Lokalne systemy pomiarowe oparte o sieć LonWorks

Co to jest LonWorks ?

LonWorks to nowa technologia zaprojektowana w celu dostarczenia platformy do realizacji nowoczesnych systemów pomiarowo-kontrolnych. LonWorks został zaprojektowany przez firmę Echelon Corporation we współpracy z Motorolą i Toshibą. Obecnie LonWorks jest kompletną i dopracowaną architekturą zdobywającą nowe rynki i uznanie użytkowników.

Z czego składa się LonWorks ?

Podstawową jednostką jest węzeł - inteligentne (lub mniej) urządzenie komunikujące się z innymi węzłami. Węzeł może być czujnikiem, kontrolerem, prostym przełącznikiem albo skomplikowanym komputerem obrabiającym dane. Sercem węzła w kontekście LonWorks jest Neuron Chip - układ scalony realizujący wszystkie potrzebne czynności w celu skomunikowania się z otoczeniem. Neuron Chip zawiera implementację protokołu sieciowego LonTalk, posiada również pewne funkcje klasycznego mikrokontrolera, co pozwala na wykonanie prostszego urządzenia jako jednoprocesorowego.

Protokół LonTalk powstał w oparciu o model odniesienia OSI. Firmware i hardware Neuron Chipa zawiera realizację warstw odpowiadających za rozwiązywanie konfliktów dostępu do wspólnej magistrali, adresowanie i dostarczanie przesyłek sieciowych, zabezpieczenie transmisji, formatowanie danych przesyłanych przez sieć, autoryzację węzłów, zapewnienie maksymalnej przepustowości łączy. Implementacja tych części protokołu jest kompletna i dostarczana razem z Neuron Chipami co gwarantuje zgodność w komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami nawet pochodzącymi od różnych producentów.

Do najniższej - fizycznej - warstwy LonTalk można zaliczyć definicję medium oraz połączenia samego Neuron Chipa z medium komunikacyjnym. Popularnym medium wykorzystywanym w sieciach LonWorks jest skrętka z możliwością przesyłania danych przy prędkości 78 kbps albo 1.25 Mbps do której przyłączony zostaje Neuron Chip przy pomocy transceivera - urządzenia dopasowującego do linii i zapewniającego izolację galwaniczną. Inne media używane w LonWorks to: kabel koncentryczny, sieć energetyczna, światłowód albo połączenie radiowe. LonTalk jest rozbudowanym protokołem pozwalającym na łączenie tysięcy węzłów we wspólną sieć, przy czym topologia nie jest z góry narzucona. Istnieje możliwość połączenia podsieci pracujących na takich samych bądź różnych mediach przy pomocy specjalnych węzłów sieci zwanych routerami.

Najwyższa - aplikacyjna - warstwa LonTalk definiowana jest przez projektanta węzła sieci. Neuron Chip, z punktu widzenia programisty, jest zwykłym mikroprocesorem, w którym interfejs sieci realizowany jest poprzez lokacje pamięci zwane zmiennymi sieciowymi, za pomocą których program dokonuje wymiany danych z innymi węzłami. Standardowym rozwiązaniem jest zdefiniowanie w jednym węźle (na przykład termometrze) zmiennej wyjściowej (tu temperatura), w drugim zaś (na przykład kontrolerze pieca) zmiennej wejściowej o identycznym typie (czyli temperatura). Praca pierwszego węzła polega na cyklicznym wysyłaniu danych - komunikatów (wysyłamy co 3 sek wartość temperatury), które węzeł drugi otrzymuje w postaci wartości swojej zmiennej wejściowej. Reakcją drugiego węzła na otrzymanie nowej danej jest wykonanie procedury obsługi zdarzenia (zamknięcie/otwarcie dopływu paliwa do pieca).

LonWorks jest siecią o otwartej architekturze

Otwartość LonWorks można rozumieć na różne sposoby:

Sieć oparta na LonWorks zaprojektowana pierwotnie jako system alarmowy może być wykorzystana później również jako system sterowania oświetleniem, ogrzewaniem, lokalna sieć telefoniczna, ... Po wspólnym medium można transmitować dane, które logicznie przynależą do zupełnie odrębnych systemów.

LonWorks nie posiada wyróżnionych węzłów kontrolujących transmisję czy sterujących dostępem, węzły są równouprawnione. Dokładając nowe urządzenia do systemu nie trzeba w żaden sposób rekonfigurować uprzednio zainstalowanych. Architektura peer-to-peer pozwala na stworzenie sieci składającej się z dwóch węzłów i rozbudowanie jej do tysięcy (rzeczywisty limit nakłada ograniczenie przepustowości medium).

