ga p p l i c a t i o n s t h e n c o n e s - l n m1 0i su s e dt oi n s t a l la n dm a i n t a i nn o d e s ，b i n dn e t w o r k v a r i a b l e sa n dc r e a t et h en e t w o r kd a t a b a s e b a s e dt h e s ef u n d a m e n t sa b o v e ，f i n a l l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e sad e m o s y s t e mo ft h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ep r o d u c t so ft h ec o n e s - l 2 1 0 0 s e r i e sd e v e l o p e db yu s i n gt h el o n w o r k s t e c h n o l o g y k e y w o r d s ： l o n w o r k sn o d en e t w o r k - v a r i a b l e m o n i t o rc o n t r o l 第一部分文献综述 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域深刻的变革。通 信网络在自动化领域中的应用，即是其中最重要的一个特点。 而l o n w o r k s 则正是这场深刻变革中发展并成熟起来的重 要控制技术之一。 1 、控制技术的发展历史及现场总线技术 1 1 、 控制技术的发展历史 2 0 世纪5 0 年代前，过程控制体系般为就地控制。 随后的2 5 年，占统治地位的是模拟式控制仪表。 到了7 0 年代后，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先 使用了数字计算机，从而产生了集中式直接数字控制( d d c ) 。 8 0 年代，由于通信技术的发展从而产生了分布式控制系统 ( d c s ) 。在这种体系结构中，多台微处理器分散在现场，它 们之间利用高速数据通道( d h w ) 连接在一起构成分布式控 制系统。它的结构示意如图i 1 所示： 图1 1d c s 结构示意图 分布式控制系统的多个基本控制器( b c ) 是以微型计算 机为核心加上扩展i o 接口电路而组成的，担负着系统的基本 控制任务。由于多台微型计算机分散在现场进行控制，避免了 集中式控制系统风险高度集中的缺点。另外，由于基本控制器 可以靠近现场，使得现场连线大大缩短，便于实现大范围的系 统控制。通过数据通信进行集中管理、显示以及报警，克服了 常规仪表控制过于分散、人机交互困难的问题。这就是人们常 说的“分散控制、集中管理”的分布式控制系统的特点。 然而，分布式控制系统仍然存在如下问题： 对于通信网络中的控制站或输入输出单元和现场仪表依旧 是一对一的模拟信号传输。其布线长度虽然较集中式控制为 短，但仍相当可观。不但成本增加，且不便于维修。更为严重 的是一个基本控制器的失效，可能会导致若干被监控的过程参 数或控制回路失效，从而产生重大的事故。 1 2 、现场总线技术 在8 0 年代中期，国外提出了现场总线。原始的现场总线 思想非常简单它只是针对传统的d c s 的问题试图用一个开 放的、独立于产品厂家的采用数字通信的控制系统来取代以模 拟信号( 如4 - 2 0 m a ) 为基础的控制系统。经历了十几年的发 展，到9 0 年代。现场总线技术的内涵已得到极大的扩展，已 成为当今自动化领域技术发展的热点之一。以现场总线为核心 的现场总线控制系统( f c s ) 大有取代传统的分布式控制系统 ( d c s ) 的趋势。 1 2 1 、什么是现场总线 现场总线技术是将专用微处理器置入传统的测量控制仪 表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进 行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成 的控制网络系统，并按开放、规范的通信协议，在位于现场的 多个智能化测量控制设备之间及其和过程监控计算机之间，实 现信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言 之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线 为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务 的控制系统。 现场总线系统的结构如图1 2 所示： 图1 2现场总线系统 1 2 2 、 现场总线系统的优点 现场总线系统具有以下优点： ( 1 ) “一对n ”结构：一对传输线，n 台仪表，双向传输多 个信号。这种“一对n ”结构使得接线简单，工程周期短，安 装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并 行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。 ( 2 ) 可靠往：数字信号传输抗干扰性能强、精度高，无需 采用抗干扰和提高精度的措施，从而也降低了成本。 ( 3 ) 状态可控：操作员在控制室既可了解现场设备的工作 状况，也能对其进行多次调整，还可预测或寻找故障，始终处 于操作员的远程监视与可控状态下，提高了系统的可靠性、可 控性和可维护性。 ( 4 ) 互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能 价格比最优的现场设备，并将不同品牌的设备互连。