本文介紹了利用LonWorks現場總線代替原有的現場工業控制總線。利用LonWorks底層的顯形報文格式和廣播方式將原來的通信協議轉換成LonWorks的通信協議，把LonWorks作為通信協處理機使用，利用LonWorks的并行口與控制器如8031、80C196進行數據交換。解決了原有控制網絡通信速度慢、拓撲結構不合理的問題，這種應用方法對原有的硬件不需要做大的修改，軟件方面也只改通信部分，控制軟件可以不變。這樣即可以提升控制網絡的性能，又可以減少人力物力，是LonWorks現場總線的一個典型應用方法。

一、概要

交通部上海船舶運輸科學研究所于1989年開始研制實時船用網絡系統，歷時3年，于1991年研制成功，命名為船用2+實時網絡系統，并首次應用于南海904運輸補給艦，目前已用于多艘艦船，有遠望3號、053艦等。至今為止，形成了船用控制網絡的批量產品。在當時由于現場總線技術還未開始應用，使得2+網絡添補了國內船用控制網絡的一個空白，并形成產品推廣使用了多年。現在看來，2+網絡系統在船舶控制系統中還是起作主要作用。使得船舶控制從單機轉變為網絡型自動控制。2+網絡系統的拓撲結構見圖1，從圖中可以看出，這種樹形的網絡結構不盡合理，通信總機肩負著很重要的任務，可靠性要求很高。從控制機到控制機最遠的路由要通過3個交換機，造成通信時間加長，實時性不高。隨著現場總線技術的不斷完善，選用一種能結合我國實際的現場總線技術代替船用控制網絡已非常必要。

二、LonWorks現場總線的特點：

LonWorks技術的核心是神經元芯片（Neuron chip），它由美國摩托羅拉公司和日本東芝公司生產，有以下幾個特點：

（1） LonWorks技術的基本元件——Neuron芯片，同時具備了通信與控制功能，并且固化了ISO/OSI的全部七層通信協議，以及34種常見的I/O控制對象。

（2） 改善了CSMA，LonWorks稱之為Predictive P-Persistant CSMA。這樣，在網絡負載很重時，不會導致網絡癱瘓。

（3） 網絡通信采用了面向對象的設計方法，LonWorks技術將其稱之為“網絡變量”。使網絡通信的設計簡化成為參數設置。這樣，不但節省了大量的設計工作量，同時增加了通信的可靠性。

（4） LonWorks技術的通信的每幀有效字節可以從0到228個字節。

（5） LonWorks技術的通信速度可達1.25MBps（此時有效距離為130M）。

（6） LonWorks技術一個測控網絡上的節點數可以達到32000個。

（7） LonWorks技術的直接通信距離可以達到2700m（雙絞線，78KBps）。

（8） 針對不同的通信介質有不同的收發器和路由器。

（9） 有LON-WEB網關，可以連接INTERNET。

三、 應用方法：

目前LonWorks現場總線技術已經在國內開始應用。但多采用網絡變量的方式進行數據通信，其主要優點在于：軟件編程方便、可采用標準的網絡變量便于今后和其它標準的LonWorks設備進行通信。但采用網絡變量通信是要用LONMAKER軟件進行網絡變量的現場綁定（BIND），必須要在現場配備一臺PC機進行網絡變量綁定，對于只有幾個節點的控制對象來說，勢必要增加設備的投資。如果在設備運行過程中遇到節點損壞需要更換節點時，又要重復做一遍節點的網絡變量綁定。這就要對最終用戶的維修人員進行培訓，教會他們用LONMAKER軟件進行網絡變量的現場綁定。對于技術水平不高的用戶，只好由開發人員親自到現場進行維護。這大大提高的控制設備的維護成本。

在LonWorks的應用過程中，可采用兩種通信方式即網絡變量通信和顯形報文通信。根據各自通信特點我們選用顯形報文通信方式。采取顯形報文通信方式最大的好處在于系統安裝配置時不需要綁定，便于現場用戶的安裝和維護。顯形報文通信的數據包和長度可以由用戶定義，就可以突破LonWorks關于每個控制節點不能超過63個網絡變量的限制。通過顯形報文還可以在不同的網絡之間進行協議和路由的轉換。但采取顯形報文通信也有其不足之處：控制網絡系統成了封閉系統，不能和其他LonWorks產品進行互連，另外軟件的編制過程也較為復雜，要增加相應的用戶協議。

下面是利用顯形報文進行數據塊傳送的一個例子：

msg_tag motor;

#define MOTOR_ON 0

typedef enum ｛

MOTOR_FWD，

MOTOR_REV

｝ motor_dir;

struct ｛

long motor_speed;

motor_dir motor_direction;

int motor_ramp_up_rate;

｝ motor_on_message;

when （some_event）｛

msg_out.tag=motor;

msg_out.code=MOTOR_ON;

motor_on_message.motor_direction=MOTOR_FWD;

motor_on_message.motor_speed=500;

motor_on_message.ramp_up_rate=100;

memcpy（msg_out.data，&motor_on_message，

sizeof（motor_on_message））;

msg_send（）;

｝

具體在實現過程中，我們采用INTEL的80C196作為現場級的CPU進行控制對象的數據采集和現場控制，而利用LonWorks作為通信協處理器進行現場的數據傳輸。在80C196和3150采用并行口進行數據交換，交換的速度可達到100KBYTE/S以上，遠遠超過LonWorks雙絞線的78K的通信速率。對各個控制點之間的通信采用了廣播方式定時進行廣播通信，一個數據采集點把現場實時采集到的數據廣播給控制網絡上的其他節點，其他節點都同時收到這個采集點發來的數據，需要的數據可以保存下來，而不需要的數據就放棄。這種通信方式與主從式通信方式比較可大大減少網絡上的數據通信量，提高網絡的數據流量，大大提高通信的傳輸效率。

在3150控制模塊的選用上，原來采用ECHELON公司的控制模塊Model 55020-10，但是在應用過程中發現這個模塊無外部擴展內存（RAM），作為通信協處理器使用要求有大量的數據緩沖區進行數據交換，而僅僅利用3150內部的2K RAM容量是遠遠不夠的（運行時系統還要占掉800多個字節）。在這種條件下，我們自己設計了一塊3150控制模塊，與55020-10兼容，在這基礎上增加了24K的外部RAM，這樣可以增加3150發送和接收緩沖區的數量，使得控制模塊的功能大大增強。采用這種方法，圓滿地解決了3150通信協處理器的數據通信和交換的功能。

四、幾點體會：

在LonWorks的應用過程中，我們也覺得該系統有些不足之處。

1． 3150的CPU處理運算能力差：

由于3150開發時間較早，當時采用8位數據處理是局限于當時情況，而在微處理機發展飛快的今天再采用當時的技術已嫌落后。

2． 3150的CPU處理速度慢：

3150最快采用10MHZ主頻，對于在工業高速控制場合這種速度不能滿足控制要求。

3. 3150CPU在10MHZ主頻下的IO輸入輸出操作指令速度為60us，這只能用于如智能化大樓等低速控制場合。

4． ECHELON公司提供了PC機上的LonWorks網絡接口卡，而給用戶的驅動程序并沒有給出其具體的功能調用，不利于用戶進行二次開發。

5． 開發系統的費用太高，一套基本的開發系統要10萬元以上，不符合國情，不利于LonWorks系統的推廣。

責任編輯：gt