摘 要：本文介紹了臺達PLC在LONWORKS樓宇自控中的應用，介紹LONWORKS的技術(shù)特點以及應用前景
關(guān)鍵詞：LONWORKS LONTALK PLC 樓宇自控
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美國Echelon公司于1991年提出了LonWorks(Local Operating Networks,局部操作網(wǎng)絡）網(wǎng)絡,簡稱L0N網(wǎng),它標志著控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的新紀元,。LonWorks是一種完整的,、全開放的,、可互操作" title="互操作">互操作的,、成熟的和低成本的分布式控制網(wǎng)絡" title="控制網(wǎng)絡">控制網(wǎng)絡技術(shù),眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡方案中采用LonWorks技術(shù),。到目前為止,全世界已有2500多家公司利用LonWorks技術(shù)生產(chǎn)各種各樣的LonWorks產(chǎn)品,以滿足現(xiàn)代化樓宇,、工廠,、交通運輸系統(tǒng),、城市基礎設施(水,、電、氣等),、家庭等環(huán)境自動化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡要求,。在1995年,LonWorks控制網(wǎng)絡被美國確定為樓宇自動化控制網(wǎng)絡標準的一部份。目前,世界大的樓宇控制公司,如霍尼維爾,、安德沃,、西比、江森,、蘭吉爾,、薩切維爾等都正在采用LonWorks技術(shù)改造產(chǎn)品,已形成世界技術(shù)潮流。前期LONWORKS產(chǎn)品的市場開拓過分集中于和傳統(tǒng)的PLC/IPC現(xiàn)場總線的競爭,。然而,，在Profibus、Interbus,、CAN總線盛行的工業(yè)環(huán)境中,，顯然沒有很強的競爭能力。因此,，LONWORKS轉(zhuǎn)而在樓宇以及一些孤立的工業(yè)現(xiàn)場" title="工業(yè)現(xiàn)場">工業(yè)現(xiàn)場（例如染色機）取得了巨大進展。許多工程實例表明：通過精心設計,，大樓可以只裝備單獨的一個LONWORKS網(wǎng)絡,，使得HVAC（供熱、通風和制冷）,、電力照明,、陽光屏蔽和安全功能以及開放式控制設備能在網(wǎng)絡上互操作。
與之相反,，LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應用前景并沒有得到大家的認可,，自身也遇到很多的困難。原因就是大家對分布式智能控制的原理接受不足,。然而,，LONWORKS以其出色的穩(wěn)定性以及靈活的自由拓撲布線技術(shù)領先于基于RS485的傳統(tǒng)現(xiàn)場通訊布線技術(shù)。LONWORKS能夠巧妙而經(jīng)濟地滿足特殊要求,。能夠以功能簡表的形式為開發(fā)商提供解決方案的基礎,。對許多設備諸如發(fā)動機、泵,、變頻器,、PLC、閥門,、傳感器等都有功能簡表,。
由于LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應用前景并沒有得到大家的認可,，轉(zhuǎn)而在樓宇自控行業(yè)得到很大的發(fā)展。而對于樓宇自控中的機電設備的控制,，LONWORKS并沒有大的優(yōu)勢,，這反而是傳統(tǒng)的PLC/IPC的天下。PLC/IPC以其通用性,、可靠性以及低廉的成本優(yōu)勢牢牢地占據(jù)著傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)機械/工業(yè)設備控制的根據(jù)地,。這也是LONWORKS在多年來與PLC/IPC競爭工業(yè)現(xiàn)場后無法得到很大發(fā)展的原因。然而,，畢竟LONWORKS以其對等設計和智能分布式現(xiàn)場設備在技術(shù)上領先今天的工業(yè)自動化系統(tǒng)（PLC/IPC現(xiàn)場總線）整整一代,。隨著工業(yè)自動化以及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，對傳統(tǒng)PLC的網(wǎng)絡要求也越來越高,，工業(yè)以太網(wǎng)這個新鮮名詞也隨之出現(xiàn),。而且也有了取代現(xiàn)場總線的趨勢。
雖然組建控制網(wǎng)絡的方法有很多,，但是對于自動化控制而言,，平坦的、對等式（P2P）體系結(jié)構(gòu)是最好的,。P2P體系結(jié)構(gòu)和其它任何一種分級的體系結(jié)構(gòu)相比,，不再具有分級體系結(jié)構(gòu)與生俱來的單點故障。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中,，來自某一個設備的信息要傳遞給目標設備,，必須先傳送到中央設備或者網(wǎng)關(guān)。因此,，每兩個非中央設備之間的通信包括了一個額外的步驟,，或者說增加了故障的可能性。P2P體系結(jié)構(gòu)的設計相比之下,，它允許兩個設備之間直接通信,，這避免了中央控制器的故障可能性，并且排除了瓶頸效應,。此外,，在P2P設計中，設備的故障更多的可能是只影響到一個設備,，而不象非平坦的,、非對等式體系結(jié)構(gòu)中潛在的影響到許多設備。由圖2 可以看出通過監(jiān)控的傳統(tǒng)的主從通訊網(wǎng)絡與P2P體系通訊網(wǎng)絡的優(yōu)劣,。
