Lonwork总线的应用

1、LonWorks总线在智能建筑中的应用摘要：基于 LonWorks 现场总线的智能建筑是目前业内发展的方向，由于其开放性、标准化、易于互操作等诸多优势，已成为业内的标准。主要内容包括硬件研究，固件（软件与硬件结合）开发，以及系统集成等。对它进行学术研究，以便更好地将建筑艺术与控制技术结合起来，有着极高的学术价值，并对开发中国具有自主产权的现场总线系统有着积极的作用。关键词：智能建筑 ；LonWorks ；现场总线LonWorks Bus is used in intelligent building Yanni ma(xian technological university 710021)A

2、bstract：Due to its high quality in Network structure, standardization, alternation and inter-operation, the Intelligence Architecture systems based on LonWorks field-bus have became the standard module, which is proved by lot of practical projects. It includes hardware researching, firmware developi

3、ng and system integrating. The related research plays an active role in developing Chinese own property right field-bus, for its science value that combines architecture and control art.Key words：intelligent building ;LonWorks;Fieldbus引言：近年来,随着我国信息产业建设的不断深化以及人们生活水平的逐步提高,人们对住房的要求不再仅局限于房屋的面积、装修、周边环境、交

4、通等硬件条件上,而是把目光放在了家居智能化、数字化、人性化等这些能够给用户生活方式带来改变的增殖服务领域。智能建筑是信息时代的必然产物, 随着全球信息化进程的不断加快和信息产业的迅速发展, 智能建筑作为信息社会的重要基础设施, 已受到越来越多的重视。目前智能建筑已成为一个国家、一个地区、一个城市现代化程度的重要标志, 也成为 21 世纪乃至下一个世纪世界经济的重要增长点。近几年来, 发达国家相继掀起了建设智能建筑的浪潮, 我国智能建筑的发展也正方兴未艾。而智能建筑的核心就是通过对建筑物内所有信息资源( 空间、能源、物流环境等) 的采集、监视和共享, 完成对这些信息的整理、优化、判断, 给建筑物

5、管理者提供决策依据, 给使用者提供安全、高效、快捷的优质服务, 实现建筑物的实时智能以及高效率和高回报率。现场总线技术在工业、智能建筑等社会经济领域也正得到迅速推广和应用。现场总线技术改变了设备现场控制网络的结构, 构建了高性能的分布式智能化监控系统。LonWorks 技术提供了“控制网络系统”应用开发的理想平台。LonWorks 网络由通信介质、智能装置和节点组成。智能节点与其所连接的外部设施发生相互作用, 并以开放的 Lontalk 协议与其它节点通信, 从而可以实现管理平台与若干现场级控制设备的有效集成。国家建设部在楼宇自动化方面选择 LonWorks 技术进行重点推广, 充分说明了 L

6、onWorks 技术在智能建筑系统中的应用越来越广泛, 目前已经占有 60%以上的市场。本文对 LonWorks 总线技术进行了研究, 提出了一种基于LonWorks 总线的智能建筑远程监控系统方案, 通过该方案, 能通过网络对智能建筑设备进行远程监控。1 智能建筑概述智能建筑实质上是一套采用计算机网络通讯和自动控制技术,对建筑物中的设备进行自动化监控管理的中央监控系统，智能建筑通过对建筑物内的各种设备实行综合自动化管理以达到舒适!安全!可靠!经济和节能的目的,为用户提供良好的工作和生活环境,并使系统中的各个设备经常处于最佳运行状态,从而保证系统运行的经济性和管理的智能化。智能建筑的功能如下：

7、1、 自动监视并控制各种机电设备的启!停,显示或打印当前运转状态。2、 自动检测!显示和打印各种设备的运行参数及变化趋势或历史数据，如温度、湿度、压差、流量、电压、电流、用电量等等,当参数超过正常范围时,自动实现越线报警。3、 根据外界条件!环境因素!负载变化情况自动调节各种设备,使其始终运行于最佳状态;4、 监测并及时处理各种意外!突发事件;5、 能源管理:自动对水!电!燃气等的计量和收费,实现能源管理自动化"自动提供最佳能源控制方案,达到合理!经济地使用能源;6、 设备管理:包括设备档案管理(设备配置及参数档案)!设备运行报表和设备维修管理等"楼宇自动化系统监控和管理的

