|
引言 隨著社會的發展，人們對生活辦公條件要求越來越高，小區監控/智能樓宇自控系統成為了目前的發展方向。傳統的工業控制系統以其高可靠性穩定性逐漸得到民用行業的首肯。網絡成為了人們日常生活中不可缺少的一部分，而工業控制系統的網絡拓展功能也在樓宇控制中得到越來越廣泛的應用。本文介紹傳統工業控制系統中常用的PLC在樓宇控制中的應用。 美國Echelon公司于1991年提出了LonWorks（Local Operating Networks，局部操作網絡）網絡，簡稱L0N網，它標志著控制系統網絡的新紀元。LonWorks是一種完整的、全開放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制網絡技術，眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網絡方案中采用LonWorks技術。到目前為止，全世界已有2500多家公司利用LonWorks技術生產各種各樣的LonWorks產品，以滿足現代化樓宇、工廠、交通運輸系統、城市基礎設施（水、電、氣等）、家庭等環境自動化系統的分布式控制網絡要求。在1995年，LonWorks控制網絡被美國確定為樓宇自動化控制網絡標準的一部份。目前，世界大的樓宇控制公司，如霍尼維爾、安德沃、西比、江森、蘭吉爾、薩切維爾等都正在采用LonWorks技術改造產品，已形成世界技術潮流。前期LONWORKS產品的市場開拓過分集中于和傳統的PLC/IPC現場總線的競爭。然而，在Profibus、Interbus、CAN總線盛行的工業環境中，顯然沒有很強的競爭能力。因此，LONWORKS轉而在樓宇以及一些孤立的工業現場（例如染色機）取得了巨大進展。許多工程實例表明：通過精心設計，大樓可以只裝備單獨的一個LONWORKS網絡，使得HVAC（供熱、通風和制冷）、電力照明、陽光屏蔽和安全功能以及開放式控制設備能在網絡上互操作。
圖一 LONWORKS的網絡圖示 與之相反，LONWORKS在工業現場的應用前景并沒有得到大家的認可，自身也遇到很多的困難。原因就是大家對分布式智能控制的原理接受不足。然而，LONWORKS以其出色的穩定性以及靈活的自由拓撲布線技術領先于基于RS485的傳統現場通訊布線技術。LONWORKS能夠巧妙而經濟地滿足特殊要求。能夠以功能簡表的形式為開發商提供解決方案的基礎。對許多設備諸如發動機、泵、變頻器、PLC、閥門、傳感器等都有功能簡表。 由于LONWORKS在工業現場的應用前景并沒有得到大家的認可，轉而在樓宇自控行業得到很大的發展。而對于樓宇自控中的機電設備的控制，LONWORKS并沒有大的優勢，這反而是傳統的PLC/IPC的天下。PLC/IPC以其通用性、可靠性以及低廉的成本優勢牢牢地占據著傳統的產業機械/工業設備控制的根據地。這也是LONWORKS在多年來與PLC/IPC競爭工業現場后無法得到很大發展的原因。然而，畢竟LONWORKS以其對等設計和智能分布式現場設備在技術上領先今天的工業自動化系統（PLC/IPC現場總線）整整一代。隨著工業自動化以及網絡技術的發展，對傳統PLC的網絡要求也越來越高，工業以太網這個新鮮名詞也隨之出現。而且也有了取代現場總線的趨勢。 雖然組建控制網絡的方法有很多，但是對于自動化控制而言，平坦的、對等式（P2P）體系結構是最好的。P2P體系結構和其它任何一種分級的體系結構相比，不再具有分級體系結構與生俱來的單點故障。在傳統的體系結構中，來自某一個設備的信息要傳遞給目標設備，必須先傳送到中央設備或者網關。因此，每兩個非中央設備之間的通信包括了一個額外的步驟，或者說增加了故障的可能性。P2P體系結構的設計相比之下，它允許兩個設備之間直接通信，這避免了中央控制器的故障可能性，并且排除了瓶頸效應。此外，在P2P設計中，設備的故障更多的可能是只影響到一個設備，而不象非平坦的、非對等式體系結構中潛在的影響到許多設備。由圖2 可以看出通過監控的傳統的主從通訊網絡與P2P體系通訊網絡的優劣�！ �
