LonWorks系统介绍2005第一版

LONWORKS系统介绍

2005年第一版

®

Echelon、LON、LONWORKS、LonPoint、LonTalk、LonBuilder、NodeBuilder、LonManager、LONMARK、Neuron、3120、3150、LonUsers标志以及Echelon公司的标志是埃施朗公司在美国和其他国家的注册商标。Bringing the Internet to Life、i.LON、LonWorld、LonWorld99、LonWorld2000、LonLink、LonResponr、LONews、LonSupport、LonMaker、Panormix、Open Systems Alliance、OpenLDV、Power by Echelon、LNS Power by Echelon、Panormai Power by Echelon和LONWORKS Power by Echelon是埃施朗公司的商标。其他标志分别属于它们各自的拥有者。

神经元芯片（Neuron Chip）、LonPoint模块和其他OEM（原始设备制造商）产品并不设计用于某些设备和系统中，这些设备和系统可能危害人身安全和健康或造成财产损失，所以，对于如此应用神经元芯片或LonPoint模块，埃施朗公司不负任何责任也不进行赔偿。

埃施朗公司以外的经销商制造的零件，在本文件引述只在于说明问题，并不表明它们已经由埃施朗公司测试过。确定那些零件是是否适用于某种用途应由顾客负责。

对于某一特定用途，埃施朗公司不作出而您也不会收到任何明言、暗示的或法定的或以任何通信方式表达的保证和条件，埃施朗公司特别否认对某一特定用途的适销和适用。

未经美国埃施朗公司许可，本书中的任何内容不得以任何方式（如电子扫描、复印、抄录等）复制、保存或散发。

©2005年美国埃施朗公司版权所有。

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目 录

第一章 绪论...................................................................................................5

概述..........................................................................................................6 详情检索...................................................................................................7

第二章 控制网................................................................................................9

传统方法..................................................................................................10 新的控制网络方法....................................................................................11 从数据网到控制网的过渡.........................................................................12 控制网组件...............................................................................................12在旧设计中使用新技术.............................................................................13

第三章 LONWORKS协议...............................................................................16

介绍LONWORKS协议................................................................................17 信道类型.................................................................................................19 介质访问.................................................................................................20 寻址........................................................................................................21 报文服务.................................................................................................22 网络变量.................................................................................................22 限值........................................................................................................24 LONWORKS协议标准................................................................................24 小结........................................................................................................25

第四章 互可操作性......................................................................................26

概述........................................................................................................27 LONMARK协会.........................................................................................28 收发器和物理信道标准............................................................................28 应用程序标准..........................................................................................29

标准网络变量类型（SNVT）...........................................................29 配置属性..........................................................................................30 LONMARK对象和功能简表................................................................30 Program ID（程序ID）....................................................................31 LONMARK资源文件..................................................................................32

第五章 LONWORKS系统...............................................................................34

组建一个系统..........................................................................................35 神经元芯片..............................................................................................36 神经元应用程序编程...............................................................................37 收发器.....................................................................................................38

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LONWORKS设备.......................................................................................38

LonPoint模块...................................................................................39 路由器.....................................................................................................40

i.LON 600 LONWORKS/IP服务器......................................................41 开发工具.................................................................................................41

NodeBuilder™开发工具...................................................................41 Mini EVK评估套件...........................................................................42 网络接口、网关和互联网服务器..............................................................43

i.LON 100e2互联网服务器..............................................................43 网络操作系统...........................................................................................46 网络工具..................................................................................................47

LonMaker for Windows集成工具.......................................................47 LonScanner协议分析软件.................................................................49 LNS DDE Server软件.......................................................................50

第六章 开放系统的设计...............................................................................51

概述........................................................................................................52 开放系统设计要求...................................................................................53 新设计的聚合变换...................................................................................54 分级系统.................................................................................................57 设计准则.................................................................................................60 开放控制设计的核对表............................................................................62

第七章 开放系统的实施...............................................................................65

实施的任务..............................................................................................66

系统设计..........................................................................................66

网络配置.......................................................................................................66

应用程序配置...................................................................................67 安装.................................................................................................67 开放式实施的优点...................................................................................67

附录 A 词汇集.............................................................................................69

附录 B 常见问题解答..................................................................................73

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第一章

绪论

本章主要对LONWORKS®系统进行整体介绍。

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概述

随着全世界出现成千上万的应用开发商和几百万设备的安装，LONWORKS

系统已成为楼宇和家庭自动化、工业、运输和公共设备控制网首屈一指的开放式解决方案。所谓控制网是指任何一组设备，它以对等方式监测传感器、控制执行器，进行可靠的通信，管理网络运行，并提供对网络数据的完全访问。LONWORKS网使用LONWORKS协议，即ANSI/EIA 709.1控制联网标准来完成上述任务。

LONWORKS系统基于下述原理：

󰁺 󰁺 󰁺

不论何种应用，控制系统总有许多共通的要求

联网控制系统比非联网控制系统远为强大、灵活，更易扩展

从商业的角度，长期使用控制网能够比使用非联网控制系统节约和赚取更多的利润

在某些方面，LONWORKS网类似被称为局域网或LAN的计算机数据网。数据网由若干计算机组成，应用各种通信介质并由一些以TCP/IP之类协议互相通信的路由器连接。数据网针对传输大量数据的要求而优化；其协议的设计假定是：数据传输和响应的偶然迟延是允许的。控制网也有类似情况，要针对成本、性能、规模和响应等的要求而优化。控制网使联网系统能延伸到数据联网技术不能达到的一类应用。控制系统和设备的制造商能通过在产品中设计LONWORKS组件而缩短开发和制造的时间。结果是有成本效应的开发，以及使多个制造商的设备能相互通信的一致性。

LONWORKS网的范围可细致划分，从嵌入机器中的小型网络到由数千设备组成的控制熔融激光、造纸机和楼宇自动化系统的大型网。LONWORKS网应用于楼宇、列车、飞机、工厂和数百种其他操作流程。制造商使用开放式的现成的芯片、操作系统和零件制造具有更高可靠性，更大灵活性，更低系统成本和更优越性能的产品。

传统控制网使用以专用网关相连的封闭式“控制孤岛”。这些网关难于安装和维护，把顾客锁定在一个封闭的不能互操作的体系结构中。归根结底，这种设计方法的高成本限制了控制系统的市场。LONWORKS系统加速了脱离这些专用控制方式和集中化系统的趋势，因为它提供了互可操作性、稳固的技术、较快的

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开发和规模经济。在整个网络上分布操作流程并提供对每个设备的访问，这降低了安装和工作寿命的总成本，因为它使单点故障降到最小化，并且提供更大的灵活性，使系统能够适应广泛多样的应用。例如，在楼宇控制业中，LONWORKS就用于为整个楼宇系统提供公用的基础结构，这使得楼宇自动化系统设计者能免除过度的经常引起垂直孤立的垂直集成。

埃施朗公司开发了80多种LONWORKS产品帮助开发商、系统集成商和最终用户来实施LONWORKS网。这些产品形成一个完整的LONWORKS解决方案，包括开发工具、网络管理软件、电力线和双绞线收发器、控制模块、网络接口、i.LON®服务器、技术支持和培训等。

本文主要介绍LONWORKS系统的基础知识。文章从网络和协议的概述开始，重点说明LONWORKS协议的技术层面；概述LONWORKS系统的组件，最后以讨论如何取得产品互可操作性作结束。

以下是相关的参考文献。在本文件中讨论的技术细节是由协议、网络操作系统或网络工具自动处理的。设备通信较低层细节的自动处理事实上是LONWORKS的强大功能之一。

详情检索

要获得LONWORKS系统的详细资料，请参考以下文献或浏览埃施朗公司网站www.echlon.com以及www.echelon.com.cn。下述文献可在以上网站中检索到：

󰁺 LonTalk

®

Protocol (005-0017-01)

®

󰁺 LONMARKApplication Layer Interoperability Guidelines

(078-0120-01)

󰁺 LONMARK Layer 1-6 Interoperability Guidelines (078-0014-01) 󰁺 LONWORKS Network Services (LNS™) Architecture Strategic

Overview (39310)

󰁺 LNS Programmer’s Guide (078-0177-01F)

󰁺 LonMaker for Windows User’s Guide (078-0168-02G) 󰁺 LNS DDE Server User’s Guide (078-0170-01D)

󰁺 LonScanner Protocol Analyzer User’s Guide (078-0305-01A) 󰁺 LonPoint R Application and Plug-in Guide (078-0166-01)

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󰁺 LonPoint Module Hardware & Installation Guide (078-0167-01) 󰁺 PCC-10 PC Card User’s Guide (078-0155-01) 󰁺 PCLTA-21 PCI Interface User’s Guide (078-0271-01A)

󰁺 LonWorks USB Network Interface User's Guide (078-0296-01B) 󰁺 i.LON 10 Ethernet Adapter User’s Guide (078-0195-01C) 󰁺 i.LON 600 LONWORKS/IP Server User’s Guide (078-0272-01) 󰁺 i.LON 100e2 Internet Server User’s Guide (078-0287-01A) 󰁺 NodeBuilder User’s Guide (078-0141-01E)

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第二章

控制网

本章主要介绍控制网如何部署开放控制系统。同时介绍了传统的封闭控制系统的设计方法，并和使用开放式控制网的新方法进行对比。最后，介绍使用控制网技术继承遗留的封闭控制系统的混合方法。

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传统方法

早期，控制逻辑是通过机电式中继盘或气动接收器/控制器实现的。固态技术的问世提供了降低成本，增加灵活性的方法，因为它可使用逻辑电路来代替电线、管道和中继器。日益强大的算法被开发出来，能更严密地控制操作流程。但是系统的扩展、移动、改变问题依然存在。随着系统规模的不断扩大，这个问题变得越来越棘手。

然而，这些问题通常是由于采用了专用的硬件和软件造成的。每个制造商各自建立自己的系统并提供系统内的所有智能设备。虽然这种做法由制造商对系统独立承担责任，但它也把顾客锁定并强迫在系统整个工作生命周期中始终要和制造商打交道，不论系统是个楼宇、工厂或者过程设备。更令人失望的是：因为必须设计、制造和生产一个完整的系统，制造商就只能限定于少数大公司。这些公司往往反应迟缓，并倾向于采用以锁定顾客这种理念为基础的、能够快速开发的商业模式。这相对于楼宇、工业控制设备在性价比上的改进，差别就一清二楚了。

从前，把来自不同制造商的数字控制器互连困难重重。不同系统中的不兼容的通信协议使人们努力把分离的系统用继电器、定制网关和编程RS-232端口链接起来。但是这些接口并不能在不同系统中形成细致的无缝连接。它们仅允许有限的状态和控制信息通过不同的系统。故障状态信息不能共享；不同传感器的信息并非总是可以访问；系统不能以整个系统状态为基础实时适合它们的响应。当然，可以使用网关和定制程序来创立智能的楼宇和工业应用软件，但它们通常不具有成本效应，而且系统的可靠性也受损。一旦系统完成，业主就永远不能摆脱提供网关和定制程序的厂商。

图1表示到目前为止还是工/商业应用中大部分控制系统中典型的集中化体系结构。传感器和执行器接线到辅助面板，然后再通过专用主/从通信总线连接到控制面板。控制面板包括一个高性能微处理器，运行一个定制的应用程序，为连接在它上面的所有I/O点实施控制逻辑。在较大系统中，控制器可以在另一个专用通信总线上和其他控制器通信。传感器和执行器通常是无智能的I/O设备，也就是说，它们没有智能或通信能力。这种系统通常有专用的人机界面（HMI）。每个系统必须有一个定制的应用程序。该应用软件使用专用编程语言和非标准的随制造商而异的软件工具来开发。不幸的是，制造商并不试图为工具或编程模式推行标准化。

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图1

集中式的体系结构

新的控制网络方法

要了解一个好的控制网络的设计，首先必须了解开放式网络的功能。简而言之，开放式网络能使很多智能设备相互直接通信。不需要监测控制器的干预，向设备轮询信息然后转发到其他设备。不需要监测设备负责整个系统的控制算法。

这就是说，每个设备能直接向网上其它设备发布信息。信息由发送器以数据包形式发送，由一个或多个接收器接收。图2表示一个开放式控制网。从图1的主/从体系结构到图2的开放式体系结构的转变，正好就是从专用主机到开放式通信的这类变化。它有力地推动了因特网的成长。

LNS服务器

工作站

工作站

LONWORKS信道或者在IP之上的LONWORKS信道

路由器

LONWORKS信道

路由器

LONWORKS信道

图2

开放式的控制网络体系结构

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󰂄 从数据网到控制网的过渡

网络的出现已有许多年了，然而用于大型计算系统以外的控制系统并非典型应用。所使用的通信协议的设计和优化也是考虑用于批处理的计算机之间通过大量的数据。这些协议随时间而演变，扩大了规模，增加了功能和灵活性。但是大多数协议仍然是设计用于计算机或个人之间的数据通信。

最终，微处理器的成本终于降到可以把它安装在不太昂贵的控制器和控制设备中。就在此时，设计工程师开始认识到他们正在使用的协议并不真正适合控制系统中的最优化性能。控制网有许多独特的要求，使其不同于数据网。其中包括：

󰁺 设备之间经常的、可靠的、安全的通信 󰁺 被传输的信息采用短报文格式 󰁺 每个设备具备对等的功能性 󰁺 价位要适合小型、低成本设备

正是要满足这些控制网特定要求，以及一种信念：通信的市场标准将带来互可操作性，推动市场扩大规模和效率，这使得LONWORKS协议开始崭露头角。

󰂄 控制网组件

图3表示控制网的关键组件。控制网由智能设备组成，它们使用公用协议在一个或多个信道上互相通信。网络设备有时也被称为节点。

智能设备或者节点

使用公用协议通信 在一个或者多个信道上

图3

一个控制网络的组成

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每个设备包括一个或多个处理器，并为其提供智能化以及实现协议。每个设备还包括称为收发器的组件，提供到通信信道的电气接口。

设备发布对其正在运行的应用软件合适的信息。各个应用软件并不是同步的，但多个设备也可能在同一时刻要求通信。所以，信息在网上设备间的有效传输需要用一套规则和规程组织起来。这些规则和规程叫做通信协议，通常简称为协议。协议规定设备间传输的报文的格式；定义一个设备发送报文到另一设备时所要求的动作。协议通常以嵌入式软件或固件代码的形式存储在网络上的每个设备中。

设备间的路径展示各种物理特征，所以叫做通信信道，或简称信道。不同的收发器能在同一个信道上互操作，所以信道可按信道类型分类，而每个类型的收发器必须确认它所支持的信道类型。信道类型的选择会影响传输速度和距离以及网络拓扑结构。

所有连接到特定信道上的设备必须有兼容的收发器和兼容的配置。有可能为任何介质制造收发器，但某些收发器较难实施，所以较昂贵。收发器可用于各种通信介质，包括双绞线电缆线缆、电力线、无线、红外线、光纤和同轴电缆等。

在旧设计中使用新技术

并非所有控制系统制造商都乐于提供真正开放式平台。当前由楼宇、离散过程和流程控制设备制造商组建的较常见的系统体系结构是图4所示的分级结构。图上我们可以看到控制器——它们甚至包括了少数LONWORKS系统的组件——连接到孤立的网络上。这些网络有时称为设备总线或设备网。这些网络的要旨仍然是提供对传感器和执行器的专用存取，而不是把智能化分配到现场设备上，从分级结构任何地方的控制器和工作站为网上任何一点提供存取。单一的销售商为专用的控制器/网关提供软件，但没有一个接口是标准化的，所以无法使用来自多个制造商的工具。网关技术看来很现代化，有时还包括了如Java之类的最新技术。网关有时在开放式网络上通信，也称为控制总线。但是分级体系结构的最终结果仍然是一个封闭的、专用的系统。

