工业控制网络技术大作业

1、控 制 网 络 大 作 业控制网络与通信大作业题 目： 基于LonWorks的现场总线简介作 者： 朱寿明 学 号： ZB0213235 班 级： ZB02132 指导老师： 王小英 日 期： 2013. 6. 10 目 录摘 要3引 言41.LonWorks现场总线的形成和发展51.1 LonWorks现场总线的形成51.2 LonWorks现场总线的发展52. LonWorks工作原理和网络协议特性72.1 LonWorks工作原理72.2 LonWorks网络协议特性82.3 Lonworks 总线的特点及优缺点102.3.1 Lonworks总线的优点102.3.2 Lonworks总

2、线的缺点113 .LonWorks”现场总线的组织架构133.1 Lonworks的体系结构133.1.1 Lonworks 在物理层上的结构133.1.2 Lonworks在链路层上的结构143.2 LonTalk MAC的特点144 LonWorks现场总线的主要产品164.1 LonWorks现场总线的主要硬件产品介绍165 LonWorks技术的应用175.1 LonWorks在铝厂中的应用175.2 LonWorks技术在楼宇自动化抄表系统中的应用175.3 LonWorks技术在变电站综合自动化中的应用185.4基于 LonWorks 总线的隧道灯光控制系统185.4.1系统概述1

3、85.4.2各节点硬件、软件设计19我的见解24参考文献25摘 要当今Internet 作为一个全球性的巨大的计算机网络体系，解决了人类交互通信的诸多难题，如何将全球的工业现场生产设备也能联接为开放的、点对点的、可互操作的计算机网络系统，从世界的任何角落都能对现场设备进行远程遥控，LonWorks 现场总线技术为设计、创建、安装和维护这种设备控制网络方面的许多问题提供了简捷方便的解决方案. 本次大作业介绍这种现场总线技术的形成和发展、特点和优缺点、核心技术和网络自由拓扑结构以及它的开发应用、展望与新的发展趋势.关健词：现场总线 LonWorks 应用 网络结构引 言随着科技的进步、生产力的发展

4、和信息时代的来临，社会对工业生产的需求变得日益迫切。生产总线以其可靠、灵活、低成本、可适应性强等特点成为了工业控制领域占有主导地位的系统，已经被广泛应用于化工、电力、石油、造纸等行业。现场总线的发展经历了三个阶段，它是控制技术发展的一个里程碑。现场总线自诞生以来一直受到国内外业界人士和企业的关注和重视，它为自动控制领域的变革带来了又一次飞跃。现场总线所遵循的国际统一协议标准使得它在集散控制系统的基础之上发挥了强大的功能。本文将简要介绍现场总线技术LonWorks在工业控制中的应用现状及最新进展。1.LonWorks现场总线的形成和发展1.1 LonWorks现场总线的形成在过去的十几年中，互联

5、网世界中爆发了一场悄然无声的革命，其标志是出现了今天能将任何智能设备互连起来进行互相通信的设备网络. 美国Echelon 公司凭借 LonWorks 技术走在了这场革命的最前列.1990年12月20日，美国 Echelon 公司发表了LonWorks 测控技术，它提供了一个开放的、可互操作的、无专利权的低(下)层设备控制网络局部操作网络(简称 LON). 设备控制网络历经了 3 个重要的发展时代:集中式时代(CCS)、集散式时代(DCS)、现场总线时代(FCS)、LonWorks 是实现跨越式发展的新一代 FCS 控制网技术. 在诸多现场总线中，LonWorks 是唯一遵守 ISO/OSI 全

6、部 7 层模型的网络协议，涵盖传感器总线(Sensor Bus)、设备总线(Device Bus)和现场总线(Field Bus)3 种应用层次的总线技术;是目前各种现场总线中技术最完整、应用领域最广泛的一种高新技术. 为推进 LonWorks技术的广泛应用，目前已有一套完整的控制网络设计与开发平台，包括网络的设计、开发、安装和调试、监控等一整套工具，以及从神经元芯片、智能收发器、网络接口、路由器、中继器、IP 网络连接设备、网络操作系统等一整套完整的适用于各种应用场合的解决方案，有效解决了现场生产设备联网通信中的诸多难题。LonWorks 是全世界最为普遍的用来联接日常现场设备的标准，在遍及

7、全球的楼宇、家庭、工厂、火车和飞机等各领域广泛应用，并在家庭、火车、半导体制造业、智能楼宇、加油站和货运列车制动系统等很多领域，被世界标准组织包括 ANSI、AAR、SEMI、ASHRAE、IFSF、IEEE 认证为各自的行业标准，已成为美国、欧盟、中国等全球许多国家多行业的国家技术标准;近期又成为了 ISO/IEC 14908 国际最高级别标准.LonWorks 技术从诞生到现在，经历了三代产品的发展，90 多种产品问世，代表性的有：1)第三代的开发工具，主要部分重新基于 Win-dows 2000 和 Windows XP 编写，编辑资源和代码生成工具都得到更新，编写插件程序的工具已更新，

