Der LONMark - Standart

Transkript

1 Der - Standart Dozent: Verfasser: M. Felser M. Rüegsegger

2 Embedded Control Inhaltsverzeichnis Projektarbeit Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einführung in die LONWorks Technologie Was ist LONWorks? Aufbau der LONWorks Technologie Hintergrund zu Übersicht Gründung Aufgaben Zielsetzungen Markt und Einsatzgebiete von Allgemein Gebäude Heimautomation und Versorgung Industrie Transport Anwendungsmodelle von Wie funktioniert der Datenfluss? Anwendungsschicht Die Struktur eines LONMark Objektes Die - Technologie Zugriffsverfahren und Telegrammaufbau Einschränkungen durch LONMark - Standart Bitübertragungsschicht Sicherungssicht und Transportschicht Installationstechnik Worauf basiert die Installation? Vorteile von LONMark... 8 Literatur... 9 Januar 2006 Seite 2 von 9

3 Embedded Control Einführung Projektarbeit 1. Einführung in die LONWorks Technologie 1.1 Was ist LONWorks? LONWorks bedeutet Local Operating Network Technology und ist die Systembezeichnung für die gesamte LON Technologie. LON wiederum steht für Local Operating Network und wurde 1990 von Echelon Corporation USA vorgestellt. Die Technologie strebt an, dass Netzwerke aus einer grossen Anzahl kostengünstiger, so genannter Knoten, aufgebaut werden können. Diese Knoten können durch verschiedene Hersteller produziert werden und mittels des LONTalk - Protokoll untereinander kommunizieren. Die Knoten besitzen alle ihre eigene Intelligenz und können Daten untereinander ereignisgesteuert austauschen. Sie messen, steuern, regeln und kommunizieren. Dies ergibt ein äusserst flexibles Netz von Funktionen mit beinahe beliebigem Vernetzungs- und Komplexitätsgrad. LONTalk kann über Zweidrahtleitungen, 220V Netze, Fiberoptik, Funk und Ethernet Netzwerke nahtlos übermittelt werden. Durch die Verfügbarmachung eines Chips mit einem integrierten Kommunikationssystem ist es Echelon gelungen, durch die rasche Verbreitung einen Quasi - Standart zu schaffen. Das Herzstück, das LONTalk - Protokoll, wurde solange nur über diese spezifischen Chips verfügbar gemacht, bis sich der Standart gebildet hatte Zum heutigen Zeitpunkt wird nun das Protokoll normiert und zur Implementierung auf anderen Chips freigegeben. In zahlreichen Normierungen hat LONWorks Eingang gefunden, so z.b. in BACNET (ASHRAE American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers), ISFS (International Forecourt Standart Forum d.h. alle grossen Oelfirmen), CELECT (UK für Heizungen) und IEC Der wichtigste Standart bildet LONMark, eine durch Echelon gegründete Organisation aus Anbietern von LON Komponenten, welche sich diesen Standart selbst auferlegt haben. 1.2 Aufbau der LONWorks Technologie Die LONWorks Technologie schliesst alle für den Entwurf, den Aufbau, den Betrieb und die Wartung einer LON Installation erforderlichen Hilfsmittel ein: Abb. 1.1: Aufbau LONWorks Entwicklungswerkzeuge Neuron-Chip und Transceiver Alle Geräte basieren auf den so genannten Neuron-Chips. Dies sind speziell von der Firma Echelon entwickelte kleine Mikroprozessoren, die mit wenigen zusätzlichen Bausteinen ergänzt einen vollständigen Netzwerkknoten bilden. Da ein LON - Netzwer k mit vielen unterschiedlichen Übertragungsmedien aufgebaut werden kann, erfolgt der Anschluss eines Neuron-Chips an die Busleitung (Übertragungsmedium) über einen Transceiver. LONTalk - Protokoll Die Sprache des LON heißt LONTalk-Protokoll. Sie ist einheitlich für alle Knoten bereits im Neuron-Chip implementiert. Zur Erstellung von Neuron-Programmen in der Programmiersprache Neuron - C und der Inbetriebnahme einzelner Knoten sowie ganzer Netze bietet Echelon Entwicklungswerkzeuge wie den LONBuilder oder den Node - Builder an. Interoperabilität durch LONMark Damit auch Geräte unterschiedlicher Hersteller in einem LON - Netzwerk miteinander kommunizieren können, gibt es Regeln (Functional-Profiles und SNVT-Masterliste) die von der LONMark Interoperability Association erarbeitet werden. Geräte, die nach diesen Regeln entwickelt wurden, erreichen einen hohen Grad an Interoperabilität. Damit ist die Fähigkeit gemeint, eine Aufgabe in einer verteilten Anwendung gemeinsam zu bewältigen. Bei Austausch eines Gerätes gegen ein Ähnliches eines anderen Herstellers muss die Anwendung ohne Anpassung weiterlaufen. In den nachfolgenden Seiten wird nun der LONMark Standart etwas genauer untersucht. Januar 2006 Seite 3 von 9

