Lonworks技术的发展及工程应用

摘要:本文介绍了现场总线技术的发展沿革,分析现场总线控制系统与集散控制系统差异,以LonWorks技术为例,分析现场总线系统可靠、高效、低成本等诸多优势。介绍了现场总线的发展及其特点,然后以LonWorks为例,详尽说明了LonWorks的技术特点。

关键词: 现场总线控制系统 集散控制系统 LonWorks

   随着国家节能减排战略的实施,工业自动化、建筑能耗监测、空调及环境集中监控管理系统在国内得到了广泛的推广与应用。现场总线控制系统(FCS)成为工业控制领域中的一个热点,世界上几乎所有的仪器、仪表制造商都卷入了这一场竞争,纷纷推出自己的现场总线控制系统。在国内,现场总线技术正处于普及与应用的阶段,部分监控厂商在计算机监控系统实施过程中,将现场总线技术应用其中,如LonWorks、CANBus等。

一.现场总线技术的发展

    70年代后期,日新月异的计算机技术融入到了工业自动化领域,出现了集散控制系统(Distributed Control System,简称为DCS),把分散的、单回路的测控系统采用计算机进行统一管理,用各种I/O模板代替控制室的仪表,利用计算机的强大功能,对被控系统集中进行实时监测、控制、参数调节、告警显示及存贮历史数据等操作。DCS极大地推动了工控技术的发展。但是,在通信方式上,处于现场的控制级和检测级仍采用4~20mA模拟量通信。而在DCS中,现场采集设备所占的比例最大,数量也最多,这就使得一对一的布线方式相当繁杂、安装费用增加、维护量加大。

   进入90年代以后,随着网络与通信技术的发展,现场总线(FieldBus)技术逐渐成熟与发展起来,它是现代计算机、通信和控制技术的集成,即通常人们所称的3C(Computer,Communication,Control)技术。

   现场总线是一种工业总线,它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。国际电工委员会(IEC)和现场总线基金会(FF)对现场总线作了如下定义: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。现场总线技术的基本内容包括:以串行通信方式取代传统的4~20mA的模拟信号,一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接,支持底层的现场智能设备与高层的系统通过公用传输介质交换信息。现场总线的核心是它的通信协议,这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定。

   在现场总线技术早期的发展过程中,不同的国家和公司制定了各自的现场总线标准,如法国的WORLDFIP、德国的PROFIBUS、丹麦的P-NET,以及欧洲现场总线标准EN 50170。后来,由于美国Rosemount、Honywell、Foxboro等著名大公司的参与,使得美国在现场总线技术上独领风骚,于1994年成立了FF(Fieldbus Foundation)现场总线基金会。目前,FF有100多个成员单位,包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司,在IEC现场总线标准的制定过程中起着举足轻重的作用。

   目前,国内已有众多公司将现场总线技术应用于工厂自动化、工业过程控制、铁路运输及楼宇自动化等领域。

二.现场总线控制系统的特点

    现场总线控制系统(FCS)与传统的集散控制系统(DCS)相比,有以下特点:

1)传统的DCS系统现场仪表到控制站之间采用4~20mA模拟信号传输,FCS则采用数字化的信号传输。现场总线控制系统在通信质量和连线方式上都有其优越之处,在现场底层传感器、执行器、控制器及上层工作站之间的传输全部为数字信号。在网络传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施,实现了高速、双向、多站点之间的可靠通信。

2)传统的DCS采用“操作站—控制站—现场仪表”三层主从结构方式,而现场总线则把输入/输出单元,控制站的功能分散到现场智能仪表中。每个智能仪表都有自己的CPU单元,进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。每个智能仪表成为总线中的一个节点,节点间通过现场总线连接,任何一个节点的故障都不会影响到其它节点。

3) 不同厂家的DCS产品往往无法兼容,FCS则特别强调“互联”和“互操作性”。即

不同厂家的现场总线产品可以互联组成统一的系统,统一组态,从而方便了用户。

4) FCS技术从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的,面向所有的产品制造商和

用户,通信网络可以和其他系统网络相连,用户可共享网络资源。

5)FCS采用数字通信方式,因此可以采用多种传输介质进行传输。根据控制系统中节点的空间分布情况,也可以采用灵活的拓扑结构。这些为自动化系统的施工带来了极大的方便,省时间,省材料。

由此可见,现场总线控制系统与传统的集散控制系统相比,具有鲜明的技术特点与无可比拟的优势。因此,世界各国和许多大的工业控制公司纷纷推出自己的现场总线产品。表1所示为几种现场的性能比较。

表1. 几种现场总线的性能比较

总线名称

特性

CAN

LonWorks

WorldFIP

应用目标

汽车

所有

过程控制

OSI层

1,2

1,2,3,4,5,6,7

1,2,7

系统控制(基于命令或状态)

命令

两者

两者

系统类型

总线

网络

总线

媒介访问

CSMA/CR

CSMA/CA

主从,令牌方式

差错控制

CRC

CRC

CRC

支持的媒介

光纤,双绞线

光纤,双绞线,动力线,同轴电缆,红外

光纤,双绞线

寻址方式(单一,多目,广播)

广播

所有

广播

最大速率(Mb/s)

1

1.25

2.5

网络管理

网络互连(中继器,网桥,路由器)

所有

网桥

    在众多的现场总线中,Echelon公司的LonWorks是发展较快、最具有竞争力的现场总线系统之一,在我国也有部分厂商采用了LonWorks技术。事实上,国内有些监控厂商本身也是LonWorks的OEM厂商。本文将以LonWorks为例,说明现场总线在计算机监控系统的应用。

