Lon Works技术纵横谈

    众所周知，自动监控系统(或称为测控系统)正在向分布式和网络化方向发展，分布式监控系统的关键在于其联网技术，即通常所说的现场总线技术。目前有多种现场总线技术并存，并在不同的应用领域得到了不同程度的应用，如在楼宇自动化领域，美国Echelon公司推出的Lon Works总线技术就得到了大量应用，并很快发展到工业现场网。Lon Works技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。

    1、发展历史

    Lon Works是局部操作网络（Local Operating Network）的缩写。它是由美国Echelon公司研制、于1990年正式公布的现场总线网络。它采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最高通信速率为1.25Mbps（通信距离不超过130m），最远通信距离为27000m（通信速率为78Kbps），节点总数可达32000个。网络的传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。

    Lon Works的信号传输采用可变长帧结构。每帧的有效字节可由0～288个。Lon Works所采用的Lon Talk通信协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。芯片中有3个8位CPU，一个用于实现ISO/OSI模型中的第1层和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器；第二个用于完成3～6层的功能，称为网络处理器；第三个对应于第7层，称为应用处理器。芯片中还具有信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

    Lon Work技术发展经历的几个重要阶段如下：

• 1990年，发明Lon Works技术，Lon Talk协议
• 1993年，Lon Mark互操作协会成立
• 1997年，LNS网络操作系统架构
• 1998年，协议成为ANSI/EIA-709.1标准
• 2001/2002年，Lon Works/IP路由技术PLT-22电力线以及双绞线成为ANSI/EIA-790.2/3标准
• 2002年，第3代工具-NodeBuilder3

    2、应用领域

    Echelon公司于90年代初在美国推出Lon Works技术后即引起轰动。随后，Lon Works技术的用户、系统集成商和OEM产品生产商的队伍迅速扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商如Honeywell， Johnsen Controls， ABB， Philips， Yokogawa， HP等。截止到1997年的统计，已有2500家生产厂商生产和使用Lon Works产品，已有500万个Lon Works节点在使用运行。已有3500种Lon Works OEM产品问世，其中30%～40%应用在工业方面。而Lon Works技术最大的应用领域在楼宇自动化（building automation）方面，它包括建筑物监控系统的所有领域，即入口控制、电梯和能源管理、消防／救生／安全、照明、供暖通风、测量、保安等等。在建筑业中，Lon Works协议中的介质访问控制层（MAC层），即七层协议中的第一、二层已被美国供暖、空调和制冷工程师学会（ASHRAE）接纳为建筑自动化控制网络（BACnet）的标准，同时也被美国国家标准协会（ANSI）制定的有关标准所采纳。在欧洲，Lon Works协议被认为是欧洲标准CENTC247和CENTC205的一部分。在工业控制领域，根据自动化研究协会（ARC）和风险开发协会（VDC）的独立研究，Lon Works网络被认为是工业传感器和设备总线网络市场的开拓者和领导者。Lon Works网络取消了那些复杂的配线约束，取消了PLC和PC，将控制分散到整个网络节点上去，在半导体制造工厂、气体压缩站、石油储罐区、石油和水泵站、印染厂、造纸厂等应用领域都占有重要的地位。

    世界上有超过半数的半导体生产厂家安装了Lon Works控制网络，在通过严格的考察之后，半导体设备材料国际（SEMI）最后选择了Lon Works协议作为半导体生产的传感器总线标准之一。

    美国国家航天航空总署（NASA）控制的AGATE工业协会选择Lon Works协议作为下一代民用飞行器标准的一部分。

    美国铁路运输联盟选择Lon Works控制网作为将100多万节车厢改装成电控气动刹车系统的最佳方案。纽约城市运输管理局和新泽西州运输管理局已确定Lon Works网络为铁路车厢控制网络的标准。世界各地的运输业公司都正在将Lon Works网络用于急救车、活动住房车、铁道路口信号和栅栏等系统中。

    在家电市场，电子工业协会（EIA）的集成家用系统（IHS）技术委员会正在计划最终建立一个基于Lon Works技术的全新家用控制网络标准EIA709。

    在加油站系统中，国际加油站标准论坛（IFSF）已把Lon Works技术选定为加油站通信标准。欧洲的加油站使用Lon Works网络来控制泵、油罐计量、电子信号、轿车清洗、付款终端、照明、保安和制冷等服务。

    由此可见，Lon Works技术已深入到很多领域，在新一代自动化控制系统中占有重要的地位。图1展示了在一个生产车间中采用Lon Works监控网络的情况。

图1 在生产车间中采用Lon Works监控系统

    3、Lon Works 技术的优点

    Lon Works是唯一涵盖全部三个层次（Sensor Bus、Device Bus和Field Bus），符合ISO/ OSI7层参考模型的现场总线技术。在一个多种层次的现场总线产品并存竞争的现实环境下，Lon Works兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面向未来的工业总线技术。另外，LONWORKS技术的另一个特点是无行业限制。它不是针对某特定应用领域而设计，所以智能设备/系统，智能仪器/仪表，智能I/O模块，智能控制器等等，都可以使用这一技术。

