基于LonWorks技术的现场控制系统

摘　要：介绍了LON现场总线，并构建了一个基于LonWorks技术的现场控制系统。
关键词：现场总线　LonWorks　LonTalk协议

Field Bus Control System Based on LonWorks Technology

Lai Hao,et al
P.O.Box 278 Da Lian University of Technology，Da Lian 116023

Abstract　The article introduces the LON field bus and constructs a control system based on LonWorks technology.
Keywords　field bus，LonWorks，LonTalk protocol

1　现场总线与LON总线综述
　　现场总线（Field Bus）是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，它是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。它用数字信号完全取代了4～20mA信号，把控制、报警、计算及其他功能分散到现场，能够实现各制造商产品的相互操作，并且价格低廉，满足了人们对造价低廉而又适合工业现场环境的通信系统的需求，因此在工控领域倍受关注。
　　美国Echelon公司推出的LON总线属于现场总线的范畴，它采用OSI全部七层协议，是开放式的、直接面向对象的网络协议（LonTalk协议）。核心采用神经元芯片，内含三个8位处理器，一个负责介质访问控制，一个负责网络处理，第三个负责应用处理。采用专门的网络收发器使物理层可以使用多种介质，如双绞线、无线及低压电源线载波等等。LON总线在网络开放性和网络互操作性等网络处理能力方面具有很大的优势。目前，LON总线是在国际上，尤其是北美和欧洲，使用最为广泛的现场总线。
2　基于 LonWorks技术的现场控制系统
　　基于 LonWorks技术的现场控制系统由LonWorks节点和路由器、LonWorks协议、LonWorks收发器、LonWorks网络管理这几个部分构成。图1为LON总线构成的一个现场网络。

2.1　LonWorks节点和路由器
　　LonWorks节点可以采用以神经元芯片为核心的方式，也可以采用神经元芯片加主处理器的方式。神经元芯片是一个复杂的VLSI器件，它集成了三个CPU，其中一个作为控制器，可以处理现场I/O和现场控制；另两个处理网络通信。因此一个神经元芯片加上收发器便可以构成一个现场控制节点，如图2所示。但是神经元芯片是8位总线，目前支持的最高主频为10MHz，它所能完成的功能有限，因此也可以把神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能的主处理器完成复杂的测控功能，如图3所示。