8、设备种类比较多,按功能分通常包括供配电!给排水!暖通空调!照明!电梯!消防!安全防范!车库管理等子系统。 供配电系统:供配电系统的主要功能是保证建筑物安全可靠的供电"主要是对各级开关设备的状态!主要回路的电流!电压!变压器的温度以及发电机运行状态进行监测"由于电力系统的状态变化和事故都是在瞬间发生,因此利用计算机进行这种监测时要求采样间隔非常小,并且能自动连续记录在这种采样间隔下各测量参数的连续变化过程,这样才能预测并防止事故的发生,或者在事故发生后,及时判断故障点"此外,在保障安全可靠供电的基础上,系统还可包括用电计量!各户用电费用分析计算!用电高峰期对次要回路

9、的限制供电控制等功能照明监控系统:照明监控系统主要是对门厅!走廊!庭院和停车场等处照明的按顺序启停控制!对照明回路的分组控制!用电过大时自动切断!以及对厅堂!办公室等地的这些控制可以通过计算机设定启停时间表!值班人员远程启动等方式来进行,也可以采用门锁!红外线等方式探测是否无人从而自动熄灭的控制方式"照明系统的控制与节能直接相关,对照明的协调控制反映了楼宇自动化系统的水平"在大型建筑中照明能耗导致冷气负荷的增加,利用楼宇自动化手段对照明设备进行有效的控制可以取得明显的节能效果"给排水监控系统:智能建筑中给排水的监控目标是保证建筑物的给水/排水系统的正常运行,基本功

10、能是对各给水泵!排水泵!污水泵及饮用水泵的运行状态及故障情况进行监测,对各种水箱及污水池的水位!给水系统压力!流量进行监测以及根据这些水位及压力状态,启/停相应的水泵暖通空调监控系统:通过对大楼环境温湿度的监测,对冷冻机组!空调机组及水泵等设备状态的监控,实现对空调系统所需冷热源的温度!流量等的自动调节"在建筑物中,空调系统能耗最大,因此在保证环境舒适前提下,应采取以下优化节能控制的措施,最大限度地降低能耗。电梯监控系统:电梯控制是大楼交通管理的重要环节"电梯一般都带有完备的控制装置,但需要将这些控制装置与楼宇自动化系统相连并实现它们之间的数据通讯,使管理中心能够随时掌握各

11、个电梯的工作状况,有多部电梯时进行群控优化,并在火灾!非法入侵等特殊场合对电梯的运行进行直接的管理控制"2 LonWorks的简介现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络. 目前比较流行的有 CAN, PROFIFUS, HART, FF, LonWorks 等 现场 总线. LonWorks 网 络是美国Echelon 公司 1993 年开发的一种现场总线控制网络, 它完全具备开放性、互操作性、安装调试方便可靠、开放周期短等特点, 它采用了 ISO/OSI 模型的全部 7 层通信协议和面向对象的设计方法, 支持各种通信介质( 双绞线、同轴电缆、

12、光纤、红外线、电力线等) 和网络拓扑( 总线、星形、环形、自由拓扑) , 数据传输率最高达 1. 25 Mbps. 另外, LON总线可直接与以太网进而与 Internet 连接, 这样LON 总线可将现场控制信息发布到管理信息网络上, 为生产管理者提供科学的分析方法和决策依据, 为实现管理控制一体化奠定了良好基础. LON技术提供了多种部件, LonTalk 协议提供了应用节点间 进行互 操作 的基础; 通过 NodeBuilder 的Neuron C 语言能使熟悉 C 语言的开发人员方便地开发出各种应用程序; 通过LonProfiler 和LonMaker等组网工具便捷地将各智能节点挂到网

13、络进行通信; 采用 LonManage DDE 和 LNS DDE Server 两种软件工具支持程序间的 DDE 方式, 通过 DDE 技术实现对网络变量的检测和控制, 可使得任何与DDE 兼容的 Windows 应用程序 ( 如 InTouch, Fix等) 能监视管理 LON 网络, 也可根据用户的实际需要, 采用面向对象编程语言, 编写用户要求的上位机监控程序.2.1 LonWorks 结构LonWorks 控 制 网 络 结 构 包 括 网 络 协 议( LonT alk) 、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件 5 个部分. 其中, 网络设备包括智能测控单元、路由器和网关等;

