机电之家论文网

Lonworks网络数据接口研究

【论文摘要】Lonworks 网络数据接口问题一直是阻绕lonworks 总线系统向工业领域推广的重要原因。文中用横向比较的方式介绍了Lonworks 网转以太网的数据接口设备Gate 60 i，以及用Lonworks网络作为数据通道来实现远程监测的iF200总线监测系统的设计方法。同时介绍了Gate 60 i的设计原理以及系统通信的实现方法。 

　

随着工业自动化水平的不断提高， DCS系统理念已经不能满足现代工业的要求。现场总线系统技术的日益完善，加速了取代DCS的趋势。近年来，各种总线系统在国内得到广泛应用。IF200是重庆宇通公司采用Lonworks网络技术开发的现场总线系统。然而Lon网数据接口问题的解决才能真正使Lon网在工业领域得到推广。为此Gate 60 i 的研发成功，为广大Lonworks 技术应用者提供了宝贵思路。 本文介绍了iF200这种用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络的监测系统，重点介绍了Gate 60 i 网络数据接口设备的特点及应用，同时用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络作为信号传输通道来实现Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络与以太网的接口设计以及数据交换方式。 一． LONWORKS网络概念   Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司研制的一种局部操作网络(如图1所示)，是一种串行数字通信链路。它支持双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等通信媒介，并支持多种网络拓扑，可用于建立生产领域中现场设备之间以及更高层次控制过程设备之间的联系。Ｎｅｕｒｏｎ神经元芯片是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ系统设备的核心器件。在Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ网络中，以Ｎｅｕｒｏｎ芯片为核心的智能节点主要完成各现场设备的信号采集和控制，一个Ｎｅｕｒｏｎ芯片可连接多个物理Ｉ／Ｏ设备，节点挂接在ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线上即可形成现场测控网络。通过Ｎｅｕｒｏｎ芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信协议便可实现各节点之间以及节点和上位机间的通信。 应用领域 目前绝大多数Lonworks 网络应用于楼宇自动化等时实性要求不高的领域。然而由于Lonworks网络的诸多特点，如安全性、分散性、易于扩展性、灵活性、二次开发性等多种优点，深深吸引着工业自动化领域的开发商和广大用户。很多研究人员经过不懈的努力已经将他们的成果应用在工业领域，并且获得了成功。（我所知道的没几家。网上也没看到，也懒得找。不过在国展会上到是遇到一些研究所的人员，他们的系统可能局限在较窄的领域，所以大家并不熟悉。） 存在的问题及解决办法 在我们为此感到情绪高昂的同时，也伴随着出现了很多问题，而且非常的棘手。许多同行一定在网上对Lonworks 网络应用中出现的问题有所了解。作为一名测试及现场应用人员来说，我体会最深的莫过于网络数据接口问题。众所周知Lonworks 网络是由网内许多智能节点组成，只要经过合理的设计和规划，网内的数据流量并不大。而且传输速度（网络变量之间的传递）非常迅速。然而，当需要将Lonworks 网络的数据传递到上位监控机上时，为了保证实时性，将不得不耗费lon网带宽。上位监控站为了实时访问lon网数据，一般采用硬件接口卡如Ｅｃｈｅｌｏｎ的PCLTA-20/21适配卡，还有XLON PCI ,LOTEC NIC 709,Gesytec 等其它公司的适配卡；软件接口目前采用LNS DDE 较为普遍。但是DDE的先天不足已给监控系统带来极大的弊端。淘汰的命运不可避免。可喜的是Gesytec EasyLON OPC Server和Newron System NL OPC Server的推出大大改善了软件接口的技术瓶颈。