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工作站 工作站

控制器层网络

专用控制器

LONWORKS设备总线

到传统的I/O

专用控制器 LONWORKS设备总线

典型的分级系统的体系结构

即使用LONWORKS设备实施时，这个体系结构也并不利用LONWORKS系统的所有优点。LONWORKS设备在这个体系结构中通常只有有限的决策责任和非常有限的跟分级结构中一部分设备的交互作用。它们唯一的通信途径是通过专用网关。这是从完全专用系统迈出的一步，但离真正开放性还相去甚远。系统在分级结构的下一层上仍然是封闭的。这些设备实现I/O设备、终端装置和其他监测控制之间的大部分控制关系。那些大的控制面板或者所谓“黑箱子”也起着网关作用，使来自标准LONWORKS协议的信息进入某些其他的传输机制。系统控制器常常用于提供定制驱动器，以便保持对其他专用总线的连通性或者把传统设备包括进设备中。这是一种非互可操作的专用的解决问题方法。每个制造商有专用的配置和管理的网络工具。此外，每个制造商通常还有专用的HMI工具，使集成商必须化时间学习如何来使用各种各样没有标准的接口。

由于众多理由，分级系统的体系结构不是最优化的控制解决方案。对于最终用户来说，最重要的理由直接和工作生命周期成本有关：

󰁺 它是不必要的复杂。假如控制系统体系结构以真正对等的结构来实施，

图4

控制器层网络可以在不损失功能的情况下消除。最终用户不能从分级结构的额外分层上获益。事实上，由于必须安装、配置和维护基于不同技术的第2个控制层网络，最终用户会受到额外成本和复杂性的负面影响。

󰁺 它是专用的。虽然设备网上的设备是LONWORKS，甚至是基于LONMARK

®

标准制造，但集中化的控制器和它们包含的算法并不是它们需要使用专门

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工具的定制编程和专用的网管工具。这阻止了最终用户达到开放标准的真正目标之一：自由选择修改、增加、新功能实施和维护。

󰁺 不可能在任何时间、从网上任何地点和任何点通信。因为体系结构由多

个控制层组成，不可能让分离信道上的设备相互直接通信。取得经过不同协议两次转换的数据并存储在全球数据库中可能长达数分钟是不可取的。这个体系结构限制了设备间的信息流、实施控制算法的方便性，最终限制了系统的有效性。它也可能显著延长安装时间。

分级系统的体系结构对最终用户和集成商来说是累赘而又昂贵的，而且它迷惑了不懂行的顾客。他们不由自主相信正在购买一个开放系统，因为它是基于一种意在提供开放性的技术。将LONWORKS网络在最低层实施时，多层控制体系结构实际上是孤立的LONWORKS网的集合。在这种体系结构中，即使在设备层网络上有互可操作性，在整个系统上还是由控制器来提供通信。LONWORKS设备受到限制，只能在它们的局部网络上直接和其他LONWORKS设备共享数据。专用“黑箱子”软件管理控制器层的网络，而不是协调信息传输的开放式网络管理软件。之所以需要这个专用软件，是因为它企图向最终用户掩盖多层体系结构的复杂性。然后制造商能为此征收额外费用，而且确信在未来的某个时候用户一定需要他的服务。

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第三章

LONWORKS协议

本章主要介绍LONWORKS协议，并描述它的一些最重要特点。

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介绍LONWORKS协议

LONWORKS协议，也称为LonTalk协议和ANSI/EIA 709.1控制联网标准，是LONWORKS系统的核心。协议提供一系列通信服务，使设备中的应用程序能在网上对其他设备收发报文而无需知道网络拓扑结构、名称、地址或其他设备的功能。LONWORKS协议也可以提供端到端的报文确认、报文鉴别以及为提供绑定（bounded）事务处理时间的优先级发送。对网络管理服务的支持使远程网管工具能通过网络和其他设备相互作用，例如网络地址和参数的重新配置、应用程序的下载、报告网络问题以及设备应用程序的起始/停止/复位等。

LONWORKS协议是一个分层的以数据包为基础的对等通信协议。象相关的以太网和因特网协议一样，它是一个遵守国际标准化组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型的分层体系结构准则的、公开的标准。但是，LONWORKS协议设计用于控制系统而不是数据处理系统的特殊要求。为了用一个可靠和稳固的通信标准来满足这些要求，LONWORKS协议按照国际标准化组织的建议分层。通过使协议配合OSI各层的每一层的控制要求，LONWORKS协议提供了一个各个控制特定的解决方案，具有控制应用软件所需的可靠性、性能和稳固的通信。

ISO/OSI模型的7层和LONWORKS协议提供的相应服务在表1中表示。该模型常常用于比较通信协议的特点和功能性。并不要求任何给定协议实施该模型的每一层，甚至也不要求如模型那样分层。象LONWORKS协议这样完整、充分可变规模的协议能提供该模型中的所有服务。

表1 ISO/OSI参考模型

OSI层 7 6 5 4 3

应用层 显示层 会话层 传输层 网络层

目的 应用程序 数据解释 远程行动 端到端可靠性 目的地寻址

服务

标准对象和类型；配置属性；文件传输；网络服务网络变量；应用报文；外部幀 对话、远程程序调用、连接恢复

端到端确认；业务类型；数据包排序；双重检测 单播和多播寻址；数据包路由选择

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2 数据链路层 介质访问和组幀

组幀；数据编码；CRC错误检测；介质访问；冲突检测；优先级

特定的介质接口和调制方式（双绞线、电力线、无线、同轴电缆、红外和光纤）

1 物理层 电互联

以下是各层提供的服务的介绍： 1、

物理层定义在通信信道上原始数据的传输。物理层确保由源设备发送的1比特被所有的目的设备以1比特接收。LONWORKS协议不依赖于介质，所以有多个物理层协议受到支持，随通信介质而定。

2、

数据链路层定义介质访问和数据编码方法以确保有效使用单一的通信信道。物理层的原始比特分解为数据幀。物理层定义何时源设备可以发送一个数据幀，目的设备怎样接收该数据幀并检测传输误差。还定义了确保重要报文发送的优先级机制。

3、

网络层定义报文数据包怎样选择从源设备到一个或多个目的设备的路由。此层定义设备的命名和寻址以确保数据包的正确发送。还定义了设备在不同的通信信道时，怎样在源设备和目的设备间选择路由。

4、

传输层确保报文数据包的可靠发送。报文可以使用确认服务来交换。发送设备等待来自接收设备的确认，假如确认未能收到就重发报文。传输层还定义了重复报文怎样检测，假如一个报文由于确认丢失而重发，则将其拒绝。

5、

会话层在较低层交换的数据上增加控制。它支持远程操作，使用户可以向远地服务器提出请求并获得对此请求的响应。它还定义了一个鉴别协议，使报文接收者能确定发送者是否有权发送该报文。

6、

表示层通过定义报文数据的编码，在较低层交换的数据上增加结构。报文可以象网络变量，应用报文或外部幀那样编码。网络变量的互可操作编码由标准网络变量类型（SNVT）提供。

7、

应用层在较低层交换的数据上增加应用程序兼容性。标准对象确保应用软件对在较低层交换的数据使用共同的语义解释，从而促进互可操作性。共同语义解释确保不同的应用软件对网络变量的更新显示共同的行为。

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所有通信都由1个或多个在设备间交换的数据包组成。每个数据包的长度由不同数量的字节组成，包含对7层中每一层所要求的数据的压缩表示。压缩表示使LONWORKS数据包非常短，最大限度降低了每LONWORKS设备的实施成本。

信道上的每个设备侦察在信道上传输的每个数据包以决定它是否是接收者，假如是，它就处理该包以确定该包是否包含设备应用程序所需的数据，或者是否是网络管理数据包。应用数据包中的数据提供给应用程序，假如合适，一个确认、响应或鉴别报文就会发给发送设备。

本章余下部分将介绍LONWORKS协议的某些最重要方面。

信道类型

LONWORKS协议不依赖介质，所以LONWORKS设备能在任何物理传输介质上通信。这使得网络设计者能够充分利用控制网上各种可用的信道。协议还提供一些可修改的配置参数，以便为某一特殊的应用在性能、安全和可靠性等各方面取得折衷。

信道是特定的物理通信介质，LONWORKS设备通过专用于该信道的收发器与其连接。每种信道在所连接设备的最大数量、通信比特率和物理距离限值等各方面有不同的特点。表2是几个广泛应用的信道类型的特点的小结。

表2

信到类型 TP/FT-10

介质 双绞线、自由拓扑或者总线拓扑、可选信道电源

TP/XF-1250

双绞线、总线拓扑

PL-20

电力线

5.4kbps

PL 3120 & PL 3150

IP-10 IP之上的

LONWORKS

广泛应用的LONWORKS信道类型

数据速率

兼容的收发器

最大设备数量

最大距离

78kbps FTT-10A；

LPT-11； FT 3120 & TF 3150

1.25Mbps TPT/XF-1250 64

64-128 500米（自由

拓扑） 2200米（总线拓扑） 125米

视环境而定 视环境而定

由IP网络决定

由IP网络决定 由IP网络决定 由IP网络决定

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特别提出的是自由拓扑双绞线信道（TP/FT-10），它允许设备能够用双绞线线缆连接，不论其配置如何——没有对短截线长度、设备间距、分支长度等的限制，只是每个网段的电缆最大长度有限制。

介质访问

所有网络协议都使用介质访问控制（MAC）算法让设备能决定何时能安全地发送一个数据包。MAC算法设计用于消除冲突或使其最小化。当两个或更多的设备在同一时间试图发送数据时，就发生冲突。消除冲突的MAC算法通常用于小型的网络，因为这些算法在规模上和大型网络不相称。象以太网之类的现代网络使用MAC算法并不消除冲突而只是使其最小化。以太网MAC算法并不很适用于局部控制应用，因为它在网络负荷过载时性能欠佳。现有的MAC算法，诸如IEEE 802.2、802.3、802.4和802.5并不能完全满足LONWORKS在多种通信介质、在高负荷时性能不变、以及支持大型网络等方面的要求。

LONWORKS协议采用叫做predictive p-persistent CSMA协议（载波监听多路访问）的独特的介质访问控制（MAC）算法，它甚至在网络过载期间也有极好的性能特点。LONWORKS MAC算法使信道能以最少的冲突运行其全部容量。

象以太网一样，所有LONWORKS设备对介质的访问都是随机的。这就能避免本来不能避免的冲突，例如当两个或更多的设备等待网络空闲，以便能发送数据包时，就会发生冲突。假如它们等待回退后和重入前的同一时段，就会发生重复的冲突。在LONWORKS协议中，设备在最少为16级的称为Beta 2时隙的迟延上随机化。这样，在空闲网络上的平均迟延就是8个Beta 2时隙。

LONWORKS协议的独一无二特点是可用的Beta 2时隙数是由每个设备动态调节的，这种调节是根据每个设备保持的期望网络负载的估计值为基础的。可用的Beta 2时隙为16到1008个，随估计值而异。

这种估计积压工作和动态调节介质访问的方法使LONWORKS协议能在轻负荷期间使用少数Beta 2时隙使介质访问迟延最小化，而在重负荷期间能使用较多Beta 2时隙使冲突最小化。

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寻址

寻址算法定义数据包怎样通过路由选择从源设备传输到一个或多个目的设备。数据包可以发送到单一设备，到任何一组设备，或到所有设备。为了支持从两个设备到成千上万设备组成的网络，LONWORKS协议支持几种类型的地址，从简单的物理地址到指定许多设备集合的地址。下面列举LONWORKS地址类型：

󰁺 物理地址。每个

LONWORKS设备包括一个叫做Neuron ID（神经元ID）

的唯一的48位标识符。神经元ID通常在设备制造时分配，在设备整个工作生命周期不会不改变。

󰁺 设备地址。LONWORKS设备安装到某个网络中时，就会分配到一个地址。

设备地址用来代替物理地址，因为它们支持效率更高的报文路由选择；简化失效设备的更换。为网络维持设备地址数据库的网络安装工具负责分配设备地址。设备地址由三部分组成：domain ID（域ID）、subnet ID（子网ID）和node ID（节点ID）。域ID标识可以互操作的一组设备。要交换数据包，各设备必须在同一域中。一个域中的设备可高达32,385个。子网ID标识在单一信道上或由中继器连接的一系列信道上的多达127个的设备。子网ID用于在大型网络中数据包的高效路由选择。一个域中的子网可能高达255个，节点ID标识子网内的个别设备。

󰁺 组地址。一个“group（组）”是一个域内的设备的逻辑集合。与子网不

同，设备可以集合成组而不问其在域中的物理位置。当使用不确认的报文发送时，一个组成可以有任意数量的设备；假如使用确认的报文发送，一个组内的设备限定为最多64个。对于发送到多个设备的数据包，组是优化网络带宽的有效方法。一个域中可以有256以下的组。

󰁺 广播地址。广播地址标识子网中的所有设备，或域内的所有设备。广播

地址是跟许多设备通信的有效方法，有时也用于代替组地址以保存有限数量的可用的组地址。

每个在网上传输的LONWORKS数据包含有发送设备（源地址）的设备地址和接收设备（目的地址）的地址。那些地址可能是物理地址、设备地址、组地址或广播地址。

假如设备数量超过域的限值或想要分离设备使其不能互操作，可以使用多个域。有可能使两个或更多的独立LONWORKS系统共存在同一物理信道上，只要

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每个系统有唯一的域ID。每个系统中的设备只响应与它们的域ID相符的数据包，不知道也不关心其他域ID发送的数据包。设备响应以它们自己物理地址发送的数据包，该地址通常只有相应的网络安装工具知道。物理网络共享时，由于数据包数量增加，整个网络响应时间将受到影响，所以需要进行协调的整体网络设计。

报文服务

LONWORKS协议提供三个基本类型的报文发送服务并支持鉴别的报文。优化的网络常常要使用所有这些服务。这些服务使设计人员能在可靠性、效率和安全之间取得折衷。下面列举这些服务：

󰁺 确认报文发送服务——能够提供端到端的确认。使用确认报文发送时，

报文发送给一个设备或由64个以下设备组成的设备组，并要求每个接收设备发来各自的确认。假如未收到确认，发送者进行超时安排，重试发送事务。重试次数和超时两者都是可配置的。

󰁺 重复报文发送服务——该项服务可以多次把报文发到一个设备或任意数

量设备组成的设备组。此项服务常用于代替确认的报文发送，因为它不会造成额外开销比特和等待确认带来的迟延。在向大型设备组广播信息时，这显得特别重要，因为确认的报文会使所有接收设备在同一时间内尝试发送一个响应。

󰁺 不确认报文发送服务——它向一个设备或任意数量设备组成的设备组发

送一次报文，并不要求响应。这个报文发送业务只需最低的开销比特率，因此成为最常用的服务。

󰁺 鉴别服务方式——让报文接收者决定发送者是否有权发送此报文。这样，

鉴别服务就能防止对设备的非授权访问。鉴定服务通过安装时给设备分配48比特的几个键来实施。

网络变量

LONWORKS协议推行网络变量（Network Variable）新概念。网络变量大大简化了具有互可操作性、使用多个销售商产品的LONWORKS应用程序的设计工作，而且方便了以信息为基础而不是以指令为基础的控制系统的设计。所谓网络变量是指一个特定的设备应用程序期望从网上其他设备获得的（输入网络变量）或期望向网上其他设备提供的（输出网络变量）任何数据项（温度、开关值或执行器位置设定等）。

