LonWorks现场总线技术与应用

LonWorks现场总线技术与应用第一页，共44页。主要内容现场总线技术的产生和发展LonWorks技术简介LonWorks控制网络的设计开发LonWorks技术的应用实例第二页，共44页。1.现场总线技术的产生和发展1.1控制系统的发展•基地式气动仪表控制系统•电动单元组合式模拟仪表控制系统•集中式数字控制系统•集散式控制系统（DCS）•现场总线控制系统（FCS）第三页，共44页。1.现场总线技术的产生和发展1.2现场总线的定义•美国仪表学会（ISA）现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备之间以及与更高层次自动控制领域的自动化设备之间的联系。•国际电工委员会（IEC）现场总线(FieldBus)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。第四页，共44页。1.现场总线技术的产生和发展1.3现场总线的本质含义•现场通信网络•现场设备互连•互操作性•分散功能块•通信线供电•开放式互连网络第五页，共44页。1.现场总线技术的产生和发展1.4几种比较流行的现场总线•CAN德国Bosch公司设计•ProfiBus德国标准•HART美国Rosemount公司研制•基金会现场总线FF

国际上唯一的非商业化的国际标准•LonWorks

美国Echelon公司研制第六页，共44页。2.LonWorks技术简介2.1LonWorks技术LON(LocalOperationNetworks)总线是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络，目前采用LonWorks技术的产品广泛地应用于工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域。LonWorks产品包括：•Neuron芯片•网络接口及收发器•路由器•网络服务工具•开发工具第七页，共44页。2.LonWorks技术简介2.2LonWorks智能节点智能节点是具有自治功能的自治节点，其自治功能主要体现在三个方面：①智能节点在安装和组态完成之后，可以脱离上层的管理工具，自行完成数据采集、数据处理和节点间的信息通信。②任一智能节点中所采集到的数据可以为整个网络中所有节点共享。③节点内部可以装载一些控制算法应用程序，因为节点离控制设备近，使现场的信息及时地得到处理，不必要等到上层的监控计算机完成控制功能。

第八页，共44页。2.LonWorks技术简介2.2LonWorks智能节点图2.2基于Neuron芯片的智能节点结构第九页，共44页。2.LonWorks技术简介2.2LonWorks智能节点•Neuron芯片

：包括一套完整的LONTALK通信协议，可以传输传感器检测值或控制设备的状态、执行控制算法、和其他Neuron芯片进行数据交换等。•收发器

：网络总线中传递过来的数据转换成芯片所能接收的数据格式，可连接双绞线、同轴电缆、光纤及电力线等多种媒介。•I/O执行机构：输入执行机构完成对实际控制参数的采集和变换，输出控制机构将芯片处理后的数据变换成为实际控制量来驱动控制设备。第十页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3Neuron芯片的硬件结构Neuron芯片有三个CPU，分别有各自分工。•介质访问控制处理器

：实现LONTALK协议的第1和第2层，这包括驱动通信子系统硬件和介质访问控制(MAC)算法。•网络处理器：实现LONTALK协议的第3到第6层，包括处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。

•应用处理器：执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令。第十一页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3Neuron芯片的硬件结构图2.3处理器结构及存储器分配

第十二页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3NeuronC语言NeuronC是一种专门为Neuron芯片设计的程序设计语言，在标准C的基础上进行了自然扩展，直接支持Neuron芯片的固化软件，为分布式LonWorks环境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数，是开发LonWorks应用的有力工具。第十三页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3NeuronC语言NeuronC语言所提供的特有功能：•一个新的对象类网络变量，简化了节点间的数据通信和数据共享。•一个新的语句类型When语句，引入事件并定义这些事件的当前时间顺序。•I/O操作的显式控制，通过对I/O对象的声明，使Neuron芯片的多功能I/O得以标准化。•支持显式报文，用于直接访问基础的LonTalk协议服务。第十四页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3NeuronC语言网络变量（NetworkVariables）

网络变量是节点中的一个对象，可以与一个或多个其他节点的网络变量连接。如果一个节点改变了它的输出网络变量的值，则所有与它相连的其它节点的输入网络变量值随之改变。网络变量用来支持节点间的互操作性，可以大大简化开发和安装分布式系统的过程。第十五页，共44页。2.LonWorks技术简介2.3NeuronC语言显式报文(ExplicitMessage)节点之间进行通信除了通过网络变量以外，还可以通过更加灵活的显式报文来交换数据。网络变量（实际上是一种隐式报文）的数据长度是固定的，而显式报文的数据长度是可变的，可以根据实际应用情况灵活地使用。第十六页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.1LonWorks系统开发过程现场总线控制网络的最大特点就是将过去传统的、集中在中央控制系统上的控制功能分散下放到现场设备中，从而实现现场控制。为了组建一个基于实时分布式LonWorks技术的控制网络，必须尽力将一个庞大复杂的控制任务分成较小简单的子任务，并将控制处理过程和信息的输入/输出完全分布到相应的现场控制器中，以避免集中控制。第十七页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.1LonWorks系统开发过程•定义控制系统的完整控策略；•将控制系统划分成能分布在现场的功能模块或子任务；•定制与各子任务相一致的智能节点；•定义各节点间的相互作用及所需共享的数据；•为每个节点所承担的子任务编写NeuronC应用程序；•通过烧录或下载的方式，将应用程序置入各节点的EPROM或FLASHRAM中；•分别对单个节点和整个系统进行调试和测试；•在现场安装节点并测试其行为；•维护系统的硬件和软件。第十八页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.1LonWorks系统开发过程图3.1基于LonWorks网络的控制系统分解第十九页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（1）节点定义和功能分配