即使某台 设备出现故障换上其它品牌的同类设备可照常工作，实现“即 接即用”。 ( 5 ) 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的设备集成 在一起，进行统组态，构成他所需的控制回路。用户不必绞 尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或 增加额外投资。 ( 6 ) 综合功能：现场设备既有检测、变换和补偿功能，又 有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用户，也节省 了成本。 ( 7 ) 分散控制：控制站功能分散在现场设备中，通过现场 设备可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的 可靠性、自治性和灵活性。 ( 8 ) 统一组态：由于现场设备都引入了功能块的概念，如 果制造商使用相同的功能块，并统一组态方法。这样，使组态 变得非常简单，用户不需要因为现场设备种类不同带来组态方 法的不同，而学习不同组态方法用编程语言。 ( 9 ) 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有技术 和标准全是公开的，所有制造商都必须遵循。这样，用户有可 能自由集成不同制造商的控制网络。另外，用户可极其方便地 共享网络数据库。 4 1 2 3 、 几种有影响的现场总线技术 1 2 3 1 、基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 的前身是以 美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、 西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首， 联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r l df i p 协议。屈于用户 的压力，这两大集团于1 9 9 1 年9 月合并，成立了现场总线基 金会，致力于开发出国际上统的现场总线协议。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层 为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用 户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一 规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。由于这些公 司是自控设备领域的主要供应商，对工业底层网络的功能需求 了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能 力，园而由它们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定 的权威性。 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延 长) ，可支持总线供电，支持本质安全防爆。h 2 的传输速率可 为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。 可支持双绞线、光缆和无线发射等传输媒体，协议符合 i e c l l 5 8 2 标准。其物理媒体的传输信号采用曼彻斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容包括f f 通信协议、用 于完成开放互连模型中第2 7 层通信协议的通信栈 ( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) 、用于描述设备特征、参数、属性及 操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典、用于实现测 量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、 调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、 网络系统的系统集成技术。 1 2 3 2 、p r o f i b u s p r o f l b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分 散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 p r o f l b u s f m s 适用于纺织、楼字自动化、可编程控制器、 低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵 从i e c i l 5 8 - 2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德 国公司、研究所共同推出的。它采用了o s i 模型的物理层、 数据链路层。传输速率为9 6 k b p s1 2 m b p s ，最大传输距离在 1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至 1 0 k m 。其传输媒体可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂 接1 2 7 个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。 1 2 3 3 、c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称， 最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件 之间的数据通信。