(海思系統(tǒng)工程部提供)
摘要：在建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)（亦稱能源管理系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）建設(shè)中，智能計(jì)量、智能控制、智能傳感器等方面，LonWorks神經(jīng)元片具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
1、前言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路器件技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，同時(shí)也形成了多種類型的計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)。其中，現(xiàn)場總線綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，其數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。尤其是在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)的各種設(shè)備通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一根公共總線上，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等通訊和系統(tǒng)中信息資源的共享，同時(shí)也大大減少了系統(tǒng)中的連接線。LonWorks技術(shù)是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它具有統(tǒng)一性、開放性、互操作性、施工與維護(hù)便捷性及支持多種通信介質(zhì)等優(yōu)良性能，是當(dāng)今最流行的現(xiàn)場總線之一。
建設(shè)建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)，就是通過采集建筑電、水、燃?xì)狻崮艿饶茉础①Y源的消耗數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)用能數(shù)據(jù)，建立能源的分類、分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析歷史曲線及趨勢(shì)，并提供各類能耗的報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為能源管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)。同時(shí)，利用控制網(wǎng)絡(luò)的智能化、實(shí)時(shí)控制的優(yōu)勢(shì)，通過自動(dòng)化節(jié)能控制，為建筑節(jié)能提供直接的管控平臺(tái)。
現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。目前，在建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)建筑中廣泛應(yīng)用兩類現(xiàn)場總線，即LonWorks總線和485總線。但眾所周知，485總線屬一主多從，總線上各類智能儀表、設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)對(duì)等、互操作，且485總線抗干擾性能差、穩(wěn)定性差，且有效通信距離短、數(shù)據(jù)采集時(shí)間長，對(duì)施工要求高，維護(hù)困難。尤其是在大型能源管理系統(tǒng)建設(shè)中，485總線構(gòu)建的系統(tǒng)已逐漸不被用戶認(rèn)可。而LON（ＬｏｃａｌＯｐｅｒａｔｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋｓ）總線是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)手段。為了實(shí)現(xiàn)ＬＯＮ總線，Ｅｃｈｌｅｌｏｎ公司開發(fā)出LonWorks技術(shù)，用來為ＬＯＮ總線設(shè)計(jì)和成品化提供一套完整的開發(fā)平臺(tái)。
2、LonWorks節(jié)點(diǎn)、路由器（或網(wǎng)絡(luò)控制器）神經(jīng)元芯片
一個(gè)典型的現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)主要包括應(yīng)用ＣＰＵ、Ｉ/Ｏ處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源等幾部分功能模塊。LonWorks智能節(jié)點(diǎn)主要分為兩種類型：以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)和采用ＭＩＰ（ＭｏｄｕｌａｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)。前者充分利用了神經(jīng)元芯片自身的強(qiáng)大功能，增加部分收發(fā)器便構(gòu)成了一個(gè)典型的現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)包括電源、晶振、神經(jīng)元芯片（３１５０/３１２０）、Ｉ/Ｏ調(diào)理、收發(fā)器、１６Ｋ～５８ＫＲＯＭ（３１５０）、執(zhí)行器、傳感器等。然而神經(jīng)元芯片畢竟是８位總線ＣＰＵ，功能有限，對(duì)于復(fù)雜控制需求顯得“力不從心”。采用ＨｏｓｅＢａｓｅ結(jié)構(gòu)就很好地解決了這一問題，將神經(jīng)元芯片作為通信協(xié)議處理器，可用高性能主機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜測(cè)控功能，其典型結(jié)構(gòu)ＨｏｓｅＢａｓｅ節(jié)點(diǎn)包括主處理器、收發(fā)器、Ｅｐｒｏｍ、神經(jīng)元芯片、復(fù)位電路等。
路由器是LonWorks技術(shù)的重要組成部分，它使LonWorks總線突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制，其通信不受通信介質(zhì)、通信距離和通信速率的限制。在LonWorks技術(shù)中，路由器包括中繼器和橋接器等。LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，它主要包括MC143150、MC143120、FT5000、FT6000等四大系列。MC143150系列支持外部存儲(chǔ)器，適合更為復(fù)雜的應(yīng)用；MC143120則不支持外部存儲(chǔ)器，它本身帶有Ｒｏｍ。神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)包括ＭＡＣＣＰＵ（系統(tǒng)復(fù)位和節(jié)點(diǎn)服務(wù)）、網(wǎng)絡(luò)ＣＰＵ、應(yīng)用ＣＰＵ、ＥＥＰＲＯＭ（５１２Ｂ×３、２ＫＢ×４）、外部存儲(chǔ)器（３１５０）、Ｉ/Ｏ（包含１６位寄存器、脈沖計(jì)數(shù)器、２０ｍＡ環(huán)電流等）、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通信口和８位數(shù)據(jù)線等。
LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制器是埃施朗公司專為能源管理開發(fā)的LON控制網(wǎng)絡(luò)智能管理服務(wù)器，其在節(jié)能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的巨大優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用便捷性，為大型建筑或建筑群的能源管理系統(tǒng)構(gòu)建提供了強(qiáng)大的現(xiàn)場子網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)上傳下達(dá)及網(wǎng)絡(luò)路由功能。具體功能及應(yīng)用可點(diǎn)擊LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制器，本文不再贅述。
3、LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
LonWorks技術(shù)采用LonTalk通信協(xié)議。該協(xié)議為七層協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)變量直接面向?qū)ο笸ㄐ拧Ｔ搮f(xié)議具有發(fā)送的報(bào)文都是很短的數(shù)據(jù)（一般是幾個(gè)字節(jié)到幾十個(gè)字節(jié)）、通信帶寬不高（一般從幾KB/ｓ到２ＭB/ｓ）、網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)往往是低成本低維護(hù)的單片機(jī)、多節(jié)點(diǎn)、多介質(zhì)、可靠性高、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)。LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址采用三層結(jié)構(gòu)，域（Ｄｏｍａｉｎ）、子網(wǎng)（Ｓｕｂｎｅｔ）和節(jié)點(diǎn)（Ｎｏｄｅ）。域?yàn)榈谝粚咏Y(jié)構(gòu)，它保證在域中通信的彼此獨(dú)立性。子網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)的第二層，每一個(gè)域最多有２５５個(gè)子網(wǎng)，一個(gè)子網(wǎng)可以是一個(gè)或多個(gè)通道的邏輯分組。節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)地址的第三個(gè)子網(wǎng)最多可以有１２７個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以一個(gè)域最多有２５５×１２７ ＝３２３８５個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4、收發(fā)器
LonWorks技術(shù)的一個(gè)重要特征是它支持多種介質(zhì)通信。根據(jù)通信介質(zhì)的不同，LonWorks技術(shù)可分為雙絞線收發(fā)器、電源線收發(fā)器、電力線收發(fā)器等多種總線收發(fā)器。除上述收發(fā)器外，LonWorks技術(shù)中還廣泛采用無線收發(fā)器、光纖收發(fā)器等，以滿足特殊情況的需要。
雙絞線是使用最為廣泛的一種介質(zhì)，用于雙絞線介質(zhì)的收發(fā)器主要有直接驅(qū)動(dòng)收發(fā)器、ＥＩＡ－４８５收發(fā)器、變壓器耦合驅(qū)動(dòng)等三種。直接驅(qū)動(dòng)是使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)同時(shí)加入電阻和瞬態(tài)抑制器作為電流限制和ＥＳＤ這種方式適合于網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)大型設(shè)備中，使用同一個(gè)電源。直接驅(qū)動(dòng)收發(fā)器支持的最大通信速率為２５ＭB/ｓ，該速率下一條通道最多能達(dá)６４個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離長達(dá)３０ｍ。ＥＩＡ－４８５接口是現(xiàn)場總線中常用的電氣接口，LonWorks同樣支持該電氣接口。使用ＥＩＡ－４８５共模電壓比直接驅(qū)動(dòng)效果好，但不如變壓器耦合驅(qū)動(dòng)。
ＬONＭARK建議使用ＥＩＡ－４８５的通信速率是３９KB/ｓ。變壓器耦合驅(qū)動(dòng)可滿足系統(tǒng)的高性能、高共模隔離要求，并具有噪聲隔離的作用。因此，目前相當(dāng)多的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器采用變壓器耦合的方式。
電源線是指通信線和電源線纜共用一對(duì)雙絞線。使用電源線的意義在于所有節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)４８Ｖ直流中央電源供電，這對(duì)于一些電力資源匱乏的地區(qū)具有非常重要的意義。同時(shí)通信線和電源線纜共用一對(duì)雙絞線，可以節(jié)約一對(duì)雙絞線，也便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù)。由于電源線收發(fā)器采用的是直流供電，可以和變壓器耦合的雙絞線直接連接。
電力線收發(fā)器是將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過耦合器耦合到２２０Ｖ或其它交直流電力線上，或是沒有電力的雙絞線。這種方式減少了施工布線等建設(shè)費(fèi)用，是一種將神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)加入到電力線中簡單、有效的方法。當(dāng)然，該方法也會(huì)遇到電力線通信的普遍問題，如電力線間歇性噪聲大等問題，需要采用一定的技術(shù)加以解決。
5、開發(fā)工具和網(wǎng)絡(luò)管理工具
LonWorks技術(shù)包含了一系列開發(fā)工具，可使節(jié)點(diǎn)開發(fā)和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)開發(fā)快速有效，主要有節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安裝工具ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ、網(wǎng)絡(luò)管理工具ＬｏｎＭａｎａｇｅ和ＬＮＳ技術(shù)。節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具ＮｏｄｅＢｕｉｌｄｅｒ，它只能完成節(jié)點(diǎn)開發(fā)的功能，不具備網(wǎng)絡(luò)的功能，它只有一個(gè)在線仿真器。