但是在工业领域中，特别是中型及更大型系统（500点以上）应用中，要求大量的实时在线数据，Lon网已经不堪重负。例如200个变量在线实时更新（每秒轮训方式）的带宽的占用在80%以上。这样的网络负荷已经接近极限。在这样的清况下，上位机实际更新在50个变量/每秒（给出的是max值）。如果是100个变量在线实时更新（每秒轮训方式）的带宽的占用在70%左右。上位机实际更新在70个变量/每秒（给出的是max值）。以上的举例是基于事实工程的估算值。 通过多年的lon网的工作经验发现：数据瓶颈不仅仅发生在驱动软件上。并且随着驱动软件功能的日益增强，硬件数据瓶颈更成为lon网数据瓶颈的主要因素。 当然我们可以通过各种有效的子网划分和网络结构设计，使基于lon网的总线系统提速。例如使用路由器分隔网络数据流量，lon网转以太网的方式提速等。 二． IF200系统的介绍 iF200总线系统是重庆宇通公司基于lonworks网络技术开发的现场总线控制系统。它已经有5年的历史。经过多年的经验积累和现场应用，各个方面已趋于成熟。 iF200现场总线控制系统设备及其功能简单介绍： 节点卡iF200cpu（智能节点）： 负责lon网内节点间通讯，控制策略运算，控制4块I/O卡件。 底座： 提供通讯，24v 直流电源接口，一个iF200cup卡插槽，四个i/o卡插槽 i/o卡件： 模拟量，开关量（一块开关量卡件可处理2路触点信号，而模拟量卡件只处理一路） Gate 60 i ： 数据转换接口，一个以太网接口，两个lon网接口，电源可选，网络通讯指示灯。   图2 为iF200总线系统典型应用结构布置。因为每个gate 60 i只提供180个网络变量的容量，所以一个子网的规模不能太大（可以满足大多数工艺的要求）。大家一定要注意Gate 60 i即属于lon网，同时也提供了以太网接口。当我们在工程师站配制好lon网以后，在运行时已经抛开lon适配器（适配器只用来组态和维护）。由于Gate 60 i的数据吞吐能力是lon适配器的2倍左右。并且它只传递网络变量数据。因此解决了硬件接口数据瓶颈问题。如果形象的理解起来就很容易了：Gate 60i的作用就像广场的出入口被拓宽两倍的作用一样。 根据现场应用得到的数据，我们把应用gate 60i的方式和应用Lon适配器的进行了比较。   图3 为没有使用 Gate 60i 的而是使用LNS通过Lon适配器进行数据时实采集。为了保证实时性（网络变量较多时仍然不够），我们不得不每一个子网配制一台上位机和lon适配器。 试验：120个i/o测点（模拟点，时实变化），划分为一个子网，操作平台为win2000，上位监控软件使用力控，节点组态和Lon网组态均使用本公司开发的nodemaker系列软件，使用LPA分析仪。 １． 按照图3方式组网 Lon驱动使用本公司基于LNS开发网关程序(类似于OPC，运行于上位机)。采集周期为1秒钟。当运行正常后，用LPA监测：带宽占用为80%以上，实际更新为50~70个变量/每秒。根据试验一个回路得到反映需要3~5秒钟。比如软手操情况下，一个执行机构的指令与反馈形成一个回路。如果指令写入30%，而当你看到反馈时，数值已经是20%甚至已经到了30%。由此可见一个连续的数据由于上位采集的瓶颈，已经很难及时反映瞬时变化过程。（在这里要提醒大家，如果采用自动控制，控制策略由现场智能节点完成。那么一个回路的反映是时实。一般设定为1秒之内。在LON网上的网络变量之间的数据传递也是实时的。） ２． 按照图2的方式组网 就像组态一个节点一样将Gate 60i组态完成后。把需要的网络变量与Gate 60i 中的网络变量进行相关性连接。完成后可脱离LON适配器。Gate 60i 以太网接口采用MODBUS协议于上位机监控软件通讯。如此一来，只需在上位机监控软件上IP地址即可访问该设备。运行正常后，用LPA监测：带宽占用为45%左右，实际更新为100~120%个变量/每秒。试验一个回路得到反映需要1~2秒钟。（因为节点的控制采集周期设定为1秒钟，最快为100毫秒）。 结论：利用Gate 60i的优势是非常明显的。特别当系统更庞大，并存在开关量点时。因为图2的方式很容易组建大型网络，并且不会影响LON网络负载，不增加或少量增加上位监控设备。同时开关量点由于变化不频繁，在正常运行期间基本不占据LON网络带宽。由此可见Gate 60i 的巨大作用。以下我们详细介绍Gate 60i 的设计原理。 