Zusammenfassung: Dieser Artikel präsentiert ein Designkonzept für ein SCADA-System mit drahtloser Lonworks-Kommunikation. Das System nutzt den Mikrocontroller AT89C52 und den intelligenten Twisted-Pair-Transceiver Echelon FT3150 als Kommunikationscontroller. In Kombination mit dem Single-Chip-RF-Transceiver nRF401 wird eine nahtlose Integration von Lonworks-Feldbus und drahtloser Kommunikation erreicht. Schlüsselwörter: Lonworks; SCADA-System; intelligenter Transceiver; RF-Transceiver. Einleitung: Feldbustechnologie findet heutzutage breite Anwendung in Datenerfassungs- und Überwachungssystemen (SCADA), der industriellen Steuerung, der Gebäudeautomation, intelligenten Transportsystemen und weiteren Bereichen. Lonworks, eine der aktuell populären Feldbustechnologien, gewinnt aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften in China zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Implementierung eines leistungsstarken, skalierbaren und einfach zu installierenden Datenerfassungs- und Überwachungssystems durch die nahtlose Kombination von Lonworks-Technologie und drahtloser Kommunikation. Systemarchitektur: Basierend auf den Anforderungen des Datenerfassungs- und Überwachungssystems, den Eigenschaften der Lonworks-Feldbustechnologie und der Feldumgebung der Datenerfassungs- und Überwachungsknoten wurde eine dreistufige Kommunikationsstruktur gewählt (siehe Abbildung 1). Gemäß den Anforderungen nutzt dieses Design das Lonworks-Netzwerk als eine der Hauptkommunikationsmethoden für das gesamte SCADA-System. Die erste Kommunikationsebene findet zwischen dem Host-Computer und dem Lonworks-Netzwerk statt. Obwohl verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung dieser Kommunikation bestehen, wird aufgrund der hohen Kosten handelsüblicher Geräte eine eigens entwickelte LON-PC-ISA-Schnittstellenkarte für den Datenaustausch zwischen Host-Computer und Lonworks-Netzwerk verwendet. Die zweite Kommunikationsebene ermöglicht die Informationsinteraktion zwischen intelligenten Knoten im Lonworks-Netzwerk. Die dritte Kommunikationsebene ist entscheidend für die drahtlose Erfassung von Felddaten. Es gibt zwei Möglichkeiten, Felddaten an das Lonworks-Netzwerk zu übertragen: die direkte Datenerfassung mit intelligenten Lonworks-Knoten und die drahtlose Übertragung, die im Fokus dieser Arbeit steht. Das System besteht im Wesentlichen aus einer Hauptsteuereinheit, einer LON-PC-ISA-Schnittstellenkarte, einem Lonworks-Funkkommunikationsmodul, einem Mikrocontroller-Datenerfassungsmodul und einem Lonworks-Datenerfassungs- und -steuerungsmodul. Das Gesamtstrukturdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Zur Implementierung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle und zum Senden von Steuerbefehlen an andere Module im Lonworks-Bus (Lonworks-Funkkommunikationsmodul oder Lonworks-Datenerfassungs- und -steuerungsmodul) bzw. zum Empfangen von Daten, die von diesen Modulen über die LON-PC-ISA-Schnittstellenkarte weitergeleitet werden, wurde eine einfache und praktische Managementsoftware in VC++ entwickelt. Diese Software ermöglicht komfortable Lese- und Schreibvorgänge auf der LON-PC-ISA-Schnittstellenkarte und zeigt die erfassten Daten auf der Schnittstelle an, während sie diese gleichzeitig speichert. Die LON-PC ISA-Schnittstellenkarte nutzt einen IDT7024 Dual-Port-RAM für den Datenaustausch zwischen dem Lonworks-Neuron-Chip und dem ISA-Port des Computers. Die drahtlose Übertragung der im Feld erfassten Daten erfolgt durch den Einsatz von nRF401-Funkkommunikationsschaltungen