（控制理论与控制工程专业论文）基于lonmark国际标准的lonworks空调机组控制器的软件开发.pdf

r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 作者签名：7 李纯 日期： 叮年么月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：盯年b 月10 日 日期：僻苦月夕日触协 、 簟_ 1 1 1 i i ii ii i 1 1 1 _ 1 1 1 1 摘要 捅芰 自美国e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年推出l o n w o r k s 技术以来，l o n w o r k s 技术已经 被广泛应用于包括家庭自动化内的各种设备和系统产品中，尤其是在智能楼宇和 数字化社区领域，l o n w o r k s 技术获得了巨大的成功，它以其低安装维护成本、 高可靠性能、真正无主站的点对点通讯、节点采用逻辑连接使配置和修改方便以 及n e u r o n 芯片内置现成的i o 对象与l o n t a l k 协议、编程方便等特点，广泛应用 于楼宇设备监控系统中。 l o n w o r k s 技术平台是一个开放性的控制网络平台，成千上万的制造商基于这 个平台开发控制设备，不同厂商生产的产品之间的通讯成为开放式平台的重要保 证，l o n m a r k 国际认证标准就是基于这种要求应运而生。通过这一标准认证的产 品具有真正的互可操作性，从而使用户在组建开放性的l o n w o r k s 控制网络选择 产品时提供了最自由的方式，可以按照自己的要求面向所有l o n m a r k 认证产品精 心挑选，而不必担心它们之间是否能够通讯。 同时，空调系统是楼宇自动化的一个重要部分，其能耗通常占楼字能耗的6 5 以上，因而以最佳“能量效率 对空调机组进行节能控制具有显著的经济效益。 空调机组是指集中在空调机房的集中式的空气处理设备，包括送回风机、过滤器、 冷却器、加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统的重要组成部分和核心。 当前国外有许多基于l o n w o r k s 技术且符合l o n m a r k 国际标准的空调机组控 制器产品，但是国内目前还属于空白，基本停留在针对具体应用开发，无法达到 互可操作性的目的。 课题的主要研究内容有： 1 基于国内和国际空气质量标准选定空调机组控制器空气质量监控指标。 2 基于l o n m a r k 国际标准设计空调机组控制器功能模型和控制逻辑。 3 在空调机组控制器的控制策略中研究引入自动化先进控制理论，并通过实 际项目的实践确定关键控制算法。 4 采用埃施朗公司专用节点开发工具n o d e b u i l d e r 开发控制器软件，并应用到 广州白云国际机场s a s 隔离区空调系统控制项目。 5 完成空调机组控制器的l o n m a r k 国际标准认证所有资料，并申请l o n m a r k 国际标准认证。 关键词l o n w o r k s 技术：l o n m a r k 国际标准；空调机组控制器；控制策略： n o d e b u i l d e r ； 华南理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t a f t e rt h el o n w o r k st e c h n i q u ei sp u b l i s h e db ye c h e l o n ，t h ec o m p a n yl o c a t e di n u s ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do ff a m i l ya u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h e f i e l do fb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dd i g i t a lc o m m u n i t y i t ss u c c e s sd e p e n do nt h e a d v a n t a g e st h a tt h en o d ed e v i c e sr e a l l yc o m m u n i c a t ei naw a yo fp o i n tt op o i n tw i t h l o wc o s ta n dg r e a tr e l i a b i l i t y ，e a s yt oc o n f i g u r ea n dm o d i f yw h i l eu s et h el o g i c a l m e t h o dt oc o n n e c t ，e a s yt oc o m p i l et h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo rt h ep r e d e f