Lon Works技術(shù)縱橫談

眾所周知，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(或稱為測(cè)控系統(tǒng))正在向分布式和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，分布式監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即通常所說(shuō)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。目前有多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并存，并在不同的應(yīng)用領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用，如在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，美國(guó)Echelon公司推出的Lon Works總線技術(shù)就得到了大量應(yīng)用，并很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)。Lon Works技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。

1、發(fā)展歷史

Lon Works是局部操作網(wǎng)絡(luò)（Local Operating Network）的縮寫。它是由美國(guó)Echelon公司研制、于1990年正式公布的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其最高通信速率為1.25Mbps（通信距離不超過(guò)130m），最遠(yuǎn)通信距離為27000m（通信速率為78Kbps），節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)32000個(gè)。網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等。

Lon Works的信號(hào)傳輸采用可變長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)。每幀的有效字節(jié)可由0～288個(gè)。Lon Works所采用的Lon Talk通信協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經(jīng)元芯片中。芯片中有3個(gè)8位CPU，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)ISO/OSI模型中的第1層和第2層的功能，稱為媒體訪問(wèn)控制處理器；第二個(gè)用于完成3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器；第三個(gè)對(duì)應(yīng)于第7層，稱為應(yīng)用處理器。芯片中還具有信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。

Lon Work技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷的幾個(gè)重要階段如下：

• 1990年，發(fā)明Lon Works技術(shù)，Lon Talk協(xié)議
• 1993年，Lon Mark互操作協(xié)會(huì)成立
• 1997年，LNS網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)架構(gòu)
• 1998年，協(xié)議成為ANSI/EIA-709.1標(biāo)準(zhǔn)
• 2001/2002年，Lon Works/IP路由技術(shù)PLT-22電力線以及雙絞線成為ANSI/EIA-790.2/3標(biāo)準(zhǔn)
• 2002年，第3代工具-NodeBuilder3

2、應(yīng)用領(lǐng)域

Echelon公司于90年代初在美國(guó)推出Lon Works技術(shù)后即引起轟動(dòng)。隨后，Lon Works技術(shù)的用戶、系統(tǒng)集成商和OEM產(chǎn)品生產(chǎn)商的隊(duì)伍迅速擴(kuò)大，其中包括世界上許多著名的自動(dòng)化廠商如Honeywell， Johnsen Controls， ABB， Philips， Yokogawa， HP等。截止到1997年的統(tǒng)計(jì)，已有2500家生產(chǎn)廠商生產(chǎn)和使用Lon Works產(chǎn)品，已有500萬(wàn)個(gè)Lon Works節(jié)點(diǎn)在使用運(yùn)行。已有3500種Lon Works OEM產(chǎn)品問(wèn)世，其中30%～40%應(yīng)用在工業(yè)方面。而Lon Works技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域在樓宇自動(dòng)化（building automation）方面，它包括建筑物監(jiān)控系統(tǒng)的所有領(lǐng)域，即入口控制、電梯和能源管理、消防／救生／安全、照明、供暖通風(fēng)、測(cè)量、保安等等。在建筑業(yè)中，Lon Works協(xié)議中的介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC層），即七層協(xié)議中的第一、二層已被美國(guó)供暖、空調(diào)和制冷工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）接納為建筑自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)（BACnet）的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所采納。在歐洲，Lon Works協(xié)議被認(rèn)為是歐洲標(biāo)準(zhǔn)CENTC247和CENTC205的一部分。在工業(yè)控制領(lǐng)域，根據(jù)自動(dòng)化研究協(xié)會(huì)（ARC）和風(fēng)險(xiǎn)開發(fā)協(xié)會(huì)（VDC）的獨(dú)立研究，Lon Works網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是工業(yè)傳感器和設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者。Lon Works網(wǎng)絡(luò)取消了那些復(fù)雜的配線約束，取消了PLC和PC，將控制分散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上去，在半導(dǎo)體制造工廠、氣體壓縮站、石油儲(chǔ)罐區(qū)、石油和水泵站、印染廠、造紙廠等應(yīng)用領(lǐng)域都占有重要的地位。

世界上有超過(guò)半數(shù)的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家安裝了Lon Works控制網(wǎng)絡(luò)，在通過(guò)嚴(yán)格的考察之后，半導(dǎo)體設(shè)備材料國(guó)際（SEMI）最后選擇了Lon Works協(xié)議作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的傳感器總線標(biāo)準(zhǔn)之一。

美國(guó)國(guó)家航天航空總署（NASA）控制的AGATE工業(yè)協(xié)會(huì)選擇Lon Works協(xié)議作為下一代民用飛行器標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

美國(guó)鐵路運(yùn)輸聯(lián)盟選擇Lon Works控制網(wǎng)作為將100多萬(wàn)節(jié)車廂改裝成電控氣動(dòng)剎車系統(tǒng)的最佳方案。紐約城市運(yùn)輸管理局和新澤西州運(yùn)輸管理局已確定Lon Works網(wǎng)絡(luò)為鐵路車廂控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。世界各地的運(yùn)輸業(yè)公司都正在將Lon Works網(wǎng)絡(luò)用于急救車、活動(dòng)住房車、鐵道路口信號(hào)和柵欄等系統(tǒng)中。

