Lon Works技術縱橫談

眾所周知，自動監控系統(或稱為測控系統)正在向分布式和網絡化方向發展，分布式監控系統的關鍵在于其聯網技術，即通常所說的現場總線技術。目前有多種現場總線技術并存，并在不同的應用領域得到了不同程度的應用，如在樓宇自動化領域，美國Echelon公司推出的Lon Works總線技術就得到了大量應用，并很快發展到工業現場網。Lon Works技術為設計和實現可互操作的控制網絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。

1、發展歷史

Lon Works是局部操作網絡（Local Operating Network）的縮寫。它是由美國Echelon公司研制、于1990年正式公布的現場總線網絡。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其最高通信速率為1.25Mbps（通信距離不超過130m），最遠通信距離為27000m（通信速率為78Kbps），節點總數可達32000個。網絡的傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等。

Lon Works的信號傳輸采用可變長幀結構。每幀的有效字節可由0～288個。Lon Works所采用的Lon Talk通信協議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中。芯片中有3個8位CPU，一個用于實現ISO/OSI模型中的第1層和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器；第二個用于完成3～6層的功能，稱為網絡處理器；第三個對應于第7層，稱為應用處理器。芯片中還具有信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。

Lon Work技術發展經歷的幾個重要階段如下：

• 1990年，發明Lon Works技術，Lon Talk協議
• 1993年，Lon Mark互操作協會成立
• 1997年，LNS網絡操作系統架構
• 1998年，協議成為ANSI/EIA-709.1標準
• 2001/2002年，Lon Works/IP路由技術PLT-22電力線以及雙絞線成為ANSI/EIA-790.2/3標準
• 2002年，第3代工具-NodeBuilder3

2、應用領域

Echelon公司于90年代初在美國推出Lon Works技術后即引起轟動。隨后，Lon Works技術的用戶、系統集成商和OEM產品生產商的隊伍迅速擴大，其中包括世界上許多著名的自動化廠商如Honeywell， Johnsen Controls， ABB， Philips， Yokogawa， HP等。截止到1997年的統計，已有2500家生產廠商生產和使用Lon Works產品，已有500萬個Lon Works節點在使用運行。已有3500種Lon Works OEM產品問世，其中30%～40%應用在工業方面。而Lon Works技術最大的應用領域在樓宇自動化（building automation）方面，它包括建筑物監控系統的所有領域，即入口控制、電梯和能源管理、消防／救生／安全、照明、供暖通風、測量、保安等等。在建筑業中，Lon Works協議中的介質訪問控制層（MAC層），即七層協議中的第一、二層已被美國供暖、空調和制冷工程師學會（ASHRAE）接納為建筑自動化控制網絡（BACnet）的標準，同時也被美國國家標準協會（ANSI）制定的有關標準所采納。在歐洲，Lon Works協議被認為是歐洲標準CENTC247和CENTC205的一部分。在工業控制領域，根據自動化研究協會（ARC）和風險開發協會（VDC）的獨立研究，Lon Works網絡被認為是工業傳感器和設備總線網絡市場的開拓者和領導者。Lon Works網絡取消了那些復雜的配線約束，取消了PLC和PC，將控制分散到整個網絡節點上去，在半導體制造工廠、氣體壓縮站、石油儲罐區、石油和水泵站、印染廠、造紙廠等應用領域都占有重要的地位。

世界上有超過半數的半導體生產廠家安裝了Lon Works控制網絡，在通過嚴格的考察之后，半導體設備材料國際（SEMI）最后選擇了Lon Works協議作為半導體生產的傳感器總線標準之一。

美國國家航天航空總署（NASA）控制的AGATE工業協會選擇Lon Works協議作為下一代民用飛行器標準的一部分。

美國鐵路運輸聯盟選擇Lon Works控制網作為將100多萬節車廂改裝成電控氣動剎車系統的最佳方案。紐約城市運輸管理局和新澤西州運輸管理局已確定Lon Works網絡為鐵路車廂控制網絡的標準。世界各地的運輸業公司都正在將Lon Works網絡用于急救車、活動住房車、鐵道路口信號和柵欄等系統中。