    Lon Works技术的核心是神经元芯片(Neuron chip)，它由美国摩托罗拉公司和日本东芝公司生产，有以下几个特点：

• Lon Works技术的基本元件--Neuron芯片，同时具备了通信与控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七层通信协议，以及34种常见的I/O控制对象。
• 改善了CSMA，Lon Works称之为Predictive P-Persistant CSMA。这样，在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪。
• 网络通信采用了面向对象的设计方法，Lon Works技术将其称之为"网络变量"。使网络通信的设计简化成为参数设置。这样，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。
• Lon Works技术的通信的每帧有效字节可以从0到228个字节。
• Lon Works技术的通信速度可达1.25MBps（此时有效距离为130M）。
• Lon Works技术一个测控网络上的节点数可以达到32000个。
• Lon Works技术的直接通信距离可以达到2700m（双绞线，78KBps）。
• 针对不同的通信介质有不同的收发器和路由器。
• 有LON-WEB网关，可以连接INTERNET。

    4、技术核心

    Lon Works技术的核心是神经元芯片(Neuron Chip)。它是由美国Echelon公司研制的一种集通信、控制、调度和I／O支持为一体的高级VLSI器件。并只受权由美国MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生产。通过对硬件和固件（firmware）的有机结合，芯片可以提供Lon Works网络节点需要的所有关键功能。即处理所有Lon Talk通信协议消息，传感信号输入和控制信号输出，存储和安装指定的参数及程序，实现各种应用功能等。

    神经元芯片内部含有3个8位流水线作业的微处理器（CPU）。其中处理器1＃为介质访问控制处理器（media　access　control），它控制Lon Talk七层协议中的第1层物理层和第2层数据链路层，并可以驱动通信子系统的硬件来完成冲突避免算法。处理器1＃通过共享存储器中的网络缓冲区与处理器2＃通信。处理器2＃为网络处理器（network），它控制网络协议中的第3层到第6层（网络层、运输层、会话层和表示层），可完成网络变量进程、编址、处理事项进程、报文鉴定、软件定时器、网络管理和路由寻址等功能。处理器2＃使用共享存储器中的网络缓冲区与处理器1＃通信，使用应用缓冲区与处理器3＃通信。处理器3＃为应用处理器（application），它实现网络协议中的第7层应用层，执行用户代码和用户代码调用的操作系统来进行工作，大部分应用程序的编程语言为Neuron　C。处理器3＃使用共享存储器中的应用缓冲区与处理器2＃通信。除应用层需由用户编程外，其余6层都由固件来完成。所谓固件就是固化在芯片内（或芯片外）ROM中的有关通信协议的软件。用户可以完全不必关心网络底层的事情，例如网络介质访问控制等等，这些都由处理器1＃和处理器2＃自动完成。神经元芯片内3个处理器功能如图2所示。[page]

图2 神经元芯片处理器功能

    神经元芯片的3个处理器都拥有自己的寄存器集。同时共享数据和地址ALUs以及存储访问电路。每个CPU的最小周期为3个系统时钟周期，每个系统时钟周期为2个输入时钟周期，3个处理器的最小周期之间间隔一系统时钟周期，因而每个处理器在每个仪器周期（22个输入时钟周期）内可访问存储器和ALUs一次。这样就减少了硬件而并不影响功能。

    当芯片工作在最大时钟频率（10MHz）时，外存的响应时间应不大于90ns，随着输入时钟频率的降低，对外存响应时间的要求也随之降低。可选择的时钟频率有10MHz、5MHz、2.5MHz、1.25MHz、625kHz。必须让使能时钟（enable clock）周期与系统时钟周期一致，为输入时钟周期的1／2。当数据在神经元芯片和外存之间传输时， 为低，所有存储器包括内部和外部的，都可被任一个处理器在仪器周期的相应阶段访问，存储总线一次只能被一个处理器使用。

    在神经元芯片中有2个16位的定时器／计数器单元，其中第一个字时器／计数器单元输入可在IO4～IO7中选择，而输出在IO0。第二个定时器／计数器单元输入在IO4，输出在IO1。若定时器／计数器只用作输入信号，则IO0和IO1可作它用。定时器／计数器的时钟和使能输入可从外部引脚输入，也可将系统时钟分频后输入，两个定时器／计数器的时钟频率相互独立。外部时钟的作用可选择在脉冲的上升沿和下降沿。在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I / O等。 神经元芯片通过5只引脚（CP0～CP4）与各种通信介质接口即网络收发器连接。通信接口可以在3种模式下工作，即单端模式、差分模式和特殊模式。

    神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成Watchdog、多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息(包括RAM中的信息) 不会改变。一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。其内部还有一个最高1.25 M bps、独立于介质的收发器。由此可见,一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能, 更集采集、控制于一体。在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。
   