i n e di o o b j e c t sa n dt h el o n t a l kp r o t o c o la r eb u i l t i nt h en e u r o nc h i p l o n w o r k s _ p l a t f o r mi s o p e n i n gc o n t r o ln e t w o r kp l a t f o r m h u n d r e d so ft h o u s a n d so f m a n u f a c t u r e rd e v e l o p e d c o n t r o ld e v i c e sb a s e do nt h i sp l a t f o r m a st h ec o m m u n i c a t i o no fd e v i c e ss u p p l i e db y d if f e r e n tv e n d o r si sk e e nt ot h eo p e n i n gp l a t f o r m ，s e v e r a ll a r g ec o m p a n i e ss p o n s o r e d l o n m a r ks t a n d a r d p r o d u c t sd e s i g n e da c c o r d i n gt ol o n m a r ks t a n d a r da r et r u l y i n t e r o p e r a b l et ol e ti n t e g r a t o r sf r e e l yc h o o s et h e mw i t h o u tc o n s i d e r i n gw h om a d e t h e m m e a n w h i l e ，a i r c o n d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fb a s ， b e c a u s ei t se n e r g yc o s ti sa c c o u n t e dt o6 5 o ft h et o t a le n e r g yc o s ti nb a s f u r t h e r m o r e ，a i r c o n d i t i o np r o c e s ss e ti st h ec o r eo fa i r c o n d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ha r e t h ee q u i p m e n tp r o c e s s i n gt h ea i ro fr o o mc e n t r a l i z e d ，i n c l u d i n gt h ep a r t s - s u p p l ya i r f a n ，e x h a u s ta i rf a n ，f i l t e r ，c o o l e r ，h e a t e ra n ds oo n n o w ，t h e r ea r em a n yl o n m a r kc o n t r o l l e ro fa i r c o n d i t i o np r o c e s ss e to v e r s e a s ， h o w e v e rn oc o r r e s p o n d i n gp r o d u c t sp r e s e n t e db ym a i n l a n dd e v e l o p e r s ot h i sp a p e ri sa i m e da tt h ep o i n t sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ei n t e r n a t i o n a lo ri n t e r n a la i rq u a l i t yc r i t e r i o nt or e s e a r c ha n d d e t e r m i n et h ea i rq u a l i t yp a r a m e t e r st h a tt h ec o n t r o l l e ro fa i r - c o n d i t i o np r o c e s ss e t m u s tm o n i t o ra n dc o n t r o l 2r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ef u n c t i o n a lp r o f i l eo ft h ec o n t r o l l e ro fa i r c o n d i t i o n p r o c e s ss e ta c c o r d i n gt ot h el o n m a r ks t a n d a r d ，t h e nd e s i g nt h el o g i ca n dd a t