4 Embedded Control Hintergrund Projektarbeit 2. Hintergrund zu 2.1 Übersicht In der Steuerungsindustrie findet eine offene, interoperable Revolution statt und eine Organisation hat die Führung übernommen, wenn es darum geht, offene und interoperable Produkte zu liefern - die LONMark International. Die LONMark International zählt nicht nur die Hersteller zu ihren Mitgliedern, die diese Revolution anheizen, sondern auch Endnutzer, Planer und Systemintegratoren, die sich für ihre Umsetzung einsetzen. 2.2 Gründung Die LONMark Interoperability Association, mit dem Hauptsitz in den USA, wurde im Mai 1994 von 36 Unternehmen gegründet. Sie ist eine unabhängige Vereinigung von Herstellern, Endkunden und Systemintegratoren mit weltweit über 300 Mitgliedern. 2.3 Aufgaben Zu Ihren Aufgaben gehört das Festlegen von technischen Richtlinien, wie z.b. die LONMark Interoperability Guidelines oder die The SNVT Master List. Eine weitere Aufgabe bestehet im Fördern und Pflegen des LONMark Interoperabilitäts Standards und im Vergeben des LONMark Zeichens für interoperable Produkte. Die Organisation bietet ihren Mitgliedsfirmen ein offenes Forum, um in den Bereichen Marketing und Technik zusammenzuarbeiten und so die Verfügbarkeit offener, interoperabler Steuerungskomponenten zu fördern. LONMark Task Groups arbeiten innerhalb dieser Organisation an der Schaffung von Anwendungsprofilen, z.b. für Gebäudeautomation, Hausautomation, Beleuchtungstechnik, Industrie und andere. 2.4 Zielsetzungen Die Organisation hat drei grundlegende Funktionen: Werbung für die Vorteile interoperabler LONMark Produkte zu fördern. Unterstützung bei gemeinsamen Marketingsprogrammen für Firmen, die LONMark Produkte entwickeln. Angebot eines Forums zur Definition anwendungsspezifischer Entwicklungsanforderungen. Produkte, die den Interoperabilitätsrichtlinien von LONMark entsprechen, sind berechtigt das LONMark Logo zu tragen. Das LONMark Logo ist ein Indikator dafür, dass das Produkt die entsprechenden Anforderungstests bestanden hat und dazu entwickelt wurde, innerhalb eines LONWorks Netzwerkes einsetzbar zu sein. Abb. 2.1: LONMark Logo Januar 2006 Seite 4 von 9

