Изграждане на LonWorks мрежи

Основни стъпки при проектиране на отворени системи за управление, базирани на LonWorks

 Уважаеми читатели, в минали броеве на списание Инженеринг ревю многократно сме разглеждали различни аспекти от огромната тема за Lon Works мрежите. В настоящия материал я продължаваме с базови изисквания при проектирането им.
Основни технически компоненти, върху които е необходимо да се съсредоточи вниманието при проектиране на една отворена система за управление, са - интелигентно мрежово окабеляване, стандартизиране на мрежовото управление, инструменти, обмен на съобщения и конфигуриране на устройствата, поддържане на IP и ограничена употреба на портове. В статията всеки един от описаните компоненти, заложени и в концепцията на LonWorks, са описани по-подробно.

Интелигентно мрежово окабеляване
Представлява база за всяка отворена система. Започвайки с окабеляването, проектантът или крайният потребител получава възможност не само бързо и лесно да инсталират цялата система, но и да правят промени и разширения в бъдеще. Най-важното е да се елиминират физическите бариери вътре в системата. За това е добре инженерите да се насърчават в изграждането на взаимосвързано управление. Ако се изгради стандартизирана мрежова среда за пренос, портовете и островите за автоматизация биха били безполезни.
За да се постигне интелигентно решение, следва да се оцени и планира окабеляването за всички системни функции. Това изисква разработчиците да работят с убеждението, че системата ще бъде по-добра от сумата на съставните й части, което е постижимо, само ако мисълта за взаимосвързано управление е водеща от първоначалния стадий на проектиране.

Стандартизирано мрежово управление
Осигурява необходимото обслужване на мрежата и общодостъпни интерфейси за инфраструктурата. Обслужването би позволило много продукти от голям брой производители да работят съвместно в мрежата. Важно е изискването то да дава възможност за употребата на разнообразни инструменти за споделяне на мрежовата информация.
В днешния свободен пазар голяма част от производителите не желаят да създават цялостна система за управление. Би могло да се приеме, че е създаден функциониращ пазарен стандарт, едва когато хиляди компании предлагат продукти в съответствие с публикувани отворени интерфейси. Такъв е случаят с мрежовата операционна система LNS.

Стандартни мрежови инструменти
Включват инструменти за мрежова интеграция, като развойни средства на приложения за човеко-машинни интерфейси (HMI - Human-Machine Interface), регистратори на данни (data loggers), както и други инструменти на системно ниво. Изборът на такива инструменти не е сложен, ако се спазва следното правило – те трябва да се подбират измежду базираните на мрежовата операционна система, на която вече потребителят се е спрял. Ползите от стандартните мрежови инструменти са използването им, както за цялостната системна инсталация, така и за коя да е част от нея. Препоръчително е те да се подбират от гледна точка на функционалност и използваемост.
Като най-популярен инструмент за отворени мрежи LonWorks се е наложил LonMaker for Windows Integration Tool.

Стандартизиран обмен на съобщения
Критично важен е заради факта, че устройствата, инсталирани на общата инфраструктура, ще могат да си споделят информация без проблеми. Това означава, че устройствата трябва да използват информационно базирано управление, изградено на стандартни функционални профили и типове мрежови променливи. За да се гарантират тези условия, асоциацията LonWorks е създала специален знак – LonMark. Продуктите, носещи този знак, обезпечават изпълнението на двете условия по-горе без значение кой е физическият им производител.

Стандартно конфигуриране на устройствата
В съответствие с приетата дефиниция, едно отворено устройство следва да има не само стандартна комуникация, но и стандартен интерфейс за конфигуриране. Отново, продуктите със знака LonMark биха осигурили на потребителя изискванията по отношение на физическия слой, като общи функционални профили, типове данни, възможности за конфигуриране и методи на инсталиране.
Разбира се, за сравнително елементарни устройства би могло да бъде достатъчно производителят само да документира (във вид на писмени инструкции) конфигуриращия интерфейс за продукта им. Но очевидно, ще е по-добре сравнително сложни устройства, съдържащи немалък обем информация, да притежават необходимото програмно осигуряване (plug-in), което да може да работи „вътре” в инструментите за мрежово интегриране. За тази цел програмното осигуряване също трябва да е базирано на избраната мрежова операционна система.

Поддържане на IP
Всеизвестно е, че Интернет протоколът е стандартът, на базата на който е изградена Интернет мрежата. Както бе подчертано, една отворена система трябва да преобразува информационните в IP пакети. Само тогава цената на информационния обмен ще бъде минимална и възможностите за използване на съществуващата инфраструктура практически неограничени.
IP поддръжката на една LonWorks мрежа би могла да бъде осигурена или чрез LNS сървър или чрез i.LON 1000 IP сървър, които са свързани едновременно към LonWorks и IP мрежата.

