现场总线网络应用及技术实现 ——基于LonWorks现场总线技术的智能火警控制网络姓名：吴方舟学号：200811912专业：自动化班级：2008080目 录一、概述 （2）二、现场总线及其特点 （3）2.1现场总线定义 （3） 2.2现场总线协议形式 （4）2.3现场总线特点 （5）三、LonWorks火警控制网络 （5）3.1系统功能 （5） 3.1.1单节点火灾报警功能 （6） 3.1.2系统网络报警功能 （6） 3.1.3标准的串行通信功能 （6） 3.2网络拓扑结构 （7） 3.2.1网络通信协议 （7） 3.2.2数据传输格式 （8） 3.2.3网络通信和管理 （8） 3.2.4网络结构 （8） 3.3智能火警控制节点硬件设计 （9） 3.3.1神经元芯片（Neurom Chip） （9） 3.3.2 I/O对象的定义 （10） 3.3.3单总线（1-WIRE）接口 （10） 3.3.4存储器 （10） 3.3.5收发器 （10） 3.4节点功能的软件实现 （11）3.4.1网络变量的定义及绑定 （11）3.4.2软件编程要点 （12）四、结束语 （12）现场总线网络应用及技术实现——基于LonWorks现场总线技术的智能火警控制网络【摘要】现场总线以其开放性、现场装置可控性及性能可靠、安装方便、维护可靠等特点，在工业控制领域得到广泛的应用。

本文介绍了LonWorks现场总线技术以及1—WIRE单总线技术，并利用该技术设计完成电厂智能火警控制网络，现实可靠，有广阔的应用前景。

【关键词】LonWorks 神经元节点 火警 串行通信 1—WIRE单总线一、概述近年来，现场总线技术迅猛发展，取代传统的集中式控制系统已成必然趋势。

Lonworks技术是美国ECHELON公司在20世纪90年代初开发的现场控制网路产品，它以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介适应能力以及多网络拓扑结构等特性适应了未来发展对测控网络的要求，成为众多现场总线中的佼佼者。

Lonworks将计算机技术、网络技术、远程控制技术集成在一片神经元芯片(Neuron chip)中，并在芯片内固化了Lontalk通信协议，该协议遵循ISO和OSI 标准，并可利用多种媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外等。

另外Lontalk协议采用可预测“载波监听多路访问”(CSMA)来解决网络通信的瓶颈问题，通信速度可达 1.25Mbps，通信长度可达2700m。

在Lonworks技术中，网络通信采用面向对象的设计方法，并称之为“网络变量”，使网络通信的设计简化为参数设计。

Lonworks网络的应用程序以“神经元C”码编写，它是对AOSI C的扩展，使用以事件为基础的编程模型，网络本身是事件驱动的，降低了网络的业务量。

最后，Lonworks还具有真正的互操作性，使得来自同一个或不同制造商的多个装置能集成在单一的控制网络中，而无需定制节点或定制编程。

目前采用Lonworks技术的产品广泛地应用在工业、楼宇、家庭、能源、交通等自动化领域。

近十几年，国内各个行业都得到了突飞猛进的发展，对电力的需求量越来越大，电厂的规模也因之不断扩大。

电厂本身的复杂性和大规模性决定了其对控制的自动化程度的要求。

现在在电厂中应用较多的是传统的基于主/从结构的集中式控制系统，其在设备的自动控制、状态监测、故障报警等方面曾起到很大的作用，但随着设备的增加，需要控制和监测的点也越来越多，控制系统也随之愈加庞大。

由于集中式控制系统的可扩充性比较差，使得每增加一个控制点，硬件和软件上的改动都很大，系统的成本随着控制点数的增加而成指数倍增加。

并且不同的集中式控制系统中的不兼容的通信协议专注于把独立的系统用继电器、定制网关和已编程的RS-232端口连接起来。

但是这些接口并不能在各个系统内提供详尽的无缝的景象，它们只允许有限的状态和控制信息在各个系统间通行，故障状态信息不能共享，来自各个传感器的信息也并非经常可取用，从而出现了大量的重复投资建设。

此外，各个系统不能以整个大系统为基础实时适应它们的响应。

LonWorks 现场总线控制网络是一个高度分布的对等系统，它可以完全克服集中式控制系统的不足，并且很适合电厂监测点的控制设备高度分散的特点。

网络中所有节点都处于对等的地位，都可以实时从网络上获取信息，并可将信息发送到网络上，实现故障状态信息的共享。

并且此网络采用标准的通信协议，符合该协议的节点都可以连接到网络上，从而使网络的可扩充性增强，系统的可靠性也得到了保障。

此外，LonWorks网络可采用的通信介质的多样性使得可使用现有的线路，无需重新布线，减少了系统设计周期，使用成本大大降低。

二、现场总线及其特点2.1现场总线的定义按照国际电工委员会IEC1158的定义，现场总线实际上是指将按装在工业过程现场的智能化仪表或装置与设置在控制室内德控制设备连接起来的一种全数字化、串行、双向、多节点的数据通信网络。

现场总线的节点是现场设备或仪表装置，如传感器、变送器、执行器和现场智能I/O等，但它们不是传统的功能单一的现场仪表，而是具有综合功能的智能仪表。

一般来说，变送器除了具有传统的测量功能外，还具有温度补偿、函数变换和PID等控制运算功能；调节阀除了具有信号驱动和输出执行功能外，还具有输出补偿、自校验和自诊断功能。