8、在编程语言上有了很大的改进，固件已可以支持 3. 3VNeuron 芯片等;2)iLon 连接无联网的产品系列;3)应有于各种传媒介质的智能收发器系列;4)企业级平台软件 Panoramix系列;5)网络能源服务系统(NES)等;1.2 LonWorks现场总线的发展第三代产品在性能和使用上都有了巨大的改善. 比如 NodeBuilder 3 开发工具由于加入了各种向导，自动生成模板和代码，同时内置对 LonMark 的支持，节省大量开发时间和难度;FT3120 和 FT3150 智能收发器、第三代 PLT 22 电力线收发器具有先进的技术和高可靠性，使得组网更加方便容易;采用Shortsta

9、ck 微服务器，就可以将现有的设备，如家用电器非常简单可靠地连接上 LonWorks 网络;然后再利用第三代的 LNS 和 iLON LonWorks 互联网联接设备系列，联接到互联网上. 第三代的 LonWorks技术充分利用了互联网的基础机构将 LonWorks 控制网推向了一个更新的应用层次，并与信息技术相结合，给予最终用户提供端到端的应用方案LonWorks 技术自 1993 年进入中国，也取得了迅速发展. 2006 年被中国标准化管理委员会(SAC)正式采纳为:GB/Z 20177-2006中国控制联网标准和 GB/T 20299. 4-2006中国建筑及居住区数字化技术标准. 这两

10、项国家标准的制订是将 Lon-Works 技术推向全球控制网络的一个重要里程碑.这一行动将是一个催化剂，大大促进了在世界上发展最快的中国经济体及其庞大的控制设备市场上广泛采用基于 LonWorks 的解决方案和产品. 目前已经有3000 多家中国生产商和集成商采用了LonWorks技术，例如在青藏铁路，这条世界上最长的高海拔铁路列车上，中国北车集团四方车辆研究所利用 Lon-Works 技术平台用于技术监测和控制各种系统，包括监测最先进的旅客供氧系统. 之前，四方车辆研究所已在 4500 辆新提速的客运列车上使用了 LonWorks平台，使 LonWorks 成为中国列车上应用最广泛的控制网络

11、.Lon Work 技术发展经历了几个以下重要阶段:1)1990 年，发明 LonWorks 技术、LonTalk 协议;2)1993 年，成立 LonMark 互操作协会;3)1997 年，形成 LNS 网络操作系统体系结构;4)1999 年，其协议成为 ANSI/EIA-709. 1 标准;5)2001/2002 年，LonWorks/IP 路由技术 PLT-22 电 力 线 以 及 双 绞 线 成 为 ANSI/EIA-790. 2/3标准;6)2002 年，第 3 代工具 NodeBuilder3 问世;7)2006 年 LonWorks 技术成为中国国家标准化指 导 性 技 术 文

12、件: LGB/Z 20177-2006 和 GB/T20299. 4-2006.8)2009 年 LonWorks 技术发展成为了 ISO/IEC14908 国际最高级别标准2. LonWorks工作原理和网络协议特性2.1 LonWorks工作原理LON 网络系统是由智能节点组成，每个智能节点可具有多种型式的 I/O 功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守 ISO/OSI 的 7 层模型. 其核心技术是神经元通信控制微处理器芯片和LonTalk 通信协议。1) 神经元通信控制微处理器芯片 ( NeuronChip):它是 LonWorks 技术的核心器件，是一种集通信、控制、调度

13、和 I/O 支持为一体的高级 VLSI 器件.它内含 3个8位的流水线CPU.在片内存储单元中已固化了7层通信协议中的前 6 层内容，只有第7层需用户编写. 它有11个可编程的I/O引脚，可组成 34 种工作模式(I/O 对象)，并有5个通信引脚可组成3种通信模式，最高时钟频率为 40MHz，有2个16位定时器/计数器，一个48位编码的内部标识符NeuronID，一个用于远程标识和诊断的Service引脚。2)LonTalk 通信协议:LonTalk是 LonWorks 技术的通信协议的标准，与其他现场总线技术不同的是，它提供了对应于 ISO/OSI 开放系统互连 7 层参考模型所有各层的服务

14、. LonTalk 协议采用一种基于载波侦听多路访问/介质访问控制(CSMA/MAC)并且针对控制应用进行了优化的新型通信模式，称为带预测的 P-Persistent CSMA 算法. Lon-Talk 协议支持多种传输介质，如双绞线、电力线、超声波、光纤、无线射频，红外线和信源线(linkpower)以及 IP 等.每一种介质称为一种信道，每一种信道都有专用的收发器(transceiver) 作为智能节点和通信介质之间的接口器件.不同信道之间使用路由器(router)进行连接. 各种传输介质具有不同的传输速率，最高为1. 25Mbps(IP 信道可支持 10-100Mbps). 传输报文每帧

15、的最高有效字节为228个，普通双绞线信道最远的传输距离为 2. 7 公里 LonTalk 协议支持各种规模的网络，每个域最多可连接3. 2 万个节点，可有3. 2 万个域.LonTalk协议支持全分布式的对等层点到点(Peer to Peer)的通信，节点可以组成总线型、环型、树型等多种拓扑网络结构，特别值得一提的是还可以组成自由拓扑结构，它是各种常规拓扑结构的组合. 其拓扑结构图如图 21 所示. 图2-1 LON 网络系统拓扑结构图2.2 LonWorks网络协议特性LonWorks通信协议，也称为LonTalk协议和ANSI/EIA 709.1控制联网标准，是 LonWorks系统的核心