a p r o c e s s i n ga r i t h m e t i c 3a p p l ya d v a n c e da u t o m a t i o nc o n t r o lt h e o r yi n t ot h ec l o s e dl o o pf i x e dv a l u e c o n t r o la r i t h m e t i ci nt h ec o n t r o l l e ro fa i r - c o n d i t i o np r o c e s ss e t 4d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mw i t hs p e c i a ld e v e l o p m e n tt o o l - n o d e b u i l d e r ， t h e na p p l yi ti n t ot h ea c t u a le n g i n e e r i n go fa i rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，g u a n g z h o ub a i y u ni n t e r n a t i o n a la i r p o r t n a b s t r a c t 5p r e p a r ea n df i n i s ha l lt h ed o c u m e n t so ft h ec o n t r o l l e ro fa i r c o n d i t i o np r o c e s s s e tt oa p p l yf o rl o n m a r kc e r t i f i c a t i o n k e y w o r d s ：l o n w o r k st e c h n i q u e ，l o n m a r kc r i t e r i o n ，a i r c o n d i t i o np r o c e s ss e t c o n t r o l l e r ，c o n t r o la r i t h m e t i c ，n o d e b u i l d e r i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 课题来源及目的2 1 3 课题主要内容2 1 4 本章小结3 第二章l o n 总线技术和l o n m a r k 国际标准4 2 1l o n w o r k s 总线技术简介4 2 1 1 l o n w o r k s 总线特点4 2 1 2l o n w o r k s 网络构成5 2 2l o n m a r k 国际标准8 2 2 1l o n m a r k 协会8 2 2 2 收发器和物理信道准则9 2 2 3 应用程序准则9 2 2 4 对象和功能简介1 0 2 2 5 l o n m a r k 资源文档1 1 2 2 6l o n m a r k 程序1 d ( p r o g r a mi d ) 1 2 2 3 本章小结1 2 第三章基于l o n m a r k 国际标准的空调机组控制器功能模型的确定1 3 3 1 依据国内和国际空气质量标准制定空调机组控制器监控指标1 3 3 2 基于l o n m a r k 国际标准确定空调机组控制器功能模型1 6 3 3 基于l o n m a r k 标准模型空调机组控制器i o 端口1 9 3 4 本章小结2 l 第四章空调机组控制器控制策略的研究确定2 2 4 1 控制对象分析2 2 4 2 控制器控制逻辑设计2 3 4 3 控制器恒值控制算法的研究2 6 4 3 1p i d 控制算法2 6 4 3 2 模糊控制算法2 8 4 3 3 模糊p i d 复合控制算法3 3 4 3 4 三种算法应用结果分析比较3 4 华南理1 二大学硕士学位论文 4 4 本章小结3 7 第五章基于l o n m a r k 国际标准空调机组控制器软件开发3 8 5 1 软件流程图设计3 8 5 2 采用n o d e b u il d e r 工具依据l o n m a r k 国际标准开发软件3 9 5 3 控制器p l u g i n 操作界面的开发5 6 5 4 本章小结5 7 结束语5 8 参考文献5 9 攻读学位期间发表论文6 0 致谢6 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 自美国加州p a l oa l t o 市的e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年推出l o n w o r k s 技术以来， l o n w o r k s 技术已经被广泛应用于包括家庭自动化内的各种设备和系统产品中， 遍及全世界楼宇、工厂、家庭、火车和飞机等领域，成为世界日用电器和控制设 备网络方面的重要的跨行业标准。它还在家庭、火车、半导体制造设备、智能楼 宇、加油站和运货列车制动系统领域，被世界标准组织包括a a r 、a n s i 、a s h r a e 、 i e e e 、i f s f 、s e m i 认证为各自的行业标准。