im intelligenten Lonworks-Knoten und im Datenerfassungsmodul des Mikrocontrollers. Der Aufbau dieser beiden Schaltungen wird später detailliert beschrieben. Das Lonworks-Funkkommunikationsmodul empfängt primär Steuerbefehle vom Host-Computer über den Bus, steuert das Datenerfassungsmodul zur Datenerfassung oder zum Senden von Steuersignalen per Funk und leitet die Daten vom Erfassungsmodul an den Lonworks-Bus weiter. Die Erfassung der Felddaten erfolgt hauptsächlich durch das Lonworks-Datenerfassungs- und Steuermodul sowie das Datenerfassungsmodul des Mikrocontrollers. Das Lonworks-Datenerfassungs- und Steuermodul empfängt Steuerbefehle direkt vom Host-Computer über den Bus und führt die Datenerfassung, die Weiterleitung (an den Lonworks-Bus) oder das Senden von Steuerbefehlen an die Feldaktoren entsprechend den Befehlen durch. Das Mikrocontroller-Datenerfassungsmodul empfängt Steuerbefehle per Funk und führt Funktionen wie Datenerfassung, Weiterleitung (ebenfalls per Funk) oder das Senden von Steuerbefehlen an Feldaktoren basierend auf dem Befehlsinhalt aus. Die Entwicklung und Implementierung der drahtlosen Systemkommunikation ist entscheidend für das gesamte Systemdesign. Dieses System ergänzt sowohl den intelligenten Lonworks-Knoten als auch das Mikrocontroller-Datenerfassungsmodul um drahtlose Kommunikationsschnittstellen, um diese Funktion zu realisieren (siehe Abbildung 2). Die Schaltung des Lonworks-Funkkommunikationsmoduls definiert IO8 und IO10 als asynchrone serielle Objekte, die den FT3150-Chip verwenden, um Daten vom nRF401 zu empfangen und zu senden. IO1 bis IO3 dienen als Steueranschlüsse für die Kommunikation. Das Hardware-Blockdiagramm des Datenerfassungsmoduls ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Mikrocontroller AT89C52 kommuniziert ebenfalls über eine asynchrone serielle Schnittstelle mit dem nRF401 und verwendet dabei die Ports P1.1, P1.2 und P1.3 als Steueranschlüsse. Bei Verwendung des nRF401-Chips führt der Kommunikationscontroller nach Einstellung der Betriebsfrequenz und Eintritt in den normalen Betriebsmodus die Sende-/Empfangsumschaltung je nach Bedarf durch, um Daten zu senden/empfangen oder Zustandsübergänge durchzuführen. Folgende Aspekte sind beim Entwurf drahtloser Kommunikationsschaltungen zu berücksichtigen: Kommunikationszuverlässigkeit und Störfestigkeit sind die Hauptprobleme, die es zu lösen gilt. Daher muss das Leiterplattendesign der gesamten Schaltung ganzheitlich betrachtet werden. Die gesamte Leiterplatte ist vierlagig aufgebaut und verfügt über zusätzliche Versorgungs- und Masseflächen sowie Kupferbeschichtungen auf der Ober- und Unterseite, um die Störfestigkeit der gesamten Schaltung zu verbessern. Die analogen und digitalen Schaltungen sind so weit wie möglich getrennt. Ein Hochleistungs-Tantalkondensator bildet einen LC-Filter zur dedizierten Filterung der Versorgungsspannung (VCC) des nRF401. Da sich der nRF401 und der Hauptsteuerchip einen Quarzoszillator teilen, muss den Leiterbahnen des Quarzoszillators besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Diese müssen so kurz wie möglich gehalten und von Daten- und Steuerleitungen ferngehalten werden. Alle Komponenten der drahtlosen HF-Schaltung sind nahe am nRF401 platziert, wobei die Anordnung der VCO-Induktivität einen signifikanten Einfluss auf die Kommunikationsleistung hat. Die Komponenten des Anpassungsnetzwerks sollten idealerweise nahe an den Antennen ANT1 und ANT2 des nRF401 liegen, um Streuinduktivität und Streukapazität zu reduzieren. Schließlich wird eine