基于LONWORKS樓宇自控的臺達(dá)PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

引言

隨著社會的發(fā)展，人們對生活辦公條件要求越來越高，小區(qū)監(jiān)控/智能樓宇自控系統(tǒng)成為了目前的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)以其高可靠性穩(wěn)定性逐漸得到民用行業(yè)的首肯。網(wǎng)絡(luò)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?，而工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓展功能也在樓宇控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的PLC在樓宇控制中的應(yīng)用。

美國Echelon公司于1991年提出了LonWorks(Local Operating Networks，局部操作網(wǎng)絡(luò))網(wǎng)絡(luò)，簡稱L0N網(wǎng)，它標(biāo)志著控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的新紀(jì)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)，眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡(luò)方案中采用LonWorks技術(shù)。到目前為止，全世界已有2500多家公司利用LonWorks技術(shù)生產(chǎn)各種各樣的LonWorks產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)代化樓宇、工廠、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、城市基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、氣等)、家庭等環(huán)境自動化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)要求。在1995年，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)被美國確定為樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)改造產(chǎn)品，已形成世界技術(shù)潮流。前期LONWORKS產(chǎn)品的市場開拓過分集中于和傳統(tǒng)的PLC/IPC現(xiàn)場總線的競爭。然而，在Profibus、Interbus、CAN總線盛行的工業(yè)環(huán)境中，顯然沒有很強(qiáng)的競爭能力。因此，LONWORKS轉(zhuǎn)而在樓宇以及一些孤立的工業(yè)現(xiàn)場(例如染色機(jī))取得了巨大進(jìn)展。許多工程實(shí)例表明：通過精心設(shè)計，大樓可以只裝備單獨(dú)的一個LONWORKS網(wǎng)絡(luò)，使得HVAC(供熱、通風(fēng)和制冷)、電力照明、陽光屏蔽和安全功能以及開放式控制設(shè)備能在網(wǎng)絡(luò)上互操作。

圖一 LONWORKS的網(wǎng)絡(luò)圖示

與之相反，LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用前景并沒有得到大家的認(rèn)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(wěn)定性以及靈活的自由拓?fù)洳季€技術(shù)領(lǐng)先于基于RS485的傳統(tǒng)現(xiàn)場通訊布線技術(shù)。LONWORKS能夠巧妙而經(jīng)濟(jì)地滿足特殊要求。能夠以功能簡表的形式為開發(fā)商提供解決方案的基礎(chǔ)。對許多設(shè)備諸如發(fā)動機(jī)、泵、變頻器、PLC、閥門、傳感器等都有功能簡表。

由于LONWORKS在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用前景并沒有得到大家的認(rèn)可，轉(zhuǎn)而在樓宇自控行業(yè)得到很大的發(fā)展。而對于樓宇自控中的機(jī)電設(shè)備的控制，LONWORKS并沒有大的優(yōu)勢，這反而是傳統(tǒng)的PLC/IPC的天下。PLC/IPC以其通用性、可靠性以及低廉的成本優(yōu)勢牢牢地占據(jù)著傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械/工業(yè)設(shè)備控制的根據(jù)地。這也是LONWORKS在多年來與PLC/IPC競爭工業(yè)現(xiàn)場后無法得到很大發(fā)展的原因。然而，畢竟LONWORKS以其對等設(shè)計和智能分布式現(xiàn)場設(shè)備在技術(shù)上領(lǐng)先今天的工業(yè)自動化系統(tǒng)(PLC/IPC現(xiàn)場總線)整整一代。隨著工業(yè)自動化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對傳統(tǒng)PLC的網(wǎng)絡(luò)要求也越來越高，工業(yè)以太網(wǎng)這個新鮮名詞也隨之出現(xiàn)。而且也有了取代現(xiàn)場總線的趨勢。

雖然組建控制網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)是最好的。P2P體系結(jié)構(gòu)和其它任何一種分級的體系結(jié)構(gòu)相比，不再具有分級體系結(jié)構(gòu)與生俱來的單點(diǎn)故障。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，來自某一個設(shè)備的信息要傳遞給目標(biāo)設(shè)備，必須先傳送到中央設(shè)備或者網(wǎng)關(guān)。因此，每兩個非中央設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計相比之下，它允許兩個設(shè)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(yīng)。此外，在P2P設(shè)計中，設(shè)備的故障更多的可能是只影響到一個設(shè)備，而不象非平坦的、非對等式體系結(jié)構(gòu)中潛在的影響到許多設(shè)備。由圖2 可以看出通過監(jiān)控的傳統(tǒng)的主從通訊網(wǎng)絡(luò)與P2P體系通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣?！　?/p>