根据节点的任务及对控制网络的作用和影响进行节点的定义和功能分配。充分考虑节点的控制策略、节点间如何逻辑连接、节点物理安装在何处、路由器如何选择路径、如何提高可靠性、多种通信介质如何连接等所有可能遇到的问题。第二十页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（2）为节点定义外部接口节点要和其它节点进行通信，就要为节点定义外部接口。配置属性、网络变量、显式报文等这些外部接口是一个节点对其它节点的“可见”部分。第二十一页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（3）为节点编写应用程序•定义I/O对象•定义定时器对象•定义网络变量和显式报文•定义任务•完成用户自定义的其他函数第二十二页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（4）节点程序下载及安装配置图3.2节点程序的下载及安装配置过程第二十三页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（5）节点应用功能的调试和测试应用NodeBuilder开发工具，为每个应用节点的任务执行进行调试，网络变量浏览器或NeuronC调试器可以帮助测试和确认节点是否在正常工作。例如：通过网络变量浏览器能设置输入网络变量的值和观察输出网络变量的值。第二十四页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.2智能节点开发过程（6）将单个节点集成到网络中并测试•把节点安装到现场的合适位置，通过网络通信介质或网络连接设备将其进行物理连接。•完成节点的逻辑安装，建立与其它节点的逻辑连接。•监视和测试节点之间的通信。第二十五页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.3监控网络的组成•PC监控机实现网络管理方面的各种功能，监视和管理所连子网及所有现场智能节点。

•网络适配器控制网络与PC机以及具有数据通信功能的仪器、仪表之间相互连接的接口。•现场智能节点是一些带有Neuron芯片的、能进行现场数据（开关量、模拟量）采集和处理的、且具有可靠网络通信功能的现场智能装置。•通信介质用来连接各个节点的通信媒介。第二十六页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.3监控网络的组成图3.3监控网络系统的基本结构第二十七页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.4上位监控软件的设计为了方便用户实时监控现场数据，需要在PC机上设计监控软件。可以用监控组态软件（例如组态王、InTouch等）或者可视化编程语言（VB、Delphi等）来设计上位监控程序。第二十八页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.4上位监控软件的设计图3.4上位监控程序与LonWorks网络信息交换第二十九页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（1）网络控制系统发展的趋势•开放的分布式网络控制系统与Internet的相互结合是网络控制系统发展的趋势。•各种日常设备（如电灯、空调、安保系统），也将成为Internet的客户。•要求通过Internet可以将地域分布的控制网络连接在一起，甚至将不同类型的控制网络互联，组成一个统一的网络系统。•以浏览器简单友好的操作方式实现对现场数据的远程监视和控制。第三十页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（2）LonWorks技术采用Web管理的主要优点

①简单易用：Web管理使用浏览器，浏览器具有操作简单、界面友好直观的特点。②节省费用：Web网络管理的控制台可以是装有Web浏览器的任何机器，而不必是专用的工作站，可大大降低网管设备的初装费。

③独立于平台：Web浏览器可运行于各种平台上，网络管理员只要有Web浏览器，就不必理会工作平台是一台PC机还是一台Unix工作站，因此极大地增强了网络管理的灵活性。

第三十一页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（2）LonWorks技术采用Web管理的主要优点④便于开发新的管理应用：随着网络应用的不断增加，对网络管理的可扩展性有了更高的要求。Web网络管理可以使用HTML、JAVA和CGI脚本语言进行编程并集成管理应用，因此很大程度上方便了网络管理员开发新的管理应用。

⑤有利于集成新的技术：Web应用刺激了大量新技术的开发投资。IP多址广播、多媒体技术、IP语音、虚拟现实技术等都可以集成到网络管理产品中来。新技术的发展和应用必将促进网络管理的综合化和智能化。第三十二页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（3）LonWorks远程监控方案(互连网接入设备i.Lon1000)第三十三页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（3）LonWorks远程监控方案(CGI实现方式)第三十四页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（3）LonWorks远程监控方案(Java实现方式)第三十五页，共44页。3.LonWorks控制网络的设计开发3.5控制网络与信息网的集成（3）LonWorks远程监控方案