16、。该协议提供一系列通信服务，使得设备中的应用程序能在网上对其他设备收发报文而无需知道网络拓扑结构、名称、地址或其他设备的功能5。首先分析LonTalk 协议的仲裁机制。LonTalk MAC层的仲裁周期见图 16。图中，Beta1在一帧传输之后，其作用是使帧与帧之间有一个间隔，为了分析方便，本文用TI表示 Beta1 的宽度。在 Beta1 期间不允许任何节点发送报文。在Beta1后是n个大小相等的优先级时间片（或称为优先时隙）Tslot，LonTalk 协议允许有128个Tslot,优先时隙之后是随机时隙 Beta2，随机时隙的个数可达1008个，优先时隙和随机时隙的大小相等。图2-2优先级

17、时间在一个仲裁周期内只允许发送一帧，优先级报文在优先时隙内发送，优先时隙对应的节点比随机时隙对应的节点级别高。对任何节点来说，要想发送帧，必需等待与之对应的时隙到来，如果在对应时隙到来之前，前面其他时隙对应的节点发送了帧，那么即使它有帧要发送，也要等到下一个周期到来才有可能发送。所以存在这样的情况：有些节点因为选择的优先级比较低，并且总有一个以上节点选择的优先时隙在它的前面，这些节点就在一定的时间内或永远没有机会发送帧。这在硬实时系统中是不允许的。而对于非优先级报文，LonWorks总线采用带预测的P-坚持CSMA机制来解决媒体访问冲突6。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成之后，再以P概

18、率等待0-W个随机时间片后发送。W=BL16，BL为网络积压的估计值。为了说明 LonTalk 协议在实时性方面存在的问题，现对其实时特性进行分析。首先定义几个时间量：1)报文传送延时 Ttran：从报文进入源节点的排队队列时起，至目的节点成功接收该报文时止。2)报文排队延时 Tque：报文在源节点排队队列中等待其前面的报文发送完成的时间。3)报文阻塞时间 Tblock：是节点欲向网络上发送一个报文时起至真正将报文发送到网络上为止所等待的时间。它主要取决于网络 MAC 协议。具体地说，它包括因其它节点发送报文及帧间空间而需等待的时间，以及报文发送发生冲突时重发而未发送成功所需的时间。4)报文发

19、送净延时 Tframe：为一次性地将完整报文成功发送至网络上所需的时间。它取决于报文的帧长度及位时间 Tbit等参数。5)通道传播延时 Tprop：取决于信号在网络介质上的传输速度及源节点与目的节点之间的距离。6)接收延时 Tdrv：为目的节点接收完整报文所需的时间。由以上定义可知：在多数的控制应用中，一个节点的新报文到来时，旧的报文就会丢弃，因此 Tque可以忽略。总线的传输距离都比较短，LonWorks 的总线形结构网络最长距离为 2 700 m6，因此报文在总线上的传播时间及目的节点接收报文的时间可以忽略。由此，式(1)可简化为：周期性报文 m 由（Pm，Dm，Lm）描述，式中为发送净延

20、时，Pm为报文产生周期，Dm为截止期，Lm为报文中数据场的长度，单位为字节。报文 m 可因较自己优先级高的报文或正在发送的较自己优先级低的报文的阻塞而延时。设报文m 的最大传送延时为则有当报文 m 欲发送时，一个低优先级报文正在发送，并且所有较其优先级高的节点都有报文要发送，这一临界时刻为报文 m 具有最大发送延时的时刻。设定较报文 m优先级低的一个报文的最大发送净延时为则有式中：hp(m)为较报文 m 具有较高优先级的报文集合。 可由报文的最大长度来确定：包括数据场的位长度，Lm为数据场的字节长度，最大值为 228 B7。Tbit为位时间，是总线传输速率的倒数。如果不考虑报文出错及重发所需的

21、时间：式(6)可以通过迭代求解。在硬实时系统中，必须小于等于 Dm。但是从下面的分析中可以看到，LonTalk 的 MAC 机制在实时性方面存在问题，不能满足硬实时系统的要求。例如在网络上有 A、B、C、D节点，A、B 、C对应的优先时隙分别为3、5 和11，D对应的是随机时隙，A、B、C、D 都有帧要发送。如果它们同时竞争总线，因为 A 节点对应的优先时隙级别最高，所以 A 节点赢得总线使用权；A节点发送完之后又一个仲裁周期到来，它们又同时竞争总线，如果报文的产生周期较小，这时 A 节点又有报文要发送，但A节点上一仲裁周期已发送一帧，根据 MAC 机制规定，这一周期它对应的时隙不能为优先时隙