Портовете са важен елемент от системите
Те са съставна част на мрежата, която е необходимо да бъде наблюдавана внимателно. Във всяка точка на системата, в която съобщенията между устройствата се пренасят от един комуникационен протокол в друг, мрежовата ефективност рязко намалява. Преобразуването на съобщенията се извършва от портове (gateways) и те би трябвало да се използват само когато се прави връзка с лицензни системи или където липсват LonWorks мрежи.
Портовете се превърнаха във важен елемент от търговските системи за управление през последните 10 години. Те обаче са тясно място в потока от системна информация и са с ограничена производителност. Изпълнението на функциите им изисква увеличена процесорна мощност, което води и до по-високи разходи. Освен това, портовете са трудни за поддържане. Всяка промяна в системните параметри трябва да бъде насочена съответно и към портовете. Тъй като те се намират на прехода от един протокол към друг, почти винаги биват засегнати при промяна в схемата за мрежово управление. А всяка нова схема изисква използването на различни мрежови инструменти, които са необходими за двете страни на порта. Също така, е много трудно или невъзможно да се доставят общи мрежови инструменти за цялата система. И накрая, портовете и техните мрежовите инструменти не са със свободен достъп. Поради тази причина, използването им е свързано с необходимостта от лицензии и ограничен брой доставчици.

Създаване на LonWorks система
Задачите, които трябва да изпълни системният интегратор при създаване на една отворена система за управление, биха могли да се обобщят в четири основни групи – системен дизайн, мрежово конфигуриране, приложно конфигуриране и инсталиране.
Системен дизайн
Съдържа две основни стъпки. Първата включва избор на подходящи LonWorks устройства, които притежават необходимия брой входно/изходни точки, както и такива, които могат да се свържат към широко разпространени модули с В/И точки. От тях се изисква да имат и подходящи приложни програми за изпълнение на необходимите контролни функции, например, ПИД регулатори и др.
Втората стъпка обхваща избора на подходящите типове и брой на комуникационните канали и на необходимите рутери (маршрутизатори) за връзка към тях. На практика изпълнението на тази стъпка включва избор на гръбнака на мрежата. Като правило, големите системи обикновено използват IP, докато тези от среден мащаб - IP или TP/XF-1250. Малките системи често използват TP/FT-10 среда за пренос. Повече информация за характеристиките на цитираните преносни среди можете да намерите в статията от брой 3/2008 г. на сп. Инженеринг ревю.

Мрежово конфигуриране
Включва следните стъпки:
l определяне, в смисъл назначаване, на ID за областта (domain) и логическите адреси на всички устройства и групи от устройства;
l присъединяване на мрежови променливи за създаване на логически връзки между устройствата;
l конфигуриране на разнообразни параметри в LonWorks протокола на всяко от устройствата за желаните характеристики и начин на работа. Сред тях са - скорост на информационния обмен на канала за комуникация, потвърждения на съобщенията, установяване на автентичност и приоритетно обслужване.
Мрежовото конфигуриране би могло да бъде твърде сложен процес. Сложност, обаче, би могла да бъде чувствително намалена чрез инструментите за мрежово интегриране, които са част от LonWorks системата. Съществуват възможности функционалният мрежов дизайн да бъде значително опростен чрез софтуера.
Практически мрежовото конфигуриране може да се извърши по един от възможните два метода. При първия, наричан още ad-hoc метод, т.е. специален, устройствата са физически свързани към мрежата и захранени, след което конфигурационните данни се изтеглят по мрежата, както това е дефинирано. При втория, информацията се съхранява в базата данни на инструмента за мрежова интеграция и се зарежда в устройствата по време на тяхната инсталация. И при двата метода, инструментът за мрежова интеграция автоматично поддържа база данни, която точно съответства на конфигурацията на всеки възел от системата.

Приложно конфигуриране
Дефинира се като процес, чрез който приложната програма на всяко устройство се настройва според желаната функционалност. Реализира се посредством избор на подходящи конфигурационни свойства. Производителят на всяко устройство дефинира как да се извърши. В повечето случаи се осигурява възможност конфигурацията да бъде заредена от мрежата. Има и производители, които изискват конфигурацията да се извърши чрез използването на специален инструмент, например с ръчно преносим програматор директно върху устройството. Мрежовата операционна система LNS осигурява необходимата платформа производителите да създават лесни за използване графични интерфейси чрез plug-ins – програмни модули за вграждане. Те автоматично се съвместяват с всички други мрежови инструменти на LNS.

Инсталиране на системите
Конфигурирането се последва от инсталиране на физическата среда за комуникация на каналите. При следващата стъпка LonWorks устройствата се свързват, включително рутерите към каналите за комуникация. Впоследствие към устройствата се присъединяват входно/изходните модули, ако има такива.
Инсталирането продължава със зареждане на мрежовите и приложните конфигурационни данни за всяко от устройствата, посредством инструмент за мрежова интеграция. Процесът масово се нарича у нас  наладка на устройствата. Ако приложните програми не са заредени предварително в устройствата, мрежовият инструмент зарежда програма в енергонезависимата им памет. Обикновено устройствата се налаждат и тестват по едно и също време или се налаждат в режим без връзка (off-line mode), след което се тестват в режим on-line.
Изграждането на LonWorks мрежи е процес, който може да отнеме само няколко дни, но от него зависи безпроблемната експлоатация на управляващата система за години напред.