LonWorks網(wǎng)絡中設備的通信是采用一種稱為LonTalk的網(wǎng)絡標準語言實現(xiàn)的,。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡上不同設備彼此間智能通信的底層協(xié)議組成。 LonTalk協(xié)議提供的通信服務,，使得設備中的應用程序" title="應用程序">應用程序能夠在網(wǎng)絡上同其他設備發(fā)送和接收報文而無需知道網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡的名稱,、地址,，或其他設備的功能。LonWorks協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認,、報文證實和優(yōu)先級發(fā)送,，以提供規(guī)定受限制的事務處理次數(shù)。對網(wǎng)絡管理服務的支持使得遠程網(wǎng)絡管理工具能夠通過網(wǎng)絡和其他設備相互作用,，這包括網(wǎng)絡地址和參數(shù)的重新配置,、下載應用程序、報告網(wǎng)絡問題和啟動/停止/復位設備的應用程序,。LonTalk——也就是LonWorks系統(tǒng)——可以在任何物理媒介上通信,，這包括電力線，雙絞線,，無線（RF）,，紅外（IR），同軸電纜和光纖,。
而所謂互操作性意味著每個網(wǎng)絡中的裝置能夠根據(jù)自己需要發(fā)布的信息變成數(shù)字式串行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡直接到達另一個裝置,。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移通常涉及一個信息發(fā)送者，一個或一個以上的接收者,。發(fā)送者和接收者之間一定要有某種形式的連接,，數(shù)據(jù)才能以一連串的開--關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。所有連接到某一特定信道的裝置必須有同一速率運行的兼容收發(fā)器,，如此才能夠達到互操作的目的,。但是可互操作的網(wǎng)絡并不是傳統(tǒng)的主從式通訊網(wǎng)絡（點對點）可以達到的，網(wǎng)絡裝置間串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移要求一套通訊協(xié)議,，協(xié)議通常以嵌入軟件或固件代碼形式存在于每個網(wǎng)絡裝置中。包含這個協(xié)議代碼和某種類型的操作智能的裝置稱之為網(wǎng)絡節(jié)點,。它包括一片Neuron神經(jīng)芯片,、傳感和控制設備、收發(fā)器(用于建立Neuron芯片與傳輸之間的物理連接)和電源,。
LonTalk通訊協(xié)議是LONWORKS技術(shù)的核心,，該協(xié)議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無須知道網(wǎng)絡拓撲,、名稱,、地址或其他裝置的功能。LONTALK協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認,、報文證實,、優(yōu)先級發(fā)送以便設定事物處理時間。它是一個分層的以數(shù)據(jù)包為基礎的對等的通信協(xié)議,，象有關(guān)的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣,。但是,，LONTALK協(xié)議設計用于控制系統(tǒng)而不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特定的要求。每個數(shù)據(jù)包由可變數(shù)目的字節(jié)構(gòu)成,，長度不定,，并且包含應用層的信息以及尋址和其他信息。信道上的每個裝置監(jiān)視在信道上傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)包以確定自己是否收信人,。若是,，則處理以判明是否包含本節(jié)點應用程序所需的信息或者它是否是個網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)包。LonTa1k協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡協(xié)議,即,通過網(wǎng)絡變量" title="網(wǎng)絡變量">網(wǎng)絡變量實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點間的聯(lián)結(jié),。當定義為輸出的網(wǎng)絡變量改變時,能自動地將網(wǎng)絡變量的值發(fā)送出去,使所有該變量定義為輸入的節(jié)點收到它的改變,以便激活相應的處理進程(事件觸發(fā)型）,。標準網(wǎng)絡變量能使不同制造商的產(chǎn)品通過建立標準的數(shù)據(jù)傳送模式、正確地翻譯,、傳送數(shù)據(jù),便于設備的互換和互操作,。另外,由于網(wǎng)絡變量的長度有限,最多31B,又提供了四種類型的報文服務：應答方式、請求/響應方式,、非應答重發(fā)方式,、非應答方式。