22LONWORKS系统介绍 -

设备中的应用程序根本不需要知道输入网络变量由何处来，输出网络变量往何处去。应用程序具有输出网络变量新值时它就简单地把新值发给设备固件。通过一个在网络设计过程中产生的称为“绑定（binding）”的过程，设备固件被配置成知道网上要求这个网络变量的其他设备或设备组的逻辑地址，于是它就汇集并发送合适的数据包到这些设备。类似地，当设备固件收到应用程序所需的输入网络变量的更新值时，它就把该数据发给应用程序。这样，绑定过程就在一个设备的输出网络变量和另一设备或设备组的输入网络变量间建立了逻辑联系。这样的连接也可以看作“虚拟线路”。假如一个设备包含一个物理开关，具有称为“switch on/off”的输出网络变量而另一个设备驱动一个灯泡，具有相应的称为“lamp on/off”的输入网络变量，把这两个网络变量绑定起来建立的连接具有象从开关到灯泡的同样的功能效应。

虚拟线路

用网络工具建立和改变

不需要对设备重新编程就能够改变 增加、删除和改变非常容易

网络变量绑定

每个网络变量具有类型，它定义包含在网络变量内的数据的单位、比例和结构。只有相同类型的网络变量才能连接。这可以防止发生通常的安装错误，例如，压力输出连接到温度输入。有类型转换程序可把网络变量从一个类型转换成另一类型。如下一章中介绍的那样，对通常使用的类型定义了一套标准网络变量类型（SNVT）。另外，制造商为他们自己的用户定义网络变量类型（UNVT）。

网络变量使我们能抛开老式的基于指令的控制系统而建立基于信息的控制系统。这意味着在LONWORKS系统中，每个设备应用程序根据从其他设备收集到的有关系统的信息作出自己的控制决定。在基于指令的系统中，设备向其他设备发出指令，这样，一个通常是集中化控制器的发指令设备必须是定制编程，以便多方获知系统功能和拓扑结构。这使得许多销售商很难设计能方便地集成的标准控制设备。网络变量便于制造商设计让集成商方便地结合互可操作的、以信息为基础的控制系统。

23LONWORKS系统介绍 -

图5

限值

系统中使用LONWORKS协议的每个域可以有多达32,385个设备。一个域中可以有多达256个组，每个组可以有分配给它的任意数量的设备，除了在需要端到端确认时，组被限制在64个设备以下。在一个域中可以有多达255个子网，每个子网可以有多达127个设备。这些数据摘录在图6中：

󰁺 子网中的设备 127 󰁺 域中的子网 256 󰁺 域中设备 32,385 󰁺 网络中的域

248 32K x 248 无限制 63 无限制 31 232

󰁺 系统中最多设备数 󰁺 组中成员

󰂄 未确认的或重复的 󰂄 确认的或要求的响应

󰁺 网络中信道

󰁺 域中的组 255

󰁺 一个网络变量中的字节

󰁺 一个应用程序或外来幀报文中的字节 228 󰁺 数据文档中的字节

图6 LONWORKS协议的限制

LONWORKS协议标准

直到几年前，LONWORKS协议还只是嵌在神经元芯片中供应。这保证了所有制造商的一致应用。现在，大量遵守该协议的设备已经安装在世界各地，埃施朗公司也已发布了LONWORKS协议并使其成为ANSI/EIA 709.1控制联网标准下的一个开放式标准。所以，该协议已可自由地提供给任何人。要获得协议规范的复制件，请访问网站：http://global.ihs.com并索取ANSI/EIA 709.1的复制件。

24LONWORKS系统介绍 -

实施LONWORKS通信协议的最有成本效应的方法仍然是采购神经元芯片。但是，ANSI/EIA标准允许让任何愿意投资的公司在它们选择的微处理器中实施LONWORKS协议。

小结

总而言之，LONWORKS协议提供的各种服务能提高可靠性、安全性和网络资源的优化。这些服务的特点和优点如下：

󰁺 支持广泛的通信介质，包括双绞线、电力线和

IP网上的通信。

󰁺 支持以混合介质类型构建的网络及其通信速度。 󰁺 支持小报文的有效发送，优化网络的控制应用。 󰁺 支持可靠通信，包括防止非授权的使用系统。 󰁺 消除单点故障，进一步提高系统可靠性。 󰁺 不论网络大小，能够提供可预测的反应时间。 󰁺 支持低成本的设备、工具和应用程序的实施。

󰁺 使安装和维护成本最小化，达到较低的工作生命周期成本。 󰁺 支持成千上万的设备——但是对只有少数设备的网络也同样有效。 󰁺 允许灵活和方便的设备间可重配置的连通性。

󰁺 允许对等通信，这样，使其既可用于集中化控制系统，也可用于分布式

控制系统。

󰁺 为产品互可操作性提供有效机制，使得一个制造商能和其他制造商共享

有关标准物理量的信息。

25LONWORKS系统介绍 -

第四章

互可操作性

本章主要介绍开发使多个制造商能方便地建造互操作的LONWORKS设备的准则。本章还说明规格制订者、集成商和安装商怎样利用LONMARK认证来降低LONWORKS网络的安装成本。

26LONWORKS系统介绍 -

概述

LONWORKS系统促成真正互可操作的设备和系统的开发。可是，组成LONWORKS的LONWORKS组件是不依赖通信介质而且并不规定设备应用程序的结构。所以，单是使用LONWORKS组件并不能保证来自不同制造商的LONWORKS设备能在同一系统中互操作。确实，LONWORKS组件广泛用于诸如车辆控制系统、传送带系统、电话交换局监控系统等的专用系统。但它们不能得到一个完整LONWORKS系统的全部好处。

在互可操作设备的集合和一个开放系统之间有重大差别。不可能建立没有互可操作设备的开放系统，但完全可以在封闭系统中建立互可操作设备的集合。换句话说，为了建立开放系统，互可操作设备是必需的但并不是充分的。正确的网络设计是实施真正开放系统的又一要求。在开发开放系统中互可操作设备是最基本的组件。所以，建立了LONMARK协会来宣传和支持那些生产互可操作产品的制造商。

远程客户端

运动传感器 人机界面安防摄像机电子镇流器

调光器/开关 调温器 HAVC阀门

图7

一个开放式系统的组成

27LONWORKS系统介绍 -

LONMARK协会

由于在许多行业中，互可操作产品大有用武之地，于是在1994年由埃施朗 公司和一些从事楼宇互可操作产品的用户建立了LONMARK互可操作性协会（像以更名为LONMARK International——LONMARK国际协会）。互可操作性指来自同一个或不同制造商的多个设备能集合成单一的控制网而无需定制节点或定制编程。LONMARK协会致力于制订互可操作性标准，根据标准认证产品、宣传互可操作系统的优点。

LONMARK协会保证设备级的互可操作性。只有经LONMARK协会认证的产品——称为LONMARK产品——才能使用LONMARK图标。LONMARK协会的会员资格向全体有关的公司开放；对制造商、系统集成商和最终用户有不同的会员费收取标准。有关会员和当前活动的详细信息和已发布的标准可从协会网站：www.lonmar.org取得。

LONMARK由“工业理事会”管理，理事会由有关社团的代表会员组成。协会的会员资格向依据LONWORKS协议致力于开发、制造和使用LONMARK认证产品的任何公司、机构或个人开放。协会开发技术产品、规范和准则。保证相应设计的产品能互操作。它也开发和发布功能简表，详细描述应用层接口，包括为特定和通用的控制功能所需的网络变量、配置属性、系统设定值和上电行为。协会集中致力于下述两个领域：

1、 2、

标准收发器规范和相应的物理信道。 定义设备应用程序的结构和文献编制。

收发器和物理信道标准

LONMARK的收发器和物理信道标准包含在《LONMARK Layer 1-6 Interoperability Guidelines》中。其中表2.1展示认证相应收发器的所有标准物理信道。它还提供准则，用于LONWORKS协议——缓冲器大小/计数/类型、地址表项目等。

28LONWORKS系统介绍 -

工商业中最常用的信道类型是TP/FT-10信道类型（78Kbps的双绞线自由拓扑）和TP/XF-1250信道类型（1.25Mbps的双绞线总线拓扑）。在居住建筑中最常应用的信道类型是PL-20信道（5.4Kbps的电力线）。偶尔PL-20电力线类型也用于利用现有的电力布线，作为工商业应用的传输介质。

应用程序标准

LONMARK互可操作设备应用程序的标准收编在《LONMARK Application Layer Interoperability Gidelines》中。这些准则以功能简表为基础，作为个别设备上的LONMARK对象实施。对应用程序的接口定义为一个或多个LONMARK对象。每个LONMARK对象行施明确记载的功能并和其他LONMARK对象通信，遵守明确规定的输入输出接口规范，既可在同一设备上也可在不同设备上。一旦创立了完整系列的LONMARK对象，设计网络的任务就变成了选择适当的LONMARK对象并将其连接。

LONMARK对象定义为一个或多个输入和/或输出网络变量组成的系列，它具有语义定义，把对象的行为和网络变量值和一套配置属性联系起来，这些变量值和属性规定了对象的配置数据。为了留下未来发展余地并让制造商各展所长，LONMARK对象定义由强制性网络变量和配置属性、选择性网络变量和配置属性组成，也可由特定制造商网络变量和配置属性组成。为了保证互可操作性，LONMARK设备的正确行为不能取决于它的特定制造商的接口。

󰂄 标准网络变量类型（SNVT）

为了使来自多个制造商的应用软件能通过使用网络变量方便地互操作。网络变量中的数据必须以同样方式解释。例如，所有温度值以公用格式在网络介质上传输，它可以是摄氏或华氏温标，但必须是其中之一，以便保证真正互可操作性。LONMARK协会已定义和发布了100多个公用系统变量，有利于执行这一规定。这些变量称为标准网络变量类型（SNVT）。所有SNVT的现行清单和详细说明请浏览网站：www.lonmark.org。使用SNVT并不强制要求网络工具使用者以规定方式显示数据，例如，温度值可以用摄氏或华氏值传输，但在网络工具使用者的控制下，它们也可以方便地以摄氏或华氏值显示。

29LONWORKS系统介绍 -

󰂄 配置属性

每个LONMARK对象只通过网络变量和其他LONMARK对象交换信息。但是，大部分对象也需要满足特定系统应用的客户化。LONMARK协会准则规定了称为配置属性的数据结构，为使用网络工具下载客户化数据到设备上的文献编制和网络报文格式提供标准。LONMARK协会规定了配置属性类型的标准系列，称为“标准配置属性（SCPT）”。制造商也可以定义他们自己的配置属性类型；这些类型称为“用户定义的配置属性类型（UCPT）”。SCPT为广泛的配置属性而定义，这些配置属性使用于许多种功能简表中，诸如磁滞带、系统设定值、最小值和最大值、增益设定和迟延时间等。SCPT用于任何可应用的地方，其文献登录在www.lonmark.org网站上。在没有一个合适的SCPT可用的场合，制造商可以为配置他们的对象而定义UCPT，但这些配置定义必须按照LONMARK标准资源文档格式编制文献。请在本章下文参阅《LONMARK Resource Files》了解更多信息。

󰂄 LONMARK对象和功能简表

功能简表可以是类属的（generic），例如简单的“开环传感器对象”，也可为特定应用领域设计，例如HVAC或照明系统。例子可举出VAV控制器功能简表，它在网上读取室温值并执行一个PID控制算法，驱动执行器调节室温。LONMARK协会组成有关会员专家工作组来设计、批准和公布许多功能领域中的功能简表，诸如HVAC、保安、照明和半导体制造系统。图8中展示一个功能简表。

对象类型

设备的索引号 强制的网络变量

起码的实施 使用SNVT 可选的网络变量

以标准化方式实施 使用SNVT 配置属性

应用于设备、对象或网络变量由制造商定义的部分

制造商定义的网络变量和类型

专用的非互可操作的接口

对象类型和索引号

强制的 网络变量 可选的 网络变量 强制的 配置属性 可选的 配置属性 由制造商 定义的部分

图8

30LONWORKS系统介绍 -

功能简表

LONMARK功能简表详细描述应用层接口，包括用于特定的和通用的控制功能的LONMARK设备所需的网络变量、配置属性、系统设定值和上电行为。简表使功能而不是产品标准化。所以，简表给了工业集团通用的简化语言，用来描述功能行为的公用单位。这个简化语言方便了规范制订过程，加强了互可操作性而无需贬损一个规范制定商要求独特功能的能力或制造商使其产品在竞争中独具特色的能力。产品可以以一个或多个功能简表为基础。

LONMARK设备应用程序就这样由一个或多个LONMARK对象组成，每个对象以功能简表的定义为基础，并相互独立地配置和使用。LONMARK对象可以连接到网上的任何对象以执行要求的系统级的功能。大部分LONMARK设备都包含一个节点对象，它允许自己的状态和设备中其他对象的状态由网络工具监测。

所有LONMARK设备必须有自文档（Self-documenting），以保证任何给予LNS的工具能从网上的任何LONMARK设备取得为把设备连接进系统并配置和管理这个设备所必须的所有信息。每个LONMARK设备还必须有一个外部接口文件，使网络工具能在设备的物理连接之前设计和配置数据库。然后在设备安装好后让其试运转。在LONMARK网站上设有所有LONMARK设备的外部参考文档数据库。

󰂄 Program ID（程序ID）

遵程序ID是每个LONWORKS设备都有的设备应用程序独一无二的标识符。守LONMARK准则的设备都有一个称为标准程序ID的以标准格式表示的程序ID。标准程序ID标识设备的制造商、功能性、使用的收发器以及用途。所以，网络工具可用标准程序ID从功能上识别在LONWORKS网上的设备。标准程序ID内的字段如下：

󰁺 格式：定义程序

ID结构的4比特的值。程序ID格式8和10-15保留为

互可操作LONWORKS设备所用，但只能用于已通过LONMARK一致性评审的设备。程序ID格式8用于标准程序ID，指示LONMARK认证设备。格式9指示一个遵守LONMARK但未通过LONMARK一致性评审的设备；它可以用于完成LONMARK一致性评审前的开发、原型制作和现场试验。程序ID的余下字段与格式8和9同样解释。

󰁺 制造商ID：一个识别设备制造商的20比特的ID。在制造商成为LONMARK

互可操作性协会会员后，根据要求分配给制造商。迄今还没有ID的制造

31LONWORKS系统介绍 -

商可以使用ID 0以应开发、原型制作和现场试验之需。

󰁺 设备类别：一个识别设备类别的

16比特的ID。此ID采自预定义的类别

定义记录。设备类别指示设备的基本功能。假如没有适当的类别名称，将由LONMARK互可操作性协会按要求分配一个。

󰁺 设备子类：识别设备类别内的子类的

16比特ID。此ID采自预定义的子

类定义记录。设备子类指示设备采用的收发器类型以及设备的用途，如居住建筑、工商业建筑等等。假如没有适当的子类名称，将按要求分配一个。

󰁺 型号：一个识别特定产品型号的

8比特ID。型号由产品制造商分配，对

于制造商，在设备类别和子类内它必须是独一无二的。在程序ID内的型号并不一定要和制造商的型号一致。

LONMARK资源文件

LONMARK资源文件为一个或多个LONWORKS设备定义外部接口组件。资源文件使网络安装工具和操作员接口应用软件能解释设备产生的数据并正确地使发往设备的数据格式化。它们还有助于系统集成商和系统操作员理解怎样使用设备，怎样控制设备上的LONMARK对象。有了标准资源文件，可定义用于设备外部接口的标准组件。设备制造商必须为任何用户定义的组件创建用户定义资源文件，那些组件已在他们设备的外部接口内被定义。有4种类型的资源文件，如表3中所介绍：

