我国对LonWorks技术的开发应用现状

我国对LonWorks技术的开发应用现状2003-10-28我国智能建筑界对LonWorks技术开发应用起步于二十世纪九十年代中期。在建设部的支持推动下，经过多年的努力，现已初步形成适合我国国情的产品系列。这些国产化的LonWorks产品系列在我国诸多建筑智能化技术百花园中形成了一条亮丽的国产化的风景线，正在智能建筑和居民小区智能化市场竞争中茁壮成长。这一切首先源于建设部和业界人士开始时对LonWorks技术的正确定位和认识。1对LonWorks技术的认识对LonWorks技术的开发应用前期，必须经过一个对LonWorks技术的认识过程，现在国内业界人上对LonWorks技术的共识越来越多，这是成功开发应用LonWorks技术的前提条件。1．1LonWorks技术的定位LonWorks技术要准确定位在控制网技术层面上，这是从根本上，也可以说是从本质上讨论清楚问题的一个出发点和基准。建筑智能化系统的构成可分为上下二层：上层是信息网（属信息域）；下层是控制网（属控制域）。这是基本功能、性质和特点不同的二种网络。信息网的基本功能是完成信息的发送、传输和接收，信息网强调的是将文本、声音、图像、电视信息的传递。控制网又叫测控网，主要是作为过程自动化、制造自动化、楼宁自动化等领域现场自动控制设备之间互连的通信和控制网络，最终是要实现各系统现场的仪表、传感器、执行器、被控设备等的联网通信、测量和控制。控制网强调的是信息传递后的控制和执行，如实现各种基本控制、校正、报警、显示、测量、监控及控管一体化的综合自动化功能。它实质上是一个完成自动控制任务的网络通信系统与控制系统，是自动化与信息技术融合的产物。当前自动化与信息技术融合是学术发展前沿的一种趋势和热点，这其中的一个代表就是二十世纪90年代诞生的LonWorks技术，LonWorks在加强自动化和信息技术两大领域融合方面作出了重大的历史性突破。1．2LonWorks是新一代控制网技术在世界范围控制网技术的发展经历了三代即集中式（CCS）、集散式（DCC）和现场总线（FCS）技术。现场总线的出现标志着一个工业控制技术新时代的开始。二十世纪九十年代诞生的LonWorks技术是第三代的现场总线技术中最适合工控和楼字控制领域中应用的一种。对于建筑行业，应用和开发LonWorks技术将使我国智能建筑控制网技术实现跨越式发展，走出一条符合国际最新技术发展方向的国产化道路。1．3LonTalk协议的诞生是控制网七层协议历史性突破由于控制网要完成测量控制仟务，具有不同于信息网的许多特点。如控制网不同于信息网采用宽带介质来传输大量数据文件，控制网传送由传感器、测量装置、控制器、操作接口生成的包含“状态信息”的少量控制信息，用来取代大量的数据文件，其信息量小，传送速度不要求很高。网络上的执行机构监视这种状态信息并作出相应的指令：协调阀门、风门或其它执行器，保持对系统的控制。为保证控制系统长期正常和稳定的运行，控制网采用的通信协议应具有高度的实时性、安全性和可靠性。因此将信息网（如局域网、全球信息网）及其通信协议整套搬用到控制网是不合适的，只能是发展过程中，前期的临时替代和过渡性措施。LonWorks技术的LonTalk协议是现场总线技术唯一完整的、符合OSI参考模型所定义的全部七层协议。除了LonTalk协议之外，至今还没有哪一个控制网协议宣称它能够提供OSI参考模型所定义的全部七层服务。这是LonWorks技术对现场总线、控制网技术的历史性重大贡献。LonTalk协议适应了控制网各方面的特点和全面需要，能使信息传输具有高实时性、安全性和可靠性。因此，LonTalk协议诞生后，不断被各国采用定为开放标准。如1997年8月LonTalk协议被美国电子工业协会（EIA）的集成家庭系统技术委员会定为家庭网络的标准，编号为EIA/IS709；欧洲标准CENTC247的建筑物自动化系统的现场层采用了LonTalk协议；美国国家标准BACnet共分四层，其中物理层和数据链路层采用了LonTalk协议。