為了簡化網(wǎng)絡配置和管理,，可以把邏輯地址分配給節(jié)點,，邏輯地址讓用戶把一個名字和物理裝置與節(jié)點配合。使用LONTALK的控制網(wǎng)中的邏輯地址在網(wǎng)絡配置時定義,。所有邏輯地址有2個部分,，第一部分是指定域的ID，這個指定域就是節(jié)點的集合他們之間可以互操作,。邏輯地址的第二部分以獨特的15位節(jié)點地址規(guī)定域中的一個單一節(jié)點,。
而對于PLC介入到LONWORKS網(wǎng)絡中，實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)/狀態(tài)的實時監(jiān)控,，則必須由網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應用程序?qū)LC進行操作,。
本文以上海某大型廣場的智能樓宇控制系統(tǒng)中，涉及到臺達PLC的LONWORKS系統(tǒng)的部分為例,，介紹網(wǎng)關(guān)節(jié)點與PLC通訊配置的網(wǎng)絡變量以及命令格式,，在該系統(tǒng)中，機電設備為中央空調(diào)風柜,，PLC根據(jù)回風溫度經(jīng)過PID調(diào)節(jié)新風閥門的開度,，以達到控制房間或單元室溫的目的。風柜網(wǎng)絡原理圖參看圖3,。
PLC及溫度模塊
文本顯示器
LONWORKS ???? 網(wǎng)關(guān)
RS232
RS485
PLC及溫度模塊
文本顯示器
LONWORKS????? 網(wǎng)關(guān)
RS232
RS485
PLC及溫度模塊
文本顯示器
LONWORKS????? 網(wǎng)關(guān)
RS232
RS485
1,、? 網(wǎng)絡變量
nviConfig?????????? 配制網(wǎng)絡變量
nvoDR[0～7]???????? 只讀模擬量（AI）
nvoXR[0～7]???????? 只讀數(shù)字量（DI）
nviMW[0～12]??????????? 只寫數(shù)字量（DO）
nviDW[0～31]??????????? 只寫模擬量（AO）
2、? 配制網(wǎng)絡變量
nviConfig輸入格式：X? X X???? X?? XXXXXXXX
指令?? 操作號?????? ：???? 設定值
?、逯?? 令：R? 讀設定值,，W? 置設定值,；
㈡操作號：00???????????????????? 通信格式設定,，
01~08?????? nvoDR[0～7] 連接設定
09~16?????? nvoXR[0～7] 連接設定
17~29?????? nvoMW[0～12] 連接設定
30~61?????? nvoDW[0～31] 連接設定
?、缭O定值：通信格式設定? BBBBB_TT?? (BBBBB波特率 如09600,_ 空格,TT 通信秒間隔 如01)
㈣連接設定：? SSIIAAAA? (SS設備號 如01,，II指令 如02,，AAAA地址 如1AFF)
3、? 連接量
只讀模擬量和只讀數(shù)字量按通信秒間隔自動讀設備進行刷新,，只寫數(shù)字量和只寫模擬量賦值網(wǎng)絡變量時自動發(fā)送到設備,。
由于LONTALK協(xié)議規(guī)定網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應用程序中已經(jīng)包含該網(wǎng)關(guān)節(jié)點的邏輯地址，并且是以名稱的形式存在于網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應用程序中,。因此,，網(wǎng)關(guān)節(jié)點到PLC的通訊部分無須顧及PLC的通訊地址，而只需通用默認的PLC地址即可,。
變量名稱 序號 變量名稱 PLC地址 備注? 輸入量
送風溫度 1 nvoDR[0] D100 溫度顯示 R R01:01031064
新風溫度 2 nvoDR[1] D110 溫度顯示 R R02:0103106E
閥門開度 3 nvoDR[2] D72 開度顯示 R R03:01031048
?????????????????? 圖4 只讀配置網(wǎng)絡變量表
新風下限 31 nviDW[1] D511 下限溫度 R/W W31:010611FF
新風上限 32 nviDW[2] D512 上限溫度 R/W W32:01061200
風機狀態(tài)設置 37 nviDW [7] D520 制冷0送風1制熱2 W W37:01061208
