LonWorks.
Универсальная платформа автоматизации зданий.

Рис.1 Скачать PDF для печати

Технологическую платформу LonWorks в настоящее время следует рассматривать как наиболее распространенную мировую технологию автоматизации зданий. Родившись в Северной Америке, благодаря своим преимуществам она завоевала все континенты и стала международным стандартом. Даже точное количество производителей не поддается подсчету, хотя известно, что число только основных компаний, использующих эту технологию в своих решениях и в выпускаемых приборах, превышает 4000.

В рамках платформы предлагается различное оборудование, начиная от простейших датчиков, сенсорных выключателей и до сложнейших инженерных агрегатов, обеспечивающих жизнедеятельность зданий. Также выпускается несколько программных продуктов, которые применяются интеграторами для конфигурирования сети LonWorks и оборудования от различных производителей. Собственно LON – это Local Operating Network.

Сеть LonWorks – это одноранговая распределенная система управления, открытая и стандартная.

В соответствие с моделью взаимодействия ISO/OSI, в ней определены и используются все 7 уровней. В качестве коммуникационной среды могут быть использованы различные среды передачи: витая пара, силовая сеть, коаксиальный кабель, ИК-канал, радиоканал и сеть Ethernet.

Протокол, используемой в сети LonWorks называется LonTalk. Разумеется, он имеет некоторые различия в каждой среде коммуникации. Наиболее часто на практике применяется витая пара. Отметим, что возможны два варианта сети. Первый, когда питание передается вместе с данными и другой вариант, когда для питания устройств необходимо предусматривать отдельный кабель и источник питания. Минимальная инсталляция LonWorks в этом случае состоит из источника питания, датчика и исполнительного устройства.

Все приборы необходимо также соединить сетевым кабелем LON (шиной) и подвести силовое питание к тем устройствам, которые в нем нуждаются. Схема соединения устройств приведена на рис.1.

Отметим, что устройства в сети LonWorks часто называют узлами, и они должны иметь индивидуальный адрес, так называемый Neuron ID.

Этот идентификатор программируется в чип прибора при производстве. Уникальный ID (48 бит) позволяет идентифицировать каждое устройство в любой сети управления и использовать персональную адресацию для обращения к нему. При адресации уже в функционирующей сети Neuron ID практически не используется из-за своей большой длины. Логический адрес устройства в сети определяется при его вводе в эксплуатацию. Он состоит из адреса домена, подсети и адреса узла.

Как это работает?

Рассмотрим как функционирует система при реализации простой функции включения или выключения освещения. При нажатии на клавишу выключателя в сеть (шину) посылается пакет данных, который содержит служебную информацию, определяемую протоколом LonTalk и информацию о произошедшем событии, в рассматриваемом случае это будет - «1» - включение. В терминах технологии LonWorks выходная сетевая переменная изменит свое значение. Эта переменная в соответствие с заданной инсталлятором коммутацией в сети попадет на вход исполнительного устройства, и затем будет обработана и выполнена.

В данном примере замкнется контакт реле, и включится лампа. Реле также отправит сообщение о подтверждении правильного приема.

Для выключения освещения с выключателя посылается значение переменной «0» и процессы повторятся. Если пакет данных получен с ошибкой, то устройство, посылавшее команду, будет об этом извещено. В таком случае, через определенное время сообщение будет повторено и устройства, которые не смогли её выполнить, получат следующий шанс. В протоколе LonTalk предусмотрено, что количество таких повторений может быть установлено при конфигурировании устройств. Обычно достаточно 2-5 раз, но можно установить количество повторений и до 256 раз, что существенно повышает надежность функционирования коммуникации.

Разумеется, реальные объекты с LonWorks значительно сложнее этого примера. Простой проект, например квартиры, будет включать несколько десятков устройств. Поэтому при проектировании придерживаются определенных правил и пользуются специальным программным обеспечением, например LonMaker или Node Manager.

Выбирается среда передачи и топология сети. Создается база устройств (в случае ПО LonMaker – LNS), далее каждое необходимое в проекте устройство инсталлируется в сеть и конфигурируется. Затем должна быть произведена инициализация и создание логических связей, после чего проходит программирование, проверка и тестирование. При необходимости после этого можно провести оптимизацию отдельных сегментов сети.

Отметим, что все основные параметры и связи, создаваемые при конфигурировании сети и устройств, сохраняются в энергонезависимой памяти. Таким образом, устройства и сеть LonWorks достаточно запрограммировать только один раз, причем многие операции могут быть выполнены заранее и не обязательно на объекте.