22、 3，而只能为随机时隙，所以此时 B 节点对应的时隙优先级最高，B 节点赢得总线使用权；B 节点发送完之后，又一个仲裁周期到来，它们还是同时竞争总线，根据 MAC 机制规定，A 节点又可回到它所对应的优先时的3，可见A节点又具有最高优先级，又可以发送帧；A 节点发送完之后下一个仲裁周期到来，B 节点又可以回到它相对应的优先时隙 5, A节点又只能选择一个随机时隙，这时 B 节点对应的时隙优先级最高，B 节点发送帧；这样反复循环下去，C、D节点一次发送机会都没有。可见 ( 6 )中的无限叠加，由于 2 个高优先级节点连续访问网络而使网络阻塞，造成网络上的其他节点没有发送帧的机会。因此 LonTa

23、lk MAC 层的仲裁机制看上去能避免冲突，但实际上存在着严重的实时性问题。所以 LonTalk 协议不能满足硬实时要求，只适合系统内只有少量实时报文且实时报文之间具有严格先后发生顺序的系统4。2.3 Lonworks 总线的特点及优缺点2.3.1 Lonworks总线的优点1)节省硬件数量与投资. 由于 LON 总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少

24、，还可减少控制室的占地面积.2)节省安装费用.总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少.当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量. 据有关典型试验工程的测算资料可节约安装费用达 60%以上。3)节省维护开销. 由于总线控制设备具有自诊断与故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除. 缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线

25、简单而减少了维护工作量。4)用户具有高度的系统集成主动权. 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统. 避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不再为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。5)提高了系统的准确性与可靠性. 由于现场线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差.同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性. 此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点.与其他现场总线相比，Lon

26、Works 总线技术还具有下列明显优势:1)其最大特色是采用了嵌入有 7 层完整网络协议、具有 3 个 CPU 的神经元芯片. 其中 1 6 层协议已固化在神经元芯片中，不需用户作任何开发;只有第七层应用层需由用户根据应用对象自行定义，组网快捷简便已不再是难题，并大大节省了用户开发时间和成本投入.2)使控制网络结构简单、布线容易、更改方便，并可灵活地采用自由拓扑结构，可选择双绞线、电力线或其他通信媒体混合使用，在许多场合可以避免重新布线.3)容易对各种监控系统，如:设备和设施监控系统、环境监控系统、安防系统、火灾报警系统等，按照应用要求进行互联，实现系统总集成，使各系统之间按要求实现联动和信息

27、共享.4)容易与管理微机局域网络实现联网和信息共享.5)可通过 Internet 在全世界的任何角落实现设备的远程配置、监控和管理，有助于全局的集中管控，包括设备的远程监测、远程控制和远程诊断.6)LonWorks 的互操作性保证总体规划和分步实施能顺利实现. 系统设计和实施的各个阶段采用统一的平台，统一的协议，统一的工具，而分步实施过程中的各个系统设备可以根据市场情况及性能价格比灵活选择.7)遥信、遥测、遥控、遥调、设备监控与设施监控可以采用同一控制网络平台，有利于系统的实施、管理和维护.8)LonWorks 的通信协议(即 LonTalk 协议)已成为包括我国在内的全球许多国家和国际标准化

28、组织采纳的控制网络通信协议标准. 其开放性和互操作性保证了系统的标准化、可持续发展和建设，以保证投资者的长期利益.9)LonWorks 功能强大的网络管理服务体系，使网络配置、管理、监控、维护非常方便，适用于各种不同类型的应用，和不同大小规模(几个到成千上万个节点)的控制网络.10)LonWorks 完备的开发工具适合各种不同的开发要求，使开发者很容易掌握和使用，以最快的速度开发出产品.11)LonWorks 备有成套的课程设置体系、“EIP”教育培训教材、教学实验设备与应用开发平台，内容涉及到各种技术层面，可对用户进行有针对性的、系统的培训.2.3.2 Lonworks总线的缺点然而遗憾的是

29、目前各 Lon 厂家生产的神经元芯片只是含有 3 个 8 位 CPU 的芯片，输入时钟的最大频率也只有 10MHz，这对于一般的应用是足够了;但是对于某些高速或者要求网络响应速度较快的情况，会有些力不从心;所以在使用的时候，为了以后扩展系统方便，一般都将神经元芯片和其他微处理器联合使用;Echelon 公司推出的 Lon 技术是一套完整地解决方案，从硬件到软件，还包括各种开发工具，但是其昂贵的价格却令好多用户望而生畏.其中一个重要的原因就是好多产品现在还是 Echelon 公司一家垄断经营，而与其竞争的对手还不够强大，这也是一门新技术刚兴起时的一个必然要经历的阶段;要真正普及应用，还有待于其产

30、品价格的不断下降. 其实时性和处理大量数据的能力也需要进一步提高.3 .LonWorks”现场总线的组织架构3.1 Lonworks的体系结构在现场总线体系结构方面,Lonworks 制定了面向对象的七层协议LonTalk,它是150组织制定051开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集,包容了Lonworks的所有网络通讯功能,被固化在Neuron的芯片内。LonTalk局部操作网协议是Lon-works通讯所设的框架。LonTalk可使控制信息在各种介质中非常可靠的传输。LonTalk协议最大的特点是051七层协议的支持,是直接面向对象的网络协议。而具体实现就是采用网络变量这一形式.网络变