14、 执行机构包括传感器、变送器等; 管理软件包括 LonTalk 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 LonTalk 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.LonTalk 是面向对象的网络协议, 支持 OSI 7 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. 神经元芯片是除LonTalk 协议之外的又一LonWorks 技术核心产品. 它不仅是 Lon 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, LonWorks 技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。2.1.1 LonWork

15、s 系统硬件1 LonWorks 节点 被称为智能设备, 每个连接到网络上的LonWorks 设备都称为节点, 如应用设备节点、路由器、网络接口卡等. 它包括一个神经元芯片、LonTalk 收发器、存储器、电源和外围电路. 神经元芯片是一组复杂的 VLSI 器件, 一个神经元芯片包含应用 CPU 和 I/ O 处理单元和通信处理器. 收发器提供神经芯片与 LonWorks 网络的物理通信接口. 收发器简化 了可互操作的LonWorks 节点的开发并用于许多类型的通信介质的拓扑结构, 具有不同收发器类型的产品需要通过路由器实现节点之间的操作. 节点具有两种类型, 基于芯片的节点和基于主机的节点,

16、 其中基于芯片的节点由一个神经元芯片加上收发器构成, 这种节点负责现场设备的通信和简单数据处理任务; 在基于主机的节点中, 由于神经元芯片是8 位总线, 最高主频为 10MHz, 这对于一些复杂的控制, 或带有PID 等算法的单或多回路, 其控制就力不从心, 这时可将神经芯片作为通信处理器, 用高级主机( 如单片机或 PC 机) 的资源完成复杂的测控功能. 节点应用程序完成接收和发送网络上的信息, 并可进行传感信号和控制逻辑的数据处理等. LonWorks 应用程序用 Neuron C 编写. 一旦编写完成, Neuron C 代码就被编译成机器码形式下载到或连接到芯片上.Neuron C 是

17、以ANSI C 为基础, 具有 3 项重要扩展功能, 即通过 When 语句, 引入了/ 事件0并定义任务执行顺序; 对显示和隐式报文格式的集成信息进行处理; 通过网络变量, 简化了节点间的数据共享.2 Lonpoint 模块 该模块提供了一系列产品, 这些产品把传感器、执行器和 LonWorks 设备集成具有优良性能价格比的、可互操作的智能大厦和工业应用中的控制系统. Lonpoint 系统提供了一个开放的分布式系统结构, 在这个框架中, 每一个设备完成某种控制处理, 并能被网络中任何一处的设备访问.Lonpoint 接口、序列发生器、数据记录器和路由器模块提供了 I/ O处理、应用资源、任

18、务排序、数据记录和网络寻径. 这些接口模块无缝连接传感器、执行器和控制器, 形成一个开放分布的网络.3. 通信媒介 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。4. 网络接口卡 网络接口设备, 是外部主机( 如 PC 机) 的物理接口, 它不连接传感器和执行。器. 该设备的应用程序提供通信协议和应用程序接口API, 使得基于主机的程序( 如网络工具) 可访问 Lon 网络, 如把 PCLTA-1 网络接口卡插入 PC机的 ISA 总 线槽, 就 可用 网络 工 具 ( LNS 和LonMaker) 访问 Lon 网络.5 路由器 用来连接不同通信介质

19、的 Lon网络. 在LonWorks 技术中, 路由器包括中继器、桥接器和路由器 3 种. 路由器除连接不同媒介的Lon 网络外, 还能控制网络交通、增加信息通量和网络速度. 一个路由器通常由两个互联的神经节点构成, 每个节点的收发器与路由器所连接的信道兼容.6 网关 是一个异构的对象并连接到另一异构 的系统, 它允许专用的控 制系统连接到LonWorks 系统. 一个网关具有对异型系统设备或总线的物理接口, 其应用程序为异型系统提供专用的通信协议. 网关按需要进行两种协议之间的转换并允许两个系统传送信息, 不能把网关混同为网络中的一个设备.7 Web 服务器 为 LonWorks 网络提供