LonTalk协议已占据了控制领域开放标准的主流地位。1．4控制网将沿着现场总线技术方向发展如上所述，控制网技术发展经历了三代，发展到了现场总线技术阶段。智能建筑中控制网在下层，可选用LonTalk协议，上层是信息网构成的管理层，通常选用TCP/IP协议，采用快速以太网结构。上下层之间不断有信息上送下传。如Honeywell公司的Excel5000系统就是这种结构形式。现在有人提出将来的发展是否可能将上层信息网向下延伸，取代现场总线？这种发展在技术上显然是不合理和错误的。现仅举二方面理由：一方面前面已经指出，控制网和信息网是基本功能、性质和特点不同的二种网络，控制网被信息网取代会出现各种问题。控制网说到底它是一个控制系统，控制系统要求的是对控制过程响应的正确与品质，响应品质有一系列平稳性、快速性、准确性的性能指标。因此控制网所传输的控制信号的信息量很少，对快速性要求不高。实时性主要通过响应时间和巡回时间来反映。信息网对响应时间要求较低，一般是2S~6S；控制网对系统的实时要求较高，一般是0.5S~2S。信息网对实时性的要求是软的，只要大部分时间满足要求就可以了，偶尔几次不及时响应是没有关系的；控制网对实时性的要求是硬的，它关系到控制系统能否正常工作，必须在任何时间都及时响应，不允许有任何不确定性。例如以太网的网络协议采用CSMA/CD（带有冲突检测的载波帧多路存取协议），其解决冲突的方法，本质上不具有通信确定性性质。这表明信息网取代控制网轻则使控制系统性能品质下降，重则可使系统不能正常运行。另一方面要考虑到网络安全问题。当前信息网络系统面临网络病毒、网络黑客、网络战争，再加上自然灾害攻击如雷击等，使网络安全问题已上升到国家安全的战略高度。控制网要求实时性极强，一个短暂的瞬间冲击就会造成控制系统的运行事故。因此，控制网对安全防护问题必须重视。控制网网络安全的重要措施应该是与信息网隔离。因为信息网要面向世界、面向社会已就必然面对各种网络攻击，是网络安全问题的重灾区。控制网是内部网主要面向智能建筑的现场装置环境封闭不易受到直接攻击。控制网与信息隔离，使信息网与控制网形成上层网和下层网，也可形成外部网和内部网，在它们之间实施物理分隔或安全分段，这是保证控制网信息安全性的重要原则。结论是：从网络安全考虑信息网取代控制网也是不可行的。基于以上四点对LonWorks技术的认识，可以显现出LonWorks技术当前处于自动化与信息技术两大领域融合形成的控制网技术的前沿。为了阐明这个命题，最后还要碰到一个业界常讨论的热点问题：那就是几种主流开放式协议标准的关系，其中最突出的是LonTalk、BACnet和TCP/IP。一些公司往往一上手就大谈谁最先进！谁最开放！把它们引向了尖锐矛盾和竞争境地。这种讨论问题的方法未必实事求是。一个基本事实是：TCP/IP是信息网（信息域）的协议；BACnet由美国暖通空调制冷工程师学会（ASHRAE）综合几种局域网LAN的协议而制定的，它也是信息网（信息域）的协议；只有LonTalk是控制网（控制域）的协议。它们的侧重、目标和实现方法上有极大的不同。但过多强调它们之间的竞争是很片面的，它们之间的主要方面应该是互补。一些国家标准和国际大公司产品中提倡的多层结构：由BACnet或TCP/IP构成上层，用LonTalk构成下层，形成一种优势互补的最佳组合模式，这种模式在二十世纪末纷纷出台。1998年12月制定的欧洲标准CENTC247的建筑自动化系统为三层结构：上层管理层和中层自动化层提供使用BACnet，下层现场层提倡使用LonTalk。Honeywell公司、安德沃公司为代表的一些国际大公司前几年刚推出的产品上层多采用TCP/IP，下层采用LonTalk，也反映了这种潮流。国内的德达公司支持LonTalk的同时也支持TCP/IP。北黄公司既使用BACnet，也使用LonTalk。这些公司的作法是很有远见的。