其总线规范现已被i s o 国际标准化组织制 订为国际标准。由于得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s ，s i e m e n s ， n e c 等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。c a n 协议 也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的不 过。其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据 链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率 6 最高可达l m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k i n 5 k b p s 。 可挂接设备数最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点有严重故障时， 具有自动关闭的功能，以切断节点与总线的联系，使总线上的 其他节点及其通信不受影响具有较强的抗干扰能力。 1 2 3 4 、h a r t h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。 最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的 支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种被称为可寻 址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟 信号传输线上同时实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系 统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强 的市场竞争能力，得到了较快发展。 它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令， 第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第 二类称为常用命令，所提供的功能可以在许多现场设备( 尽管 不是全部) 中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库； 第三类称为设备专用命令，以便在某些设备中实现特殊功能， 这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的 公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命 令。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采 用这种标准语言来描述设备特性，由h a r t 基金会负责登记 管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典主设备运用 d d l 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发 专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出 一种能满足各公司要求的通信接口芯片。 。 h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可 组成由手持编程器及管理系统主机作为主设备的双主设备系 统。 2 、l o n w o r k s 技术 除上述几种现场总线外，还有一种现场总线产品即 l o n w o r k s ( l o e a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 网络，简称l o n 网。 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司研制的。相比上述的各种现 场总线，l o n w o r k s 网络完全满足了未来发展对测控网络的 要求。未来的发展要求测控网络应具备如下条件： ( 1 ) 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用 户都是平等的。 ( 2 ) 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产 品都可以实现互操作。 ( 3 ) 通信媒体：可用任何传输媒体进行通信，包括双 绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波和红外光波，并且 多种媒体应该能够在同一个网络中混合使用。 ( 4 )网络结构：应该能够使用所有现在已有的网络结 构，如主从式、对等式及客户服务器式。 ( 5 ) 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑单一形式的 限制。网络拓扑应该可以自由组合，也就是说，除了总线型拓 扑结构之外，用户还可以选择任意形式的网络拓扑。 l o n w o r k s 技术完全可以满足上述这些基本要求。可以 说，l o n w o r k s 以其特有的优良性能，成为众多现场总线产 品中的佼佼者。 2 1 、l o n w o r k s 的开放性及互操作性 从科学的角度来讲，作为工厂的管理者，总是希望把工厂 及车间的环境、安全、保卫、告警过程、动力分配、给水控制、 资产、库房或材料的管理等所有功能都可监视并控制起来，也 就是希望能用一个通用的控制网络把它们连接在一起，并尽可 能降低成本。