　　路由器是LON总线中一个重要的组成部分，也是其他总线所不具备的。它使现场总线不再受通信介质、通信距离和通信速率的限制。
2.2　LonTalk协议
　　LonTalk是ISO组织制定的OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集。
2.2.1　LonTalk协议的网络地址结构
　　网络地址结构有域（Domain）、子网（Subnet）、节点（Node）这三层结构。
　　第一层结构是域。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。不同应用的节点共存在同一通信介质中时，不同的域的区分可以保证它们的应用完全独立，彼此不会受到干扰。
　　第二层结构是子网。每一个域最多有255个子网。一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组，子网层的智能路由器可以实现子网的数据交换。
　　第三层结构是节点。每个子网最多有127个节点，所以一个域最多有32385个节点。任一节点可以分属一个或两个域，允许一个节点作为两个域之间的网关，也允许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。
　　节点也可以被分组，一个组（Group）可以在一个域中跨越几个子网，或几个通道。在一个域中最多有256个组，每一个组中需要应答服务的节点最多有64个，而无应答服务的节点个数不限，一个节点可以分属15个组去接收数据。分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。
　　每一个神经元芯片有一个唯一的48位Neuron ID地址，这个Neuron ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，作为产品的序列号。一般只在网络安装和配置时使用。
　　LonTalk中，通道（物理上能独立发送报文的一段介质）不影响网络的地址结构，域、子网和组都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间通过桥接器（Bridge）来连接。
2.2.2　冲突检测和优先级
　　LonTalk协议MAC子层采用带预测的P-坚持CSMA协议。带预测的P-坚持CSMA协议对所有节点都根据网络积压参数等待随机时间片来访问介质，有效地避免了网络频繁碰撞。每一个节点发送前随机插入0到W个随机时间片，W则根据网络积压参数（BL）进行动态调整。BL值是对当前网络繁忙程度的估计，每一个节点都有一个BL值。带预测的P-坚持CSMA允许网络在轻负载的情况下，插入的随机时间片较少，节点发送速度快，而在重负载的情况下，BL值增加，插入的随机时间片较多，则可以有效避免碰撞。
　　MAC层中提供一个可选择的优先级机制。该机制允许用户在一个特定的通道上为有优先级的节点指定时间片，在一个通道上的优先级时间片为每一个报文的传输增加时间，因此具有优先级的节点的反应时间比没有优先级的节点短。
2.2.3　LonTalk报文服务
　　LonTalk协议提供四种报文服务：确认服务、请求/应答方式、非确认重发方式和非确认方式。确认服务是最可靠的服务方式，发送者必须收到每个接受节点的确认信号，否则重发。请求/应答方式也要求发送者必须收到每个接受节点的确认信号，并且适用于远程调用或客户服务器。非确认重发方式中，报文向一个或一组节点传送多次，而不等待应答信号，适合于向节点数比较多的组进行广播传送。非确认方式不等待接受节点的应答信号，适合于对网络的效率要求很高，而网络的带宽有限，对于报文的丢失不敏感的应用。
2.2.4　LonTalk网络变量
　　网络变量是LonTalk协议中的数据项，用关键字Network定义，网络变量对在同一个网络中的其他节点是透明的，对输出网络变量进行赋值操作时，就可引发发送事件，定义了相同网络变量的其他节点均可收到。LonTalk协议定义标准网络变量类型（SNVT）来实现应用之间的兼容，标准网络变量类型定义了变量的单位、数值、范围和分辨率。
2.3　LonWorks收发器
　　LON总线的一个重要特点就是它对多通信介质的支持。它可以根据不同的现场环境选择不同收发器和介质。
2.3.1　双绞线收发器
　　双绞线是使用最广泛的一种介质，LON总线对双绞线的支持主要有三类收发器：直接驱动、RS－485和变压器耦合。直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发器，同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和ESD保护。直接驱动方式适合网络上的所有节点在同一个大设备中，使用同一个电源。直接驱动收发器最高通信速率为1.25Mbps。RS－485接口是现场总线中经常使用的电气接口。LonWorks建议使用的RS－485的通信速率为39kbps,最多为32个节点，最长距离为660米。变压器耦合接口能满足系统的高性能、高共模隔离要求，同时具有噪声隔离的作用。LON总线中使用最广泛的收发器为FTT－10自由拓扑收发器。FTT－10收发器包含一个隔离变压器和一个曼切斯特编码器，采用厚膜电路集成在一个芯片中。
2.3.2　电源线收发器
　　通信线和电源线共用一对双绞线，所有节点通过一个48V中央电源供电，对于电力资源匮乏的地区具有非常重要的意义，布线上也可以节约一对双绞线。电源线收发器采用直流供电，可以和变压器耦合的双绞线直接互连。
2.3.3　电力线收发器
　　电力线收发器将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线上，或是没有电力的金属线上。利用已有的电力线进行数据通信，减少了通信中的繁琐布线。LonWorks 针对电力线通信的问题提供的技术包括短报文纠错技术、动态调整收发器灵敏度算法和三态电源放大/过滤合成器等。
2.3.4　无线收发器
　　LonWorks使无线收发器在很宽的频率范围可供使用。无线收发器要求神经元芯片的通信口设置为单端模式，速率为4800bps。
2.3.5　光纤收发器
　　通常使用的光纤收发器通信速率为1.2Mbps，最长通信距离为3.5公里，采用LonWorks标准的SMX收发器接口，每个收发器包含两路独立光纤端口。
2.4　网络管理
　　LON总线中，单个节点建成后，节点之间需要互相通信，需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，还需要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来；网络建成后，还需要对其进行维护；网络系统还需要上位机能随时了解网络所有节点的网络变量和显示报文的变化情况。总之，网络管理的功能主要是网络安装、网络维护、网络监控及网络诊断。
　　网络管理和诊断的主要报文有24种，如报文“读存储器”，其方向是网络管理器节点，目的是读节点的存贮单元；报文“取标准网络变量”， 其方向是网络管理器节点，目的是检索标准网络变量表，取节点的标准网络变量表的信息。
　　LNS是LON总线产品，它提供给用户强大的客户/服务器构架，是LON总线的可互操作性基础。LNS构架包括路由器设备、应用节点和系统级设备（网络管理、网络监控、SCADA站和人机界面等）。
　　网络服务器提供一个网络数据库，可以通过它对网络上的节点和路由器进行网络管理。

作者简介：妇，23岁，硕士研究生，主要研究领域，计算机网络，数据库技术

作者单位：大连理工大学278信箱　大连　116023

参考文献

收稿日期：1999-01-06