20、Web浏览器的一种特殊的网关. Web 服务器有一个连接到 LonWorks 网络的 LonWorks 收发器和一个HTTP 服务器, 而 HTTP 服务器可从 Web 浏览器观看Web 页. 为了简便配置, 可以动态创建 Web 服务器 上 的 网络 变 量, 该 变 量 被 连接 到 任 一LonWorks 网络上的网络变量, 通过 Web 服务器提供的 Web 页方便地访问网络变量, 如 i. lon 1000IP服务器提供了这种 Web 服务器, 并与 LonWorks/IP 路由器集成。 LonWorks 系统协议与管理工具一个典型的现场控制节点主要包括应用CPU , I/ O 处理

21、单元, 通信处理器, 收发器, 电源等功能块. 当单个节点建成后, 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. 网络管理工具主要有网络安装、网络维护和网络监控等功能.1 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. 通信协议定义了设备间传递的信息格

22、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.LonWorks 技术采用 LonTalk 协议. LonT alk 协议被固化在神经芯片中, 是直接面向对象的网络协议, 它支持OSI/RM 模型的 7 层协议, 支持多种传输介质和多种传输速度. 其地址设置方法提供了巨大的寻址能力, 提供了可靠的通信服务, 保证了数据的可靠传输. 网络上任一节点可对其他节点进行操作, 传输控制信息.2 LonWorks 操作系统 为全网提供公共的、支持监视、监控、安装和配置的网络服务, 也提供使用网络管理和网络维护

23、工具的编程扩展手段. LonWorks操作系统必须提供人机交互和监控应用的数据访问服务, 提供通过 LonWorks 或 IP网的远程访问. 它还必须具有制造商标准的 Plug-ins( 智能软件) 产品, 以方便设备配置. 在网络设备初期安装和以后更新时, 它还须提供安装和维护服务, 一旦安装完毕, 就不需要网络操作系统支持设备间的通信, 这是LonWorks 系统对等网结构的优势.为了在网络工具和应用之间提供互操作,LonWorks 系统提供了一个称为 LNS 的网络操作系统, LNS 提供了一个标准的支持互操作应用的平台, 它可用于设计、安装、操作和维护 LonWorks系统. LNS

24、使用客户机/ 服务器结构, 并支持基于任一平台的客户机.3 网络工具 用于网络设计、安装、配置、监测、监控、诊断和维护的软件, 位于网络操作系统上层. 主要有网络集成、网络诊断、人机交互开发等工具. 网络集成工具为设计、配置、安装和维护网络提供基本服务. LonMaker 是基于 LNS 网络操作系统的网络集成工具, 它将功能强大的客户服务器结构与可视用户界面相结合, 使开发者在人机界面的引导下完成网络设计、安装和维护工作.网络诊断工具是实现监测、分析和诊断网络流量和监视网络负荷的专用工具. LonManager 是一个带有网络接口卡的协议分析仪, 它可以观测、分析和诊断 LonWorks 网

25、络的行为. 人机交互开发工具则是创建人和界面应用的工具, 人机交互应用服务于操作人员介入操作系统的需要. LNS DDE( 动态数据交换) 服务器是一个不需编程就可使任一与微软 DDE 兼容的 Windows 应用程序监督和控制LonWorks 网络的软件包. LNS DDE 服务器的典型应用包括与人机交互应用的接口、数据跟踪和趋势分析, 以及图形处理显示. 基于 LNS 网络操作系统的网络工具是可互操作的, 即这些工具在网络上同时运行, 可以持续观测网络设备和设备的配置.LonBuilder 与 NodeBuilder 是两个网络开发的基本工具. NodeBuilder 开发工具是一个设备级