表3 LonMark资源文件

类型文件

定义网络变量、配置属性，并列举类型。LONMARK标准网络变量和配置属性类型在STANDARD.TYP文件中定义。类型文件有一个.TYP的扩展名。

功能简表模板

定义用于描述LONMARK对象的功能简表。功能简表规定强制性和可选的网络变量和LONMARK对象的配置属性组件。某些可选的组件可能不会出现在由功能表得出的特定LONMARK对象。LONMARK标准功能简表在STANDARD.FPT文件中定义。功能简表模板有一个.FPT的扩展名。

格式文件

为已在类型文件中定义的网络变量和配置属性类型定义显示和输入格式。LONMARK标准网络变量和配置属性类型在STANDARD.FMT文档中定义。格式文档有一个.FMT的扩展名。

语言文件

定义随语言而异的字符串。对每种被支持的语言有一个单独的语言文档。文件支持的语言决定语言文档的扩展名。现有两个语言文档可用于LONMARK标准类型文件：它们是用于美国英语的STANDARD.ENU和用

32LONWORKS系统介绍 -

于英国英语的STANDARD.ENG。

使用任何非标准类型或功能简表的每个制造商通常应为他们的设备提供资源文档。制造商也可以把他们的资源文件提供给LONMARK协会，所以它们可从www.lonmark.org网站下载。

资源文件一定要识别它们应用对象是哪一个设备。例如，标准资源文件可应用于所有设备。特定制造商资源文件通常和该制造商的所有设备相配合，或者和该制造商的某一类设备甚至一个特定设备相配合。这使得用户能拥有来自许多制造商的许多资源文件；这些文件以程序ID为基础自动和正确的设备相配合。要了解开发资源文件的详情，请在LONMARK网站（www.lonmark.org）的makedrfs.zip中参阅《LONMARK Resource File Developer’s Guide》。

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第五章

LONWORKS系统

LONWORKS系统并非一个应用所需的协议和准则。本章主要介绍组成LONWORKS系统的组件并说明这些组件如何协同工作来降低安装和系统成本。

34LONWORKS系统介绍 -

组建一个系统

埃施朗公司发明了LONWORKS协议，并且是它的主要管理者。数千家控制设备制造商目前正在使用LONWORKS系统，虽然某些厂家并未将在标准协议和标准网络管理基础上实施开放系统列为优先项目。事实上，少数大公司继续充分利用LONWORKS系统的效率，同时却继续开发仍是封闭和专用的系统。

埃施朗公司在1998年开始开发LONWORKS系统。初始计划继续推动公司前进。公司要创立一个标准的有成本效应的方法。使经济的控制设备能轻而易举地相互通信，然后，利用标准通信能力让来自多个销售商的设备能在同一个网络上方便地互操作。埃施朗公司知道光是开发一个协议规范并不足以达到建立多销售商系统的目标。必须制订一种有成本效应的标准方法使协议能应用，并提供所有必要的开发工具和网络产品。

LONWORKS系统的目标是方便和有成本效应地建立开放控制系统。埃施朗公司开发LONWORKS系统时，相信有三个根本问题必须解决才能在控制市场上推出互可操作产品。首先，协议必须为控制网而优化，但是还必须开发和不同类型设备共同工作能力的通用性。其次，在设备中设置该协议的成本必须有竞争力。第三，协议必须以这样的方法来推行，也即它的实施不会随销售商而变，因为这会破坏互可操作性。

为了有效地解决这些问题。埃施朗公司着手创建一个设计、制造和安装智能控制设备的完整系统。第一步目标通过创建LONWORKS协议而达到，如第三章所述。处理成本和部署问题意味着要找到一种经济方法，在提供开发工具的同时还向顾客提供实施协议的服务。LONWORKS系统的目的是为创建LONWORKS设备和网络提供一个完美集成、优化设计的平台，如图9所示。其结果是形成这样一个系统，它提供设备制造商和系统集成商所需的一切，除了设备应用程序和特定应用程序的工具以外。组成LONWORKS系统的组件在本章介绍。

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用户定义的 用户定义的应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

物理介质

LonWorks提供除应用以外的一切

图9

使用LONWORKS系统的应用

神经元芯片

为要获得经济和标准化的部署，埃施朗公司设计了神经元芯片（Neuron Chip）。之所以选择神经元之名是为了指出恰当的网络控制的实施和人脑机制的相似性。大脑里并没有控制中心点。数百万神经元连接在一起形成网络，每个神经元通过无数途径向其他神经元提供信息。每个神经元通常正专门负责某项特定功能，但任何神经元的丧失并不一定会影响网络的整体效率。

对于开发商和集成商，神经元芯片之美妙在于它的全面性。内装的通信协议和处理器使在这些领域中的任何开发和编程成为多余。回顾前述的通信协议的ISO/OSI参考模型，神经元芯片正提供了最前面的六层。只有应用层的编程和配置需要另外提供。这使得实施能标准化，并使部署和配置比较容易。

大部分LONWORKS设备利用神经元芯片的功能，使用神经元芯片作为控制处理器。神经元芯片是专门为了向低成本控制设备提供智能和联网能力而设计的。神经元芯片有三个处理器提供通信和应用处理能力。设备制造商提供在神经元芯片上运行的应用代码和连接到神经元芯片的I/O设备。埃施朗公司设计了最初的神经元芯片。该产品系列的后继者则由埃施朗公司的制造合作伙伴设计和制造。Cypress半导体公司和东芝公司是神经元芯片的当前生产者。多个供应商为神经元芯片创造了竞争环境，为芯片提供可靠供应源，有助于促使价格下降。

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神经元芯片是具有多个处理器、读写和只读存储器（RAM和ROM）、通信和I/O子系统的单（芯）片系统。只读存储器包含操作系统、LONWORKS协议和I/O函数库。芯片拥有用于配置数据和应用程序的非易失性存储器，数据和程序两者都可以通过LONWORKS网络下载。在制造时，每个芯片获得一个称为神经元ID的永久性的、全世界唯一的48位码。现在可以供应具有不同的速度、存储器类型和容量、接口等的神经元产品系列。到1999年后期为止，约一千万神经元芯片已发运。

包括LONWORKS协议实施在内的一个完整的操作系统称为“神经元芯片固件”，包含或连接在每个神经元芯片的ROM上。大部分LONWORKS设备包括一个神经元芯片，具有相同的嵌入式LONWORKS协议的实施。这个方法消除了“99%兼容性”问题，确保在同一网络上把LONWORKS设备连接在一起几乎不需要额外硬件。神经元芯片实际上是三个八位处理器的三合一。其中两个实现LONWORKS协议；第三个用于设备应用程序。所以，芯片既是网络通信处理器又是应用程序处理器，这大大降低了大部分LONWORKS设备的实施成本。

神经元应用程序编程

神经元芯片的应用程序以“Nueron C”语言编写。一旦编写完成，Nueron C代码就以神经元能理解的0和1编译，存储在芯片中的或连接到芯片的存储器上。Nueron C以ANSI C为基础，但有下述三个重要的扩展：

󰁺 一种全新的语句类型，即“when”语句，介绍“event”并定义任务执行

顺序。

󰁺 37

种增添的数据类型、35个I/O对象和2个定时器对象，以简化和标准

化设备控制使用。

󰁺 网络变量和其他类型报文的集成报文传输机制。

神经元应用程序以ANSI C为基础的事实，使Nueron C易于学习并为现有编程器提供广泛基础。可是，Nueron C具有略为独特的程序编制范例：采用以事件为基础的模型。换句话说，应用程序通常是由网络上其他地方或某一特定设备上发生的事件触发的。所以，网络本身是事件驱动的。这意味着LONWORKS网络的业务量远低于其他类型网络，例如办公室LAN的。它也意味着设备为了报告状况并非必须等待轮询。

37LONWORKS系统介绍 -

在某些复杂的应用程序中，处理器速度或神经元芯片系列中最大存储器可能不足以完成要求的LONWORKS设备的功能。为了能容纳这些应用程序，神经元芯片设有一个高速并行接口，让任何微处理器执行应用程序同时使用带有特殊微处理器接口应用程序（称为网络接口或MIP应用程序）的神经元芯片作为它的网络通信处理器。作为替代方案，开放式的LONWORKS协议也可以接在端口上直接在任何处理器上运行。但所有这类设备仍须分配一个独一无二的48位神经元ID。

收发器

每个网络设备都包含一个收发器。收发器提供LONWORKS设备和LONWORKS设备以及LONWORKS网络之间的物理通信接口。收发器简化了互可操作的LONWORKS设备的部署，可用于各种通信介质和拓扑结构。知道在任何给定产品中是何种收发器至关重要，因为这使得产品能直接互操作。具有不同类型收发器的产品仍然能互操作，但这需要使用路由器。埃施朗公司提供双绞线和电力线收发器，设计用于多种多样应用程序而其他制造商则提供用于无线、光纤和其他各种介质的收发器。

LONWORKS设备

每个连接到网络上的设备通常以合适的机械封装包含一个神经元芯片和一个收发器。根据设备的不同功能也可以有嵌入式传感器和执行器，对外部传统传感器和执行器的输入输出接口，对主机例如PC的接口、对另一神经元和路由器中的收发器的接口。由神经元执行的应用程序实现设备的个性化功能；它可以存储在ROM（只读存储器），也可以通过网络下载到非易失性的读写存储器（NVRAM、Flash PROM或者EEPROM）。图10表示了一个典型LONWORKS设备的组成。

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网络

收发器

通信端口

协议固件(1-2层)介质访问CPU

RAM/ROM/ EEPROM

协议固件(3-6层) 网络CPU

RAM/ROM/ EEPROM

可选的外部处理器 I/O 应用电路

电源

I/O(计数器资源、驱动器等)

RAM/ROM/ EEPROM

应用程序CPU 特定节点程序

图10 一个典型LONWORKS设备的组成

网络中的大多数设备的工作是检测和控制被控物理系统的各个

LONWORKS

组件的状态。这些设备叫做LONWORKS控制设备，它们可以拥有嵌入式传感器和执行器的任何组合或对外部传感器的输入输出接口。设备中的应用程序不仅可以通过网络收发数值，而且还能执行检知变量的数据处理（例如，线性化、定标度）和控制逻辑，诸如PID环路控制、数据记录和时序调度等。

大多数LONWORKS设备由OEM（原始设备制造商）提供，但埃施朗公司也提供一系列的LONWORKS设备，用于和例如4-20mA传感器或0-10V执行器之类非LONWORKS传感器和执行器的连接。这些设备叫做LonPoint®模块，我们将在下一节描述。

󰂄 LonPoint模块

LonPoint系统是一系列的产品，它们设计用于把新的和传统的传感器和执行器以及LONMARK设备集成为楼宇和工业应用中经济的、互可操作的控制系统。LonPoint系统提供开放的、分布的系统体系结构，在该体系结构中，每个设备都能够执行某些控制操作并能从网络中的任何地点对其进行访问。

LonPoint接口模块、时序调度模块、数据记录模块和路由器模块为LonPoint系统提供I/O处理、应用程序资源、日历调度、排序、数据记录和路由选择等功能。LonPoint接口模块无缝地把传感器、执行器和控制器集成一个开放的、分

39LONWORKS系统介绍 -

布式的网络。有五种不同的接口模块：DI-10数字输入接口模块（4个数字输入端口，每个端口都有状态LED）；DO-10数字输出接口模块（4个数字输出端口，每个端口都有单独的手动/关闭/自动开关和状态LED）；DI0-10数字输入输出接口模块（2个数字输入端口和2个中继输出端口，每个端口输出带有状态LED和一个单独的手动/关闭/自动开关）；AI-10模拟输入接口模块（2个独立的6比特模拟输入端口）；A0-10模拟输出接口模块（2个独立的12比特并带有PID控制运算的模拟输出端口）。

SCH-10时序调度接口模块为网络上的其他模块提供日历控制。SCH模块包括一个灵活的状态机（state machine）功能，用于在系统或子系统内实现一系列操作。

SCH-10接口模块可以通过下载DL-10应用程序而转换成DL-10数据记录接口模块。DL-10数据记录接口模块过滤、记时和记录来自其他设备的数据。数据记录可以在趋势分析或数据库应用的任何时间检索，以便显示和分析。

路由器

对多种介质的透明支持是LONWORKS系统的独特功能，它使开发商能够选择最适合他们需要的介质和通信方法。路由器也能用于控制网络业务量和分割网络段使其不受另一网络段通信量的影响，从而增加总处理能力和网络容量。网络工具以网络拓扑结构为基础自动配置路由器，使路由器的安装便于安装商并对设备而言是完全透明的。

路由器允许单一的对等网络跨接许多类型的传输介质和成千上万的设备。一个路由器有两端，每端各有一个适合两个信道的收发器，路由器就连接在这两个信道上的。路由器对网络的逻辑运算是完全透明的，但是它们未必传输所有数据包，如由网络安装工具配置，智能型路由器充分了解系统的配置，能阻断没有远端接收者的数据包。LONWORKS系统应用另一类称为LONWORKS/IP路由器，能在如因特网这样的广域网上远距离跨接。埃施朗公司提供LonPoint路由器，能连接不同类型的双绞线信道，以及i.LON™ 600 LONWORKS/IP服务器以便在双绞线信道和诸如因特网、内部网或虚拟专用网（VPN）之间选择路由。

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󰂄 i.LON 600 LONWORKS/IP服务器

i.LON 600 LONWORKS /IP服务器是一个遵从EIA 852协议的LONWORKS到IP的路由器，它为日常设备的存取访问能够提供一个可靠的、安全的互联网通道，这些日常设备包括泵、马达、阀传感器、执行器以及照明设备。它所提供的空前强大的数据包吞吐量、灵活的结构以及简单的启动能力，使其非常适合于严格的过程控制、楼宇自动化、公共设施、交通运输以及电信等领域的应用。i.LON 600产品得到U.L、cU.L.、TÜV认证，并符合FCC、CE Mark技术规范认证，达到世界各管理机构的要求。

i.LON 600 LONWORKS /IP服务器将互联网或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作为传递本地或者远程LONWORKS控制信息的通道。它使用MD5认证确保存取访问的安全性，内部采用一个32位RISC处理器和埃施朗公司的LONWORKS /IP体系结构，从而为高速控制、显示、监视应用提供最佳的性能。

开发工具

开发工具通常包括在设备开发和调试应用程序的环境，安装和配置这些设备的网络管理程序。

󰂄 NodeBuilder™开发工具

埃施朗公司的NodeBuilder开发工具为设备制造商设计和测试LONWORKS网络中的单个设备提供一个简单而又廉价的手段。NodeBuilder工具包括一套完整的、用于Windows的设备开发软件，和能用作样机设计和测试的硬件平台。