可是，现实情况是各部门独立工作，既要解决其 专门的任务，又要把它们组织在一起，这是极其困难的。因为 它们有不同的现场控制总线、设备总线、传感器总线、b a c n e t 及多种专用的解决方案无法用一个圆满的网络方法，把这些 “异型网络”连接起来。但是，随着l o n w o r k s 技术的出 现，上述问题将迎刃而解。因为l o n w o r k s 技术具有两大 基本优势：高性能低成本的网络接口产品，内含3 个c p u 的 超大规模n e u r o n 芯片以及固化的l o n t a l k 通信协议。同时， 利用其m i p ( 微处理器接口程序) 软件还可以开发出各种低成本 的路由器。这类性能价格比高的路由器已被很多公司开发完 成，因此多种网络的互连变得非常容易，这就是说，有了 l o n w o r k s 技术，工厂的设计者和系统集成者将不再担心它 们的网络会变得过时，在性能、可靠性等方面，l o n w o r k s 技术满足了现场总线网络的要求。 从图1 3 可以看到l o n w o r k s 有很强的互连性及互操作 性。它能通过路由器把不同的现场、异型网结合进l o n w o r k s 网络内，从而增强其功能。 上k _ j 池衄一 l 广幽掣型婴0 一 白由由 目啮冒 | p r o f i b u s s n l o n w o r k s o h 、k 1 l h k1 e u h k 图1 3l d n w o r k s 连接不同的现场总线 并与l a n 相连 2 2 、l o n w o r k s 罔络特性 作为测控网络的l o n 网具有较强的网络功能。因为它本 身就是一个局域操作网有完整的o s l7 层协议，具备了网络 的基本功能。但l o n 与l a n ( l o c ma r e an e t w o r k 局域网) 存在许多不同： ( 1 ) l a n 主要用于局部区域内计算机系统之间相互通 信；l o n 网主要用于小范围内各种设备之间的相互通信。 ( 2 ) l a n 需要一套中央处理机和服务器来控制和管理 整个局域网络；l o n 两则无需中央处理机和服务器即可实现 各节点问的通信。 ( 3 ) l a n 传输信息速率高，适于大数据量的传输：l o n 网传输速率低，适于数据量较小的检测信息、状态信息和控制 信息的传输。 ( 4 ) l a n 结构复杂，需要专用网络电缆：l o n 构成简 单。可利用电力线或双绞线等传输信息。 l o n 网和l a n 分别适用于不同的领域，两者之间有极好 的互补性。l o n w o r k s 把基层设备计算机化，用计算机测控 并网接起来。同时还可提供与l a n 的接口，从而实现了l a n 与l o n 网的有机结合。 2 2 1 通信媒体 控制现场的情况十分复杂，要求也是干差万别的。而 l o n w o r k s 可以使用双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波、 电力线及红外光波等多种媒体，用以适应各种场合，满足不同 的要求。依据通信媒体的不同，具有3 0 0 b s 1 2 5 m b s 的数据 传输率。根据需要选择不同的通信媒体，不仅可以简化网络的 安装，降低系统的成本，同时还可选择不同的数据传输率以满 足不同的自动化领域中不同的通信速率要求。 图1 4 是以l o n w o r k s 连接的4 种媒体、5 种传输速率 的控制系统。 2 2 2 、网络拓扑 l o n w o r k s 可通过多种收发器提供各种典型的拓扑结构 系统，如总线型、星形、环形、混合形等，这就为网络的安装 提供了极大的方便。如图1 5 所示。 2 2 3 、可靠性 图1 5网络拓扑 现场总线的可靠性非常重要，一个复杂的系统最致命的问 题是系统的瘫痪。l o n w o r k s 为其提供了最好的解决方法， 其原因在于：超大规模的n e u r o n 芯片使每个节点的应用变得 简单，而最简单的就是最可靠的；固化的l o n t a l k 协议具有检 测应答、自动重发、请求，响应等功能，保证了通信的高可靠； 高可靠的节点结构分散，使得故障隔离，不影响整个系统的正 常运行，易于实现冗余备份，从而大大提高了系统的可靠性。 2 3 、l o n w o r k s 的本质安全性 工业控制领域的环境是很恶劣的，经常要遇到易燃、易爆 的工作条件，所以现场总线的本质安全性必须考虑，这也是现 场总线标准必须考虑的内容。其用户协会已在本质安全性方面 做了大量研究，现已出现了满足易燃、易爆环境要求的产品。 柏t _ 。 虾丁锝一甄 2 4 、l o n w o r k s 技术的未来 目前已有5 6 个国家和地区的超过3 5 0 0 家公司在使用 l o n w o r k s 技术及其产品。它被广泛地甩于航空f 航天、农 业控制、建筑物控制、计算机，外围设备、诊断监控、电子测 量设备、能源管理、工厂自动化、家庭自动化、工业过程控制、 测试设备、照明，通信设备、医药卫生、军事，防卫、办公室设 备系统、机器人、楼宇控制、安全警卫、保密、运动游艺、 电话通信、运输设备等领域。 l o n w o r k s 本身是一个开放的系统，用它构建的系统可 使不同厂家生产的设备及产品进行互连，同时也易于系统的扩 展及重组。为了更好地推广l o n w o r k s ，由世界上十几个国 家的1 4 0 多个公司，包括a b b 、h o n e y w e l l 、o l i v e t t 、m o t o r o l a 、 i b m 、t o s h i b a 、h p 等，组成了个独立行业协会，负责定义、 发布、确认产品的互操作性标准。并且已有多家公司正在生产 l o n w o r k s 产品或将其产品纳入l o n w o r k s 网络。