節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安裝工具ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ，ＮｏｄｅＢｔｌｉｌｄｅｒ是LonWorks技術(shù)中最主要的一個(gè)開發(fā)工具，它包括節(jié)點(diǎn)開發(fā)器（用于ＮｅｌｉｒｏｎＣ語言編程開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)通信仿真等）、網(wǎng)絡(luò)管理器（用于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的邏輯地址分配與連接、子網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通道定義、路由器安裝、優(yōu)先級(jí)設(shè)定等網(wǎng)絡(luò)安裝、維護(hù)工作）、協(xié)議分析器和報(bào)文統(tǒng)計(jì)器（用于截獲網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的通信報(bào)文，分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)報(bào)文流量等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息）、例子程序和開發(fā)板（提供練習(xí)的開發(fā)板、應(yīng)用模塊和演示程序）等幾個(gè)部分。
網(wǎng)絡(luò)管理工具ＬｏｎＭａｎａｇｅ，ＬｏｎＭａｎ．ａｇｅ主要由一系列的軟件開發(fā)包和接口、卡組成，它包括ＬｏｎＭａｎａｇｅＤＤＥ、ＬｏｎＭａｎａｇｅＰｒｏｆｉｌｅ、ＬｏｎＭａｋｅｒ和ＬｏｎＭａｌｎａｇｅｒ協(xié)議分析等。ＬＮＳ（LonWorksＮｅｔｗｏｒｋＳｅｒｖｉｃｅ）是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司最近新開發(fā)的LonWorks總線開發(fā)工具，它為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的客戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，是未來LonWorks總線的可互操作性基礎(chǔ)。使用ＬＮＳ提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以保證從不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上提供的網(wǎng)絡(luò)管理工具一起執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)。客戶可以同時(shí)申請(qǐng)這些服務(wù)器所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。LonWorks技術(shù)需要用網(wǎng)絡(luò)管理工具實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)安裝、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。其中，網(wǎng)絡(luò)安裝主要用于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期網(wǎng)絡(luò)地址的動(dòng)態(tài)分配，通過網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報(bào)表進(jìn)行設(shè)備間的通信。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)設(shè)備增加或刪除的管理與實(shí)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)庫修改網(wǎng)絡(luò)信息即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的增減，而不必修改網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的檢測(cè)和控制服務(wù)，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)上以遠(yuǎn)程方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。
6、、LonWorks控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和全開放性
傳統(tǒng)的４～２０ｍＡ電流信號(hào)，一條線只能傳遞一路信號(hào)。現(xiàn)場總線設(shè)備則在一條線上即可以向上傳遞傳感器信號(hào)，也可以向下傳遞控制信息；即一對(duì)Ｎ結(jié)構(gòu)，一對(duì)傳輸線，連接Ｎ臺(tái)儀表雙向傳輸多個(gè)信號(hào)，節(jié)省電纜費(fèi)用可觀，且安裝簡單，維護(hù)容易。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)大配線架。而在LonWorks現(xiàn)場總線系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備可串聯(lián)在一條總線上，這樣就只需極少的線進(jìn)入中央控制室，節(jié)省了大量布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)中央控制室的造價(jià)。
由于LonWorks現(xiàn)場總路線的互換性和互操作性，打破了傳統(tǒng)ＤＣＳ自成體系，互相封鎖的局面。１９９９年底現(xiàn)場總線協(xié)議已被ＩＥＣ批準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場總線成為一種開放的技術(shù)。現(xiàn)場總線為開放互鏈網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)全是公共的，制造商只能在其體系結(jié)構(gòu)、工藝等方面保留特色，而最終也需在質(zhì)量上取勝。現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)保證不同廠家的產(chǎn)品可以互相操作，這樣就可以在一個(gè)企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能、價(jià)格選用不同廠商的產(chǎn)品，集成在一起，避免了在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制，促進(jìn)了有效的競爭，降低了控制系統(tǒng)的成本。
7、LonWorks控制系統(tǒng)的智能化與自診斷性
建筑內(nèi)現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)傳輸技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、精度高，操作員在控制室既可了解現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。建筑LonWorks現(xiàn)場總線儀表具備智能和綜合能力，可檢測(cè)、變換、補(bǔ)償，又有控制和運(yùn)算功能。現(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了大型建筑或建筑群整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。