26、开发工具, 它提供对单个设备编程和调试开发环境,包括一整套基于 Windows 的设备开发软件、一个PC 接口卡、一个 LonWorks 节点测试样机和两个LonWorks 收发器, 其中开发软件又有应用编程软件工具和网络监控软件工具. LonBuilder 是系统级开发工具, 提供创建、调试多设备应用的所有工具, 包括LonBuilder 开发工具平台( 集中了多节点开发系统、网络管理器和协议分析器 3 种工具) 、LonManager DDE 服务器、单通道 PC LonT alk 接口卡. 后两者可从 LonBuilder 工具上分离, 安装在 PC机上, 这样可使主机应用程序和应用节点

27、的开发同时进行。3 LonWorks在智能建筑的应用考虑到 LonWorks 技术的开放性和全分布式的特点及以后与其他功能子系统的集成，决定采用 LonWorks 技术作为本系统的技术平台，系统结构采用集散系统与 LonWorks 现场总线综合结构。整个系统分为三个子网，主楼部分分成两个子网：空调系统组成一个子网，其它照明、给排水、变配电等系统为另一个子网；配楼所有系统组成第三个子网。每个子网之间采用路由器(i.Lon600)相互隔离。通过综合布线系统，使所有的 i.Lon/IP 路由器和安装有 LNS 软件的 PC 机都以 TCP/IP 协议连接到大楼的计算机网络。系统的网络结构充分体现了

28、LonWorks 控制网络的特点，即全分布式的、对等的、开放性的网络结构，LonWorks 控制网络的节点控制箱放置在被控对象的附近，减少了布线工作量，节省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于调试及维护。另外，如果网络中一个设备出现故障不会影响全网其他设备的正常工作，把故障点分散到最小的程度。基于 LonWorks 技术实现一个网络控制需要四个步骤：系统设计、网络配置、应用配置和安装。 系统设计系统设计由两个步骤构成：第一选择与输入输出部件相配合的 LonWorks 设备，并运行诸如 PID 控制应用程序的 LonWorks 设备；第二，确定适当的通信信道数量和信道类型，并选择连接信

29、息的路由器。 网络配置网络配置包括以下步骤：给所有的设备和设备组赋予域 ID 和逻辑地址；捆绑网络变量，创建设备间的逻辑连接；为了达到理想的特性和性能，在每个设备中配置各种各样的 LonWorks 协议参数。该参数包括信道位率、应答、确认和优先级服务。网络配置可以相当复杂，但其复杂性被网络开发工具隐蔽起来。网络功能的设计可以通过把设备功能块拖放到设计图中，并连接其输入、输出。 应用配置应用配置是一个处理过程。通过应用配置，使每个设备的应用程序可进行剪接以达到满意、理想的功能。应用配置是通过选择合适的配置特性来实现的。LNS网络操作系统为制造商提供了创建方便的图形化的配置接口平台，被称为Plug

30、-ins。Plug-ins 自动与任一其它 LNS 网络工具兼容。 安装安装包括以下步骤： 安装信道的物理通信介质； 把 LonWorks 设备连接到网络，包括路由器； 把 I/O 部件连接到 LonWorks 设备； 用网络集成工具下载网络配置数据和设备的应用配置数据。4 小结：本文介绍了智能小区的定义、组成、功能、LonWorks 网络的特点及 LonWorks 在智能建筑上的应用. 目前智能小区正向“一体化系统集成”、强化运营管理并提供增值服务、节能环保、规范化和标准化、小区规划结构上的变化、适合中国国情等方向发展; LonWorks 网络也以其突出的统一性、开放性及互操作性, 不但运用

31、在智能建筑上, 而且正在受到各行各业的重视, Echelon 公司已将LonTalk 协议移植到任何 CPU 中. 随着时间的推移, LonWorks 技术必定会以全新的概念, 在各个领域发挥更大的作用。参考文献1 凌志浩, 徐安东, 马欣. 楼宇自动化系统与 LonWorks 网络J. 自动化仪表, 1999, 20(5): 38-41.2 刘志华, 文世敏, & 赵云祥. (2013). 基于 LonWorks 技术的安全防范系统研究.赤峰学院学报 (自然科学版), (4).3 智淑亚. 浅论 LonWorks 技术在楼宇自控系统中的应用J. 金陵科技学院学报, 2013, 29(1).4 Xiong A M, Li F Y, Xie X. Intelligent Shading Control System Based on the Lonworks BusJ. Applied Mechanics and Mate