LonWorks分布式控制网络技术在环境温度控制中的应用

LonWorks（Local Operating Networks，局部操作网络）是由美国Echelon公司于20世纪80年代后期开发出来的。LonWorks是一种完整的、开放的、可互操作、成熟的和低成本的分布式控制网络技术，越来越多的设备制造商和用户在其控制网络方案中采用该技术。到目前为止，全世界已有2 500多家公司利用LonWorks技术生产各种各样的LonWorks产品，以满足现代化楼宇、工厂、交通运输系统、城市基础设施（水、电、气等）、家庭等环境自动化系统的分布式控制网络要求。如今，许多知名大公司已向全世界提供各类LonWorks技术的产品。LonWorks技术于1996年进入中国，取得了迅速发展。

1 LonWorks技术

20世纪80年代后期，美国Echelon公司开发了LonWorks控制网络技术，它是一个开放的控制网络平台，是目前控制领域中应用最广的通用控制总线技术之一。该技术提供一个平坦的、对等式的控制网络架构，给各种控制网络应用提供端到端的解决方案。

1.1 LonWorks技术的特点

LonWorkS技术的核心是神经元芯片，它包括1个固化的高级通信协议（LonTalk）、3个微处理器、1个多任务操作系统和灵活的输入／输出方式。LonTalk协议提供了OSI参考模型所定义的全部7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。其主要特点有：

开放性和互操作性 LonWorks技术符合ISO的OSI标准，具有很好的开放性、互联性和互操作性，符合LonMark标准的不同公司的产品可以相互兼容，系统进行扩容十分方便。

分布式无主站控制 LonWorks网络采用无主站点对点的对等结构，各节点地位均等，每个节点都能完成控制和通信功能。部分节点的故障不会造成系统瘫痪，提高了系统的稳定性，降低了维护难度。

系统结构灵活 LonWorks网络拓扑结构灵活多变，可根据具体应用工程的结构特点定义系统结构。

成本低，维护容易 由于分布式结构，节省布线、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，因此可以节省硬件数量与投资，节省安装与维护费用。

1.2 LonWorks网络原理

LonWorks网络中设备通信是采用一种称为Lon Talk的网络标准语言实现的。LonTalk协议由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心，该协议提供一套通信服务，使设备中的应用程序能在网上对其他设备发送和接收报文而无须知道网络拓扑、名称、地址或其他设备的功能。LonTalk协议能够有选择地提供端到端的报文确认、报文证实、优先级发送以便设定事物处理时间。对网络管理服务的支持使得远程网络管理工具能够通过网络和其他设备相互作用，包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程序、报告网络问题和启动／停止／复位点。LonTalk是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议，像类似的以太网和因特网协议一样。但是，LonTalk协议是设计用于控制系统而不是数据处理系统的特定的要求。每个数据包由可变数目的字节构成，长度不定，并且包含应用层的信息以及寻址和其他信息。信道上的每个设备监视在信道上传输的每个数据包以确定自己是否收信人。若是，则处理以判明是否包含本节点应用程序所需的信息或者它是否是网络管理数据包。LonTalk协议是直接面向对象的网络协议，即通过网络变量实现网络节点间的链接。当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值发送出去，使所有该变量定义为输入的节点收到它的改变，以便激活相应的处理进程（事件触发型）。标准网络变量能使不同制造商的产品通过建立标准的数据传送模式、正确地翻译、传送数据，便于设备的互换和互操作。另外，由于网络变量的长度有限，所以提供了4种类型的报文服务：应答方式、请求／响应方式、非应答重发方式、非应答方式。

为了简化网络配置和管理，可以把逻辑地址分配给节点，逻辑地址让用户把一个名字和物理设备与节点配合。使用LonTalk的控制网中的逻辑地址在网络配置时定义。所有逻辑地址有2个部分，第一部分是指定域的ID，这个指定域就是节点的集合，常常是整个系统，他们之间可以互操作。逻辑地址的第二部分以独特的15位节点地址规定域中的一个单一节点，或者以它独特的8位组地址规定一个预先定义的节点组。每个在网上传输的包，包含传输节点（源地址）的逻辑节点地址和接收节点地址（目的地址），他们可能是物理神经元地址，逻辑节点地址，组地址或广播地址。