三.LonWorks技术概述及在计算机监控系统的应用

 图1 LonWorks智能模块接线图

    LonWorks技术是美国Echelon公司90年12月推出的一种现场总线技术,Lon(Local Operating Network)的意思为局部操作网络,具有现场总线技术的一切特点。目前,世界上许多著名的自动化厂商如Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技术。迄今为止,使用LonWorks技术的生产厂商已有3000多家,并安装了500多万个节点。在中国,Echelon北京代表处于1995年成立,目前有六十多家中国厂商加入了LonWorks控制网络的OEM行列,LonWorks控制网络技术已大量应用于各主要工业领域,如工业厂房自动化、楼宇及家庭自动化、农业、医疗和运输业等。

    LonWorks网络系统由智能节点组成,每个智能节点可具有多种功能的I/O功能。如图1所示为一可编程的智能模块,具有4路模拟差分输入或8路单端输入,并可通过跳线设置为电压输入或电流输入。用户可以对模块进行再编程,实现用户自定义的算法和功能。如上图所示的智能模块在实际使用中构成LonWorks网络的一个智能节点。各个节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输,并遵循ISO/OSI的7层模型,LonWorks技术包括监控网络的设计、安装、开发和调试的一整套方法,要使用多种专用的硬件设备和软件程序,主要包括以下几个方面:

1) LonWorks技术的基本元件为神经元专用芯片(Neuron Chip),是LonWorks技术

的核心器件,由Echelon公司研制的集通信、控制、调度和I/O支持为一体的高级VLSI器件,只授权MOTOROLA和TOSHIBA公司生产。在片内存贮单元固化了7层通信协议中的6层内容,只有第7层需用户编写。

2) LonWorks技术的核心为LonTalk通信协议,协议遵循由国际标准化组织(ISO)

    定义的开放系统互连(OSI)模型,提供了7层协议所有内容的服务。在通信方式上采用一种改进的CSMA(载波监听多路访问),称为带预测的P-Persistent CSMA算法。

3) LonTalk协议支持多种传输介质,如双绞线、电力线、超声波、红外线、光纤等。

每一种介质称为一种信道,每一种信道有专用的收发器作为智能节点与通信介质的接口器件。不同的传输信道可通过路由器实现互联。在不同的介质中有不同的传输速率,最高达到1.25Mbps,传输距离最远为2.7Km,每个信道最多可接3.2万个节点。

4)在网络结构上, LonTalk协议支持分散的Peer to Peer的通信,节点可以组成总线型、环型、树型等多种网络拓扑结构,并可组成自由拓扑结构。

5) 网络通信采用面向对象的设计方法,可使用一种称为Neuron C的语言进行编程,

通过网络变量进行节点之间的逻辑安装。

在通信局(站)电源监控系统中,现场监控模块构成LonWorks网络的各个节点,为各个监控系统集成商或工控厂商所生产,主要用于采集环境量和非智能设备的监测量。

 

图2 计算机监控系统LonWorks网络结构图 

   如果现场设备具有LonWorks通信接口,则可以方便的与任何遵循LonTalk协议的产品实现互连。如图2的接入方式1所示,SM1、SM2和SM3都具有LonWorks通信接口,其中,SM3为智能电源设备,SM1和SM2为监控厂商安装的采集模块,用于采集非智能设备的监控量及环境量。此时,所有的现场监控模块可组成 LonWorks网络,通过网络接口卡接入前置机。

   目前,国内厂商的设备大都只提供RS232或RS485/422接口,不能直接纳入LonWorks网络。如图2的接入方式2所示,如果智能设备具有RS232接口,可以直接将智能设备接入前置机。而对于具有LonWorks通信接口的采集模块,既可以直接通过网络接口卡接入前置机,也可以如方式2所示,通过接口转换器转换为RS232接口,接入现场前置机。

 

图3 基于LON总线技术的计算机监控系统 

   对于其它非智能设备与环境量,使用了具有LonWorks通信接口的采集模块,组成LonWorks网络,实现对现场模拟量、开关量的采集及控制量的输出。对于RS232/485设备,则通过LonTalk协议转换器就近接入LonWorks网络,在监控中心转换为RS232接口后接入监控主机。

四.LonWorks技术应用前瞻

   现场总线技术已在世界范围内得到了广泛的应用,同时,我们也应该看到,在现场总线技术的发展过程中,各个国家与公司为开发应用和迅速占领市场的需要,均制定了各自的国家标准或协会标准。由于巨大的商业利益影响,IEC现场总线标准的制定工作进展缓慢。但是,现场总线标准的统一是大势所趋,只有标准的尽快统一,才能使现场总线技术得到更快速的发展与提高。

    作为一种低成本的网络技术,现场总线技术为计算机监控系统的发展展现了一个全新的面貌。LON总线综合了当今现场总线的多种功能,同时具备了局域网的一些特点,使得它被广泛地应用于航空/航天,农业控制、计算机/外围设备、诊断/监控、电子测量设备、测试设备、医疗卫生、军事/防卫、办公室设备系统、机器人、安全警卫、保密、运动/游艺、电话通信、运输设备等领域。其通用性表明,它不是针对某一个特殊领域的总线,而是具有可将不同领域的控制系统综合成一个以LONWORKS为基础的更复杂系统的网络技术。

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