在家電市場(chǎng)，電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）的集成家用系統(tǒng)（IHS）技術(shù)委員會(huì)正在計(jì)劃最終建立一個(gè)基于Lon Works技術(shù)的全新家用控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)EIA709。

在加油站系統(tǒng)中，國(guó)際加油站標(biāo)準(zhǔn)論壇（IFSF）已把Lon Works技術(shù)選定為加油站通信標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的加油站使用Lon Works網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制泵、油罐計(jì)量、電子信號(hào)、轎車清洗、付款終端、照明、保安和制冷等服務(wù)。

由此可見，Lon Works技術(shù)已深入到很多領(lǐng)域，在新一代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中占有重要的地位。圖1展示了在一個(gè)生產(chǎn)車間中采用Lon Works監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的情況。

圖1 在生產(chǎn)車間中采用Lon Works監(jiān)控系統(tǒng)

3、Lon Works 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

Lon Works是唯一涵蓋全部三個(gè)層次（Sensor Bus、Device Bus和Field Bus），符合ISO/ OSI7層參考模型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在一個(gè)多種層次的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品并存競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，Lon Works兼收并蓄，成為連接過(guò)去、包容現(xiàn)在、面向未來(lái)的工業(yè)總線技術(shù)。另外，LONWORKS技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是無(wú)行業(yè)限制。它不是針對(duì)某特定應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，所以智能設(shè)備/系統(tǒng)，智能儀器/儀表，智能I/O模塊，智能控制器等等，都可以使用這一技術(shù)。

Lon Works技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron chip)，它由美國(guó)摩托羅拉公司和日本東芝公司生產(chǎn)，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

• Lon Works技術(shù)的基本元件--Neuron芯片，同時(shí)具備了通信與控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七層通信協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對(duì)象。
• 改善了CSMA，Lon Works稱之為Predictive P-Persistant CSMA。這樣，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
• 網(wǎng)絡(luò)通信采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，Lon Works技術(shù)將其稱之為"網(wǎng)絡(luò)變量"。使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成為參數(shù)設(shè)置。這樣，不但節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)增加了通信的可靠性。
• Lon Works技術(shù)的通信的每幀有效字節(jié)可以從0到228個(gè)字節(jié)。
• Lon Works技術(shù)的通信速度可達(dá)1.25MBps（此時(shí)有效距離為130M）。
• Lon Works技術(shù)一個(gè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到32000個(gè)。
• Lon Works技術(shù)的直接通信距離可以達(dá)到2700m（雙絞線，78KBps）。
• 針對(duì)不同的通信介質(zhì)有不同的收發(fā)器和路由器。
• 有LON-WEB網(wǎng)關(guān)，可以連接INTERNET。

4、技術(shù)核心

Lon Works技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。它是由美國(guó)Echelon公司研制的一種集通信、控制、調(diào)度和I／O支持為一體的高級(jí)VLSI器件。并只受權(quán)由美國(guó)MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)硬件和固件（firmware）的有機(jī)結(jié)合，芯片可以提供Lon Works網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要的所有關(guān)鍵功能。即處理所有Lon Talk通信協(xié)議消息，傳感信號(hào)輸入和控制信號(hào)輸出，存儲(chǔ)和安裝指定的參數(shù)及程序，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能等。

神經(jīng)元芯片內(nèi)部含有3個(gè)8位流水線作業(yè)的微處理器（CPU）。其中處理器1＃為介質(zhì)訪問(wèn)控制處理器（media　access　control），它控制Lon Talk七層協(xié)議中的第1層物理層和第2層數(shù)據(jù)鏈路層，并可以驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)的硬件來(lái)完成沖突避免算法。處理器1＃通過(guò)共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與處理器2＃通信。處理器2＃為網(wǎng)絡(luò)處理器（network），它控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第3層到第6層（網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層和表示層），可完成網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)程、編址、處理事項(xiàng)進(jìn)程、報(bào)文鑒定、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由尋址等功能。處理器2＃使用共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與處理器1＃通信，使用應(yīng)用緩沖區(qū)與處理器3＃通信。處理器3＃為應(yīng)用處理器（application），它實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第7層應(yīng)用層，執(zhí)行用戶代碼和用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工作，大部分應(yīng)用程序的編程語(yǔ)言為Neuron　C。處理器3＃使用共享存儲(chǔ)器中的應(yīng)用緩沖區(qū)與處理器2＃通信。除應(yīng)用層需由用戶編程外，其余6層都由固件來(lái)完成。所謂固件就是固化在芯片內(nèi)（或芯片外）ROM中的有關(guān)通信協(xié)議的軟件。用戶可以完全不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)底層的事情，例如網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)控制等等，這些都由處理器1＃和處理器2＃自動(dòng)完成。神經(jīng)元芯片內(nèi)3個(gè)處理器功能如圖2所示。