圖2 網(wǎng)絡(luò)組織對比圖

LonWorks網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的通信是采用一種稱為LonTalk的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)語言實(shí)現(xiàn)的。LonTalk協(xié)議由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備彼此間智能通信的底層協(xié)議組成。 LonTalk協(xié)議提供的通信服務(wù)，使得設(shè)備中的應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上同其他設(shè)備發(fā)送和接收報文而無需知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)的名稱、地址，或其他設(shè)備的功能。LonWorks協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認(rèn)、報文證實(shí)和優(yōu)先級發(fā)送，以提供規(guī)定受限制的事務(wù)處理次數(shù)。對網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的支持使得遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理工具能夠通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備相互作用，這包括網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)的重新配置、下載應(yīng)用程序、報告網(wǎng)絡(luò)問題和啟動/停止/復(fù)位設(shè)備的應(yīng)用程序。LonTalk——也就是LonWorks系統(tǒng)——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(wǎng)絡(luò)中的裝置能夠根據(jù)自己需要發(fā)布的信息變成數(shù)字式串行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接到達(dá)另一個裝置。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移通常涉及一個信息發(fā)送者，一個或一個以上的接收者。發(fā)送者和接收者之間一定要有某種形式的連接，數(shù)據(jù)才能以一連串的開--關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。所有連接到某一特定信道的裝置必須有同一速率運(yùn)行的兼容收發(fā)器，如此才能夠達(dá)到互操作的目的。但是可互操作的網(wǎng)絡(luò)并不是傳統(tǒng)的主從式通訊網(wǎng)絡(luò)(點(diǎn)對點(diǎn))可以達(dá)到的，網(wǎng)絡(luò)裝置間串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移要求一套通訊協(xié)議，協(xié)議通常以嵌入軟件或固件代碼形式存在于每個網(wǎng)絡(luò)裝置中。包含這個協(xié)議代碼和某種類型的操作智能的裝置稱之為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它包括一片Neuron神經(jīng)芯片、傳感和控制設(shè)備、收發(fā)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(xié)議是LONWORKS技術(shù)的核心，該協(xié)議提供一套通信服務(wù)，使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無須知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、名稱、地址或其他裝置的功能。LONTALK協(xié)議能夠有選擇地提供端到端的報文確認(rèn)、報文證實(shí)、優(yōu)先級發(fā)送以便設(shè)定事物處理時間。它是一個分層的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對等的通信協(xié)議，象有關(guān)的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣。但是，LONTALK協(xié)議設(shè)計用于控制系統(tǒng)而不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特定的要求。每個數(shù)據(jù)包由可變數(shù)目的字節(jié)構(gòu)成，長度不定，并且包含應(yīng)用層的信息以及尋址和其他信息。信道上的每個裝置監(jiān)視在信道上傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序所需的信息或者它是否是個網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)包。LonTa1k協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即，通過網(wǎng)絡(luò)變量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)結(jié)。當(dāng)定義為輸出的網(wǎng)絡(luò)變量改變時，能自動地將網(wǎng)絡(luò)變量的值發(fā)送出去，使所有該變量定義為輸入的節(jié)點(diǎn)收到它的改變，以便激活相應(yīng)的處理進(jìn)程(事件觸發(fā)型)。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量能使不同制造商的產(chǎn)品通過建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳送模式、正確地翻譯、傳送數(shù)據(jù)，便于設(shè)備的互換和互操作。另外，由于網(wǎng)絡(luò)變量的長度有限，最多31B，又提供了四種類型的報文服務(wù)：應(yīng)答方式、請求/響應(yīng)方式、非應(yīng)答重發(fā)方式、非應(yīng)答方式。

為了簡化網(wǎng)絡(luò)配置和管理，可以把邏輯地址分配給節(jié)點(diǎn)，邏輯地址讓用戶把一個名字和物理裝置與節(jié)點(diǎn)配合。使用LONTALK的控制網(wǎng)中的邏輯地址在網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)的集合他們之間可以互操作。邏輯地址的第二部分以獨(dú)特的15位節(jié)點(diǎn)地址規(guī)定域中的一個單一節(jié)點(diǎn)。

而對于PLC介入到LONWORKS網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)/狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，則必須由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序?qū)LC進(jìn)行操作。

本文以上海某大型廣場的智能樓宇控制系統(tǒng)中，涉及到臺達(dá)PLC的LONWORKS系統(tǒng)的部分為例，介紹網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PLC通訊配置的網(wǎng)絡(luò)變量以及命令格式，在該系統(tǒng)中，機(jī)電設(shè)備為中央空調(diào)風(fēng)柜，PLC根據(jù)回風(fēng)溫度經(jīng)過PID調(diào)節(jié)新風(fēng)閥門的開度，以達(dá)到控制房間或單元室溫的目的。風(fēng)柜網(wǎng)絡(luò)原理圖參看圖3。

圖3 風(fēng)柜網(wǎng)絡(luò)原理圖

1、 網(wǎng)絡(luò)變量

nviConfig 配制網(wǎng)絡(luò)變量

nvoDR[0～7] 只讀模擬量(AI)

nvoXR[0～7] 只讀數(shù)字量(DI)

nviMW[0～12] 只寫數(shù)字量(DO)

nviDW[0～31] 只寫模擬量(AO)