尤其是在智能楼宇和数字化社区领 域，l o n w o r k s 技术获得了巨大的成功，它以其低安装维护成本、高可靠性能、 真正无主站的点对点通讯、节点采用逻辑连接使配置和修改方便以及n e u r o n 芯片 内置现成的i o 对象与l o n t a l k 协议、编程方便等特点，广泛应用于楼字设备监 控、安防、煤气泄漏报警、紧急求助报警、水电气抄表等系统中。 l o n w o r k s 技术平台是一个开放性的控制网络平台，成千上万的制造商基于这 个平台的l o n t a l k 协议开发控制设备，不同厂商生产的产品之间的通讯成为开放 式平台的重要保证，l o n m a r k 国际认证标准就是基于这种要求应运而生。它是由 e c h e l o n 、h o n e y w e l l 、s a m s u n g 、西门子等十几家大型控制设备制造商合作成立 l o n m a r k 协会后提出的l o n w o r k s 产品开发规范，通过这一标准认证的产品具有 真正的互可操作性，从而使用户在组建开放性的l o n w o r k s 控制网络选择产品时 提供了最自由的方式，可以按照自己的要求面向所有l o n m a r k 认证产品精心挑 选，而不必担心它们之间是否能够通讯。 智能楼宇包括楼宇自动化b a 、通讯自动化c a 、办公自动化o a 3 部分，统 称3 a 。空调系统是楼宇自动化的一个重要部分，其能耗通常占楼宇能耗的6 5 以上，而变风量v a v ( v a r i a b l ea i rv o l u m e ) 空调在智能建筑中占5 7 以上，因而 以最佳“能量效率 对空调机组进行节能控制具有显著的经济效益。空调系统的 控制对象可概括为控制区域的温度、湿度、新风量、冷( 热) 水温度、压力等几个 方面，其中空调机组是指集中在空调机房的集中式的空气处理设备，包括送回风 机、过滤器、冷却器、加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统的重要组成部 分和核心。对空气处理机组的控制，主要就是控制被调区域的温度和湿度，以及 新风量的大小，控制的目标是将室内的温湿度环境保持在适宜的水平，并且尽量 使系统的能耗最小。 当前对于空调机组控制的研究，有很多不同的策略。以对空调系统温度、湿 度等模拟量的控制为例，通常有传统的p i d 控制策略、新型模糊控制策略以及结 华南理工大学硕十学位论文 合遗传算法、神经元网络等对模糊控制进行改进等等，pid 算法具有结构简单、 参数易于整定，其积分环节可以稳定的消除稳态误差，但是由于空调系统固有的 传递滞后较大，且是一个干扰大、高度非线性的、随机干扰因素多的特点，p i d 控制的鲁棒性相对较差，从而使模糊控制成为空调机组控制的另一重要手段。但 模糊控制策略是模拟人的大脑思维并基于经验规则的控制方法，易于出现稳态误 差。总而言之，寻求一种理想的控制策略对空调机组进行控制成为开发空调机组 控制器的主要挑战之一。由于空调机组控制器功能的好坏直接影响到空调机组控 制效果的好坏，也直接关系到空调系统的效率、稳定和节能，因而设计一个功能 强大，控制策略先进并符合l o n m a r k 国际标准的控制器成为众多l o n w o r k s 产品 生产商研究的重点之一。 目前国外关于空调机组的l o n m a r k 控制器有很多成熟产品，如t r e n dc o n t r o l s y s t e m sl i m i t e d ，s a m s u n gh e a v yi n d u s t r i e s ，m a t r i x ，c i r c o ns y s t e m sc o r p ， h o n e y w e l l 等等，它们采用p i d 算法参与水阀、调速风机、风阀等的自动控制， 较好的实现了对空调机组的节能控制，但由于其价格非常昂贵，对于国内许多客 户来说，难以接受。而国内虽然有很多l o n w o r k s 控制器开发公司提供空调系统 控制的研发服务，但到目前还没有一家公司推出通过l o n m a r k 国际认证的具有互 可操作性的通用空调机组控制器，他们的工作基本是根据用户的某些控制需求进 行特殊开发，其控制功能局限性明显，对于不同厂家的空调机组不具有通用性， 更不能用于开放性的网络。 1 2 课题来源及目的 基于上述背景，以及本人在广东欧宇信息控制技术有限公司实习时承担开发 广州白云国际新机场s a s 隔离区空调机组控制项目的应用要求，本人在导师的指 导下选定“基于l o n m a r k 国际标准的l o n w o r k s 空调机组控制器的软件开发”作 为研究课题，希望在针对具体工程项目开发的同时，完成一个符合国家空气质量 标准的空调机组控制器的软件开发。通过课题的研究将达到以下三个主要目的： ( 1 ) 通过l o n w o r k s 总线控制技术与先进自动化理论的有机结合，开发具有自 主知识产权和国际先进水平的l o n w o r k s 空调机组控制器软件。 ( 2 ) 通过l o n m a r k 标准的贯彻，使控制器具有真正的互可操作性，可于任何符 合l o n m a r k 标准的产品通信，组成开放性网络，填补国内该项产品的空白。 ( 3 ) 应用于广州白云国际新机场空调控制项目并通过验收。 1 3 课题主要内容 课题将分三部分进行：一是根据国际和国家空气质量标准以及l o n m a r k 国际 标准完成空调机组控制器的功能模型的选择；二是将先进控制策略引入空调机组 控制器的恒值控制算法，以节能、方便、快速、舒适为目的完成控制器模拟量调 2 第一章绪论 节器算法的开发：三是通过l o n w o r k s 平台开发工具，按照l o n m a r k 国际标准完 成控制器应用程序的开发，并完成l o n m a r k 产品认证所有资料准备。 1 4 本章小结 本章通过分析当前l o n w o r k s 总线技术在空调控制领域的应用及国内符合 l o n m a r k 国际标准的空调控制器的技术现状，介绍了课题的研究背景，并叙述了 课题来源和目的以及课题的主要研究步骤和内容。 3 华南理1 = 大学硕士学位论文 第二章l o n 总线技术和l o n m a r k 国际标准 2 1l o n w o r k s 总线技术简介 2 1 1 l o n w o r k s 总线特点 l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出 的局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生 了新一代的智能化低成本的现场测控产品。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发 了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。目 前采用l o n w o r k s 技术的产品广泛地应用在许多行业，l o n 总线也成为当前最为 流行的现场总线之一 l o n w o r k s 是一具有强劲实力的全新现场总线技术，它采用了i s o o s i 模型的 全部7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络通信设计简化为参数 设置。其通信速率从3 0 0 b p s 到1 2 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ， 双绞线) ，支持双绞线、同轴电缆、光纤等多种通信介质。l o n w o r k s 技术所用 的协议为l o n t a l k 协议，它是o s i 参考模型面向现场对象应用的一个子集。它比 现场总线历来推荐的功能覆盖面更广，这为工厂制造自动化的测、控、管一体化 提供了全局性的解决方案。 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，它包括一个固化的高级通信协议 ( l o n t a l k ) ，三个微处理器，一个多任务操作系统和灵活的输入输出方式。 l o n t a l k 协议提供了o s i 参考模型所定义的全部七层协议，其中1 - 6 层协议固化 在神经元芯片中，只有第七层应用层是根据应用对象自行定义，大大节约了开发 时间和成本投入。它具有如下特点： ( 1 ) 先进性 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的一种现场总线技术。l o n ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 为局部操作网络，具有现场总线技术的一切特点，在 国际和国内都得到越来越广泛的应用。l o n w o r k s 技术符合i e e e 1 4 3 7 和e i a - 7 0 9 标准。它的技术核心为神经元芯片、收发器和l o n t a l k 通讯协议。神经元芯片为 超大规模集成电路，其内部有三个c p u ，分别控制通讯和应用程序的执行。神经 元芯片可以直接或通过收发器连成控制网络。收发器有不同的类型，以支持不同 的通讯介质，如双绞线、电力线、无线电、同轴电缆、红外线等。完善的l o n t a l k 通讯协议保证了通讯的可靠性及实时性。这种网络为对等式的通讯网络，各节点 地位均等，无主节点，实时性好，可靠性高，为楼宇自动化、智能家居等应用提 供了控制网络。 4 第二章l o n 总线技术和l o n m a r k 国际标准 ( 2 ) 出色的开放性 l o n w o r k s 技术符合i s o ( 国际标准组织) 的o s i ( 开放系统互连) 标准。 l o n w o r k s 技术具有很好的开放性，符合l o n m a r k 标准的不同公司的产品可在同 一网络上协调工作。比如我们的抄表系统可与国外a l y a 、h o n e y w e l l 等公司的能 量监控系统、楼宇自动化系统无缝连接。开放性最大限度的降低了垄断利润，使 用户花最少的钱，选用各公司最好的产品。这就意味着用户摆脱了第一家供货商 的限制，甚至在第二期工程中不再选用第一家供货商的产品，而能与一期工程连 接，降低投资风险：同时，将来现有的l o n w o r k s 网上可以连接报警、求助、楼 宇自动化等设备、而无需网络投资。