NodeBuilder软件是为开发基于神经元芯片或者埃施朗公司智能收发器的LONWORKS设备提供软件工具。这个适用于Microsoft Windows的、易于使用的集成软件包括以下工具：

󰁺 NodeBuilder

资源编辑器——这是一个用于察看标准类型和功能属性，并

能够定义客户自定义类型和功能属性的工具。类型存储在LONMARK资源文件中，能够被资源编辑器、代码向导工具、Neuron C编译器、LonMaker工具和Plug-in插件程序向导工具所使用。这确保了所有工具对类型和属性的统一识别，减少了开发时间。

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󰁺 NodeBuilder

代码向导工具——这是一个用于定义设备的网络接口的工

具，它可以使用一个简单的拖放编辑器，然后自动地生成实现设备接口的Neuron C代码。代码向导工具还可以为每个新的设备节省开发时间。

󰁺 NodeBuilder

项目管理工具——这是一个为项目编辑资源代码的工具；它

可以用于编译、建立和下载应用程序映像文件到LTM-10A平台或者客户自定义硬件；还可以调试运行在LTM-10A平台或用户硬件的应用程序。当被用来调试时，在它执行过程中项目管理工具提供一个Neuron C源代码级别的应用程序视图，减少了在源代码中确定问题的时间。

󰁺 LNS

设备Plug-in插件程序向导工具——这个工具用于自动地生成一个

VB应用程序，它可以很容易的配置使用NodeBuilder工具开发的设备。Plug-in向导工具为每一个新的设备节省大量的开发时间。NodeBuilder的工具包括必要的开发、测试、制造LNS Plug-in插件程序的LNS组件在内。LNS是用于LONWORKS网络的标准网络操作系统。 󰂄 Mini EVK评估套件

埃施朗公司的Mini EVK评估套件是一种功能强大的、低成本的工具，既可用来评估LONWORKS技术，又可用来开发LONWORKS控制网络的设备。开发工具使制造商能方便、经济地设计和测试基于LONWORKS的控制网上的个别设备。

Mini EVK将配置灵活的硬件平台和示例Neuron C程序以及Neuron C编译器有机地结合在一起。用户可以在几分钟之内，就可以搭建一个实用的双绞线或电力线的控制网络的实验环境，继而可以编写、编译和下载自己设计的新应用程序。

Mini EVK评估套件对任何人都是物超所值的工具，用户可以用来了解和取得实际的经验，从而体会到应用领域如此广泛的LONWORKS技术平台的魅力，并可以用来实际开发出新的、市场需求量巨大的、且对成本极其敏感的智能探头/执行器，来满足飞速发展的市场需要。

Mini EVK由四个硬件部分组成：评估板，输入/输出(I/O)板，供电电源和USB网络接口卡。评估板有双绞线型号和电力线型号两种。板上还提供有用于设备原型器件试验的空间。每一个套件中包括两个评估板，一个是基于Neuron 3120核心的智能收发器，片上包括Flash存储器、RAM、收发器和三个8位的CPU；一个是基于Neuron 3150核心的智能收发器，支持外部存储器扩展，配置有64K字节的外部Flash存储器。

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网络接口、网关和互联网服务器

网络接口并不连接到控制传感器和执行器，而具有对PC之类的外部主机或便携式维护工具的多个物理接口。设备应用程序提供通信协议，让基于主机的程埃施朗公司的PCLTA-21 PC LONWORKS序例如网络工具能访问LONWORKS网。

网络适配器是封装在标准PC PCI适配器卡上的网络接口设备。它插入PC内部的PCI总线，允许如LonMaker™之类的网络工具访问网络。对笔记本电脑，埃施朗公司的PCC 10 PC卡以紧凑的PCMCIA PC卡形式提供网络接口。U10和U20 USB网络接口设备是一个低成本的、高性能的LONWORKS网络接口设备，适用于任何具备USB的计算机。此外，i.LON 10以太网适配器是一个用作连接任何10 Base-T网络的LONWORKS网络服务接口。

网关使专用的传统控制系统能连接到LONWORKS系统。网关有适合于外系统设备或通信总线的物理接口。它的应用程序连接到外系统的专用通信协议。网关在两个协议间进行编译，这是两系统间传输报文所必须的。在某些情况下，网关可能需要把外系统专用的基于指令的报文转换成基于信息的LONWORKS网络使用的网络变量。但是网关不能混同于网络中的一个设备。它是一个外部对象，一个对不相似系统的连系。即使选定的报文能在两个系统间传输，这个连系也远不是无缝的，它可能造成瓶颈把分离的操作系统和网络工具引进到集成工作中。

互联网服务器产品是埃施朗公司具有突破性的产品，它为日常设备的访问提供一个可靠的、安全的互联网通道，这些日常设备包括：灯光、家用电器、开关、温度调节器、发动机、计量表、阀门等。通过将互联网带入生活，互联网服务器产品允许你无论在何地都能实现完全的控制，根据需求允许你监测、调整和重新配置设备。

󰂄 i.LON 100e2互联网服务器

i.LON 100e2 互联网服务器连接LONWORKS网络——适用于各种类型的楼宇、工业、交通运输、公共事业和家庭自动化应用的标准自动化平台——以及其他控制系统到公共IP网络或者互联网。i.LON 100e2 互联网服务器能够使得很多现有的、采用Web Services机制的企业级软件应用远程监视和控制自动化系统和设备，从而这些公司能够把实时数据关联到他们的商业管理系统中。

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这个低成本的、高性能的服务器能够连接LONWORKS设备、M-Bus设备和传统的传感器、计量表以及执行器设备到互联网、局域网或者广域网。家用电器、计量表、负载控制、照明、安全系统、水泵和阀门等——可以说任何电子设备——都能够从世界任意地方来配置、监视和控制。对外部GSM或者GPRS调制解调器的支持，使得i.LON 100e2能应用在不具有电话或者以太网连接的环境中。

i.LON 100e2的一个强大功能是Web绑定。Web绑定能够将不同的i.LON 100e2上的数据点连接在一起，并能够将一个i.LON 100e2上的数据点连接到一个企业应用程序或者任何支持Web Service接口的应用。Web绑定能够作为LONWORKS信道、通过模拟和无线调制解调器建立的PPP连接、以太网连接、本地模拟量/数字量/脉冲输入端口、其它的i.LON 100e2以及非LONWORKS总线（包括M-Bus）之间相互连接的数据桥梁。Web绑定只需要使用一个简单易用的网页就可以实现。

i.LON 100e2互联网的内置应用程序提供了一整套丰富的功能，使得它可以独立的工作而不需要PC或者主处理器。标准的应用程序包括：时序调度、数据记录、报警处理和发送、表计阅读、模拟量功能模块、类型转换。时序调度应用程序允许按照用户设置的时间和日期启动事件和例外事件处理任务。数据记录应用程序记录网络上数据活动用来进行趋势分析、报告和应用分析。报警应用程序提供一个识别、通告和记录报警状况的手段。表计阅读应用程序能够管理脉冲计数表，可以为能源计量表、煤气表和水表提供合适的转换值。模拟量功能模块为数据点的计算和存储提供统计学的预处理，如平均值、最小和最大值以及比较值。类型转换应用程序能够用于不同数据类型之间的转换，从而简单的将不同类的设备集成在一起。

这些应用程序既可以单独使用，也可相互配合使用。i.LON 100e2所有的应用程序都可以通过网页、SOAP/XML接口或标准的LNS Plug-in插件程序访问。SOAP/XML接口允许通过Web Service的方式将数据集成到后台数据库中并报告给应用程序。LNS Plug-in插件应用程序能够用于配置内部应用程序的操作，并用集成的Web接口查看或通过SOAP/XML接口访问自定义的数据显示和报警。与内置的安全特性配合使用，应用程序允许日常的操作能够从世界上任何地方使用Web浏览器加以实现，这些操作可以是时序调度事件、读取数据记录器、监视事件和报警应答等。对于来自成千上万个i.LON 100e2的数据可以使用埃施朗公司的Panoramix®平台实现数据汇聚。

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i.LON 100e2包含内置的网页，能够用来配置i.LON 100e2自身的应用程序。集成商同样也能够使用自己创建的网页监视和控制任何i.LON 100e2上定义的数据点。为了加快网页的开发，埃施朗公司为用户提供一个免费的名为Webgen 8的工具。这是一个所见即所得（WYSIWYG）的工具，它能够简单的开发用于i.LON 100e2的网页。这个工具能让你快速的将网络变量或者数据点的值添加到一个基于Web结构的页面中，并实现自动更新。使用Webgen创建的网页同样可以使用标准的网页开发工具（例如Macromedia公司的Dreamweaver）进行修改。i.LON 100e2还能够和许多第三方的i.LON 100网页开发工具相兼容，如美国iVue系统公司的i.Vue100和法国DotVision公司的DotVision Studio i.LON 100。

i.LON 100e2互联网服务器可以使用PL-20 C-波段电力线或者TP/FT-10自它的特点是有一个标准的10/100BaseT自适应由拓扑双绞线LONWORKS接口，

以太网接口和一个用于拨号应用的、可选的内置56K V.90调制解调器。电力线接口允许通过输电干线发送信号到日常设备，这样可以不必重新布线。自由拓扑双绞线接口使用低成本的双绞线布线连结设备，且可以自由配制布线的拓扑结构：安装者可以以最快速的方式自由布线。使用10/100BaseT自适应接口可以连接到本地的以太网；而内置调制解调器可以将信号用电话线来发送，无需额外的外置调制解调器。

i.LON 100e2包括一个能够为LNS应用程序（例如LonMaker集成工具）与本地和远程网络之间建立连接的LNS远程网络接口（RNI – Remote Network Interface）。一个LNS应用程序通过每一个远程网络中所配备的i.LON 100e2 互联网服务器，能够同时管理、监视和控制多个远程LONWORKS网络。

i.LON 100e2包括两路可光耦隔离的数字量输入端口，高电压、大电流SPST继电器输出端口，以及用于管理电表、煤气表和水表的两路脉冲表计数输入端口。每一个输入或者输出端口都可以使用LNS Plug-In插件程序来配置。例如：脉冲表输入端口经过简单的配置，就可将一个预定义的相应的脉冲计数转换成一千瓦时（一度电，kwh）的值，然后将电量值（kwh）存储在i.LON 100e2的任一个数据记录器中。当方便的时候，每日的电量消耗记录能够通过SOAP/XML接口或者作为一个CSV文件通过FTP加载，然后作为日常的e-mail消息发送，或者简单的显示在一个i.LON 100e2网页上用于Web浏览器进行察看。

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网络操作系统

网络操作系统（NOS）提供支持监测、控制、安装和配置的一套公共的全网范围的服务。NOS还提供编程扩展，以方便网络管理和维护工具的使用。LONWORKS网络操作系统还必须额外提供用于HMI和SCADA应用软件的数据访问服务以及通过LONWORKS或IP网的远程访问。

正确设计的NOS可在一个或多个用户使用的多个工具间实施同步化服务。为了使NOS能支持完全的互可操作性，它必须支持能够访问LONMARK对象和配置属性的LONWORKS服务，以及支持生成LONMARK动态网络变量的服务。最后，NOS还必须支持多厂商的标准Plug-in插件程序以方便设备的配置。

系统的正常运行并不需要专门设计的NOS。网络初步运转或在后来改建时，NOS提供安装和维护服务。但一旦网络安装完成，就不需要NOS支持设备间的通信。这是LONWORKS系统的对等体系结构的重大优点。

为了在网络工具和应用软件间提供互可操作性，LONWORKS系统包含一个叫做LNS™网络操作系统的NOS。LNS提供一个标准平台，支持LONWORKS网络上的互可操作应用。LNS是一个基础结构，提供互可操作LONWORKS网络工具和应用程序的基础，它们是一些用于设计、配置、安装、操作和维护LONWORKS系统的产品。LNS支持基于任何平台的客户端，而服务器则以Windows 2000、Windows Server 2003和Windows XP为基础。

LNS使用客户/服务器体系结构，从而使多个应用程序能同时在网上运行，使多个用户能同时安装设备、诊断问题和进行修理。LNS是可伸缩的、可改变的和可升级的。

LNS Plug-in插件程序标准鼓励LONWORKS设备制造商使用结合在他们独家产品上的软件组件为客户提供更多的价值。网络集成商使用插件程序配置项目中的设备，而不是尝试开发现场每个项目的定制编程。这些设备的插件程序通常包含内装的故障查找工具、帮助或确认配置选择的用户对话机制以及监测和图示设备中数据的定制用户界面。事实上，制造商一次编写出优秀软件，就能简化他们的产品在成千上万LONWORKS网络上的应用。

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假如使用LNS，制造商们的设备软件插件程序就能不经修改在任何PC上运行，并能无缝地和PC上的安装工具集成在一起。LNS插件程序屏蔽了软件组件和设备之间的基础通信，从而简化了网络管理。因此，许多现有的设备只要通过编写一个插件程序就能变成完全互可操作。为制造商设定了一个标准接口，以便将前端客户化，同时LNS还使得多销售商的软件组件有可能协同工作。

网络工具

网络工具是建立在网络操作系统最高层的应用软件，用于设计、安装、配置、监测、监控、诊断和维护。许多工具综合了这些功能，但最常见的综合如下：

󰁺 网络集成工具：提供设计、配置、起动和维护网络所需的基本功能。 󰁺 网络诊断工具：观测、分析和诊断网络通信量并监测网络负荷的工具。 󰁺 HMI

开发工具：编制人机界面（HMI）应用软件。HMI应用软件用于操

作系统的操作员接口。

󰁺 I/O

服务器：向原来并不设计用于LONWORKS网络的HMI应用软件提供

对LONWORKS网络访问的通用驱动器。

以LNS网络操作系统为基础的网络工具是互可操作的，这意味着它们能在同一时间在同一网络上运行，并维持网络和其配置中的设备的兼容性。埃施朗公司对网络工具的贡献将在下述章节中介绍。

󰂄 LonMaker for Windows集成工具

LonMaker for Windows集成工具是用于设计、文献编制、安装和维护来自多厂商的、开放式的、互可操作的LONWORKS网络的软件包。它以LNS网络操作系统为基础，LonMaker集成工具把强大的客户/服务器体系结构和易于使用的Visio用户界面集成在一起。其结果是一个相当精巧的工具，可用来设计和启动一个分布式控制网络，而又经济地可以用作一个网络操作和维护的工具。

LonMaker集成工具对LONMARK设备以及其他LONWORKS设备提供全面的支持。它充分利用LONMARK的特点，例如LONMARK功能简表在LonMaker图形中以功能块形式显示，使其更便于将控制系统的逻辑形象化和编制文件。

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LonMaker工具符合LNS插件程序标准。该标准使LONWORKS设备制造商能为其产品提供可定制的应用软件，并在LonMaker用户选择配套设备时让这些定制应用软件自动起动。这更便于系统工程师和技术员定义、启动、维护和测试关联的设备。

对于所设计的系统，网络设计通常不在现场完成，LonMaker工具可以不用连接到真实网络。当然，网络设计也可以在现场进行，把工具连接到已启动的网络中。这一特点，对于较小网络或常有增添、移动、修改的网络特别理想。