2、 配制網(wǎng)絡(luò)變量

nviConfig輸入格式：X 　X X X XXXXXXX

指令 操作號 ： 設(shè)定值

㈠指 令：R 讀設(shè)定值，W 置設(shè)定值;

㈡操作號：00 通信格式設(shè)定，

01~08 nvoDR[0～7] 連接設(shè)定

09~16 nvoXR[0～7] 連接設(shè)定

17~29 nvoMW[0～12] 連接設(shè)定

30~61 nvoDW[0～31] 連接設(shè)定

㈢設(shè)定值：通信格式設(shè)定 BBBBB_TT (BBBBB波特率如09600，_ 空格，TT 通信秒間隔 如01)

㈣連接設(shè)定： SSIIAAAA (SS設(shè)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(shù)字量按通信秒間隔自動讀設(shè)備進(jìn)行刷新，只寫數(shù)字量和只寫模擬量賦值網(wǎng)絡(luò)變量時自動發(fā)送到設(shè)備。　　由于LONTALK協(xié)議規(guī)定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中已經(jīng)包含該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，并且是以名稱的形式存在于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到PLC的通訊部分無須顧及PLC的通訊地址，而只需通用默認(rèn)的PLC地址即可。

圖4中，變量規(guī)定為只讀，在臺達(dá)PLC的通訊協(xié)議中，D0對應(yīng)的地址為H1000，則，D100對應(yīng)的地址為H1064，依此類推。由于LONTALK協(xié)議的網(wǎng)關(guān)地址已經(jīng)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序中得到確定，那么，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PLC的通訊就變成了標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的程序，只需使用PLC默認(rèn)的通訊地址即可，如圖4、圖5、圖6所示PLC的通訊地址都統(tǒng)一為1。

由圖3，現(xiàn)場的監(jiān)控由文本顯示器TP04G來實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)端的監(jiān)控通過LONWORKS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。這樣組成一個分布式智能控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)端的上位計算機(jī)通過與末端的LON網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)從信道中接受到的數(shù)據(jù)包判斷是否是合適本網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包，如是，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序再將數(shù)據(jù)下達(dá)至PLC，完成遠(yuǎn)端的監(jiān)控。

雖然LON分布式智能控制系統(tǒng)不要求末端的PLC提供地址，但是文本顯示器與PLC的地址設(shè)置功能大大地方便了程序編寫者與現(xiàn)場的調(diào)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(yīng)用場合。我們知道，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的生產(chǎn)制造中，我們需要的是標(biāo)準(zhǔn)化的程序，以簡化現(xiàn)場的調(diào)試以及方便程序文件的管理。那么，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的組網(wǎng)過程中，必不可少地需要改變PLC的地址，以達(dá)到組網(wǎng)控制的目的。如果通過傳統(tǒng)的改變PLC程序來實(shí)現(xiàn)的話，一臺標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(tǒng)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(shè)置成相應(yīng)地址即可實(shí)現(xiàn)。

文本顯示器提供的萬年歷功能為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)定時開/關(guān)機(jī)功能提供了方便，PLC可以通過萬年歷的時間實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的定時開關(guān)機(jī)控制。網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)為樓宇機(jī)電設(shè)備的管理者提供了方便，管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)對位于大樓任何位置的機(jī)電設(shè)備下達(dá)指令，也可以隨時通過LON網(wǎng)絡(luò)查看任何位置的機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了樓宇智能控制。

LonWorks技術(shù)已經(jīng)逐漸成為小區(qū)/樓宇智能化系統(tǒng)的基本規(guī)范。LonWorks網(wǎng)絡(luò)非常容易與其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連，如Internet網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制。LonWorks開放式、可互操作性、成熟和低成本的特點(diǎn)，使得眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡(luò)方案中采用LonWorks技術(shù)。另外，對于最終用戶來說，項(xiàng)目的初期投資大為減少，系統(tǒng)管理簡單，增加新功能又十分簡便。由此可以推斷，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會越來越為人們重視和推廣。PLC作為通用可靠的工業(yè)控制器，依然在工業(yè)現(xiàn)場得到廣泛的應(yīng)用，在民用市場的網(wǎng)絡(luò)要求越來越多的今天，相信日益強(qiáng)大的PLC的網(wǎng)絡(luò)功能一定也會越來越多地進(jìn)入人們的日常生活中。

結(jié)束語

PLC以其高可靠性/通用性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，很好地將工業(yè)設(shè)備與民用系統(tǒng)結(jié)合在一起。集成化的樓宇監(jiān)控系統(tǒng)將工業(yè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)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(shè)備的情況，并隨時可以對任意一臺設(shè)備進(jìn)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(yīng)用前景。