在家電市場，電子工業協會（EIA）的集成家用系統（IHS）技術委員會正在計劃最終建立一個基于Lon Works技術的全新家用控制網絡標準EIA709。

在加油站系統中，國際加油站標準論壇（IFSF）已把Lon Works技術選定為加油站通信標準。歐洲的加油站使用Lon Works網絡來控制泵、油罐計量、電子信號、轎車清洗、付款終端、照明、保安和制冷等服務。

由此可見，Lon Works技術已深入到很多領域，在新一代自動化控制系統中占有重要的地位。圖1展示了在一個生產車間中采用Lon Works監控網絡的情況。

圖1 在生產車間中采用Lon Works監控系統

3、Lon Works 技術的優點

Lon Works是唯一涵蓋全部三個層次（Sensor Bus、Device Bus和Field Bus），符合ISO/ OSI7層參考模型的現場總線技術。在一個多種層次的現場總線產品并存競爭的現實環境下，Lon Works兼收并蓄，成為連接過去、包容現在、面向未來的工業總線技術。另外，LONWORKS技術的另一個特點是無行業限制。它不是針對某特定應用領域而設計，所以智能設備/系統，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。

Lon Works技術的核心是神經元芯片(Neuron chip)，它由美國摩托羅拉公司和日本東芝公司生產，有以下幾個特點：

• Lon Works技術的基本元件--Neuron芯片，同時具備了通信與控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七層通信協議，以及34種常見的I/O控制對象。
• 改善了CSMA，Lon Works稱之為Predictive P-Persistant CSMA。這樣，在網絡負載很重時，不會導致網絡癱瘓。
• 網絡通信采用了面向對象的設計方法，Lon Works技術將其稱之為"網絡變量"。使網絡通信的設計簡化成為參數設置。這樣，不但節省了大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性。
• Lon Works技術的通信的每幀有效字節可以從0到228個字節。
• Lon Works技術的通信速度可達1.25MBps（此時有效距離為130M）。
• Lon Works技術一個測控網絡上的節點數可以達到32000個。
• Lon Works技術的直接通信距離可以達到2700m（雙絞線，78KBps）。
• 針對不同的通信介質有不同的收發器和路由器。
• 有LON-WEB網關，可以連接INTERNET。

4、技術核心

Lon Works技術的核心是神經元芯片(Neuron Chip)。它是由美國Echelon公司研制的一種集通信、控制、調度和I／O支持為一體的高級VLSI器件。并只受權由美國MOTOROLA和日本TOSHIBA公司生產。通過對硬件和固件（firmware）的有機結合，芯片可以提供Lon Works網絡節點需要的所有關鍵功能。即處理所有Lon Talk通信協議消息，傳感信號輸入和控制信號輸出，存儲和安裝指定的參數及程序，實現各種應用功能等。

神經元芯片內部含有3個8位流水線作業的微處理器（CPU）。其中處理器1＃為介質訪問控制處理器（media　access　control），它控制Lon Talk七層協議中的第1層物理層和第2層數據鏈路層，并可以驅動通信子系統的硬件來完成沖突避免算法。處理器1＃通過共享存儲器中的網絡緩沖區與處理器2＃通信。處理器2＃為網絡處理器（network），它控制網絡協議中的第3層到第6層（網絡層、運輸層、會話層和表示層），可完成網絡變量進程、編址、處理事項進程、報文鑒定、軟件定時器、網絡管理和路由尋址等功能。處理器2＃使用共享存儲器中的網絡緩沖區與處理器1＃通信，使用應用緩沖區與處理器3＃通信。處理器3＃為應用處理器（application），它實現網絡協議中的第7層應用層，執行用戶代碼和用戶代碼調用的操作系統來進行工作，大部分應用程序的編程語言為Neuron　C。處理器3＃使用共享存儲器中的應用緩沖區與處理器2＃通信。除應用層需由用戶編程外，其余6層都由固件來完成。所謂固件就是固化在芯片內（或芯片外）ROM中的有關通信協議的軟件。用戶可以完全不必關心網絡底層的事情，例如網絡介質訪問控制等等，這些都由處理器1＃和處理器2＃自動完成。神經元芯片內3個處理器功能如圖2所示。