Lonworks总线论文资料.pdf
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1、Lonworks 总线论文 姓名: 学号: 系别: 班级: Lonworks 现场总线简介 LonWorks是一个由埃施朗公司所开发的网络控制平台,使用的 通讯协定是埃施朗公司开发的LonTalk,传输媒介可以是双绞线、电 力线、光纤及无线电。LonWorks 可用在智能建筑中的许多自动化机 能,例如暖通空调( HVAC )及照明控制。在2010 年时已有 9 千万个 设备使用 LonWorks网络技术。 LonWorks网络技术目前由 LonMark协 会(LonMark International)维护。 LonWorks系统的许多技术都是源自埃施朗公司,包括芯片设计、 双绞线及电力线的通
2、讯、 LonTalk 通讯协定、路由器、网络管理软件 等。在 1999 年其通讯协定 LonTalk 提交给 ANSI认可,成为控制网络 的标准 ANSI/CEA-709.1-B。其双绞线及电力线的通讯也成为ANSI的 标准。 此后, ANSI/CEA-709.1 成为许多标准的基础,例如用在火车控 制的 IEEE 1473-L 、美国铁路协会( AAR )针对货运列车的电动气动 刹车系统、欧洲的加油站控制协会IFSF(IFSF) 、国际半导体和材料 (SEMI )等。在 2005 年时 LonWorks系统成为欧洲智能建筑标准EN 14908。LonTalk 协定也是美国冷冻空调协会(ASH
3、RAE)定义的智能 建筑通讯协定 BACnet中,六种资料连结层及物理层中的一种。 中国将 LonWorks技术成为国家标准GB/Z 20177.1-2006 及智能 建筑标准 GB/T 20299.4-2006 。2008 年时国际标准化组织( ISO)及 国际电工委员会( IEC)将其通讯协定、双绞线信号技术、电力线信 号技术及以太网路协定(IP)标准化,编号为ISO/IEC14908-1, -2, -3, 及-4 。 LonTalk?协议 所有 LonWorks 设备之间的相互通讯都采用了一种称为LonTalk 的底层协议,它固化在每一个LonWorks设备的神经元新片( 3120) 中
4、或片外存储器中( 3150) 。Echelon 公司于 1999 年 10 月 26 日为这 个协议发布了一个能够用在任何处理器上的可下载的参考例子代码 软件。LonTalk 协议已经被 ANSI (美国国家标准协会)正式采纳为标 准:EIA/CEA-709.1-A-1999 。图为采用 LonWonks 技术开发的监控 网络模型,在每一个节点上都含有神经元芯片。 LonTalk 协议支持 使用一种称为 Neuron C 的语言进行编程,并通过网络变量进行节点 之 间 的 逻 辑 安 装 , 这 是 一 种 面 向 对 象 的 开 发 和 设 计 方 法 。 国际 LonMark?互操作协会控
5、制领域中正在进行一场 开放式、互可操作性的革命。现在,存在这样一个机构担 负着领导、制订互可操作性标准的职责。这个机构就是 LonMark 互可操作性协会。从LonMark 协会的成员名录中 你可以发现, LonMark 协会的会员不仅包括致力于开放技 术创新的制造商,而且还有最终用户、设备规格制订商以 及推动实现系统的系统集成商。 LonMark协会的任务,是使人们能使用标准工具和部件,能方便 地将基于 LonWorks技术的,由多个销售商供应的产品来组成一个开 放的系统。今天,已有 3500 余公司使用 Echelon 公司的 LonWorks技 术平台向大楼、家庭、工业、电信业、运输业和
6、其他产业提供开放式 系统的解决方案。 在全世界,目前已安装了 2400多万件基于 LonWorks技术的设备。 协会为会员公司设立一个开放性的论坛,使它们能在营销和技术计划 上进行合作, 从而为客户提供基于LonMark标准的开放式的、 互可操 作的解决方案。 LonMark协会有 3 个主要功能: 推广作为开放式、互可操作解决方案的LonMark产品和系统。 推荐基于 LonWorks的互可操作设备的设计准则。 认证符合 LonMark互可操作性标准的产品。 协会制订、推行技术设计准则, 协助制造商制造以Echelon 公司 LonWorks 技术平台为基础的互可操作的LonMark 产品。
7、经过认证且 符合 LonMark 互可操作性标准的产品有资格使用LonMark 标志。 LonMark标志是一个标志,说明一件产品已完成性能测试,确认是可 以用于在 LonWorks网上并可互操作的。 好处 LonMark产品向最终用户、系统集成商和设备规格制订商提供开 放式、互可操作的,由多个制造商的产品组成的系统,这会带来如下 好处: 可选择销售商; 可使用第 3 方工具; 简便地集成; 方便地扩大和改变系统; 降低安装成本; 过去一些地方的最终用户, 会被限定在单一制造商耗时和昂贵的 服务和升级协议上。现在, 如果他们使用 LonMark设备组建控制系统, 他们就能从多个产品制造商处挑选
8、最适合他们需要的设备,而且,这 些设备很易于集成。 国内外研究现状 如今, lonworks这一称呼已和现场总线合并,下面介绍一下这 一技术国内外研究的现状。 在 40 年代, 过程控制是基于315PSI 的气动标准信号。其后 , 由于 420mA模拟信号的使用 , 使得模拟控制器得到了广泛应用, 但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的420mA信号 (如使用 010V等)。70 年代, 由于在检测、模拟控制和逻辑控制领 域率先使用了计算机 , 从而产生了集中控制。进入80 年代, 由于微 处理器的出现 , 促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代, 4 20mA模拟信号传输逐步被数字化
9、通信代替, 加之分布式控制以及网 络技术的迅速发展 , 促进了控制、调动、优化、决策等功能一体化的 发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接, 其 传送方式是一对一结构, 这使得接线复杂 , 工程费用高 , 维护困难 , 而信号传输精度底, 易受干扰 , 仪表互换性差 , 这都阻碍了上层系 统的功能发挥。另一方面 , 由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟 仪表, 如对量程和零点进行远方设定, 仪表工作状态实现自诊断, 能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见 , 智能仪表和控 制系统的发展 , 都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。 为了解决上层系统与现场仪表之间数字通信