31、量使节点之间的数据 传递 只是通过个个网络变量的互相连接便可完成。由于硬件芯片的支持,实现 了实时性和接口直 观、简洁的现场总线的应用要求。表1为LonTalk和051的七层协议的比较。表3-1根据IEEE P1118(IECVer3.0)对现场总线所作的体系结构,可将其分为三层结构:物理层(PL)、链路层(DL)、应用层AL)。在FF制定的标准中,将现场总线分为四层结构,前三层和IEEE Plll大体相同,只是在应用层上加入了用户层(UL).与051的七层协议相比,物理层与链路层和051物理层和链路层的划分是相同的,而应用层则包括链路层以上的五层内容。3.1.1 Lonworks 在物理层上

32、的结构表3-2 Lonworks和IEEE Plll8在物理层 上的比较从表2可看出 Lonworks的所有性能都超出IEEE Plll8。特别是在网络介质方面,可广泛使用目前 的通讯介质,克服了使用单一介质的局限性。同时Lonworks也计划提出更高传输率的芯片,以适应现代工业的高速采集。3.1.2 Lonworks在链路层上的结构在链路层上,根据工业现场的要求,Lonworks的网络通讯协议LonTalk将过去用于商用网络的 协议C SMA/C D作了改进,提出了预测 P一坚持C S-MA,同时也在诸如网络安全性、可靠性等方面作了改进,使网络的性能有了较大的提高。表3为Lonworks和I

33、EEE Pzll8在链路层上的比较。表3-33.2 LonTalk MAC的特点介质访问控制子层是0S参考模型的数据链路层的一部分。目前在不同的网络中,存在着多种介质访问控制的协议,其中之一就是大家熟悉的CSMA(载波信号多路侦听)。LonTalk的 MAC是该协议的一种改进。CSMA协议要求一个节点在它发送数据前侦听网络是否空闲。一旦监测到线路空闲后,不同的协议其操作是不同的,这就导致在重负载的情况下不同协议的执行结果也不同。例如,Ethernet采用CSMA /C D协议,一旦检测到碰撞,则采用避让算法。当在重负载时,由于碰撞极其频繁,这种方法将导致网络介质传输率变得很低。另一些CSM协议

34、,使用时间片的规则去访间介质,使节点在限制的时间片访问介质。这样可以大大减少两个数据报文发生碰撞的可能性。P一坚持CSMA 和LonTal k 预测一坚持CSMA都是使用时间片去访问介质。LonTalk协议使用一个改进CSMA介质访问控制协议,称为预测P一坚CSMA (pr edietivep 一presistentC SMA )。它在保留esMA协议的优点的同时,注意克服它在控制中的不足。目前存在的MAC协议如IEEE 802.2、802.3、802、502.5都不能很好地满足在重负载下保持网络高效率、支持大网系统和多通信介质。如果有很多网络节点等待网络空闲,那么一旦网络空闲,这些节点都会马

35、上发送报文而产生碰撞,碰撞后由避让算法使之等待一段时间再发。假如这段时间是相重复的碰撞仍会发生。在这种情况下网络效率大大降低。在预测P一坚持CSMA,所有的Lonworks节点则等待随机时间片间隔访问介质,这就避免了以上情况发生。在Lonwork中,每一个节点发送前需随机的插入1 16个很小 的随机时间片,在一个空闲的网络中,任一节点发送前平均插入8个随机时间片。在P一坚持CSMA,当一个节点有信息需要发送时,它并不立即发送,而是插入1 1/P个时间片(P 为一个概率值)。LonTalk协议根据网络负载可以动态地调P值。时间片的增加通过一个N值来确定,1/PNx16,这个N值的取值范围1 63

36、,LANTALK称为N为网络积压的估计值,它是对当前发送周期有多少个节点有报文需要发送的估计。在LANTALK协议中,根据网络积压动态地调整介质访间,允许网络在轻负载的情况下,用 较短的时间片,而在重负载的情况下,用较长的时间片。对照实验表明:36个Lonworks节 点互联,采用一般P坚持算法,当每秒要传输的报文达 500 1000包 时碰撞率从10 %上升到54 %,而采用预测的P坚持算法,当每秒传输的报文在500包以下时碰撞率相当,而在500 1000包时,后者稳定在10环。对于所有Token Ring网络,它具有对多介质的支持,但是这些介质必须是在总线上具有环的结构,令牌在这个环线上轮

37、巡。这在诸如使用电力线和无线电作为介质的网络显然是不可行的,因为网上的所有节点几乎都能同时收到令牌。同时,TokenRing网络还需要增 加令牌丢失时的恢复机制,令牌快速应答机制,这些都增 加了硬件开销,使 网络 的成本增加。对 于Token Bu s网络,它在令牌 中加入 网络址,从而在物理总线上建立一个逻辑环的结构,使令牌 在这个逻辑环上轮巡。然而,在低速网中,这个令牌轮巡时间却变得 相当长;另外TokenBus在有节点上网或下网时都会发生网络重构。在电池供 电的系统 中,因为经常休眠和唤醒而导致网络上 下网时频 繁重构,在恶劣的环境也常会发生令牌丢失而 网络重构,这些 网络重构都会大大