Топология сети

Платформа LonWorks позволяет реализовать различные варианты топологии сети. Так при использовании пары TP/FT-10 это может быть линия (шина), «звезда», «кольцо», свободная, а также древовидная топология. Сеть может состоять и из нескольких различных по топологии сегментов, которые следует соединять специальными устройствами - маршрутизаторами. При небольшом количестве устройств используется простая топология – «шина», тогда в сегмент TP/FT-10 можно установить до 64, а в TP/LP до 128 приборов, хотя на практике рекомендуется оставлять запас по количеству устройств для последующего расширения системы. Допустимые ответвления не должны превышать 3 м. На концах кабеля необходимо установить согласующие элементы – терминаторы. В случае топологии «звезда», «кольцо» или свободной, также используются терминаторы, которые устанавливаются в центре сети. Стандартная скорость передачи составляет в сети TP/FT-10 78 Кбит/с, что соответствует пропускной способности примерно 180 пакетов/с. Такая часть сети называется подсеть. Когда устройств в проекте становится существенно больше, то подсети объединяются в домен. Один домен может включать до 255 подсетей.

Таким образом, в одном домене может быть более 32000 устройств. При этом отметим, что количество доменов практически не ограничено. Узлы из разных доменов не могут связываться друг с другом напрямую. В этом случае используются соединительные устройства – мосты, выполняющие функции маршрутизаторов. Для продления линии и гальванической развязки могут использоваться и более простые устройства – репиторы, но между двумя узлами допустим только один такой повторитель.

Маршрутизаторы и мосты обеспечивают не только гальваническую развязку отдельных линий, но также фильтруют пакеты, что повышает надежность и жизнеспособность системы, уменьшает трафик и нагрузку на магистральные и главные линии.

Для каждой топологии на длины кабелей существуют определенные ограничения, которые связаны с физической природой среды передачи и распространением в ней электрических сигналов. При использовании стандартного кабеля Cat5 и произвольной топологии ограничение составляет 450 метров, в случае шинной топологии - 900 м. Специальные кабели, например Belden 8471 или 85102 с диаметром жилы 1,3 мм увеличивают эти расстояния до 500 м и 2700 м для соответствующих топологий.

Также возможно использование кабеля JY(St) Y 2х2х0.8. При этом ограничения составят 500 м и 900 м для произвольной и шинной топологии соответственно. Расстояние между двумя узлами при свободной топологии не должно превышать 320 м. Возможно применение и других кабелей, которые обеспечивают необходимые электрические параметры.

Пакеты данных и коллизии

Все сообщения в сети LonWorks состоят из нескольких частей, собранных в один пакет, причем в каждой части передается своя информация. В заголовке пакета обозначается приоритет пакета и его альтернативный путь. Область адресации содержит информацию о формате, адресе источника и получателя. Далее часть пакета содержит тип сетевого сервиса, за которым идет селектор сетевой переменной. Область данных содержит непосредственно информацию, которой обмениваются устройства. Замыкает пакет контрольная сумма. Размер типового пакета LonTalk примерно 66 байт, причем минимальное значение составляет 4 байта, а максимальное до 232 байт.

Сетевые переменные NVs являются основными носителями информации в технологии LonWorks, то есть своеобразными логическими «входами» и «выходами» устройств-узлов. Они позволяют узлам связываться между собой. Каждая переменная является однозначно направленной и ее тип определяет представление передаваемых данных.

Существует список более 200 стандартных переменных. Именно они и являются гарантом интероперабильности платформы LonWorks.

Отметим сразу явные преимущества такой передачи: спектр сигнала максимально приближен к гармонической форме. Может быть использована трансформаторная связь и кабельная проводка с низкими требованиями к качеству.

Обязательные сетевые переменные и обязательные конфигурационные свойства вместе с дополнительными переменными и свойствами образуют функциональный блок LonMark. Обычно такой блок определяет все свойства узла.

Передача сигнала осуществляется симметрично по паре жил. Используется дифференциальное манчестерское кодирование. Логический «0» кодируется изменением сигнала за период передачи, а «1» - сохранением его в течение периода при любом уровне. Амплитуда сигнала на выходе устройства примерно 1 В.

Это автосинхронизируемый последовательный битовый поток, причем нечувствительный к полярности и имеющий нулевое значение постоянной составляющей.

Сигналы передаются по одной витой паре в составе экранированного кабеля. В случае сети TP/LP по этой же паре поступает и постоянное питание. Отметим, что заземлять экран кабеля или одну из жил нельзя.

Для разрешения коллизий пакетов используется метод CSMA/CD, как в сетях Ethernet. Передатчик ожидает случайное количество интервалов времени перед началом своей передачи. Если в момент начала процесса другой узел уже ведет передачу, то передатчик выключается и следует цикл ожидания. Такой метод гарантирует доступ устройств к коммутации при их обращении в сеть в любой момент, причем без существенного снижения её пропускной способности.