如 h o n e y w e l l 已将l o n w o r k s 技术用于其楼字自控系统， r o s e m o u n t 公司也已将它用于环境检测系统，我国已有十几家 公司也推出了自己的基于l o n w o r k s 技术的产晶，分别在 酿酒、电力、建筑、工业自动化和化工行业中应用并取得了效 果。 相信，随着时间的推移，l o n w o r k s 技术必将会在各 个领域表现出它更大的优越性。 第二部分引言 无论是工厂还是楼宇或其它领域的管理者，都会希望能把 他所管理的所有的功能都可以方便地监视并控制起来，也就是 希望能用一个通用的控制网络把它们连接在一起，对所有网络 上的设备进行监控。但现实情况中，工厂、楼宇等内部各部门 独立工作，有其专门的任务，也会有不同的现场控制总线、设 备总线、传感器总线、b a c n e t 及多种专用的解决方案，因 此要解决这些问题是极其困难。 l o n w o r k s 技术解决了这些问题。作为测控网络的l o n 网具有较强的网络功能。而且，l o n 总线可以使用多种通信 媒介，网络拓扑结构灵活，这也是其它现场总线难以达到的。 同时，l o n 网的通信易实现且可靠，超大规模的n e u r o n 芯片 和固化的l o n t a l k 协议保证了通信的高可靠性。 当所有现场的设备全部都连接起来后，管理者关心的只是 如何能随时地方便地了解所管理的现场设备的状态，而且能够 很方便地控制改变设备的状态。而不会去关心诸如网络是如何 连接的、设备安装的位置等等这些应由系统设计人员来了解的 内容。 l o n w o r k s 所采用的网络变量的形式满足了用户的需 要。设备之间的数据传递只是通过各个网络变量的捆绑连接便 可完成。管理者只需要通过监控程序监视和控制网络变量就可 以达到监视和控制现场设备的目的了。任何基于w i n d o w s 的 监控程序都可以通过d d e 完成接收网络变量的更新和发送网 络变量的更新。 e c h e l o n 提供了相关的软件，但是成本的压力迫切要求用 户设计开发自己的软件。基于l o n w o r k s 的现场监控的设 计和实施正是由于这样的原因而提出的。 1 4 第三部分基于l 嗍0 账s 的现场监控 的设计和实施 1 、基于l o n w o r k s 的现场监控的基本原理 基于l o n w o r k s 的现场监控主要包含两层含义：第一层 含义是指l o n 网现场节点问的信息传递，主要通过网络变量 的连接来实现；另一层是指上位机对l o n 网的监控，通过d d e 在上位机与l o n 网络之间实现数据的交换和菇享。 1 1 、l o n 躁现场节点闯的信息传递 l o n w o r k s 使用的开放式通信协议l o n t a l k 协议为设备 之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。这样在 l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一 体，形成了一个网络控制系统。l o n t a l k 协议最大的特点是对 o s i 的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是其 它现场总线所不支持的。具体实现是采用的网络变量这一形 式。网络变量使节点之间的数据传递只需要通过各个网络变量 的互相连接便可完成。按照l o n w o r k s 标准网络变量来定 义数据结构，也可以解决各不同厂家产品的互操作性问题。 l o n m a r k 是与e c h e l o n 公司无关的l o n w o r k s 用户标准化组 织，按照l o n m a r k 规范设计的l o n w o r k s 产品，均可非常 容易地集成在一起，相互间的通信也容易实现。 l o n 现场控制网络包括现场控制节点这些节点既可以 直接采用n e u r o n 芯片作为通信处理器和测控处理器，也可以 是基于n e u r o n 芯片的h o s t b a s e d 节点。n e u r o n 芯片是 l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 总线的通信处理器， 同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中所 有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。 1 1 1 、l o n w o r k s 节点 一个典型的现场控制节点主要包括一片n e u r o n 芯片、收 发器和电源组成。 一图3 1 示意的是一种典型的l o n w o r k s 节点的方框图。 图3 1 典型节点方框 l o n w o r k s 节点有两种类型： 基于n e u r o n 芯片的节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 节点中的n e u r o n 芯片是唯一的处理器，直接充当l o n 网 的节点。基于n e u r o n 芯片的节点适合于i o 设备较简单，处 理任务不复杂的系统。图3 2 ( a ) 为一个基于n e u r o n 芯片的节 点。 基于主机的节点( h o s t - b a s e d ) 节点中的n e u r o n 芯片只作为通信处理器，充当着l o n 网 的接1 3 ，节点应用程序由主处理器来执行，这类节点适合于对 处理能力、输入输出能力要求较高的系统。主处理器可以是 微控制器、p c 机等。图3 2 ( b ) 为一个基于主机的节点。 ( b ) 图3 2 id 】嗍k s 节点 ( a ) n c u r o nc h i p h o s t e d 节点( b ) h o s t b a s e d 节点 不论哪种类型的节点，都必须拥有一片n e u r o n 芯片用于通 信和控制、一个i o 接口用于连接一到多个i o 设备，另外还 有一个收发器负责将节点连接上网。 1 1 i i 、n e u r o n 芯片 n e u r o n 芯片是节点的核心部分，具备通信与控制的功能。 它包括了一套完整的通信协议，即l o n t a l k 协议，从而确保了 节点间能以可靠的通信标准进行互操作。n e u r o n 芯片拥有三 个c p u ，同时，n e u r o n 芯片还包台1 1 个i ，0 口，直接与它所 监视的现场设备连接。这样一个n e u r o n 芯片就可以传输现场 设备的状态，执行控制算法，并和其它n e u r o n 芯片进行数据 交换等。使用n e u r o n 芯片，开发人员可集中精力设计并开发 出更好的应用对象而无需耗费太多的时间去设计通信协议、通 信软件和硬件，这样可减少开发的工作量，从而节省大量的开 发时间。 i 1 2 、l o n t a l k 协议 l o n t a l k 协议是遵循o s i 参考模型的完整的7 层协议。它 1 7 籼 黼 誊|虽量 络 罔一 粕 黼 竺 圈鞋 可通过一个功能强大的网络操作系统及网络开发工具生成固 件，使通信数据在各种媒体中非常可靠地传输。由于l o n t a l k 协议对o s i 的七层协议的支持，使l o n 总线能够直接面向对 象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式。网络变量使节 点之间的通信实现只须通过网络变量的互相连接便可完成。 ( 表3 1 为l o n t a l k 和o s i 的七层协议的比较) 。 表3 1l o n t a l k 与o s i 的七层协议比较表 o s i 层次标准服务l o n 提供的服务处理器 应用处 7应用层网络应用标准网络变量类型 理器 网络变量，外部帧网络处 6 表示层数据表示 传送理器 远程遥控请求响应，认证，网络处 5会话层 动作网络管理理器 端对端的应答，非应答，点网络处 4 运输层 可靠传输对点广播，认证等理器 网络处 3网络层 传输分组地址，路由 理器 链路 帧结构 帧结构数据解码网络处 链层c r c 错误检查理器 2路 m a c媒体访闯 p 预测c s m a ，碰 m a c 处 层撞规避优先级，碰 子层控制理器 撞检测 m a c 处 l物理层 电路连接介质，电气接口理器， x c v r 由于n e u r o n 芯片的协议处理与遥信媒体无关，因而能支 持多种通信媒体，如：双绞线、电力线、射频、红外线、同轴 电缆和光纤等。 l o n t a l k 寻址体系由三级构成。最高一级是域( d o m a i n ) ， 只有在同一个域中的节点才能相互通讯，可以说一个域即是一 个网。第二级是子网( s u b n e t ) 。每个域可以有多达2 5 5 个的 子网。第三级是节点( n o d e ) 。每个子网可有多至1 2 7 个节点。 节点还可以编成组，构成组的节点可以是不同子网中的节点。 一个域内可指定2 5 6 个组。 节点可使用下列五种格式实现寻址： d o m a i n s u b n e t = 0d o m m n 中所有节点 d o m m n s u b n e ts u b n c t 中所有节点 d o m a i n s u b n c t n o d e指定某个逻辑节点 d o m a i n g r o u p 组内所有节点 d o m a i n s u b n e t n e u r o ni d指定某个物理节点 n e u r o n 芯片有一个4 8 比特的比特串，用来唯一且永久地 标识每个芯片，用n e u r o ni d 表示。l o n t a l k 协议还提供四种 消息服务类型：应答( a c k d ) 、请求，响应( r e q u e s t ) 、非 应答式重发( u n a c k d r p t ) 、非应答式( u n a c k d ) 。 1 1 3 、网络变量及显式消息 1 1 3 1 、 网络变量 网络变量n v ( n e t w o r kv a r i a b l e s ) 是节点的一个特殊的静 态对象类，这些网络变量可以是整型、字符型或结构等类型。 网络变量可以与一个或多个其它节点的网络变量互连。网络变 量从通信的角度分为输入网络变量或输出网络变量，对于一个 输入网络变量可以和其它节点的多个输出网络变量互连而对于 一个输出网络变量也可以和其它节点的多个输入网络变量互 连。但是厨方向的不能互连，即输出网络变量和输出网络变量 或输入网络变量和输入网络变蠡是不能互连的。 节点的数据可以通过互连网络变量进行共享。个节点的 输出网络变量更新，而所有与之相连的其它节点的输入网络变 量也相应地更新。例如一个温度测量节点，可以定义为一个输 1 9 出网络变量，这个网络变量包含当前的温度值；另一个温度控 制节点，它需要知道当前的温度测量值定义一个输入的网络 变量，这个网络变量包含当前的温度测量值，这个网络变量和 温度测量点的输出网络变量类型是一样的；将这两个网络变量 互连，温度测量点的温度值更新时温度控制点也相应地获得当 前的温度值。 网络变量的传送是通过l o n t a l k 协议来完成的，对用户来 说是透明的，应用程序开发者不必关心网络变量传送的目标地 址、打包拆包、报文缓冲区、请求，响应，重发等低级网络操作。 因此网络变量大大地简化了开发和安装分布式系统的过程。 网络变量需要一个捆绑( b i n d i n g ) 的过程一一将不同节点的 同类型的网络变量互连在一起，这个捆绑的过程是通过 c o n e s l n m1 0 网络管理软件来完成的。捆绑过程实际上是由 c o n e s - l n m1 0 网络管理软件发送一组包含节点的地址、报文 类型等信息的网