閥門行程 33 nviDW[3] D513 閥門行程 R W33:01061201
?????????????????? 圖5 讀/寫配置網(wǎng)絡變量表
濾網(wǎng)狀態(tài) 9 nvoXR[0] X0? R W09:01020400
運行狀態(tài) 10 nvoXR[1] X1? R W10:01020401
故障狀態(tài) 11 nvoXR[2] X2? R W11:01020402
手自動 12 nvoXR[3] X3? R W12:01020403
Alarm 13 nvoXR[4] X4? R W13:01020404
?????????????????? 圖6 狀態(tài)配置網(wǎng)絡變量表
圖4中,，變量規(guī)定為只讀，在臺達PLC的通訊協(xié)議中,，D0對應的地址為H1000,，則，D100對應的地址為H1064,，依此類推,。由于LONTALK協(xié)議的網(wǎng)關(guān)地址已經(jīng)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應用程序中得到確定，那么,，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與PLC的通訊就變成了標準的統(tǒng)一的程序,，只需使用PLC默認的通訊地址即可，如圖4,、圖5,、圖6所示PLC的通訊地址都統(tǒng)一為1。
由圖3,，現(xiàn)場的監(jiān)控由文本顯示器TP04G來實現(xiàn)，遠端的監(jiān)控通過LONWORKS網(wǎng)關(guān)節(jié)點來實現(xiàn),。這樣組成一個分布式智能控制系統(tǒng),。遠端的上位計算機通過與末端的LON網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)從信道中接受到的數(shù)據(jù)包判斷是否是合適本網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包,，如是,，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點應用程序再將數(shù)據(jù)下達至PLC，完成遠端的監(jiān)控,。
雖然LON分布式智能控制系統(tǒng)不要求末端的PLC提供地址,，但是文本顯示器與PLC的地址設置功能大大地方便了程序編寫者與現(xiàn)場的調(diào)試人員,，以下簡單地介紹該功能的使用：TP04G提供了DELTA Mx的DRIVER，該功能適用于DELTA PLC的多地址應用場合,。我們知道,，在標準設備的生產(chǎn)制造中，我們需要的是標準化的程序,，以簡化現(xiàn)場的調(diào)試以及方便程序文件的管理,。那么，在標準設備的組網(wǎng)過程中,，必不可少地需要改變PLC的地址,，以達到組網(wǎng)控制的目的。如果通過傳統(tǒng)的改變PLC程序來實現(xiàn)的話,，一臺標準設備就有一套程序,。很不方便程序的管理。使用文本顯示器的DELTA Mx功能只需在文本的系統(tǒng)菜單中改變文本的通訊地址即可,，而文本程序中需要對PLC的D1121設置成相應地址即可實現(xiàn),。
文本顯示器提供的萬年歷功能為實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)定時開/關(guān)機功能提供了方便，PLC可以通過萬年歷的時間實現(xiàn)對風機的定時開關(guān)機控制,。網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)為樓宇機電設備的管理者提供了方便,，管理人員可以通過網(wǎng)絡對位于大樓任何位置的機電設備下達指令，也可以隨時通過LON網(wǎng)絡查看任何位置的機電設備的運行狀態(tài),。實現(xiàn)了樓宇智能控制,。
LonWorks技術(shù)已經(jīng)逐漸成為小區(qū)/樓宇智能化系統(tǒng)的基本規(guī)范。LonWorks網(wǎng)絡非常容易與其他網(wǎng)絡實現(xiàn)互連,如Internet網(wǎng)絡,可以實現(xiàn)遠程操作和控制,。LonWorks開放式,、可互操作性、成熟和低成本的特點,使得眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡方案中采用LonWorks技術(shù),。另外,對于最終用戶來說,項目的初期投資大為減少,系統(tǒng)管理簡單,增加新功能又十分簡便,。由此可以推斷,LonWorks控制網(wǎng)絡技術(shù)會越來越為人們重視和推廣。PLC作為通用可靠的工業(yè)控制器,，依然在工業(yè)現(xiàn)場得到廣泛的應用,，在民用市場的網(wǎng)絡要求越來越多的今天，相信日益強大的PLC的網(wǎng)絡功能一定也會越來越多地進入人們的日常生活中,。
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參考文獻：1,，埃施朗公司《LONWORKS原理和實踐概述》
???????2，《Industrial Control》Jurgen W.hertel