当然，这些设备你可以从其它你信赖的公司 那里购买，只要他们的产品符合l o n m a r k 标准。这样的公司遍及海内外，并且 l o n w o r k s 技术在中国发展很快。开放性给客户带来了很大的主动权，而封闭的 系统很难与其它公司的产品互连、增加了客户将来改变产品选型的可能性、减少 了投资风险及垄断售后服务的高额利润，从长远看减少了客户的总投资。 ( 3 ) 灵活的拓扑结构 采用双绞线作通讯介质的网络可构成总线式网络和自由拓扑网络。总线式网 络不加中继器距离可达2 7 0 0 m ，每增加一个中继器可扩展2 7 0 0 m ，自由拓扑网络 不加中继器距离可达5 0 0 m ，每增加一个中继器可扩展5 0 0 m 。在后一种结构中， 通讯线可被任意分支，提高了组网灵活性，降低了安装、维护费用。 ( 4 ) 强大的扩展能力 基于l o n w o r k s 技术研发的家庭智能控制系统可以在大规模区域实现远程抄 表、家庭安防及与其它楼宇自动化系统联网，其强大的扩展能力同一般的抄表安 防系统相比，具有无可比拟的优越性。 ( 5 ) 高可靠性 适合在各种恶劣的气候条件下使用，并具备良好的抗干扰能力。 ( 6 ) 维护容易 增加新设备、改变设备地址、调整运行参数、系统升级只需通过微机设置， 不必更改硬件设备。 2 1 2l o n w o r k s 网络构成 l o n w o r k s 网络结构包括五个部分：网络协议( l o n t a l k ) 、网络传输介质、网络 设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控单元、路由器和网关 等；执行机构包括传感器、变送器等；一个常见的简化的l o n w o r k s 系统网络如 图2 1 所示。管理软件包括l o n t a l k 开放式通信协议，并为设备之间交换控制状 态信息建立了一个通用的标准。在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的设备 融为一体，形成一个网络控制系统。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是除l o n t a l k 协议 5 华南理工大学硕士学位论文 之外的又一l o n w o r k s 技术核心产品。它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也 可以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。 绞线 力线 纤 图2 1 采用l o n 总线构成的网络 f i g u e 2 la n e t w o r kb a s e do nl o nf i e l db u s l 、l o n w o r k s 节点 节点被称为智能设备或神经元节点，它包括一个神经元芯片，l o n t a l k 收发器、 存储器、电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网 络接口卡都是节点。节点具有两种类型：芯片的节点和基于主机的节点。 ( 1 ) 基于芯片的节点：神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，一个神经元芯片包 含应用c p u 、i o 处理单元和通信处理器。因此，一个神经元芯片加上收发器就 可构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简单数据处理任务。图2 - 2 ( a ) 为基于芯片的节点结构框图。 ( 2 ) 基于主机的节点：神经元芯片是8 位总线，最高主频为1 0m h z 。对于一些 复杂的控制如带有p i d 算法的单回路、多回路，其控制就力不从心。而采用h o s t b a s e 结构是解决这一矛盾的好方法：将神经芯片作为通信处理器，用高级主机的 资源完成复杂的测控功能。图2 2 ( b ) 为一个典型的基于主机的节点结构图。其 中主处理器可以是微控制器或p c 机等。 6 第二章l o n 总线技术和l o n m a r k 国际标准 f a ) 基于芯片节点f b ) 基于主机节点 图2 2l o n w o r k s 节点 f i g u e 2 2 n o d eb a s e do nl o n w o r k sf i e l db u s 2 、路由器 路由器是l o n w o r k s 技术的一个主要部分，用来连接不同通信介质的l o n 网 络。在l o n w o r k s 技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和路由器。路 由器除连接不同媒介的l o n 网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速 度。 3 、网络协议 设备在运行程序的适当时刻发布信息。由于这些程序不是同步运行，也可能 有多个设备试图同时对话。