LonMaker工具还向用户提供用于设计控制系统的、大家较为熟悉的、类似CAD的环境。Visio巧妙的图形绘图功能为创建设备提供了直观的、简单的方法。LonMaker工具包括若干许多LONWORKS网络所使用的灵巧的图形，并且用户也可创建新的可定制的图形。自定制的图形可能简单到只是单个设备或功能块，也可像带有嵌套子系统和预定义节点、功能块以及它们之间的连接的完整的系统一样复杂。使用子系统图形可以创建额外子系统，只要简单地把图形拉到新的图页上，这个特点在复杂系统时能节约时间。任何子系统都能添加网络变量到子系统图形而转变成一个超级节点。超级节点通过把简化的接口提供给一系列设备而减少了设计时间。

由于安装商有能力在同一时间启动多个设备从而缩短了网络安装时间。经由服务管脚、条形码扫描的神经元ID、wink，或人工输入ID就可以识别设备。对含有嵌入网络的系统可应用自动查找，让其自动寻找和启动系统中的设备。由于采用浏览网络变量和配置属性的集成应用软件，测试工作和设备配置得以简化。LonMaker工具还提供一个管理窗口来测试、启动/禁止或强制设备内的个别功能块，或测试、wink、设定设备的联机或脱机状态等。

LonMaker工具既能输入也能输出Auto-CAD文档，并生成实际配置状况的文档。还可以使用集成报告生成程序和材料清单生成程序来生成网络配置的详细报告。

LonMaker工具是一个简单的可扩展工具，覆盖网络整个工作生命周期，从而简化了安装商的工作。

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󰂄 LonScanner协议分析软件

LonScanner协议分析软件为LONWORKS产品制造商、系统集成商和最终用户提供一个简单易用的、基于Windows操作环境的工具，使得用户可以观察、分析和诊断所安装的LONWORKS网络的行为。这个工具所提供的先进的能力在数据网络分析中起到重要的作用，适合控制网络的独特需求。

协议分析软件通过数据采集、定时标记和存储所有网络通信到记录文件中来简化网络的维护。多个记录和网络接口设备能够同时被激活，这使得从一个多信道的网络中或者从多个网络中采集数据包变得更简单。

强劲的事务分析系统能够检查每一个采集到的和与之相关的数据包，以帮助用户了解和解释他们网络的通信流量模式。

这个协议分析软件能够在一个原始的记录表中显示设备地址、网络变量地址和网络变量数据，因此，这个产品能够用于任何使用任何工具安装的网络，或者用于一个自安装的网络，或者用于预安装的网络。使用者可以为设备赋一个带符号的名称，或者从一个LNS数据库引入名称，那么这个设备名称将被附加在原始的网络地址中被显示出来。这简化了数据包运行记录数据的解释。协议分析软件还能够从一个LNS数据库中引入网络变量名称，因此网络变量更新报文包括设备和网络变量名称都被附加在原始的寻址数据中。LNS数据库的使用是可选的，但使用LNS数据库可以简化设备和网络变量名称的解码过程。任何由基于LNS工具生成的数据库都可以被使用，包括由LonMaker集成工具生成的数据库。协议分析软件为每一个报文提供文本描述，还为传输这个报文所使用ANSI/CEA-709.1协议服务提供描述。该软件不需要使用者人工解释ANSI/CEA-709.1协议中“1”和“0”，从而减少时间，使得用户更集中于网络问题的诊断。

使用者能够通过可定制的捕获过滤器工具以限制数据包的采集。使用者可以过滤所选定的数据包，或者是指定的设备，或者是指定的网络变量，并且对于数据包而言还可以通过所选定的ANSI/CEA 709.1协议服务进行过滤。过滤器工具通过限制数据包记录文件，从而更进一步的简化了网络的分析。

LonScanner协议分析软件的统计表为存取详细统计相关的网络行为提供一个总表。这个统计表中包括了总的数据包数目、出错数据包数目和网络负载状况。该表为显示网络行为的总结提供一种简单易用的方法。

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LonScanner协议分析软件的带宽利用率表和出错率历史记录表能够在长期趋势曲线图中显示网络的负载和出错率数据。这些趋势曲线图能够通过较长周期的操作，很容易的辨别额外的网络通信量和错误信息。

󰂄 LNS DDE Server软件

LNS DDE Server是一个允许任何和DDE兼容的Microsoft Windows应用程序在不需要编程的情况下就可以监视和控制LONWORKS网络的软件包。LNS DDE Server的典型应用包括和人机界面应用程序、数据记录和趋势分析应用程序以及图形处理显示的接口。

通过连接LNS和Microsoft的DDE协议，DDE兼容的Windows应用软件能通过下述任一方法和LONWORKS设备交互作用：

󰁺 读取、监测和改变任何网络变量的数值 󰁺 监视和改变配置属性 󰁺 接收和发送应用报文 󰁺 测试、启动/禁止或强制󰁺 测试、wink

LONMARK对象

和控制设备

LNS DDE Server把LONWORKS网络连接到楼宇、工厂处理装置、半导体制造和其它工业、商业应用的控制系统的操作界面。在上百种DDE应用程序中，Intellution Fix®，USDATA Factory Link®、National 可以和Wonderware InTouch®，

Instruments LabView®和BridgeView®相兼容。LNS DDE Server同样支持Wonderware公司的SuiteLink和FastDDE协议，以提高和InTouch一起使用的性能。

一旦网络使用LonMaker for Windows集成工具启动后，LNS DDE Server自动访问由LonMaker工具创建的数据库。为使用LNS DDE Server不需要单独的配置步骤——LNS保证所有必要的信息已在LNS数据库中。

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第六章

开放系统的设计

本章主要介绍网络设计者、技术顾问、规范制定者和系统集成商如何使用LONWORKS系统组件来建立开放的控制系统。

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概述

设计开放系统的工作不仅限于选择LONWORKS设备。例如，在最近几年中LONWORKS系统一直在控制行业中高速度增长。但是，尽管开放系统技术已经包含在众多产品中，技术顾问/规范制订者们仍然难以设计一个真正开放的、互可操作的解决方案。主要原因是设计和完成控制项目中所使用的方法。在北美大部分建筑和工业自动化项目中仍然以多重的、孤立的子系统形式来实现。不从整体考虑，建筑和工业控制将系统拆散成多个小项目以迎合传统的采购规程。

此外，不安、犹豫和怀疑也难辞其咎。虽然各个大控制制造商都继续加速采用LONWORKS系统，但许多制造商还是对采用标准网络协议可能带来的市场变化忧心忡忡。真正开放式体系结构的实施不可避免在市场供货系统上产生明显变化。开放式体系结构被拥有重要市场份额的大公司看作是一个可能的“潘多拉盒子”。开放系统能大大扩展市场，为许多竞争者提供多种盈利机会，这样的事实使得某些人可能难以接受。还有一些公司并未看到为新老顾客提供新功能和附加价值的机会。尽管这样，大部分制造商还是感到LONWORKS系统是在他们的设备中建立通信能力的一个有成本效应的方法。

但是，技术进步在包括控制系统在内的所有类型系统体系结构中推动迅速变化。近20年来，连接到哑终端的集中化大型主机被连接到局域网的小型计算机的分布式处理能力取代，而后者又被功能强大的个人计算机的分布式对等网络取代。每种信息系统产品的巨大成功的关键是微处理器、通信协议、操作系统和其他软硬件的构造模块的工业标准被广泛接受。这些标准使许多制造商能生产大量互可操作的软件、硬件产品，它们可以综合在信息系统中，配合任何应用而无需开发硬件、软件或工具。现在，作为开放式标准向所有制造商提供的LONWORKS系统是一个平台，在控制系统体系结构中推动同样的快速变化，以开放式、高度分布的互可操作系统取代专用的集中系统。

LONWORKS系统已在楼宇控制中如此盛行，以至于使用“LON”或“LONWORKS”词语就表示开放式、多厂商的控制系统已司空见惯。但是，LONWORKS系统是一个启动平台而不是保证无缝互可操作性的终端应用解决方案。使用LONWORKS系统组件大大提高了设计、安装开放式控制系统的方便性。但是，正确的实施仍然要求理解技术本身，以及理解怎样充分利用该技术的特点和优点来提供真正的开放系统。

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对采用LONWORKS开放控制系统的最终用户和系统集成商的优点如下：

󰁺 众多销售商可提供广泛多样的兼容、有成本效应的󰁺 众多销售商可提供多种便于使用的󰁺 大大降低布线成本

󰁺 设计周期短——无需定制硬件或编程 󰁺 较高的系统可靠性——没有单点故障 󰁺 多销售商系统维护待选方案 󰁺 易于实施满足最终用户要求的新功能

LONWORKS设备

HMI和网络工具

本章旨在帮助对使用LONWORKS系统设计开放控制系统感兴趣的读者。本章提供有关正确设计LONWORKS网络的方法并说明怎样充分利用该技术构建开放控制网。

开放系统设计要求

成本最低、最有效部署LONWORKS网络的方法是建立高度分布式的对等系统。图11展示了这种方法的逻辑概念。物理实施可以包括网络主干和路由器，这是调节通信量和提供所需效率必需的。但是，最重要一点是在图11顶端的工作站要能访问任何设备中任何点而无需经过专用网关。本方法在实施控制体系结构中需要聚合变换，但它也能造成较低成本较高适配能力的系统。大部分最终用户和集成商已改变想法，接受了这一解决方案。市场需求自然会由此演变，反映业主要实施真正开放系统的愿望。

现在问题不再是要不要使用LONWORKS系统，而是怎样提供基础结构，把 LONWORKS设备和信道连接起来，并提供传统的只存在于专用控制器中的功能。

控制系统正在演变为真正开放的、基于标准的对等体系结构，演变的方式类似于信息系统市场的演变。LONWORKS系统是至关紧要的基础，因为它提供在大容量，低成本神经元芯片中实施的开放标准。但是，为了推动市场的演变，还需要更多的条件。技术顾问和规范制订者们必须培训，理解LONWORKS系统的应用，并获得适当工具和有关产品的信息。象埃施朗公司的LonPoint设备之类的经过LONMARK认证的设备现在有很多厂商在供应，这使得技术顾问们可以把控制算法和传统I/O接口分布到设备级，从而避免了专用监测控制器和控制网的高成本和复杂性。

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工作站工作站

单一的逻辑网络

LONMARK认证的终端设备

LonPoint模块 用于连接传统的I/O

LONMARK认证的终端设备

图11 全分布式的LONWORKS系统

由多个销售商供应的LONMARK设备数量急遽增加使人们能够建立真正开放的、单级的、对等的控制网络。某些LONWORKS设备现在能让系统集成商把本身并不含有神经元的传统产品集成为一个真正开放的系统。这些设备模块常常含有灵活而强大的LONMARK对象，把它们联合起来可以创立复杂的控制算法。

新设计的聚合变换

系统设计者必须跃进到一个新的聚合变换，学会把控制逻辑分布到整个网络上。他们必须消除对昂贵的分级控制器的要求，以及消除安装和维护作为网关的专用监控装置的昂贵费用和复杂性。在一个设计的开放系统中，没有集中式控制器和内部走线的布线。LONWORKS设备使用LONWORKS通信协议，在最佳的物理介质（双绞线、电力线、无线、光纤、红外）上和系统中其他设备通信。每个设备都有自己的简单的应用程序，所以控制逻辑可分布于整个系统；设备应用软件是通过配置属性设定的而不是使用定制编程实现的。原则上，系统中的每个传感器和执行器都可能是一个LONWORKS设备；实际上，把物理上相近的而且构成单一控制环路一部分的小批I/O点组合成一个单一的节点往往是更经济的。

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反对开放控制系统体系结构的一个较普遍论点是它需要较高速的主干网络来传输数据。这个观点大部分来自传统设计控制系统的方法：把所有信息收集在一个大的黑箱中，需要时一起传输。假如设计恰当，很少有控制系统需要大于每秒1兆位的信息流量，而LONWORKS系统能轻易地拥有这一速率。一个好的网络控制协议只发送精简的报文，而且只在需要时发送。报文也只出现在需要它们的控制设备群中显现。你需要不断发送10M字节的PowerPoint文档到你的控制网上的一个传感器吗？在设计控制系统时考虑包括其他传输协议的真正理由是：

1、 2、

使用现有的通信基础结构。有许多光缆、同轴电缆、双绞线穿过楼房时，就有最好的机会。通常只有带宽的一小部分被使用。 增加距离和输送。IP网络现已覆盖全球。它们设计用于提供长距离通信。人们可以设计独立的广域LONWORKS系统把信息从波士顿输送到孟加拉国，但这不大可能有成本效应。为什么不充分利用现有网络呢？

3、

利用现有的有组织的数据传输机制。控制网上的数字就是数据。但人们需要通过信息来取得知识，作出决策。今天，信息的取得是坐在个人计算机前用软件程序组织和整理数据。然后，该信息通过那些计算机网络和其他人共享。看来，设计一个能从设备的I/O级上向业务级网络提供信息是很明智的。

有了如图11所示的分布式控制体系结构，事实上用户假如需要就能利用高速主干网络作为他们的LONWORKS报文的传输机制。为此，他们只需要采用简单方法：使用象因特网协议（IP）那样的数据传输技术而不要采用专用协议。如图12中所示，系统在信道之间使用路由器而不用网关。埃施朗公司就提供这样的路由器——i.LON 600 LONWORKS/IP路由器。这些路由器把LONWORKS数据包穿入IP数据或相反，然后在IP网络上发送。假如你把一个LONWORKS数据包看作是信封（数据包寻址信息）内的一封信（数据），通过LONWORKS网络投递给收信人，那么这些路由器就只是简单地把它封装在一个更大的IP信封内，以不同方式寻址。广域网再把这个大信封传输到被寻址的远地路由器或IP设备，在那里把外面信封拆掉，LONWORKS信封则放在局域网分段或设备上。这使得系统易于安装、监测、查找故障和维护，因为系统现是在一个集成的网络，具有所有各点间完全的连通性，没有专用网关置身其间。这意味着，例如，连接在任何地方的网络工具可以和整个网络上设备相互作用。

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LNS服务器 工作站工作站

i.LON 600路由器 LONWORKS信道

i.LON 600路由器

LONWORKS信道

图12 使用IP主干的全分布式的LONWORKS系统

LONWORKS到IP的路由器提供从LONWORKS网络段到以太网或广域主干网的无缝、透明连接。最终结果是一个协调的、功能强大的楼宇自动化系统，它从传感器到设备管理软件都是以LONWORKS为基础的。这样一个统一的体系结构能大幅降低系统的工作生命周期成本，并能利用诸如Web和因特网技术开发新功能。

这个开放体系结构的重大优点是：不象今天的带有网关的体系结构，不论何时一个工具需要访问远地网络段上的一个新点时，都不需要定制编程路由器。另一个重大优点是：它易于在因特网或内部网上方便地扩展，使地理上相距遥远的工具能够访问网络。

图12中表示的IP主干网络可以是在大楼、工厂、处理设备内的，也可以是通过因特网或虚拟专用网（VPN）在地理上分布的。工作站可以象任何LONWORKS信道位于同一物理地点，也可以是地理上远距离的。所以，这个体系结构对于象诸如高层大楼或大型处理设备等大型系统是很有用的，因为大楼每一层或处理设备的每一子系统都连接到IP主干网络上。这个体系结构对于象大的校园或在各个城市和国家有许多大楼或处理设备的企业的监测应用软件等地理上分散的系统也是很有用的。

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图13中表示另一种实施方法。在这个方法中，LNS服务器和每个子系统同在一地，用于向LONWORKS信道和IP信道两者提供连通性。此法并不提供图12中表示的网络的性能和灵活性，但它可为一些小系统节约成本；那些系统需要用于监控的本地PC或本地HMI应用软件，因为PC既能支持本地应用软件也能提供IP连通性。从应用观点出发，在两个网络间的任一PC上运行的两个PC之间并没差别。LNS透明地管理两个网络间的差别，并让一个系统方便地从一种方法转移到另一种实施方法。