圖2 網絡組織對比圖 LonWorks網絡中設備的通信是采用一種稱為LonTalk的網絡標準語言實現的。LonTalk協議由各種允許網絡上不同設備彼此間智能通信的底層協議組成。 LonTalk協議提供的通信服務，使得設備中的應用程序能夠在網絡上同其他設備發送和接收報文而無需知道網絡的拓撲結構或者網絡的名稱、地址，或其他設備的功能。LonWorks協議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實和優先級發送，以提供規定受限制的事務處理次數。對網絡管理服務的支持使得遠程網絡管理工具能夠通過網絡和其他設備相互作用，這包括網絡地址和參數的重新配置、下載應用程序、報告網絡問題和啟動/停止/復位設備的應用程序。LonTalk——也就是LonWorks系統——可以在任何物理媒介上通信，這包括電力線，雙絞線，無線（RF），紅外（IR），同軸電纜和光纖。 而所謂互操作性意味著每個網絡中的裝置能夠根據自己需要發布的信息變成數字式串行數據通過網絡直接到達另一個裝置。數據轉移通常涉及一個信息發送者，一個或一個以上的接收者。發送者和接收者之間一定要有某種形式的連接，數據才能以一連串的開--關狀態轉移。所有連接到某一特定信道的裝置必須有同一速率運行的兼容收發器，如此才能夠達到互操作的目的。但是可互操作的網絡并不是傳統的主從式通訊網絡（點對點）可以達到的，網絡裝置間串行數據的轉移要求一套通訊協議，協議通常以嵌入軟件或固件代碼形式存在于每個網絡裝置中。包含這個協議代碼和某種類型的操作智能的裝置稱之為網絡節點。它包括一片Neuron神經芯片、傳感和控制設備、收發器（用于建立Neuron芯片與傳輸之間的物理連接）和電源。 LonTalk通訊協議是LONWORKS技術的核心，該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網上對其他裝置發送和接收報文而無須知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置的功能。LONTALK協議能夠有選擇地提供端到端的報文確認、報文證實、優先級發送以便設定事物處理時間。它是一個分層的以數據包為基礎的對等的通信協議，象有關的以太網和因特網協議一樣。但是，LONTALK協議設計用于控制系統而不是數據處理系統的特定的要求。每個數據包由可變數目的字節構成，長度不定，并且包含應用層的信息以及尋址和其他信息。信道上的每個裝置監視在信道上傳輸的每個數據包以確定自己是否收信人。若是，則處理以判明是否包含本節點應用程序所需的信息或者它是否是個網絡管理數據包。LonTa1k協議是直接面向對象的網絡協議，即，通過網絡變量實現網絡節點間的聯結。當定義為輸出的網絡變量改變時，能自動地將網絡變量的值發送出去，使所有該變量定義為輸入的節點收到它的改變，以便激活相應的處理進程（事件觸發型）。標準網絡變量能使不同制造商的產品通過建立標準的數據傳送模式、正確地翻譯、傳送數據，便于設備的互換和互操作。另外，由于網絡變量的長度有限，最多31B，又提供了四種類型的報文服務：應答方式、請求/響應方式、非應答重發方式、非應答方式。 為了簡化網絡配置和管理，可以把邏輯地址分配給節點，邏輯地址讓用戶把一個名字和物理裝置與節點配合。使用LONTALK的控制網中的邏輯地址在網絡配置時定義。所有邏輯地址有2個部分，第一部分是指定域的ID，這個指定域就是節點的集合他們之間可以互操作。邏輯地址的第二部分以獨特的15位節點地址規定域中的一個單一節點。 而對于PLC介入到LONWORKS網絡中，實現PLC數據/狀態的實時監控，則必須由網關節點的應用程序對PLC進行操作。 本文以上海某大型廣場的智能樓宇控制系統中，涉及到臺達PLC的LONWORKS系統的部分為例，介紹網關節點與PLC通訊配置的網絡變量以及命令格式，在該系統中，機電設備為中央空調風柜，PLC根據回風溫度經過PID調節新風閥門的開度，以達到控制房間或單元室溫的目的。風柜網絡原理圖參看圖3。