LonTalk协议体现了网络变量（NV）的全新概念，NV简化了设备制造商应用程序的设计工作，并方便了以信息为基础而不是以指令为基础的控制程序的设计。所谓网络变量就是任何数据项（例如温度、开关量、位置设定值），是一个特定设备的应用程序从网上其他设备得到的（输入NV）或提供给其他设备（输出NV）。

设备中的应用程序不需要知道输入NV来自何处或输出NV走向何处。应用程序输出NV的值变化时，它就把这个新值写入一个特定的存储单元。在LonWorks网络设计和安装过程中会发生一个叫“捆绑”的过程，通过这个过程配置LonTalk固件，以确定网上要求NV的设备或其他设备的逻辑地址，汇集和发送适当的包到这个设备。与此类似，当LonTalk固件收到其他应用程序所需的输入NV的更新数值时，就把它放在一个特定的存储单元，应用程序知道在这个单元总能找到最新的数据。这样，“捆绑”过程就在一个设备中的输出NV和另一设备或设备组的输入NV之间建立了逻辑连接，连接可以想象为“虚拟线路”。假设一个节点有一个物理开关和对应的称为“开关ON／OFF”的输出NV，而另一节点驱动称为“灯ON／OFF”输入NV的一个灯泡，连接这两个NV建立一个逻辑连接，其功能效应就如同从开关到灯泡连接一条物理线路，如图1所示。

1.3 LonWorks控制网络的优点

LonWorks是一种对等式的通信网络。虽然组建控制网络的方法有很多，但是对于自动化控制而言，平坦的、对等式（P2P）体系结构是最好的。P2P体系结构和其他任何一种分级的体系结构相比，不再具有分级体系结构与生俱来的单点故障。在传统的体系结构中，来自某一个设备的信息要传递给目标设备，必须先传送到中央设备或者网关。因此，每两个非中央设备之间的通信包括了一个额外的步骤，或者说增加了故障的可能性。P2P体系结构的设计相比之下，它允许两个设备之间直接通信，这避免了中央控制器的故障可能性，并且排除了瓶颈效应。此外，在P2P设计中，设备的故障更多的可能是只影响到一个设备，而不象非平坦的、非对等式体系结构中潜在的影响到许多设备。由图2可以看出传统的主从通信网络与对等的通信网络的优劣。

2 LonWorks技术在测长室温度控制中的应用实例

某公司测长室由于其特殊工作环境的需要对环境温度的控制要求较高，要求达到20℃±0.3℃的控制精度。而且该测长室房间长度较长，要做到较均匀的高精度温度控制，必须在设计的时候做充分的考虑。

为了能确保温湿度的高精度控制，做了两方面的工作，一方面是控制系统及设备的选择上，另一方面是在控制方法的选择上。在控制系统的选择方面，选用了加拿大Distech公司的Easy Control系统。Distech公司成立于1997年，其总部位于加拿大，该公司的控制系统产品全线支持LonWorks标准。基于LonWorks系统的优点，在控制系统的选用上使用了该公司的产品。

在控制器的选用上选用了EC-12B型控制器。该控制器为自由可编程控制器，微处理器采用神经元芯片3150，8位处理器，CPU速度为10 MHz。使用LonTalk通信协议，通讯接口为TP／FT-10，78 kb／s通信速率。

整个控制系统的配置如图3所示。

在管理和操作计算机上安装了PCLTA-20型LonWorks网络接口卡，并安装了Distech的软件LonWatcher和LonDisplay。在系统编程和组态时使用了Distech的LonWorks网络管理工具LonWatcher进行网络和网络变量的组态，并且对控制器进行编程。

系统的操作画面完成绘制后使用Distech的HMI软件LonDisplay进行显示。测长室的温度控制为AHU单元，其控制画面和流程如图4所示。

系统建立时首先使用LonWatcher组态工具进行网络编量的“绑定”，然后在编程环境下用类似与Basic语言的编程语言进行编程，控制程序如下：

3 结 语

由于LonWorks技术的使用使得本控制系统的组态和编程变得更为简单，LonWorks网络的优点使得系统的通信变得更为稳定。配合高精度传感器的使用，在测长室的温度控制上取得了满意的效果，满足了温度控制的要求。随着各大控制系统供应商不断推出基于LonWorks的产品，相信LonWorks技术在将来会得到更长足的应用。