工作站

工作站

本地 LNS服务器 本地 LNS服务器

LONWORKS信道 LONWORKS信道

图13 使用本地LNS服务器的开放的LONWORKS系统

分级系统

试图保留专用控制器，控制系统制造商经常提议一个在分级结构的每一级上都有不同网络协议的分级系统。例如，在工业网络中，分级系统上有三级，分别叫做现场总线、控制总线和设备总线。在商业楼宇网络中有两级，常常被称为BACnet和LONWORKS。

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分级系统需要的专用网关的问题已在本文件前文中叙述。可是，为了更好阐明这个混合方法的问题，本章将更详细地讨论使用BACnet和LONWORKS的分级系统。

用于楼宇控制通信的“楼宇自动化控制网（BACnet）”标准由志愿者项目委员会开发。BACnet网络开发的缘起可追溯到1987年，当时这项工作是在美国供暖，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的指导下进行的。BACnet原先是旨在综合控制区域的通信规格，后来演变成也包括集成现场装置。BACnet含有一个使用LONWORKS协议较低几层的待选方案，但BACnet把它自己的应用层置于LONWORKS协议的顶部，而不是LONWORKS的应用层。

BACnet最适合用于诸如工作站和前端计算机之类的设备。这些设备往往传输较多数据而且要求实现象报警处理和指令优先级等较复杂的服务。较高的复杂性和较大的报文意味着需要更强的处理能力，从而要求更昂贵的硬件，用作来自多厂商的BACnet网络设备的接口。

BACnet标准是以对象为基础的。在BACnet和LONMARK对象之间有很多相似性。但这两者不是互可交换的。所以，需要网关来连接使用BACnet对象的系统和使用LONMARK对象的系统。BACnet对象确实提供支持通常在连接强大的中央控制器时出现的数据聚集操作。

控制业的规范制订者、用户或集成商们面临的一个真正令人困惑的问题是：究竟支持哪个协议。在盼望已久的BACnet协议规范终于完成后，许多人不禁争先恐后寻求使用BACnet的“互可操作解决方案”。在面对要编写一个规范并实施一个解决方案的现实时，疑问就变成支持哪个标准：BACnet还是LONMARK？

因为BACnet是针对使用传输大量数据的设备为目的而进行优化的，所以在需要从基于数据的传统子系统对LONWORKS设备通信时，分级体系结构是必不可少的。但是在有些情况下不需要分级体系结构，因为系统是全分布的而且LONWORKS设备能够直接相互通信。遵循开放系统原理，规范制订者们应根据产品的供应情况、功能、灵活性和成本效应设计和划分控制系统。

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有些人不采用经过考验的LONMARK标准，而主张采用一种多层方法。该法中，系统以特定销售商的BACnet协议版本为基础，额外增添一些LONMARK设备。不幸的是，没有对正当实施BACnet协议的独立验证。很可能是现有设备以错误方法实施或者根本就未曾要和其他制造商的设备互操作。为BACnet提供一致性的努力仍在继续。如最近在《Development of BACnet》中所述：“……BACnet委员会正在致力于完成‘一致性和规范’条文的改写，以提供保证互可操作性所必须的约束度。这些约束无疑将使许多原来为了达到共识而包含在BACnet网中的许多必不可少的东西成为赘余。”

制造商的深入调查证明，要找到足够的BACnet现场级设备来建立完整的多厂商系统，即使有可能也是很困难的。问题于是变成：假如LONWORKS网络是互可操作的而且不论有没有BACnet都能执行任何控制功能，那为什么还要使用BACnet呢？市场应该继续接受BACnet，只要它能充分利用用户们向专用传统系统要求开放性的热望，这些传统系统已使他们疲惫不堪。请参阅图14中的体系结构。

传统的应用 服务器(BACnet）

LNS服务器工作站工作站

i.LON 600路由器

LONWORKS信道

i.LON 600路由器LONWORKS信道

传统的应用 服务器(BACnet）

图14 使用以太网主干和BACnet服务器的开放的LONWORKS系统

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在这个体系结构中，子系统可以使用BACnet服务器和传统系统通信，如图14所示。但是，不同于图14，图12中有完整的网络连通性。在这个体系结构中，互可操作性的价值是最高的，因为任何新设备都可以和任何其他新设备共享数据而不论它们在系统中何处。这个方法为系统安装、监测、故障查找和维护提供基础结构，并且也为BACnet服务器能相互通信提供基础结构。但是， BACnet服务器仍然是网关，不允许无缝相互作用。

必须记得BACnet是由美国空调暖通行业开发并为其所用的，记住这点是很重要的。它并非一定能恰好满足其他楼宇控制业，如照明、安防、火灾/人身安全等系统的需要，也不大可能在这些行业中作为标准受到广泛接受。还有，它确实不能满足工业控制行业和其他许多控制行业的要求。而在另一方面，LONWORKS设计成具有满足所有控制行业需要的灵活性：LONWORKS协议是在全世界许多行业中获得批准的标准，而且另一些行业中则是事实上的标准。结果是，我们可以满怀信心地说：将有远比BACnet更多的制造商以更低的价格、更高的数量制造更多种多样的控制产品，这将是BACnet永远望尘莫及的。

设计准则

LONWORKS系统无疑在增加对控制系统的集成和开放性方面起着作用。最终用户现在要求他们从一个销售商购买的智能设备能和他们从另一些销售商购买的设备相互通信。他们知道这些设备能够利用LONMARK标准达到这一目的。但问题的关键是要让技术顾问和集成商为这些要求做好准备。

开放的控制网络不仅是由具备开放性的设备组成的。安装和维护设备也需要标准的网络管理。这个网络操作系统（NOS）必须含有已公布的、可向任何人提供的接口；同时大量的控制设备制造商必须应用它们。这个网络操作系统还应为额外的Plug-in插入程序提供已公布的接口。这些Plug-in插入程序使设备软件开发商能够经济地将他们的软件知识应用在网络工具中。

下文是普遍被承认的市场现实：

󰁺 在控制点智能设备提供更大的灵活性和更高的可靠性 󰁺 对等控制网比主/从体系结构具有明显优越性

󰁺 上文定义的开放性使集成商和最终用户们能够自由选择最佳种类的产品

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和服务，而无需害怕被锁定在一家销售商

󰁺 从网络中“任何地方”对“全部”系统信息的“全面”访问可以通过用

于整个系统的标准协议实现

󰁺 LONWORKS系统已成为在商业楼宇市场中构建开放系统的首选平台

许多行业中的传统控制结构围绕着自上而下的子系统旋转。每个子系统有其自己的线缆、管理系统和服务合同。子系统之间的通信以额外的设计工作和复杂的接口来解决。这种做法使得甚至“准集成”也很昂贵。这些自动化区域常常用字符串和“创可贴”连接在一起使用户能查看各个子系统而无需从一个PC跳跃到另一个PC。

如图15所示的实施方案在商业控制市场中是由来已久的。这个实施方案不是上文定义的开放系统。开放式设备实际上可能存在于每个区域上，但它们和其他区域中的设备通信或将其配置并不是无缝的。

网关 网关 网关网关网关网关

暖 通 空 调

照 明

门 禁 / 安 防

火 灾 / 人 身 安 全

电 梯

能 源 管 理

图15 自动化区域孤岛

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开放控制设计的核对表

理解开放式基础结构的力量，把它应用在所有控制功能上从而充分利用此力量是建立具有整体效应的系统控制的关键。消除控制系统之间的障壁就能达到充分利用的目的。请想象一下消除控制孤岛之间的边界的景象。请您设想一个单独的控制系统，它能充分利用公用的物理和逻辑基础结构来提供具有整体效应的系统控制。

在这种情况下，整个系统由单一的控制基础结构控制。标准的布线方案使设备能方便地访问和共享通信介质。运用了网络服务使用户能方便地使用这些设备。既然多个制造商制造网上的设备和软件，网络服务必须遵守一个标准。但是，不同的网络控制系统可能有不同的需要，而不同的用户也可能在不同的网络工具方面获得培训。通过建立遵守网络操作系统标准的网络工具，不同用户就能在同一网上使用不同工具。最后，还因为有设备间信息交换的应用层标准，所以设备可以很方便地通信。

下文提供设计全系统开放控制系统的核对表。 1、智能网络布线

全系统开放控制系统的基础是智能布线。从这点出发，各个组成部分使集成商和最终用户能快速方便地安装系统并在未来扩展或修改。同样重要的是，消除系统间的物理障壁，这将鼓励工程师和业主建立具有整体效应的系统控制。在有标准布线基础结构时，网关和自动化孤岛看来甚至更加无用。

要在工程项目上达到这一目标，就需事先获得许可，并为所有系统功能设计布线。这需要业主和顾问们都能理解：假如在初始设计阶段就能慎重考虑整体的控制，一个系统的功能会优于各个组成部分功能之和。

2、标准网络管理

标准网络管理为基础结构提供必要的网络服务和已公布的接口。这些服务使来自多厂商的工具能共存在网络上。尤其重要的是，它能让各种不同工具分享网络数据。

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建立网络管理基础的方法是使用你能够发现的任何控制网操作系统，目前全世界成千上万的公司在使用这些系统。假如一个标准只为极少数公司使用，那就几乎没有什么用处。提供为许多公司使用的标准是为整个楼宇控制充分利用开放控制网的唯一方法。当数以百计公司接受标准网络操作系统并按同一个已公布的标准生产它们的产品时，一个市场标准就会形成。就LNS网络操作系统而言，就已发生了这种情况。

在新的开放式产品的市场上，许多制造商并不想建造整个控制系统。这些制造商只希望生产最佳种类的产品。象LNS之类的标准网络操作系统使这些设备制造商能集中精力于他们的设备而不必为建立完整的控制系统而操心。这一现实加上LNS在市场上的露面已造成制造用于开放系统的最佳种类LONWORKS产品的制造商队伍的扩大。那些产品就是下文描述的网络工具和开放式设备。

3、标准网络工具

从整个网络来看，网络工具包括网络集成工具、HMI应用开发工具、数据记录程序以及其他应用软件。按照本文指示的方法，选择网络工具是很容易的。只要寻找以步骤2中选定的网络操作系统为基础的任何工具。这样做的优点是，这样的工具既可用于整个系统的安装也可用于其中任何一部分上。所以，就能为给定的项目选择任何工具。选择工具时应以功能和使用方便为原则而不应考虑谁制造了它。对于网络集成工具，一定要选择支持网络操作系统Plug-in插件程序标而且便于再次使用你的部分网络设计。准，完全支持LONMARK对象和配置属性，埃施朗公司的LonMaker for Windows集成工具就具备这些特点，它是用于开放式LONWORKS网络的最普遍的工具。

4、标准设备的报文传输

安装在公共基础结构上的设备能方便地共享信息是最为重要的。所以，在开放系统的构成中下一个要素就是遵守共同的通信准则的产品了。如前文所述，这意味着设备必须使用基于信息和基于控制的标准功能简表和网络变量。在LONWORKS系统内选择LONMARK产品就能完美地做到这点。

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5、标准设备配置

按照我们对开放式设备的定义，一个设备不仅要支持标准通信，还要支持配置用的标准接口。在这里，首先要看的是设备上的LONMARK标志。LONMARK准则适用于设备物理层的要求，公用功能简表、数据类型、配置能力和安装方法。

虽然产品制造商为他们的装置编制简单的配置接口文件是合适的，但显然更理想的是把他们的知识包含在一个可在网络管理工具中运行的小程序中。这能使来自其他制造商的工具迅速方便地安装和配置装置。

6、对IP的支持

因特网协议（IP）是建立因特网的标准。开放控制系统必须能把控制系统报文或数据包封装在IP数据包中。然后，报文可在全世界传输而不必转换成另外的协议。这样，传输成本最小化而且充分利用现有基础结构的能力实际上没有任何限制。对LONWORKS网络的IP支持可由LNS服务器或者i.LON 600 LONWORKS/IP服务器实现。

7、网关——仅限于传统应用程序

网关是开放式系统构成中的第七个也是最后一个要素。这是一个必须严加监控的要素。在设备间报文从一个通信协议映射到另一个协议时，控制网络实际上终止。报文的映射是由网关来完成的。网关只应用于连接到传统系统或没有LONWORKS的场合。开放系统构成中的其他成分可以随意增加。这是开放系统及其构成的部分优越性。但网关的应用必须小心谨慎。

网关在近十年中已成为商业控制业的主要产品。可是，它们也是系统数据流中的瓶颈，而且有内在的性能限制。执行网关功能需要处理能力，而这就带来较高的成本。网关还要求有人指明把什么映射到什么，这会消耗技术力量。此外，网关还难以维护。系统参数的任何改变也必须在网关上处理，这必然会引起网络管理计划的改变。不同的管理计划要求网关两侧有不同的工具。所以为整个系统开发一个公用的网络管理工具即使不是不可能也是很困难的。最后，网关及其网络管理工具是封闭和专用的。因为没有网关配置的开放标准，处理网关配置的网络管理工具也变成封闭和专用的，它们就把你锁定在单一的网关销售商身上。

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第七章

开放系统的实施

本章主要介绍实施开放控制系统所需的步骤。

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实施的任务

规范制订者要认识到系统集成商为了实施一个网络控制系统必须执行四个主要任务：系统设计、网络配置、应用程序配置和安装。这是非常重要的。每一个任务的实施都需要象埃施朗公司的LonMaker for Windows网络集成工具。

󰂄 系统设计

系统设计分两步：第一步选择LONWORKS设备，该设备必须包含必要的I/O点或能连接到I/O点，而且具有能执行诸如PID环路或时序调度等必要控制功能的合适的应用软件。

第二步，确定合适的信道类型和数量，再选择路由器来连接它们。这项工作包括选择网络主干这样的重要决策。较大系统通常使用IP做网络主干、中等系统可使用IP或TP/XF-1250做网络主干，小系统可使用TP/FT-10做网络主干。

󰂄 网络配置

网络配置的步骤如下：

󰁺 把域

ID和逻辑地址分配给所有设备和设备组

LONWORKS协议参数，包

󰁺 绑定网络变量，在设备间建立逻辑连接 󰁺 为要求的特点和性能，在每个设备中配置各个

括信道速率、确认、鉴别和优先级服务等等

网络配置可能十分复杂，但这种复杂性被LONWORKS系统的组成部分的网络集成工具所掩盖。功能网络设计极为简单，就象把设备的应用功能块拖曳到图上，并连接输入和输出，以确定功能块之间如何相互通信。

网络配置可能是一个特设的过程，也可能是一个设计前过程。在特设方法中，设备已经连接到网络并上电；配置数据按规定在网上下载。在设计前方法中，信息用网络工具收集到数据库中并在安装时下载到设备中。在任一方法中，网络集成工具都自动维护一个精确反映系统中每个节点配置的数据库。