圖3 風柜網絡原理圖 1、 網絡變量 nviConfig 配制網絡變量 nvoDR［0～7］ 只讀模擬量（AI） nvoXR［0～7］ 只讀數字量（DI） nviMW［0～12］ 只寫數字量（DO） nviDW［0～31］ 只寫模擬量（AO） 2、 配制網絡變量 nviConfig輸入格式：X X X X XXXXXXX 指令 操作號 ： 設定值 �、逯� 令：R 讀設定值，W 置設定值； ㈡操作號：00 通信格式設定， 01~08 nvoDR［0～7］ 連接設定 09~16 nvoXR［0～7］ 連接設定 17~29 nvoMW［0～12］ 連接設定 30~61 nvoDW［0～31］ 連接設定 ㈢設定值：通信格式設定 BBBBB_TT （BBBBB波特率 如09600，_ 空格，TT 通信秒間隔 如01） �、柽B接設定： SSIIAAAA （SS設備號 如01，II指令 如02，AAAA地址 如1AFF） 3、 連接量 只讀模擬量和只讀數字量按通信秒間隔自動讀設備進行刷新，只寫數字量和只寫模擬量賦值網絡變量時自動發送到設備�！ ∮捎贚ONTALK協議規定網關節點的應用程序中已經包含該網關節點的邏輯地址，并且是以名稱的形式存在于網關節點的應用程序中。因此，網關節點到PLC的通訊部分無須顧及PLC的通訊地址，而只需通用默認的PLC地址即可。 圖4中，變量規定為只讀，在臺達PLC的通訊協議中，D0對應的地址為H1000，則，D100對應的地址為H1064，依此類推。由于LONTALK協議的網關地址已經在網關節點的應用程序中得到確定，那么，網關節點與PLC的通訊就變成了標準的統一的程序，只需使用PLC默認的通訊地址即可，如圖4、圖5、圖6所示PLC的通訊地址都統一為1。
由圖3，現場的監控由文本顯示器TP04G來實現，遠端的監控通過LONWORKS網關節點來實現。這樣組成一個分布式智能控制系統。遠端的上位計算機通過與末端的LON網關交換數據，網關節點根據從信道中接受到的數據包判斷是否是合適本網關的數據包，如是，則網關節點應用程序再將數據下達至PLC，完成遠端的監控。 雖然LON分布式智能控制系統不要求末端的PLC提供地址，但是文本顯示器與PLC的地址設置功能大大地方便了程序編寫者與現場的調試人員，以下簡單地介紹該功能的使用：TP04G提供了DELTA Mx的DRIVER，該功能適用于DELTA PLC的多地址應用場合。我們知道，在標準設備的生產制造中，我們需要的是標準化的程序，以簡化現場的調試以及方便程序文件的管理。那么，在標準設備的組網過程中，必不可少地需要改變PLC的地址，以達到組網控制的目的。如果通過傳統的改變PLC程序來實現的話，一臺標準設備就有一套程序。很不方便程序的管理。使用文本顯示器的DELTA Mx功能只需在文本的系統菜單中改變文本的通訊地址即可，而文本程序中需要對PLC的D1121設置成相應地址即可實現。 文本顯示器提供的萬年歷功能為實現空調系統定時開/關機功能提供了方便，PLC可以通過萬年歷的時間實現對風機的定時開關機控制。網絡功能的實現為樓宇機電設備的管理者提供了方便，管理人員可以通過網絡對位于大樓任何位置的機電設備下達指令，也可以隨時通過LON網絡查看任何位置的機電設備的運行狀態。實現了樓宇智能控制。 LonWorks技術已經逐漸成為小區/樓宇智能化系統的基本規范。LonWorks網絡非常容易與其他網絡實現互連，如Internet網絡，可以實現遠程操作和控制。LonWorks開放式、可互操作性、成熟和低成本的特點，使得眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網絡方案中采用LonWorks技術。另外，對于最終用戶來說，項目的初期投資大為減少，系統管理簡單，增加新功能又十分簡便。由此可以推斷，LonWorks控制網絡技術會越來越為人們重視和推廣。PLC作為通用可靠的工業控制器，依然在工業現場得到廣泛的應用，在民用市場的網絡要求越來越多的今天，相信日益強大的PLC的網絡功能一定也會越來越多地進入人們的日常生活中。 結束語 PLC以其高可靠性/通用性以及強大的網絡通訊功能，很好地將工業設備與民用系統結合在一起。集成化的樓宇監控系統將工業設備的運轉狀態實時地顯示出來。操作者可以一目了然地知道大樓里任何一臺設備的情況，并隨時可以對任意一臺設備進行控制。極大地降低了管理成本，提高了自動化程度。因此極具應用前景。 |
