LON Technologie

LON ist ein universell einsetzba­res Au­tomatisierungsnetzwerk, entwickelt von der Echelon Corp., USA. In diesem dezentralen Automatisierungssystem kommunizieren frei programmierbare intelligente Knoten unter Verwendung des standardisierten LonTalk^® Protokolls (ISO/IEC 14908-1). In beliebigen Topologien und über unterschiedliche Medien tauschen die Knoten Status- und Steuerungsmeldungen aus und realisieren die gewünschten Applikationen. Dadurch bleibt das Gesamtsystem modular und flexibel. Zudem bleibt die Software auf den Knoten klein und überschaubar.

Im Zentrum der LON Technologie steht die Interoperabilität, das problemlose Zusammenwirken von Geräten unterschiedlicher Hersteller. Wesentlich dafür ist die Realisierung in einem einzigen Mikroprozessor, dem Neuron Chip^®, mit einheitlicher Kommunikationsschnittstelle, und mit darin realisierter Basiskommunikation. Die Offenlegung des Kommunikationsprotokolls in der ANSI / ISO/IEC 14908-1 und die weiterführenden Normen definieren ein offenes, standardisiertes Sys­tem, für das Produzenten weltweit Komponenten anbieten.

Was ist anders bei LON?

Der Unterschied zu anderen Feldbussystemen zeigt sich schon im technologischen Ansatz: Das Dezentralisieren der Steuerungsaufgabe unter Ein­satz eines zum Teil in Hardware gegossenen Regelwerkes ist allgemein anwendbar und nicht aus der Lösung für einen bestimmten Anwendungsbereich geboren. Die Folge ist somit auch die universelle Verwendbarkeit in einem mittleren, sehr breiten Anforderungsbereich. Extremen Leistungsanforderungen und speziellen Herausforderungen genügt deshalb LON meist nicht. Hier sind spezifische Lösungen unschlagbar, aber auch kaum zu transponieren.

Deutlich wird dies in der Gebäudetechnik, in der die Grenzen traditioneller Gewerke zum Vorteil einer effektiven integrierten Gebäudeautomation durchbrochen werden. Die LON-Geräte einzelner Bereiche erfüllen ihre Steuerungsaufgaben, stellen aber auch Geräten in anderen Bereichen Informationen zur Verfügung, die diese zum Vorteil eines Gesamtsystems nutzen können. Das Wichtige dabei ist aber die Durchgängigkeit des Systems. Ohne Technologiebruch werden alle Aufgaben mit den Produkten unterschiedlicher Hersteller gelöst. So ist die Meldung der Zutrittskontrolle an der Pforte einfach ein Datenpunkt, den auch die Raumheizung versteht und umsetzt, ohne eine eigene Anwesenheitsprüfung vornehmen zu müssen. Die Initialkosten solcher durchgängigen Lösungen mögen höher sein als konventionelle; die Total Cost of Ownership gleichen dies bald aus.

LON Charakteristika

• standardisierte und bereits implementierte Kommunikation
• überschaubare Software durch Dezentralisierung der Steuerung
• einfache Veränderbarkeit und Skalierbarkeit
• beliebige Topologien
• Betriebssicherheit durch Unabhängigkeit von einer zentralen Instanz
• Vielfalt der Übertragungsmedien
• Reichweite
• flexible Adressierung
• Interoperabilität

Die LON Bausteine

Netzwerkknoten

Träger der Knotenintelligenz ist der Neuron Chip^®. Auf ihm können Ap­plikationen beliebig geladen werden, bei Bedarf kann externer Speicher ergänzt werden. Jeder Neuron, und damit jeder Netzwerkknoten, ist über seine eindeutige 48 Bit Neuron-ID iden­tifizierbar. Ebenso übernimmt der Neuron die Kommunikations­abwicklung. Auf ihm ist das Kommunikationsprotokoll LonTalk implementiert.