因此，设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程 的形式加以组织。这些规则和进程称为通信协议，通常简称协议。协议定义了设 备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方 采取的操作。协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络管理工具 下载到设备中。l o n w o r k s 技术采用l o n t a l k 协议。l o n t a l k 是面向对象的网络协 议，支持o s i 七层协议，设备节点之间的数据传递通过网络变量的互联实现。 4 、通信媒介 通信媒介是节点( 设备) 之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、红外 线、光纤和同轴电缆等。 5 、网络管理工具 一个典型的现场控制节点( 智能测控单元) 主要包括以下几个功能块：应用 c p u 、i o 处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单个节点建成之后，节点 之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时 也要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来。一旦网络建成并正常运行后， 需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点网络变量和显示报文 变化的情况。网络管理工具的主要功能有： ( 1 ) 网络安装：网络安装可通过s e r v i c ep i n 按钮或手动的方式设定设备的地址， 7 华南理t 大学硕士学位论文 然后将网络变量互联起来，并且可以设置四种报文方式：发送无响应、重复发送、 应答和请求响应。 ( 2 ) 网络维护：网络维护主要是在系统正常运行情况下，增加删除设备以改变 网络变量和显示报文的内部连接。网络维护还是一个错误设备的检测和替换的过 程。检测过程可以查出设备出错是应用层的问题( 例如一个执行器由于马达故障而 不能开闭) 还是通信层问题( 例如设备脱离网络) 。由于采用动态分配地址方式， 只需将数据库中提取的i e l 设备的网络信息下载到新设备即可，而不必修改网络上 其它设备。 ( 3 ) 网络监控：应用设备只能得到本地的网络信息，即网络传送给它的数据。 然而在许多大型的控制设备中，往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。 例如，在过程控制中需要一个超级用户，用户可以在网上，甚至以远程的方式( 如 i n t e r n e t ) 监控整个系统。通过节点、路由器和网络管理这三部分的有机结合就可 以构成一个带有多种介质和完整的网络。 2 2l o n m a r k 国际标准 埃施朗公司开发的l o n w o r k s 技术推动真正互可操作的装置和系统的发展。 但是，因为该技术是与通信介质无关而且并不规定装置的应用程序如何构成，光 是使用l o n w o r k s 技术并不保证来自不同制造商的l o n w o r k s 装置能在同一系统 互可操作。当前，l o n w o r k s 技术现已广泛用于专用系统，诸如车辆控制系统、 传送系统、电话局监控系统等，因此，开发性的系统成为l o n w o r k s 技术进一步 得以推广和应用的首要问题。 在互可操作装置的集合和开放系统间有重大差别。不可能有一个没有互可操 作装置的开放系统，但是很可能有一个封闭系统中的互可操作装置的集合。换句 话说，为了建立开放系统互可操作装置是必要的，但是不够的。正确的网络设计 是实施真正开放系统的又一个要求。互可操作装置是发展开放系统的最基本的组 件。 2 2 1l o n m a r k 协会 由于在许多产业中有发展互可操作产品的巨大机遇，1 9 9 4 年由埃施朗和致力 于建造互可操作产品的l o n w o r k s 用户集团成立了l o n m a r k 互可操作协会。互可 操作性意味着来自同一个或不同的制造商的多个装置能集成在单一的控制网中， 而无需定制节点或定制编程。l o n m a r k 协会致力于发展互可操作性标准、认证符 合标准的产品、发扬互可操作系统的优点。 l o n m a r k 标志提供高层次的互可操作性保证。只有经过l o n m a r k 协会认证的 l o n w o r k s 产品称之为l o n m a r k 装置才能携带l o n m a r k 商标标志。 l o n m a r k 协会向所有感兴趣的公司开放，给与制造商、系统集成员和终端用户不 8 第二章l o n 总线技术和l o n m a r k 国际标准 同的权利和义务。有关会员、当前活动和已公布的标准等的全面信息可从协会的 网址( w w w l o n m a r k o r g ) 上取得。 协会由代表所有有关社团的会员们组成的工业理事会管理。