5 Embedded Control Markt und Einsatzgebiete Projektarbeit 3. Markt und Einsatzgebiete von 3.1 Allgemein Zur Zeit wenden über 3500 Firmen LONWorks Kontrollnetzwerke an, um Systeme und Lösungen für Gebäude, Wohnhäuser, Industrie, Telekommunikation, Transportwesen und viele andere Anwendungen zu realisieren. Weltweit gibt es Millionen von LONWorks basierenden, installierten Geräten. 3.2 Gebäude In der Gebäudeautomation ist LONMark weltweit als eine führende Marke für offene, interoperable Kontroll - Produkte bekannt. Sie werden in allen Bereichen der Gebäudeautomation wie Zutrittskontrolle, Aufzugssteuerung, Energiemanagement, Brandschutz, Lichtsteuerung, Messwerterfassung und Sicherheit eingesetzt. LONMark - Produkte sind in Gebäuden auf der ganzen Welt installiert. Sie bieten den Gebäudebesitzern und -betreibern die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Herstellern zu wählen, sie garantieren Flexibilität und senken die Kosten. 3.3 Heimautomation und Versorgung Interoperabilität ist der Schlüssel, um dem Markt der Home Automation das notwendige Plug & Play liefern zu können. Obwohl immer noch in den Anfängen, zeigt dieser Markt durch die Deregulierung der Märkte der Versorgungsunternehmen und die explosionsartige Verbreitung des Internets deutliche Zeichen für Wachstum. Viele Versorgungsunternehmen versuchen, über das Internet und die Heimvernetzung, Gewerbetreibenden und Eigenheimbesitzern neue Dienstleistungen nahe zu bringen. Mit intelligenten LONMark - Produkten in Verbindung mit dem Internet kann der Eigenheimbesitzer Dienstleistungen ganz neuer Qualität nutzen: bessere Kontrolle des Energieverbrauchs, Fernüberwachung und -kontrolle von Haushaltsgeräten und von Anlagen wie Sicherheitssystemen, Beleuchtung und Jalousien. 3.4 Industrie Offene, interoperable Kontrollnetzwerke, die auf LONMark - Produkten basieren, machen komplizierte Verkabelungen und teure, fehleranfällige speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) überflüssig. Mit LONMark Produkten gibt es keinen Unterschied zwischen Sensor-Ebene, Geräte-Ebene und Feld-Ebene. Sie arbeiten in flachen Kontrollnetzwerken basierend auf der LONWorks Technologie. Anwendungsfelder von LONMark - Produkten sind die Halbleiterherstellung, die Abwasseraufbereitung, der Fahrzeugbau, Industriemaschinen, Elektrik- Ausstattung, Energieverteilung, Raffinerien, Öl- und Wasser-Pumpstationen, Textilfärbemaschinen, Papierverarbeitung, Messtechnik, automatisierte Förderanlagen und Hunderte weiterer Anwendungen. 3.5 Transport Die LONMark Association arbeitet mit den führenden Unternehmen der Eisenbahntransportindustrie zusammen, um offene, interoperable Lösungen für den weltweiten Einsatz in Eisenbahnfahrzeugen, Lokomotiven und Waggons, Bahnhöfen und Anlagen entlang der Schienenwege zu entwickeln. LONMark Produkte bieten der Eisenbahntransportindustrie die Möglichkeit, Geräte in den Fahrzeugen und den Bahnhöfen zu vernetzen und eine größere Flexibilität, neue Dienstleistungen, reduzierte Kosten und freie Herstellerauswahl zu erreichen. Die New York City Transit Behörde, die weltweit größte Verkehrsorganisation, hat LONMark Produkte für sämtliche neuen U-Bahn-Wagen ausgewählt und die Association of American Railroads entschied sich für LONWorks, um über eine Million Eisenbahnwaggons auf elektronisch kontrollierte pneumatische Bremsen umzurüsten. Januar 2006 Seite 5 von 9