10、问题, 80年代初现 场总线技术问世。 1984 年美国仪表学会 ISA 开始制定 ISA?SP50现场 总线标准。 1986 年德国开始制定过程现场总线Profibus,1990年完 成了 Profibus的制定 , 1994 年又推出了用于过程自动化的现场总线 Profibus- PA 。1986年由 Rosemount 提出 HART 通信协议 , 它是在 4 20mADC 模拟信号上迭加FSK数字信号 , 即可以用作 420mA模拟 仪表, 也可以用作数字通信仪表。显然, 这是现场总线的过渡性协 议。1992年由 Siemens、Foxboro、Yokogawa 、ABB等公司成立 I
11、SP(互 可操作规划组织 ), 以 Profibus为基础制定现场总线标准 , 1993年 成立了 ISP 基金会 ISPF。1993年由 Honeywell、Bailey 等公司牵头 成立了 WorldFIP, 约 120 多个公司加盟 , 以法国 FIP 为基础制定现 场总线标准。由于标准众多 , 又代表各大公司利益 , 致使现场总线标 准化工作进展缓慢。 1994 年, 世界两大现场总线组织ISPF 和 WorldFIP 合并, 成立了现场总线基金会(FieldbusFoundation), 总 部设在美国 Texas 州的 Austin 。FF 聚集了世界著名的仪表、DCS和 自动化设
12、备制造厂商、 研究机构和最终用户 , 现有成员 120 余家。目 前各大公司都已按照FF协议开发自己的产品 , 一旦 FF协议正式颁布 , 各公司将立即拿出产品投放市场。FF 的成立, 给现场总线的发展注 入了新的活力。 中国冶金部自动化研究院在1995 年 4 月参加了 FF, 1996年 4 月 华远自控公司也参加了FF。与此同时 , 在不同行业还陆续派生出一 些有影响的总线标准。 它们大都在公司标准的基础上, 逐渐形成 , 并 得到其他公司、厂商、用户以及国际组织的支持。如德国BOSCH 公司 推出 CAN 、美国 ECHELON 公司推出的 LonWorks等。LonWorks现场总
13、线采用了ISO?OSI 模型的全部七层通信协议, 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, 其通信速率 从300bit?s 1. 5Mbit?s 不等, 直接通信距离可达 2700m(78kbit?s, 双绞线 ); 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等 多种通信介质 , 并开发了相应的本质安全防爆产品, 被誉为通用控 制网络。 LonWorks 技术所采用的LonTalk 协议被封装在称之为 Neuron的神经元芯片中而得以实现。 集成芯片中有 3 个 8 位 CPU, 一 个用于完成开放互连模型中第1层和第 2层的功能 , 称为网络处理器 ,
14、 进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络 管理, 并负责网络通信控制 , 收发数据包等。第3 个是应用处理器 , 执行操作系统服务与用户代码。 芯片中还具有存储信息缓冲区, 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。 现场总线在我国刚刚起步, 应该根据国民经济发展和市场需求, 结合现场总线特点和我国国情, 从长远出发确定现场总线的发展战 略。积极与国外现场总线基金会建立联系, 利用现场总线开放性的特 点, 以较低代价 , 获取国外的最新技术信息 , 掌握国外成熟技术。 清 华大学自动化系现场总线系统集成实验室已将费希尔- 罗斯蒙特公 司的基金会现
15、场总线和PlantWeb 结构的控制系统作为集成实验系统 的重要组成部分 , 与其它现场总线网络、局域网、Internet 等互连 为一体。这是国内运行的第一套通过现场总线基金会认证的仪表及系 统。随着基于现场总线技术的全开放控制系统的诞生, 将开辟过程控 制的新纪元 , 对传统的控制系统结构带来革命。 据英国敏思管理咨询公司(IMS)对工业通信中国市场的调查报 告看,截至 2008 年在我国已安装现场总线和工业以太网的节点估计 为 1166.75 万个,其数量可以说是够庞大的。其中按通信协议来分: Profibus占 24.2% (282.7 万个) 、 CC-Link 占 11.16% (
16、130.31 万个) 、 DeviceNet 占 9.75% (113.83 万个) 、FF占 1.67%(19.58 万个) 。显 而易见, 工厂自动化用现场总线的任一个协议 (如 Profibus 、 CC-Link、 DeviceNet 等) ,它们已安装的节点数要比过程控制用现场总线(如 FF)高整整一个数量级。 Lonworks 技术展望 1. 现场总线网络的实现 现场总线的基础是数字通信, 通信就必须有协议 , 从这个意义 上讲, 现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。国际标 准化组织 (ISO) 的开放系统互联 (OSI) 协议, 是为计算机互联网而制 定的七层参考模型
17、, 它对任何网络都是适用的, 只要网络中所要处 理的要素是通过共同的路径进行通信。目前, 各个公司生产的现场总 线产品没有一个统一的协议标准, 但是各公司在制定自己的通信协 议时, 都参考 OSI七层协议标准 , 且大都采用了其中的第1 层、第 2 层和第 7 层, 即物理层、数据链路层和应用层 , 并增设了第 8 层用户 层。 1. 1 物理层 物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及 机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式:Manchester 和 NRZI, 前 者同 步 性 好 , 但 频 带 利用 率 低 , 后者 刚 好 相反 。 Manchester 编
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