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󰂄 应用程序配置

每个设备中的应用程序是由应用程序配置流程根据要求的功能定制的。所以要选择适当的配置属性。每个设备制造商可自行定义怎样完成这项任务。大部分制造商允许从网上下载配置，但少数制造商仍然要求把一个特殊工具例如便携式编程器直接连接到设备上。LNS网络操作系统为制造商提供一个平台来创建易于使用的叫做Plug-in插件程序的图形化配置界面，而该插件程序自动和任何其他基于LNS的网络工具相兼容。例如埃施朗公司的LonPoint接口模块中的应用软件都有用于配置的LNS Plug-in插入程序。在使用LonMaker for Windwos定义和执行这些设备的网络配置后，用户就能简单地鼠标右击LonPoint功能块图符，从快捷菜单中选择“Configure”，此时，应用程序的插件程序立即从LonMaker工具中启动。

󰂄 安装

为信道安装物理通信介质。

󰁺 把包括路由器在内的󰁺 把传统

LONWORKS设备连接到信道上

I/O点连接到LONWORKS设备上

󰁺 使用网络集成工具下载网络配置数据和应用配置数据到每个设备，这称

为启动设备

󰁺 对于未经制造商预装应用程序的设备，网络工具下载应用程序到设备中

非易失性的RAM存储器中。

设备通常是逐一的启动和测试，或者以脱机模式启动，然后再使设备联机逐一的测试。

开放式实施的优点

控制行业在历史上曾提供各种控制功能间的有限相互作用。专用体系结构总能妨碍将一个系统的组件有效的应用到另一系统中，非标准的通信和过时的设计实践使得提供集成控制变得昂贵又困难。

开放式集成使控制应用程序能充分利用在控制组件中全部投资，把以前离散系统顺利地集成。这样的集成增加了控制系统的灵活性和对最终用户的价值。

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没有单独一家公司能为象楼宇控制系统、工业控制系统或交通运输控制系统这样的复杂控制系统的各方面制造出最佳组件。互不相关的制造商制造使用专用通信功能的控制组件，使真正的集成既困难又昂贵。唯一的合理解决方案是让制造商按市场标准建造组件，然后技术顾问们正确地为这些系统制订技术规范以满足他们的客户的需要。

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附录 A

词汇集

本附录为在讨论LONWORKS系统和互可操作性时较常见的术语或词组进行定义。

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BACnet——用来指示“楼宇自动化和控制网”的注册商标，是由美国供暖，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）开发的协议通信标准。500页的协议规范指示系统组件应如何配置才能共享信息和协同工作。目前，BACnet定义了35种报文类型，分成5类。

Certification（认证）——书面声明或符号，说明产品符合某一标准。LONWORKS产品的认证标记是LONMARK图标。

Configuration Proporty（配置属性）——用于配置设备或LONMARK对象的操作。配置属性可以使用特殊类型的网络变量称为配置网络变量来实现；或者作为配置参数，存放在数据块中，用LONWORKS文件传输协议读写。

Device（设备）——LONWORKS设备的简称。

Echelon Corporation（埃施朗公司）——总部在美国加州San Jose的公司，发明、销售和为LONWORKS技术提供支持服务。

Functional profile（功能简表）——LONMARK规范，使设备规范制订者能为一个系统选择他们所需的功能。功能简表定义一系列强制性的选择性网络变量和配置属性以及它们预定义的应用。少数功能简表用于象简单传感器和执行器之类的类似设备。许多特定行业的功能简表用于特定行业应用。特定行业功能简表通过评审和批准流程来开发，流程中包含跨功能评审以保证能在个别子系统中互操作并向网络中其他子系统提供互可操作性。

Gateway（网关）——连接以不同协议通信的网络的主机。网关比路由器复杂，因为它们处理在允许一个应用程序协议和另一应用程序协议协一同工作时涉及的概念要素。集成商常常必须决定怎样在不同协议间进行翻译。

IP——Internet Protocol（因特网协议）的缩略语，在全球因特网上传输计算机报文的基本编程基础。有时也叫TCP/IP（传输控制协议/因特网协议），TCP也是一个协议，在IP顶层运行，而IP支持TCP以外的其他协议。

Interoperability（互可操作性）——来自不同制造商和不同类型的系统能相互共享信息而不丧失他们任何独立功能的能力，也不需要集成商的复杂编程。

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LAN（局域网）——Local Area Network的缩略语。局域网是连接同一区域中若干不同工作站的通信网络。局域可以定义为某个大楼或大楼群，或校园。使用局域网，个别工作站或计算机可以相互发送报文或文档和共享诸如打印机、磁盘存储器和其他计算机系统等设备。局域网的性能以传输和接收到的数据量来衡量，通常以每秒传输的兆位数来表示，由此可见它的关键因素是速度。

LON®——Local Operating Network（本地操作网络）。LON和LAN的区别是：LAN设计用于传输可能是长而复杂的数据；而LON用于传输极短的控制报文，报文中包含指令和状态信息以触发动作。LON的性能以传输的指令和响应数来衡量。LON的关键因素是正确的信号传输和验证。

LONMARK Logo（LONMARK商标）——由LONMARK国际组织开发的一个商标，指示一个产品可用于多厂商的互可操作系统。LONWORKS设备必须经过认证才能印有LONMARK图标。

LONMARK Object（LONMARK对象）——在LONWORKS设备上功能简表的实施。LONWORKS对象必须包括所有在功能简表中定义的强制性网络变量和配置属性；也可以包括任何可选的网络变量和配置属性，以及制造商自定义的的网络变量和配置属性。

LonTalk® Protocol（LonTalk协议）——参见LONWORKS协议。

LONWORKS Devic（LONWORKS设备）——运行一个应用程序并使用LONWORKS协议和其他设备通信的硬件和软件。可以选择性地和输入/输出硬件连接。包括至少一个处理器和一个LONWORKS收发器。通常包括一个神经元芯片。

LONWORKS Network（LONWORKS网络）——使用LONWORKS协议在一个或多个通信信道上相互通信的智能设备。

LONWORKS协议——由美国埃施朗公司开发的开放控制联网协议，也叫做EIA 709.1控制联网标准或者LonTalk协议。

LONWORKS System（LONWORKS系统）——埃施朗公司的一系列软件和硬件产品，用户可用来开发、建造和安装、维护LONWORKS网络。埃施朗公司总计为LONWORKS系统提供了75种不同产品。

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Network Variable（网络变量）——一个特定设备应用程序期望从网络上其他设备获得的数据项（输入网络变量）或期望向网络上其他设备提供的数据项（输出网络变量）。例子有温度、开关值和执行器位置设定等。

Neuron Chip（神经元芯片）——位于大部分LONWORKS产品核心的微处理器。最初由埃施朗公司设计，现由Cypress公司和东芝制造和销售。

Node（节点）——LONWORKS设备的另一名称。

Peer-to-Peer Communications（对等通信）——个别网络设备能直接相互通信的一种通行方式，它不需要中央控制系统。

Protocol（协议）——规定信息如何传输和表示的规则。“开放式协议”是制造商已在其中将语言“翻译”提供给每个要使用它的人的一种协议。

Router（路由器）——以简单协议规则为基础把信息从一个网络或子网络发送到另一网络的设备。路由器只需要最少的配置就能让其优化路由选择的决策。在正常操作中，路由器并不存储任何它们为之选择路由的报文。

SCPT（标准配置属性类型）——“Standard Configuration Property type”的缩略语。SCPT是配置属性内容的单位、定标、编码和意义的标准化定义。

SNVT（标准网络变量类型）——“Standard Network Variable Type”的缩略语。SNVT是网络变量内容的单位、定标和编码的标准化定义。

Transceiver（收发器）——既是发送器又是接收器的设备。这个设备能在通信介质上发送和接收信号。

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附录 B

常见问题解答

本附录对一些经常提出的有关LONWORKS系统的问题进行回答。

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LONWORKS协议提供些什么？

今天，协议通常按照ISO标准“开放系统互连参考模型”设计，该标准拥有一整套协议特点，按照7个功能范畴（称为“层”）分类。层是分级的，第1层相应于网络通信介质上的硬件信令。而第7层则相应于在网络设备间交换的应用数据。这7层通常总称为“7层OSI模型”。

LONWORKS协议实施全部OSI模型的7层，使用了一个硅芯片上的硬件和固的混合构成，这样，就能防止任何可能的意外（或故意）修改。协议的特点包括介质访问、事务处理确认、对等通信和更高级的服务，诸如发送者鉴别、优先级传输、重复报文检测、冲突避免、自动再试、混合数据率、用户服务器支持、外部幀传输、数据类型标准化和识别、单路传送/多路传送/广播寻址、混合介质支持和误差检测和纠正。

LONWORKS协议可靠吗？

LONWORKS协议提供两个主要的可靠性技术。可靠投递由真正端到端确认来保证（大部分协议仅仅能保证数据包成功地传输，但不能保证它实际上被应用程序收到）。所有数据包的传输都包含一个完整的16位误差纠正多项式，保证了数据的完整。

端到端的确认使用LONWORKS协议确认服务提供。此服务保证在发送设备发送一个报文到一个接收设备或多个接收设备时接收设备会收到认可，表示接收设备已收到报文。假如在一定时间内未收到认可，发送设备就再试发送报文。假如经过数次再试后认可仍未被收到，就把一个差错报文登录到发送设备，发送设备的应用软件将获知该差错。

此外，用于障碍介质（也即：窄的带宽，带有噪声和衰减）的收发器在每个数据包中包含一个前向纠错数据，可监测和纠正单个比特差错而无需重发。

网络性能可预测吗？

LONWORKS网络是决定论的吗？使用载波监听多路访问（CSMA）协议的大部分网络是非决定论的，因为设备在特定的最小时间迟延中并不具备同等访问网络的功能。LONWORKS协议添

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加一个独特的优先模式到传统的CSMA协议上使其能对关键性的网络变量成为决定论的。CSMA协议是“发送前监听”方案，也即要发送报文的设备先监听整个网络。假如未检出报文交换，设备将在算出的一定数量数据包时隙后发送它的报文。这一迟延对优先报文比较短，以保证优先报文将在非优先报文前发送。并为传输时间设定决定论的上限。CSMA对决定论的权标传输协议的优越性在高通信量和高网络负荷时就突显出来。LONWORKS介质访问协议使用“预测P率持续CSMA”（predictive p-persistent CSMA）协议，以预测的网络通信量为基础动态调整数据包时隙数量。通过动态分配网络带宽“预测P率持续CSMA”协议允许网络在极高通信量时期不降低网络运行速度。此技术的优点是：在高网络负荷期间对优先报文的决定性的响应；对提供的通信量负荷的线性响应；不问网络规模的不变性能；高效率；低开销比特；低成本硬件；无需全网同步化；没有易于丢失的权标。

LONWORKS网络和报文传输有什么限制？ LONWORKS网络域是一个或多个信道上的设备的逻辑集合，设备总数限制为32385个。虽然LONWORKS协议并不支持域间的通信，可以执行应用软件在域间发送报文。LONWORKS子网是多达127个设备的逻辑集合，设备安装在域内的单一网段上（网段是由物理中继器连接的单个或多个信道）。在单个域内可定义最多255个子网。

网域是用于在逻辑上分隔必须由潜在的多个控制网应用程序共享的传输介质。电力线和RF介质是最明显的例子。

组是域内设备的一个逻辑集合。与子网不同，组是不论物理信道位置而组合在一起的节点的集合。神经元芯片允许一个节点配置给至多可达15个组作为成员。每个域至多256个组。组的最大规模在使用确认报文传输时是64个设备；不确认报文传输时没有规模限制。组是为一个对多个网络变量和报文标记连接而优化网络带宽的最有效方法。

网络数据传输速度和每个信道最大数量的设备是信道类型的函数； TP/XF-1250信道速率为1.25Mbps；TP/FT-10信道速率为78Kbps。每个信道最多可支持64个设备。

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什么是神经元芯片？为什么要用它？

神经元芯片实际上是由三个8位内嵌处理器连接成一体的一个硅芯片。两个处理器执行LONWORKS协议，第3个留给设备的应用程序。所以它既是一个网络通信处理器又是一个应用处理器。目前大部分LONWORKS网络上的设备都需要一个神经元。

有两个处理器负责网络上的任务，一个处理器负责应用任务，这就保证了应用的复杂性不至于对网络响应发生负面影响，反之亦然。还有，把两个功能封装到一个芯片上节约了设计和生产成本。

使用神经元芯片能为协议确保一个受控制的硬件执行环境。为了保证足够的处理能力，协议是以硬件和固件的混合组成实施的。神经元芯片也允许加入辅助功能以方便控制节点的设计。神经元芯片包括监控定时器、机内诊断、35种设备控制器类型、分布式实时操作系统、运行时期文件库、3种类型的存储器，甚至还一个软件可访问48位的序列号（由芯片制造商保证为唯一的，为任何基于神经元芯片的节点提供随时可用的装置地址）。

什么是互可操作性和它的优点什么？

埃施朗公司定义互可操作性为能把来自多厂商的产品集成一个灵活的功能系统而无需开发定制软硬件或工具的一种能力。

互可操作性的优点如下：

󰁺

互可操作产品使项目工程师能规定最佳种类的系统，而不至于被迫使用某一销售商的整个系列的产品

互可操作产品让你能在本来是封闭的投标活动中参与竞争从而扩大了您的整体市场份额

互可操作性让您的设计团队制订标准规范从而降低您的业务部门的产品成本

互可操作性系统让楼宇、工厂、和处理设备管理人员能使用标准工具检测整个设施而不管某一特定子系统是由哪家公司制造的

󰁺

󰁺

󰁺

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怎样确保产品互可操作性？

对于许多控制网用户，这是一个最重要的问题。互可操作产品能扩大你的业务，增加你的利润幅度，节约你顾客的钱，在为系统制订规范时向你提供更多的销售商选择。总之，它对于从开发商、集成商到最终用户的每个人都是有益的。顺利的集成——一种集成来自多个来源产品而无需定制开发的能力——会成为导致探索控制网技术的驱动力量。

LONWORKS网络从三个途径走向互可操作性。

首先，1996年前，埃施朗公司只在神经元芯片上提供协议。既然今天每个可供的LONWORKS设备都有一个神经元芯片，它们就能享有初步的互可操作性。神经元芯片尽可能封装在标准硅片上，以减少分歧解释的可能性。这有两个目的。第一个目的，它使用神经元芯片向每个LONWORKS应用程序提供硅片级的基本通用性。第二个目的，它在全世界安装了五千万以上的设备，每个设备都能看作是对于接在端口上的任何处理器的互可操作性基准。（运行LONWORKS协议的非神经元处理器）。埃施朗公司通过专利许可确保每个协议端口必须和神经元芯片互操作。其次，它把基本类型和对象（所以，产品能就共享数据的意义取得一致）以及一个内在的控制模型（因为外在的控制会限制互可操作性）包括在编程模型中。第三，建立了一个独立机构LONMARK国际组织管理互可操作性模型和符合互可操作标准的产品的认证事务。组织制订了技术准则，在全世界推广LONMARK互可操作性标准。

为了获得LONMARK认证要遵循哪些准则？

所有经过LONMARK认证的产品都要通过相同的认证流程。详情可在网站www.lonmark.org上获得。假如您有关于特殊设备的问题，或发现特殊设备并不符合标准，请通过网站的链接通知LONMARK国际组织。

什么地方可以获得有关产品符合标准的准则？

LONMARK网站www.lonmark.org有全部可用的文件供下载。一般，集成商很少需要有关1-6层的信息。第7层（应用层）的信息才是网络集成商最关心的。

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美国埃施朗公司北京代表处

北京市朝阳区工体北路甲2号 盈科中心IBM大厦A座1007 电话：+86-10-6539 3750 传真：+86-10-6539 3754 www.echelon.com www.echelon.com.cn

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