6 Embedded Control Anwendungsmodelle Projektarbeit 4. Anwendungsmodelle von 4.1 Wie funktioniert der Datenfluss? Der Datenaustausch zwischen den LON-Knoten erfolgt in einem LON-Netzwerk über sogenannte Netzwerkvariablen, die auch mit der Bezeichnung SNVT, versehen werden. SNVT steht dabei für Standard Network Variable Type. Diese werden von der LONMark Organisation festgelegt, sind in einer Masterliste festgehalten und stehen jedem LON - Entwickler zur Verfügung. Ein wichtiger Punkt für die Interoperabilität. Netzwerkvariablen haben beim LON zentrale Bedeutung, denn: im Betrieb werden Informationen von einem Knoten auf den anderen ausschließlich über Netzwerkvariablen transportiert. Netzwerkvariablen bilden die logische Schnittstelle jedes Knoten zu anderen Knoten. in dem Verbinden (Binding) der Netzwerkvariablen verschiedener Knoten liegt die eigentliche Aufgabe des LON Inbetriebnehmers (Systemintegrator). Netzwerkvariablen sind (neben Konfigurationsparametern) das Wesentliche, was man in einem LON Inbetriebnahme - Tool am PC von einem LON Knoten sieht. 4.2 Anwendungsschicht Um die Interoperabilität sicherzustellen, werden Netzwerkvariablen zu Objekten zusammengefasst, die, logisch betrachtet, Sensoren, Aktoren und Controllerfunktionen darstellen. LONMark hat bereits über hundert SNVTs und SCPTs (Standard Configuration Parameter Types) definiert, welche die Interoperabilität von Variablen in Bedeutung, Wertigkeit und Bereich garantieren. Abb. 4.2: Auszug aus SNVT Definition von LONMark Abb. 4.1: LONMark Objekt Ein Beispiel eines LONMark Objektes ist in Abbildung 4.1 dargestellt. Jede SNVT wird mit einer Nummer versehen, welche den Typ (Sensor, Aktor, Controller) definiert. Weiter wird im Netzwerkknoten auf die SNVT bezogene Information abgelegt. Diese Textinformation enthält in der Regel den Variablennamen, so dass daraus die Funktion verstanden werden kann. Abbildung 4.2 zeigt einen Auszug aus der SNVT Definition von LONMark. SNVT s können ganze Strukturen enthalten, so enthält z.b. der SNVT_time_stamp Typ eine komplette Zeitinformation in Jahr, Monat, Tag, Stunde, Minute und Sekunde. 4.3 Die Struktur eines LONMark Objektes Für die Anwendung auf einem interoperablen Netzwerkknoten existiert das LONTalk - Protokoll und damit der Zugriff auf das Netz nur in Form von LONMark - Objekten. Diese sind durch ihren Typ (über eine von der LONMark - Organisation vergebene Nummer), einen Satz von Netzwerk - Input und Netzwerk - Outputvariablen und einen Satz von Konfigurationsparametern gekennzeichnet. Sie stellen Standards dar bezüglich Form und Bedeutung. Ihre allgemeine Struktur ist in Abbildung 4.3 dargestellt. Januar 2006 Seite 6 von 9

7 Embedded Control Technologie Projektarbeit Abb. 4.3: Allgemeine Struktur eines LONMark Objektes Die Objektnummer kennzeichnet den Typ, der Name dient nur zum Verständnis. Das Objekt besitzt immer eine oder mehrere obligatorische Netzwerkvariablen. Daneben kann es optionale Netzwerkvariablen enthalten. Die Eingangsvariablen werden links, die Ausgangsvariablen rechts eingezeichnet. Beide Arten zusammen werden von 1 bis n durchnumeriert, wobei nicht zwischen Input- und Outputvariablen unterschieden werden muss. Verwendet werden nur SNVT s. Die Konfigurationen dagegen, die auch über Netzwerkvariablen eingetragen werden können, tragen die Nummer des zugehörigen Konfigurationsparameters (SCPT) aus der SCPT Master List, die von der LONMark Organisation herausgegeben wird. Die Namen der Netzwerkvariablen dürfen nicht länger als 11 Zeichen sein, sollten keinen Unterstrich enthalten und bis auf den ersten Buchstaben eines Wortes klein geschrieben werden. Die Speicherklasse und die Übertragungsrichtung einer Netzwerkvariablen werden über einen Vorspann definiert: Der Bezug zum Anwendungsprozess wird als Hardwareausgang oberhalb bzw. als Hardwareeingang unterhalb durch einen Pfeil dargestellt. Durch Präzisierung dieser allgemeinen Angaben entstehen verschiedene weiter Objekttypen, wie Node-Objekt, Sensor-Objekt, HVAC-Objekt usw. 5. Die - Technologie 5.1 Zugriffsverfahren und Telegrammaufbau Die Firmware auf den untereinander vernetzten LONWork Knoten, realisiert ein vollständiges Kommunikationsprotokoll, das als LONTalk Protokoll bezeichnet wird. Das Anwendungsprogramm eines LONWorks Knotens greift auf diese Firmware zu, wenn Daten zu einem anderen Knoten im Netzwerk gesendet werden sollen. Es nutzt die vom Protokoll zur Verfügung gestellten Dienste und fragt selbst nicht, wie die Übertragung der Daten im Einzelnen erfolgt. Dem LONTalk Protokoll liegt das OSI Referenzmodell (ISO 7498) zugrunde, das von der International Standardization Organisation für den Entwurf offener Kommunikationsprotokolle bereits Anfang der 80er Jahre entwickelt wurde. Da sich dieser Bericht hauptsächlich auf den LONMark Standart stützt, wird an dieser Stelle auf eine detaillierte Erläuterung des LONTalk Protokolls verzichtet, stattdessen verweise ich hier auf die Fachliteratur zu LONWorks [1]. 5.2 Einschränkungen durch LONMark - Standart Im Wesentlichen stützt sich die Kommunikation des LONMark Standarts auf das oben erwähnte LONTalk Protokoll. Um jedoch die Interoperabilität sicherzustellen sind nachfolgend die grundlegenden Einschränkungen von LONMark aufgeführt. Januar 2006 Seite 7 von 9