38、降低网络的效率。同时由于网络地址的限制,每一个网络至多只有255个字节。对于常用的CSMA/CD,如Ethernet,在轻 负载的情况下具有很好的功 能,但在重负载的情况下,却由于过多的碰撞使网络的效率变得极低。目前,在现场总线中,还有一种十分流行的网络即CANBUS。它采用无主结构,这一点大大优于BITBUS,其MAC 层上的管理十分有特色:它也是采用CSMA方式,但它将网络上的节点分成不同的优先级,采用支配位(0)和避让位(1) 以及总线回读的方法实现非破坏性总线仲裁。当两个节点同时向网络传递信息时,优先级低的节点主动停止发送,而优先级高的节点可不受影响的继续传输,这可以有效的避免总线碰撞

39、。但是这样做需要网络一定要同步,这对多介质的情况显然是不适用的;另外对于优先级平等的节点,由于不得不定义一个优先级,故而当网络通讯较 繁忙时,有些优先级低的节点可能很长时间不能发送信息。因此CANBU S较适合介质单一且节点数目较少小网络。4 LonWorks现场总线的主要产品4.1 LonWorks现场总线的主要硬件产品介绍作为国家工控中心的北京康拓工业电脑公司从1995年开始就投入100多万元人民币率先展开了LonWorks技术的研究与应用工作。从1996年开始 ,先后开发了一系列LonWorks总线软件和硬件产品 ,并在一定范围内得到了成功地推广应用。3.1标准ISA总线和STD总线 L

40、onWorks网络协议处理器模板模板主要功能为: 智能 Neuron芯片 M C143150;4KB的双口 SRAM;收发器 FT T-10A,支持自由拓扑结构 ;通信介质为双绞线;最大通信速度 78kbps;最大节点数 128; 最大总线型连接传输距离 2700米 ;工作方式和 M IP /DPS兼容。3. 2I/O模块和管理软件11路脉冲计数采集模块: 模块中智能芯MC143150,收发器为FT T-10A。 输入电平为 0 +12V。 输入通道为11路。 数据放在SRAM中 ,程序固化在EPROM中。时钟模块: 模块由 Neuron芯片和时钟芯片 DS12887组成。模块既可以定时自主向

41、网络发送时间信息,也可以其它节点请求发送。重复器模块: 重复器 ( Repeater)可以增加网络的传输距离和信号传输质量,也可以起到网络隔离作用。网关: LonWorks到RS-232/422/485网关 ,可以使 RS232、RS422和 RS485子网或接口很容易和 Lon-Works控制网络互连。网络管理工具 LNM T: LNM T采用 Windows 95的 32位编程技术 ,支持客户/服务器工作方式 ,使网络上任何一个 NSI节点都可以通过 LNM T进行网络管理,灵活方便。Lon总线技术的应用开发使用NodeBuilder开发工具.它是开发LonWorks节点的工作平台;是硬件

42、和软件开发工具的集合;支持使用一种称NeuronC的语言进行编程;这是一种面向对象的开发和设计方法;可用来编程和调试单个节点. 与 NodeBuilder开发工具一起提供的 LonMaker 网络集成工具，可用来将单个节点集成到 LonWorks 网络中，通过网络变量进行节点之间的逻辑安装，并提供网络设计、网络配置、网络启动、网络测试、网络管理和网络维护等一体化工具.为了使用户方便地进行应用开发，Echelon 公司还提供了多种模块化系列的硬件和软件产品，其中包括:1)收发器:完成对发送和接收的信息进行编码和解码，不同的通信介质采用不同型号的收发器.Echelon 公司最新的第三代双绞线和电力

43、线智能收器，将神经元芯片核心和收发器 DSP 电路集成在一个芯片中，大大提高了产品的性能和开发应用的方便性.2)路由器:是连接不同信道的网络基础结构设备. 用于提供网络路由，连接不同通信媒介、扩展网络节点数和通信距离等功能. 不同信道之间使用的路由器具有不同的型号.3)LonTalk 网络接口适配器: 允许用户使用各种不同接口方式，包括 PCI 总线插槽、PC 卡接口、EIA/RS-232 串行口等，把 PC 连接到 LonWorks 网络上去LonWorks网络产品应用4)控制模块:是一块包含 Neuron 3150 神经元芯片、收发器(或智能收发器)、Flash 存储器和晶振的微缩电路卡.