LonWorks posiada dobrze zdefiniowany sposób przesyłania komunikatów - całość oprogramowania sieciowego jest dostarczana przez producenta LonWorks i projektant urządzenia nie ma możliwości dokonywania w nim zmian. Jest to wiec gwarancja zgodności protokołów komunikacji wszystkich przyrządów opartych na Neuron Chipach. Pełna zgodność pomiędzy urządzeniami pracującymi w sieci wymaga jeszcze określenia formatów danych (zmiennych sieciowych) przesyłanych pomiędzy węzłami. Dla jej utrzymania zostały opracowane modele obiektów pozwalające na stworzenie standardowego interfejsu przyrządu. Modele obiektów specyfikują formaty przesyłania typowych danych np. pomiarowych. Zgodność wyrobu z modelem jest sprawdzana przez specjalnie do tego powołaną organizację LonMark.

LonWorks jest tani

Na koszt produktu wpływa nie tylko cena podzespołów ale również opracowania i wdrożenia. Większość systemów pomiarowo-kontrolnych opracowywanych na zamówienie posiada ograniczoną możliwość rozbudowy lub modyfikacji, klient decydujący się na takie rozwiązanie wiąże się z firmą opracowującą jego system. Produkty zgodne z LonWorks nie są projektowane dla konkretnych instalacji - są zgodne z innymi urządzeniami wykonanymi w tej technologii, dają możliwość stosowania w różnorodnych systemach. W gotowych instalacjach istnieje możliwość wymiany jednego przyrządu na inny - pochodzący od innego producenta a spełniający te same funkcje. Stosowanie LonWorks gwarantuje możliwość użycia gotowych elementów (a nie projektowanych specjalnie na zamówienie).

Gdzie stosować LonWorks

Szeroka gama zalet LonWorks sprawiła, że stosowanie tej sieci stało się standardowym rozwiązaniem w wielu różnorodnych systemach. Otwartość i podatność na modyfikacje - możliwość tworzenia zdecentralizowanego systemu zarządzania jest przesłanką dla wykorzystania LonWorks w przemyśle. Dotychczasowe rozwiązania opierające się na sterownikach hierarchicznych okazują się bardziej zawodne i dużo droższe w eksploatacji od technologii peer-to-peer.

Niski koszt instalacyjny oraz duża liczba dostępnych modułów LonWorks spowodowała, że jest on chętnie stosowany w rozwiązaniach `inteligentnego budynku'. Początkowy nakład to tylko wykonanie okablowania, potem inteligencja systemu może rosnąć: sterowanie oświetleniem, zarządzanie zużyciem energii, ruchem wind, system alarmowy, przeciwpożarowy, ... LonWorks został uznany przez ANSI jako standard w zakresie automatyzacji budynków.

Łatwość instalacji i konserwacji sieci (wszystkie czujniki podłączone są do jednego przewodu) faworyzuje to rozwiązanie w instalacjach monitorujących i rejestrujących dane pomiarowe. Użytkownik ma możliwość dowolnego kształtowania swojej sieci: wprowadzania zmian, rozbudowy o nowe moduły, wybierania dogodnych mu czujników od dowolnego producenta.

LAB-EL i technologia LonWorks

LAB-EL Elektronika Laboratoryjna jest firmą zajmującą się pomiarami wielkości nieelektrycznych w tym szczególnie pomiarami parametrów klimatycznych. Nasze dotychczasowe badania pozwoliły nam na skonstruowanie przyrządów o dobrych parametrach metrologicznych i użytkowych. Oprócz projektowania i produkcji mierników zajmujemy się także integracją systemów pomiaru i kontroli klimatu stosowanych w przemyśle, laboratoriach, muzeach i magazynach.

Nasze mierniki były do tej pory wyposażane w cyfrowe interfejsy transmisji szeregowej zgodne z RS-232C, RS-485, cyfrową pętlę prądową jak również analogowe interfejsy w standardzie przemysłowym 4/20mA.

Szybki rozwój systemów LonWorks skłonił nas do opracowania nowszych wersji przyrządów wyposażonych w Neuron Chipy, a co za tym idzie zgodnych z tą technologią. Nasza oferta zostanie niebawem powiększona o precyzyjne mierniki temperatury i wilgotności względnej powietrza w dwóch wersjach: laboratoryjnej (jako odpowiednik termohigrometru LB-701/LB-705) oraz przemysłowej (odpowiednik termohigrometru LB-710M). Opracowany został również barometr (odpowiednik LB-716). W celu integracji systemu pomiarowego opracowujemy wielokanałowy rejestrator-koncentrator LB-732, który rozszerzy funkcjonalność dotychczasowego produktu LB-731 o możliwość pracy jako węzeł sieci LonWorks przy zachowaniu zdolności współpracy ze starszą wersją czujników LB-710M. Inne nasze przyrządy będą sukcesywnie rozbudowywane o interfejs sieciowy - jako jedną z opcji, bądź jako podstawowy interfejs pomiarowy.

Bibliografia

LonWorks Networks Reference and Developer's Preview - CD, Echelon, The LonWorks Company
LonWorks Technology Device Data, Motorola Inc. 1997
Sieci o inteligencji rozproszonej LonWorks, Olaf Lewiński, Macropol sp. zo.o. 1996