以上种种事实表明，LonWorks在控制网技术发展过程中，当前处于主流地位。2我国在智能建筑产品方面LonWorks技术的开发应用情况我国对LonWorks技术开发应用和起步较早，经过多年努力，现已开发出了适合我国国情的各种产品系列。早在1995年北京建工学院、北京工业大学联合二次开发了LonWorks技术楼宇智能化系统应用开发平台，来访的Echelon公司总裁一行参观了该开发平台，给予了高度评价，总裁特别赞赏开发平台将许多国产仪表、传感器、执行器和系统接入了LonWorks控制网络，成功实现了互操作。该平台经过近一年的运行，于1996年通过建设部科技成果鉴定。在上述开发平台基础上，智能建筑技术开发推广中心与威光公司合作开发的BAS-V2000新一代楼宇自控系统是早期LonWorks控制网技术在中国应用的一个典型系统。1997年1998年在广东蓄能大厦和佛山等地智能建筑工程中取得了一系列成功业绩。97-98年间LonWorks技术在全国范围很快取得行业界的共识，北京、苏州、上海、西安、广州等地研究单位和公司纷纷推出自己的产品和系统，并在许多楼控和工控工程应用中取得了成功。其中苏州威光公司产品生产已形成规模，并有多方面工程应用实例。北京德达公司的通用控制系统产品还打入了国际市场。如德达公司的iCubeTM通用控制系统已开发的很完善，该系统结构分为三层：管理维护层、网络设备层和控制单元层。（1）管理维护层主要由连接在Internet/Intranet/LonWorks网络上的管理计算机构成，完成网络的管理、运行维护等工作。由LonMakerforWindows完成网络管理，如网络设备的安装、配置等。而HMI（人机界面）则由Internet或FIX等软件完成。（2）网络设备层除了构成Internet/Intranet的各种网络设备外，还需要两种设备：即i.Lon1000和LonWorks路由器。i.Lon1000是实现LonWorks与InternetIP网络无缝联接的关键设备，通过它可以将散布在不同地域内，可以在世界范围内、城区或广区范围内，有IP网络相连的各LonWorks段联接在一起组成一个大控制系统。i.Lon1000内置WebServer它支持SNMP、TCP/IP、HTTP、FTP并具有良好的安全性。LonWorks路由器的主要目的是进一步延伸LonWorks网络，阻隔不同网络的通讯量进而提升各网段的使用率，并起到速率转换以及不同传输媒介联接的目的。（3）控制单元层控制单元作为控制网络的基本单元，除具备一定的网络通讯能力外，主要完成现场信号采集，执行控制算法和设备控制。在控制单元的种类上共分为以下几个大类：DI、DO、MIO、AI、AO等。该系统的节点控制器已进行规模生产，大量投入市场，并列入2000年北京市火炬计划项目。为将国产化智能建筑产品研发和应用系列化，形成配置体系，并实现规模化生产，在建设部科技委领导下专门成立了中国智能建筑技术LonMark协作网。1999年11月又在秦皇岛召开了LonWorks技术与产品应用及配套座谈会，会议探讨的内容和形成的共识，对促进智能建筑相关产品的国产化产生了深远影响。在通用型LonWorks技术产品，系统大量开发成功，在工程上成功应用的基础上，我国LonWorks技术的开发应用迅速走向深化和全面，还开发了各种有中国特色的系统。下面例举几方面情况：2．1LonPoint系统开发应用成功作为一个能够被最终用户方便使用的产品，仅用常规设计智能节点的硬件和为智能节点编制应用程序还不够，还应该给智能节点编制一些用户界面，以便用户能根据自己的实际情况进行配置，这在LonWorks技术中，被称为节点的“Plug-in”。海湾威尔公司推出的HW-BA5000系统是这方面的一个很成功的楼控系统。HW-BA5000是专门为网络集成商设计的，很方便用于集成楼控中常见的仪表、传感器、执行器，以构成楼宇控制系统，其硬件和软件均为现成产品，只需要根据实际应用进行相应的配置和安装即