符合标准的现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电时具有本质安全性。

2.2现场总线的协议形式现场总线建立在国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）模型的基础之上，一般只采用规定的物理层、数据链路层和应性，FF还增加了用户层，如图1所示。

物理层提供机械的、电气的、功能性和规范性功能，用以在数据链路实体间建立、维护和拆除物理连接。

物理层定义了数据通信信号的大小、波形、最大节点数量、所用导线的类型和数据传输速率。

如FF对低速总线H1规定：通信速度31.25Kbps，总线不供电可带32个装置，总线供电时可带12个装置；采用18#、22#、26#AWG别可达1900、1200和400m；总线的典型响应时间为1ms。

数据链路层的功能是保证数据的完整性并决定何时与谁对话，其帧格式通常为：格式控制目标地址源地址参数数据校验挂接在总线上的设备通过令牌对总线进行访问。

数据链路层分为媒体存取控制子层和逻辑链路控制子层，前者用来实现对总线媒体的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况；后者是在节点间用来对数据帧的发送、接收进行控制，并实现传输差错控制与校验。

应用层的主要任务是实现现场总线的命令、响应、数据或事件信息的控制。

它也分成两个子层，一个对应于服务即为用户层提供服务，由现场总线信息规范所定义，一个与数据链路层连接，称为现场总线存取子层。

FF的用户层是为实现现场总线开放与互操作而在ISO/OSI模型之外增加的一层，它是现场总线协议的关键。

在用户层，规定了标准的“功能模块”，并使用设备描述语言为用户组态提供接口。

设备描述实际上是装置的一个驱动器，它包含所有必要的参数描述和连接所需的操作步骤。

这样，尽管不同厂家定义的功能模块在算法、编程及运行特性上可能完全不同，但对其功能模块的特性描述、参数设定及相互联系的方法是公开统一的，即对用户是透明的，从而保证了现场装置可实现真正的互操作。

2.3现场总线的特点（1）开放性。

现场总线的通信协议都是公开的、透明的。

（2）现场转置的状态可控。

由于现场总线具有双向通信功能，操作人员在控制室即可对现场仪表进行定标、参数设置和功能组态，还可在线监测装置的工作情况，进行故障诊断和事故预测，实施状态维修，大大提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。

（3）测控功能彻底分散。

现场仪表都是智能化的多功能集成装置，不但具有检测、变换和补偿功能，还具有运算和控制处理能力。

（4）安装方便、维护容易、性能可靠。

（5）兼容性与互操作性。

用户可以自由选择符合自己要求的不同生产厂家按统一标准生产的不同性能价格比的产品。

总之，由于现场仪表的智能化和通信总线的数字化，使现场总线在测控功能和物理地域上实现了分散，在同一个标准协议下实现了真正的开放，为组成功能强大的开放系统、实现设备资源和信息共享奠定了坚实的基础，它是未来工业控制系统的主流技术。

三、LonWorks火警控制网络基于LonWorks现场总线技术的火警控制网络是将LonWorks技术应用于电厂自动控制系统的一个实例。

火灾一直是电厂主要防范和最为棘手的问题。

电厂中存在火灾隐患的地方很多，并且这些点很分散，传统的测控技术很难对这些点进行实时的监控。

火警控制网络是一个典型的分布式控制系统，网络中的每一个节点除了能对本节点监测部位进行状态监测外，还能显示其他节点监测部位的火警信息，而所有部位的状态信息最终都将实时地显示在监控室的屏幕上，这种设计使得火警信息能得到及时的获取。

基于LonWorks现场总线技术的火警控制网络具有三个基本功能：实现多工位单节点火灾报警；实现多工位多节点火灾网络报警；作为标准通信模块，实现PC 机或单片机向LonWorks总线上的挂接。

3.1系统功能基于Lonworks现场总线技术的火警控制网络采用标准的Lonworks总线标准，网络节点处具有火灾报警功能外，还能够进行网络通信，获取其他节点的报警信息，实现网络报警。

此外，每个节点的设计都预留了标准的串行通信接口，以方便将传统的测控系统挂接到Lonworks网络中。

3.1.1单节点火灾报警功能火警控制网络中的节点采用的是符合国际标准1-WIRE单总线协议的传感器和执行器，这样，节点的CPU只需提供一根线就可以将所有工位点的传感器和执行器连接起来，所以理论上，每个节点可同时监测的工位点数是没有限制的。

这种设计避免了繁琐地接线，需要监测的工位点可根据需要任意地增加或减少，并且任何符合单总线操作协议的器件都可以挂接到节点的单总线上，系统的稳定性和可扩充都得到了改善。

所以，网络节点可同时监测多个工位的温度和烟度状态，具有报火警、预报警、报传感器故障等各种报警功能。

在报警时，蜂鸣器以一定的频率发音，表明是何种警报，同时数码管和发光二极管也会显示报警的类别以及报警的位置。

节点还提供执行器，在发生火警时，能够切断火警的来源。

此外节点还具有复位、消音、传感器编码等功能，并且在报火警时还可提供外控开关量，驱动灭火器等一些紧急灭火装置。

3.1.2系统网络报警功能基于LonWorks现场总线技术的火灾报警控制网络的一个最突出的性能是它采用了LonWorks总线技术，所有的节点除了能对本节点工位进行状态监测外，还具有网络通信的功能，从网络上实时获取其他节点的状态信息。

这种设计使得工作人员能够及时取得所有节点的状态。