协会的会员资格 向所有致力于开发、生产、应用基于l o n t a l k 协议、由l o n m a r k 认证的产品的任 何公司、机构或个人开放。协会开发产品技术规格和准则，以保证根据它们设计 的产品互可操作。 协会还编制和公布功能简介，详尽介绍应用层接口，包括为专用或通用控制 功能所需的网络变量、配置属性、系统设定和上电反应。总之，协会致力于下述 两个领域： l 、收发器和配合的物理信道的准则。 2 、节点应用程序的结构分析和文件编制。 2 2 2 收发器和物理信道准则 收发器和物理信道的l o n m a r k 准则包含在埃施朗公司提供的文件“l o n m a r k l 一6 层互可操作性准则”中，该准则描述了相应的收发器己获得认证的所有标准 物理信道。它也为l o n t a l k 协议的使用缓冲器规模计数类型、地址表输 入等提供准则。 楼宇中最经常使用的信道类型是t p f t 7 8 和t p x f 1 2 5 0 ( 1 2 5 m b p s 的双 绞线灵活拓t b ) 。有时，也使用p l 2 2 电力线类型，以充分利用现有电力配线作为 传输介质。 2 2 3 应用程序准则 互可操作装置的应用程序的l o n m a r k 准则包含在“l o n m a r k 应用层互可操作 性准则”中。这些准则以“面向对象编程 为基础，它是整个信息系统业界当前的 计算机编程标准。按照这个方法论，应用程序由名为对象的模块化代码段构成。 每个对象按照严格的输入输出接口规格执行一项明确记载的功能并和其他对 象通信。一但建立了对象的一个完全集后，设计应用程序的任务就变成选择适当 对象并把它们连接起来。 为了使来自多个制造商的应用程序能方便地使用n v 互操作，n v 中的数据必 须以同一方法解释。例如，所有的温度值必须不是摄氏就是华氏。l o n m a r k 协会 已定义并公布了一百个通用的系统变量，方便了这项工作。那些变量被称为标准 网络变量类型( s n v t ) 。 l o n m a r k 对象规定了信息如何输入节点，如何从节点输出，如何与网上其他 节点共享，从而构成了应用层上互可操作性的基础。l o n m a r k 对象定义为一个或 一个以上的输入和或输出标准网络变量的集，并定义与网络变量值和一系列配 置属性有关的对象行为。 9 华南理工大学硕十学位论文 为了未来的扩展和制造商的专业化，l o n m a r k 对象的定义由强制网络变量、 待选网络变量和配置规格组成。 2 2 4 对象和功能简介 l o n m a r k 准则定义两种类型的对象：通用l o n m a r k 对象和l o n m a r k 功能简表。 通用对象在各种各样产业中有广泛应用。可作为例证的是开环传感器对象，它在 网上提供来自与l o n m a r k 装置集成的或与其连接的任何形式传感器的数值。功能 简表设计用于特殊应用领域，诸如h v a c ( 暖通空调) 或照明系统。可作为例证的 是v a v 控制器功能简表，它从网络取得室温值并运行p i d 控制算法来驱动风门 调节室温。l o n m a r k 协会建立了由有关成员组成的工作组来设计、批准、公布许 多领域诸如h v a c 、安全、照明和半导体制造系统中的功能简表。 l9 9 5 年1 月公布在l o n m a r k 户可操作性准则中的最初的一个l o n m a r k 对象 集构成了通用对象( 传感器、执行器和控制器) 的基本集，从这个基本集出发可实 施许多应用。输入和输出数据类型有意留待按照特殊应用来解释。自那时以来， l o n m a r k 成员已有所进展：定义了数据类型和相配合的配置属性以达到功能简表 描述的新的专用对象。 l o n m a r k 功能简表详尽描述应用层接口，包括网络变量、配置属性、系统设 定和上电反应，它们是l o n m a r k 装置上为专用、通用控制功能所需要的。简表使 功能而不是产品标准化。所以功能简表给予产业集团通用的速记法，用来描述功 能响应的通用单元。速记法方便了规格制定，提高了互可操作性，又不必为了要 求独特能力和有竞争力的专门化产品而损害规格制定者和制造商的效率。除了基 本的l o n m a r k 对象的任何组合外，产品还能以一个或一个以上的功能简表为基础 来生产。 每个l o n m a r k 对象只通过s n v t 和其他l o n m a r k 对象交换信息。但是，大部 分对象也要求一个特定系统应用程序的用户化。l o n m a r k 准则规定了名为标准参 数类型( s c p t ) 的数据结构和用户定义的配置参数类型( u c p t ) ，它们提供了文件编 制和用网络工具下载数据到装置上的网络报文格式的标准。为用于许多种功能简 表，诸如磁滞带、系统设定值、极限值、增益设定和延迟时问的广泛参数定义了 s c p t 。s c p t 能应用在任何可以应用的地方，并记录在“s c p t 主表”上。在没有 合适的s c p t 的情况下，制造商可以为配置对象而定义u c p t ，但是它们必须按 标准格式记载在资源文件中。l o n m a r k 装置中的应用程序于是由一个或几个 l o n m a r k 对象组成，每个都独立于其他对象配置和使用，可以连接到网上任何其 他对象以实施期望的