    5、应用举例

    电信部门的通信基站往往担负着很重要的通信任务，为保障各种通信设备的正常不间断运行，对供电系统和环境的要求就非常高，随着邮电通信部门朝机房无人值守化方向的发展，对动力与环境实现自动化监控成为必然的趋势。相对一般的楼宇建筑，电信部门的通信基站有设备种类多，设备更专业化、更复杂的特点，这给监控系统的实施带来了更大的难度。如何根据通信基站的特点，选择合理的系统方式和监控技术，是该行业用户和系统开发者都非常关注的问题。

    鉴于通信基站的动力环境监控是一种特殊的楼宇监控，加之Lon Works技术本身所具有的诸多特点和优势，选定了Lon Works作为动力环境监控系统的现场网络技术。下面让我们通过一个系统实例来看看如何利用这一新技术来构筑通信基站的动力环境监控系统。

    上海市长途电信局的七宝卫星地面通信站动力、环境监控系统项目是以Lon Works技术为基础。该项目要求对通信站内的高压二次回路、电容补偿柜、低压配电柜、UPS、电池组、专用空调、柴油发电机等对象进行实时信号采集和部分操作控制，一旦发现数据或状态异常，迅即发出报警(屏幕提示与声音告警)，并对各种事件和操作信息进行存储，随时查询，按用户要求生成各种报表。

    监控系统由三部分组成：信号转换子系统、Lon Works采集控制网络、上位监控PC子系统。
   
    各部分相互关系如下：

    系统中Lon Works现场网络由三类节点组成：

    1) 模拟量采集节点

    主要由NEURON芯片、TP/FT-10自由拓扑收发器、程序存储器、串行A/D芯片等组成。可完成24路模拟量信号的数-模转换，采样分辨率为10位。

    2) 开关量采集节点

    主要由NEURON芯片、TP/FT-10自由拓扑收发器、程序存储器、移位寄存器等组成。可接24路开关量输入，信号全部采用光电隔离。

    3) 通信协议转换节点

    在ECHELON公司的可编程的串行网关PSG/2的基础上进行二次开发，分别将Sampsion柴油发电机、Liebert专用空调、蓄电池监测仪的串行通信协议转换到Lon Talk网络协议，利用此种形式可将各种不同的智能设备都联结到Lon Works网络，达到系统集成的目的。

    系统内所有节点之间均用一对双绞线进行连接，采用自由拓扑结构，节点间的最大距离可达500米，完全可以适应一般通信基站内的情况，如需要更远距离的连接，则可采用总线拓扑结构(可达2700米)，或采用加入重发器的方法。

    在上位PC机部分，采用可编程的串行网关PSG/2作为Lon Works网络接口，将Lon Talk协议转换为串行通信，与上位监控机相联。这样通过监控机将Lon Works网络集成到计算机局域网(LAN)，在LAN上则采用TCP/IP网络协议进行更高一级的系统集成。
   
    6、发展前景

    随着现场设备功能逐渐增强，现场设备之间，以及现场设备与MES、ERP层之间需要进行交换的数据量成倍增加。加之现在有了现场设备要内置Web 服务器并以网页形式与外界沟通信息的需求，互联网技术成为现场总线技术发展的新亮点

    通信非确定性是互联网技术进入控制领域的最大障碍。　正是快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网通信的非确定性带来了希望，使这一应用成为可能。

    Lon works/Ethernet网络系统中的关键设备是i.LON 1000。 它取代了传统的网关设备而成为连接Lon works和以太网的桥梁。i.LON 1000具有自己的IP地址，其一端挂接在以太网上，另一端挂接在Lon works控制网段上。它还可以作为网络服务器向Internet发布设备的实时信息，任何一个标准的网络浏览器都可以通过IP对其进行访问。

    Lon works系统中一个节点的应用程序可以根据它从其他设备中获得的有关系统信息作出自己的控制决策，以构成基于信息的控制系统。

    互联网技术已深深影响了控制网络通信技术的发展，我国在开发自己的现场总线技术与产品时应充分注意到这一技术的发展趋势。但人们也应该清醒地看到，控制网络通信有其本身的特点，并非是照搬互联网技术就可以完全替代的，需要发展适合自控应用需求的工业数据通信与网络技术。
   
    参考文献

    [1] 吴礼雄。Lon Works 现场总线的一种应用方法。http://www.loncontrol.com/doc.htm
    [2] 张庆汉　陈懿。Lon Works：一种全新的现场总线。http://rony.4y.com.cn/fieldbus/1126.htm
    [3] 周艾钧。利用Lon Works技术实现通信基站的动力环境监控。http://rony.4y.com.cn/fieldbus/fieldbus.html
    [4] 阳宪惠。互联网技术对现场总线技术发展的影响。http://www.gongkong.com/tech/detail.asp?id=19673
    [5] 王俊杰，张伟，谢春燕。“LonWorks技术及其应用”讲座 第2讲　神经元Neuron芯片。自动化仪表1999　Vol.20　No.7　1999
    [6] 白焰，吴鸿，杨国田。分散控制系统与现场总线控制系统——基础、评选、设计和应用。中国电力出版社
    [7] 阳宪惠。现场总线技术及其应用。清华大学出版社