三．详细介绍Gate 60 i与Lonworks网络的接口设计和系统通信的实现方法。 设计原理图如下   根据图4所示，可以很清晰的把握到设计者的设计概念。其宗旨就是把LON网数据用三条并行通道传输到以太网上。这样的构思不仅使数据传输能力提高了，同时也省去了许多中间环节。你可以发现Gate 60i 将两种网络隔离。有过工程经验的人员一定会看到，这种作用给设计控制系统网络结构带来许多方便。 Gate 60i采用双ＣＰＵ技术。IP2K系列单片机芯片为主CPU，用于完成以太网数据信号与从CPU之间的数据传递。主CPU向上经IP2K芯片的以太网通信模块与上位软件进行通信；向下与ＴＭＰＮ３１５０进行并口通信。 从CPU采用NEURON芯片（ＬＯＮ网接口模块）。ＬＯＮ网接口模块由ＴＭＰＮ３１５０芯片、收发器ＦＴＴ－１０Ａ、程序存储器、数据存储器等组成，该模块可将主ＣＰＵ接收的报文解析成ＬｏｎＴａｌｋ协议报文，然后通过收发器传到ＬＯＮ网，或将从ＬＯＮ网上收到的ＬｏｎＴａｌｋ协议报文转发给主ＣＰＵ。ＴＭＰＮ３１５０芯片通过１１个Ｉ／Ｏ口与 IP2K芯片进行连接，它采用并行Ｉ／Ｏ模式的从Ａ工作方式。在这种方式下，ＩＯ０～ＩＯ７将作为双向数据线与IP2K芯片的Ｐ０．０～Ｐ０．７连接，ＩＯ８作为片选信号线连接到Ｐ２．０脚，ＩＯ９为读写信号线，连接于Ｐ８９Ｃ５１的ＷＲ脚，ＩＯ１０为握手信号线，接Ｐ２．１脚，主机（IP2K芯片）和从机（ＴＭＰＮ３１５０）之间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议来实现，拥有令牌的一方具有对数据线的写控制权。 IP2K芯片的以太网通信模块完成以太网通讯网络的协议和传输.采用最为常见的MODBUS协议与上位机软件进行数据通讯。 ３．　系统通信方式的实现 因为在这里我们只关心所需要的数据，所以只要实现特定网络变量数据的传递既可。也就是说数据传递过程中并不涉及协议之间的转换问题。 我们在Ｌｏｎ网中的节点与Gate 60i 之间建立关联之前，组态Gate 60i。其实这是个很简单的过程。根据需要，利用已有工具定义Gate 60i中的变量种类和个数。然后和其它普通节点一样下载。每个Gate 60i最多只能定义180个变量。按照事先编排好的关联关系，将节点网络变量和Gate 60i中的网络变量进行连接。但要注意网络变量的连接方式必需按照一定的规则选取。这样做的目的是尽可能减少不必要的网络流量，达到最优。 我们利用lonworks 技术和已定义的规则（现有的iF200总线系统），已经轻松的将网络变量在节点与Gate 60i之间进行传递。而Gate 60i所要做的就是内部读写这些变量。然后向上刷新单片机寄存器并按照MODBUS协议通过以太网接口和上位机软件通讯；向下则通过Gate 60i中定义的网络变量与lon网中的节点进行通讯。 ４　结束语 采用Gate 60i设备为iF200总线系统提供了非常理想的解决方案。可以看到在变化甚微的情况下，iF200系统的整体竞争力却得到了极大的提升。由此也使我们看到，lonworks总线系统有非常大的潜力可挖。 作为一名现场工作者，多年的现场应用经验让我深刻认识到Lonworks技术的独特优势。其分散性，稳定性，可靠性，安全性，灵活性尤为突出。如果能投入更大的热情和资金，lonworks总线系统将有很好的前景。 5 后记 目前lonworks总线系统在工业领域的应用还存在着很多争议。但我认为，任何协议都存在着缺陷，只有通过扬长蔽短，发挥自己的特长才能为用户带来最为实际的利益。所以没有必要为姓“资”还是姓“社”争论不休。在这里我也希望lonworks的技术拥有者们，进一步开放lonworks技术。以太网，个人电脑为何能普及？为何发展的如此之快？当lonworks的特点已经不是特点的时候。。。。

作者单位：重庆宇通仪器仪表有限公司 　 地址：重庆石桥铺科员一路200号　400039　 Email：ljx-zyy@vip.sina.com

上一篇：管带机进料系统改造'   下一篇：工业以太网的发展及其技术特点'

特别声明：机电之家(http://www.jdzj.com )所共享的机电类资料，机电论文、机电类文章、机电企业类管理制度、机电类软件都来自网上收集，其版权归作者本人所有，如果有任何侵犯您权益的地方，请联系我们，我们将马上进行处理。购买的论文都出自原创，保证作者的原创的版权的转让，任何纠纷由法律解决。