8 Embedded Control Installationstechnik Projektarbeit Bitübertragungsschicht Die Bitübertragungssicht von LONMark übernimmt die Transceiverspezifikation und ist für folgende Transceiver definiert: TP-RS TP/XF-78 TP/XF-1250 PL-10 (L-E) PL-20 (L-N) PL-20 (L-E) PL-30 (L-N) RF Sicherungssicht und Transportschicht LONMark definiert nur in der Sicherungsschicht und der Transportschicht des OSI Referenzmodells minimale Zusatzbedingungen: Sicherungsschicht: minimale Quarzfrequenzen bezogen auf Transceiver Transportschicht: festsetzen der minimalen Grösse der Transactionbuffer auf 66 Bytes 6. Installationstechnik 6.1 Worauf basiert die Installation? Die Installation von LONMark Anwendungen basiert vollständig auf der Installation einer normalen LONWork Anwendung (weitere Informationen zur Installationstechnik von LONWorks, siehe [1]). Der LONMark Standart bringt jedoch die Vorteile der Interoperabilität: Kauft ein Anwender zum Beispiel ein Temperatursensor bei der Firma X, der den LONMark Standart unterstützt und einen Schaltaktor bei der Firma Y, der ebenfalls LONMark zertifiziert ist, dann verstehen sie sich in einem gemeinsamen Netzwerk auf Anhieb. Der Anwender kann also firmenübergreifend Sensoren und Aktoren für ein LONWorks Netzwerk einkaufen, einzige Bedingung ist, sie müssen den LONMark Standart unterstützen, dann hat er die Garantie, dass sie in einem Netzwerk miteinander kommunizieren können. 6.2 Vorteile von LONMark LONMark Produkte bieten Endnutzern, Systemintegratoren und Planern die folgenden Vorteile bei der Installation: Freie Lieferantenwahl der Komponenten (Sensoren, Aktoren) Freie Wahl bei der Konfigurationssoftware Einfache Integration Einfache Erweiterungen und Modifikationen im Netzwerk Verringerte Installationskosten Waren Endbenutzer früher an langfristige und kostspielige Wartungs- und Upgrade Vereinbarungen eines einzigen Lieferanten gebunden, so können sie nun Kontrollsysteme mit LONMark Geräten unterschiedlicher Lieferanten implementieren. In dem Wissen, dass die Komponenten einfach integriert werden können, können sie sich aus den bestehenden Angeboten das auswählen, welches am besten passt. Januar 2006 Seite 8 von 9

9 Embedded Control Literatur Projektarbeit Literatur [1] Die LONWorks - Technologie, Dritte Auflage, LONTECH Thüringen e. V., 2001 [2] LonTech - News, LonTech Thun, 10 / 2002 [3] Technische Grundlagen zur LONWorks Technologie, LonTech Thun, 1999 [4] Januar 2006 Seite 9 von 9