44、 采用多层电路板和表面焊接的先进工艺，它是 LonWorks 技术中智能节点的核心. 不同的通信介质和不同的网络拓扑结构应采用不同型号的控制模块.5)iLON 系列IP网络连接产品，包括iLON10以太网适配器，iLON100/i. LON1000 互联网服务器、i.LON600 IP 路由器，提供不同通信媒体的 LonWorks 控制网络与 IP 网的无缝连接，使 LonWorks 局部控制网络扩展为广域网络，为地理分布的大范围、多地点的远程集中监控管理提供了广阔的应用前景.5 LonWorks技术的应用5.1 LonWorks在铝厂中的应用90年代以来 ,为了提高铝电解电流效率,降低成本,

45、提高铝锭的产量和质量 ,国内一些大型铝电解厂相继对集中式铝电解槽计算机控制系统进行了技术改造。其主要特点是由集中式改为分布式控制结构;电解槽采用智能计算机控制; 控制策略为自适应控制或模糊控制;现场槽控机之间采用现场网络数字通信技术连接。数据通信的性能和可靠性是整个系统是否正常工作的关键技术。康拓公司和某铝厂联合研制的铝电解槽分布式智能控制系统采用LonWorks总线将该厂的 104台槽控机联网,可靠地实现了整个铝电解系统的分散式控制功能,显著地提高了电流效率,达到了设计指标该分厂的槽控机分两个厂房,由一个总控室控制。此控制网络中,控制室的操作站为PC机,采用ISA总线的LonWorks协处理

46、器模板;槽控机STD总线中的STD5000系列工控机,STD总线LonWorks协处理器模板。项目中使用 LonWorks现场总线,采用Peer-to-Peer通信方式,解决了由于主站的失效导致整个网络瘫痪的问题。由于LonWorks支持完整的ISO/OSI七层协议 ,在报文可靠性传输方面采取了有效的措施,从而将通信丢包的概率降到了最低点。LonWorks总线支持优先级报文方式,对紧急报文可以优先处理,提高发送重要报文节点的响应速度。LonWorks总线采用的是专用收发器 ,具有变压器隔离 ,以及很强的抗静电和浪涌能力。在LonWorks控制网络的构造过程中 ,采用了分布式地线深埋技术。因此有

47、效地解决了雷击损坏网络接口的问题。5.2 LonWorks技术在楼宇自动化抄表系统中的应用随着楼宇自动化的发展和普及,人们对繁琐的水电表工作也提出自动化要求。这是一个豪化住宅小区 ,小区内有住宅楼4幢 ,总计120余户。电表收费系统要求:自动完成热水表冷水表抄读 ,能将采集来的数据直接输入数据库 ,实现收费、查询和打印 ;电表要根据不同时段实现多种付费率;现场节点能不依赖上位机独立分时统计。工程结构前端为现场控制机柜,每个机柜可根据住户分布的情况,插一块或数块LonWorks控制模块 ,负责一个单元或几户的水表和电表的监测。 水表和电表的信号通过垂直的管道井连至控制柜的端子排。该系统共有 60

48、个节点 ,可以管理 200多户。上位机采用客户 /服务器结构。数据库管理机作为网络服务器 ,管理网络数据库和收费系统的数据库。网络管理机作为客户机,通过网络服务器上的共享网络数据库进行网络安装和维护。客户/服务器的结构可以支持多台客户机作为网络管理机 ,甚至在服务器互联Internet情况下,可通过 Internet对网络进行远程管理和维护。现场端使用的硬件模块主要有三种: I/O信号采集模块、重复器模块和时钟模块。PC机和便携机接口卡采用NSI作为接口。数据库管理应用软件运行于数据库管理机 ,数据库管理应用软件具有友好性、先进性和开放性。采用LonWorks技术设计小区抄表系统 ,大大加快了

49、工程速度。5.3 LonWorks技术在变电站综合自动化中的应用变电站实现综合自动化,将其运行监视、正常和事故操作、继电保护,以及故障的记录由计算机完成 ,站内和站外的数据交换由通信网络实现,成为当前技术发展的主要趋热。变电站综合自动化系统要求主要为: 采用分布式分层结构合理设置网络和管理终端;通信网简单可靠;开放式系统设计,具有互操作性和可扩充性。采用LonWorks技术的变电站综合自动化系统结构中运用无中心控制模式,使控制节点尽量靠近被控设备。变电站层和单元层都采用LonWorks总线通信协议,避免了因通信协议不同而进行转换工作。变电站层用于本站监控、系统和网络维护的工程师站 ,一般装在控

50、制室中。单元层的设备一般放在现场 ,可以通过网络对等 (Peer-to-Peer)地交换数据。当一个单元的监控、保护设备出现故障时 ,可以仅停下该单元设备进行检查处理 ,不影响其它单元。单元层主要由以下监控功能模块、保护功能模块和录波模块组成。变电站的高可靠的要求 ,决定网络通信将可靠性放在第一位。通信介质是通信可靠性的非常重要的一个环节。在变电站系统中选用屏蔽双绞线和光纤作为通信介质。网络通信的冗余设计是保护通信可靠的一个非常重要的手段。在单元层采用两个独立的总线网 ,一个是监控网 ,另一个是故障录波网。 如图 5-1所示。5.4基于 LonWorks 总线的隧道灯光控制系统5.4.1系统概

51、述本文所提出的方案是基于LonWorks 总线技术的智能灯光控制系统.选择 LonWorks总线主要基于两个方面的原因.首先, LonWorks总线可以选择电力线作为通信介质,系统中的数据交换能够直接使用照明系统的供电电源线,无需专门铺设通信电缆,可以大大地节省工程费用;另外,隧道可能长达数千米,其中的调光节点数目较多, LonWorks 总线强大的网络通信能力能够很好地满足通信距 离和通信效率的要求1。本系统采用管理层和现场层两层结构,如图1所示。管理层通过因特网互连,并由上位机通过访问iLon100 网关获取LonWorks现场中 各个节点的信息,同时完成LonWorks系统网络的安装维护