Antenne mit hoher Verstärkung verwendet, um die Kommunikationsreichweite zu verbessern. Die Systemsoftware besteht aus vier Hauptteilen: der Host-Computer-Software, dem LON-PC-ISA-Schnittstellenkartenprogramm, dem Lonworks-Funkkommunikationsmodulprogramm und dem Datenerfassungsmodulprogramm. Die Host-Computer-Software ist in VC++ geschrieben und dient hauptsächlich der Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle sowie dem Empfangen von erfassten Daten und dem Senden von Steuerbefehlen über den ISA-Port. Das LON-PC-ISA-Schnittstellenkartenprogramm nutzt die Neuron-C-Parallelportprogrammierung für den Datenaustausch zwischen dem FT3150 und dem ISA-Bus. Der folgende Abschnitt beschreibt das Funkkommunikationsprogramm des Systems detailliert. Bei der Entwicklung des Funkkommunikationsprogramms muss auf die Latenz jedes Zustandsübergangs geachtet werden. Die maximale Kommunikationsrate des nRF401 beträgt 20 kbit/s. Vor dem Senden von Daten muss der Schaltkreis in den Sendemodus versetzt werden; die Übergangszeit vom Empfangs- in den Sendemodus beträgt mindestens 1 ms. Daten beliebiger Länge können gesendet werden; die Übergangszeit vom Sende- in den Empfangsmodus beträgt mindestens 3 ms. Im Standby-Modus empfängt und sendet der Schaltkreis keine Daten. Die Übergangszeit vom Standby- in den Sendemodus beträgt mindestens 4 ms; die Übergangszeit vom Standby- in den Empfangsmodus beträgt mindestens 5 ms. Das Programm des Lonworks-Funkkommunikationsmoduls ist in Neuron C geschrieben und wird ereignisgesteuert ausgeführt. Der Datenaustausch zwischen den Knoten wird durch Netzwerkvariablenverbindungen vereinfacht. Das Erfassungsmodul des Systems nutzt interruptgesteuerte serielle Kommunikation zur Effizienzsteigerung. Der Ablauf der Interrupt-Service-Routine des Mikrocontroller-Seriellports und das Kommunikationsflussdiagramm des Lonworks-Funkkommunikationsmoduls sind in Abbildung 4 bzw. 5 dargestellt. Zu berücksichtigende Aspekte bei der Softwareprogrammierung: Erstens muss die Software, um den ordnungsgemäßen Betrieb des nRF401 zu gewährleisten, bei der Steuerung des nRF401 zur Durchführung von Zustandsübergängen geeignete Verzögerungen implementieren. Daher müssen entsprechende Verzögerungsfunktionen im Mikrocontroller-Programm entworfen werden. Beim FT3150 können geeignete Verzögerungen durch Aufruf der Funktion DELAY() implementiert werden. Zweitens muss das Kommunikationsprotokoll zur Gewährleistung der Kommunikationszuverlässigkeit die übertragenen Daten in der Softwareimplementierung entsprechend kodieren, d. h. einen speziellen Datenheader hinzufügen. Der genaue Kodierungs- und Dekodierungsprozess wird aus Platzgründen nicht detailliert beschrieben. Fazit: In diesem Beitrag wird ein drahtloses Mess- und Steuerungsnetzwerk von Lonworks unter Verwendung des drahtlosen Transceiver-Chips nRF401 implementiert. Das System zeichnet sich durch hohe Kommunikationszuverlässigkeit und gute Echtzeitfähigkeit aus, eignet sich für verschiedene Anwendungsbereiche und hat einen hohen Werbewert. ■ Referenzen 1 Yang Xianhui, Wei Qingfu, et al. Fieldbus Technology and Its Applications. Beijing: Tsinghua University Press 2 Echelon. FT3120/FT3150 Smart Transceiver Data Book 3 TOSHIBA, Neuron Chip TMPN315/3120 DATA BOOK 4 Yu Yongquan, Hrsg. ATMEL89 Series Microcontroller Application Technology, Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press 5 Nordic Corporation. nRF401 Development Manual Autoren: ■ School of Automation, Northwestern Polytechnical University Zhu Hongyu, Wei Aiyu, Gao Xiaoguang