52、、配置、监测等。iLon100网关是系统中的一个通信枢纽,同时也相当于现场层中的一个特殊节点, 管理层的所有信息都先传达给它,然后由它通过电力线向各节点传送数据。现场层以 LonWorks现场总线技术为基础 ,以神经元芯片为核心,各个节点协调控制隧道中各处的灯光亮度。设计中现场层采用总线型拓扑结构,以电力线为传输介质实现各节点之间的数据交换2。由于各个智能节点的信息交换可以直接通 过输入或输出网络变量来完成, 并且各个智能节点都是挂在通信介质电力线上,因此任何一个LonWorks节点出现故障只影响其本身而不会危及整个系统,这种彻底的分散型控制体系提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。特别是监控计

53、算机出故障时,整个系统仍可继续工作,保证隧道的正常运行,这和以往的控制系统相比具有极大的优越性。图5-2 系统整体结构5.4.2各节点硬件、软件设计 系统节点的物理结构采用双层模块化设计,将以神经元芯片为核心的中央处 理单元( CPU)单独设计为一块电路板,然后通过插针插于功能模块之上,以便于系统的调试与检查,同时也可以减少不必要的干扰3。功能模块也就是实现光照 度检测和灯光亮度调节的具体电路,它们只需要在接收到CPU 的控制信号之后 产生适当的动作就能完成整个功能了。电路结构框图如图2所示,中间虚框部分为CPU 板的基本结构,它是每个节点都共有的核心模块;左边虚框部分则是光照度检测节点所特有

54、的,其功能是将光照度信息转换为电压并量化,然后送给灯光亮度控制节点进行算法处理以控制隧道内各灯的亮度。此节点在系统中共设两个,隧道出口和入口各1个( 参见图 5-2)。右边虚框部分为灯光亮度控制节点所特有,其功能是在接收到光强检测节点的数据后,按照拟订的算法控制数字电位器输出适当的模拟电压,以控制隧道内各灯的整流器从而达到控制光强的效果。此节点需根据隧道的长度设立若干个。每个节点有不同的地址,对应于隧道中不同的位置,其灯光亮度就结合该地址而对应控制 5.4.2.1 CPU 部分电路设计CPU板的主芯片采用Echelon公司生产的PL3120。PL3120是专用于电力线系统的神经元芯片,其内部集

55、成了一个神经元处理核和一个电力线收发器。该芯片除了具有普通神经元芯片的性能,更重要的是它具有一个专用的电力线收发器,能够方便地应用于电力线作为通信介质的场合,而且它具有独特的双载频技术,能够在主要通信频率被阻塞时启用预备频率工作,从而提高了整个系统的稳定性。本系统工作CENELEC( 欧洲电工标准化委员会)C波段,其通信主频为 132kHz( 预备频率为 115kHz),对应的时钟典型值为10MHz。PL3120芯片12个I/O口,可以通过编程实现SPI和I2C等I/O对象与其他电路接口4。由于系统以电力线为传输介质, 通信模块是通过电源电路耦合到电力线上进行传输的,因此,电源模块的正确设计是

56、保证节点正常工作的关键因素。系统的每一个节点都设计有独立的电源供电并提供通信通道。在该电源电路中, 220V电源有两条支路:一路信号经过普通变压器和三端稳压芯片得到15V，12V 和 5V 的直流电压。为通信模块发射电路、传感器和IC 芯片等供电。220V电压的另一路信号则通过专用的1: 1 通信变压器连到 PL3120 芯 片的 对应引 脚,实 现发射接收模块与电力线的安全连接。发射接收模块的电路设计则可以在确定了时钟和通信频 段之 后参考 Echelon公司的数据手册得到。5.4.2.2 光照度检测节点硬件电路及程序设计光照度检测节点的功能是测量隧道口光照的强度。本系统中使用的光照度传感器

57、的测量范围为04000 勒克斯( Lux) ,对应的输出量为020mA电流,使用时在其输出引脚上接一个250欧的电阻,可将电流信号转换为05V 的电压以便于AD转 换器采样 。AD转换器使用Microchip公司的MCP3004, CPU通过读取ADC转换的电压值即可计算出光照强度的大小。应用中采用3个相同的传感器测量同一位置的光照度,取其平均值以减小测量误差,同时还可以分析三者测量数据的偏差来判断传感器的工作是否正常。光照度测量节点的电路设计如图3,PL3120 通过编程实现串行 SPI 接口完成AD转换器MCP3004的控制 ,其中IO8作为时钟线与 AD芯片的CLK引脚相连,IO9和IO10 分别作为数据的输入和输出线与Din、Dout 相连, IO0作为片选信号与CS引脚相连。由于神经元芯片和AD模块分处于两块电路板上,为了避免两路电源之间的干扰,使用4 片光耦隔离芯片6N137进行电源隔离。图 5-3 节点硬件结构框图5.4.2.3灯光亮度控制节点设计在本系统中,灯光强度控制节点是隧道照