Durch die Offenlegung des LonTalk Protokolls in der Norm ISO/IEC 14908-1 ist es auch möglich, andere Prozessoren für Geräte in dieser Netz­werk­technologie zu verwenden. Dann wird in der Regel ein FPGA oder ASIC zum Zugriff auf das Netzwerk verwendet. Die Realisierung der höheren Protokollschichten erfolgt dann in Software. Neben höherer Performance können damit auch weitere Ressourcenbeschränkungen aufgehoben werden. Typische Anwendungen sind Netz­werk-interfaces für PCs, Router und Knoten mit besonderen Leistungsanforderungen. Die Easylon⁺ Produkte z. B. nutzen die dadurch gegebenen Möglichkeiten.

Transceiver

Damit der Knoten ans Netz kann bedarf es eines Übertragers, genannt Transceiver. Wegen der Medienvielfalt (LON ist von der Definition her nicht an bestimmte Medien gebunden) gibt es da­von eine Vielzahl unterschiedlicher Typen. Verbreitet, wegen der zumeist verwendeten 2-Draht Leitungen, die in freier Topologie verlegt werden, ist der TP/FT-10 Transceiver.

LonTalk Protokoll

Dies ist die Sprache von LON. Sie ist einheitlich für alle Knoten und im Neuron Chip bereits implementiert. (s. a. Normen)

Tools und Entwicklungswerkzeuge

Zur Inbetriebnahme und Wartung eines LON Netzes wird ein Netz­werkmanagementtool benötigt. Praktisch alle aktuellen Tools basieren auf der Plattform LNS (LON Networks Services) des Technologieanbieters Echelon. Mit einem Netz­werkmanagementtool erfolgen die Planung des Netzes und die Definition der Verknüpfung der Knoten miteinander. Weiter erlaubt es eine umfangreiche Diagnose des Netzes und stellt Informationen für Visualisierungssysteme zur Verfügung.
Für die Entwicklung der LON Knoten selber wird von Echelon die Software „NodeBuilder“ angeboten. Mit dieser Software erfolgt die Applikationserstellung unter der Programmiersprache Neuron-C. Diese Programmiersprache verfügt über spezielle Erweiterungen für das LON Kommunikationsmodell und erlaubt eine sehr schnelle Implementierung von Steuerungsanwendungen.

Interoperabilität

Das Protokoll allein genügt dafür nicht. Standard Netzwerkvariablen Li­sten (SNVT) sind Teil der Technologie. LonMark International ko­ordiniert die Erstellung von Funktionsprofilen für bestimmte An­wen­dungs­bereiche.

Die Struktur eines LON-Netzwerks

Ein LON Netz wird unterteilt in Domain, Subnet und Node. Eine Domain stellt einen Bereich dar, in dem sich maximal 255 Subnets (Teilnetze) befinden dürfen. Ein Subnet wiederum darf aus maximal 127 Nodes (LON-Knoten) bestehen. Somit kann eine Domain aus maximal 32.385 LON-Knoten bestehen. Bei Bedarf können mehrere Domains verbunden werden. Prinzipiell können aber nur Knoten innerhalb einer Domain miteinander direkt kommunizieren. Jeder Knoten besitzt in einem Netzwerk eine eindeutige logische Adresse. Diese ist in die drei genannte Hierarchiestufen gegliedert: Domain-ID, Subnet-ID und Node-ID.
Zum Aufbau von LON-Netzwerken werden Bausteine, wie z. B. Router, Bridges und Repeater verwendet.
Router sind Geräte mit mehreren Busanschlüssen, die eingesetzt werden, um mehrere Teilnetze miteinander zu verbinden. Meldungen, die auf einer Seite empfangen wurden, sendet der Router im Nor­malfall auf den anderen Seiten wieder ab – und natürlich umgekehrt. Dabei kann der Router auch die Funktion eines Filters, Weg­finders oder Postverteilers übernehmen.
Bridges bilden Brücken zwischen mehreren Domains. Sie übertragen Daten von einer Domain in eine andere und umgekehrt.
Repeater sind physikalische Verstär­ker ohne Verarbeitungsfunktion. Sie wer­den ver­wendet, um größere Übertragungsentfer­nun­gen zu realisieren oder wenn die maximale Knotenanzahl von 64 Knoten je 2-Draht-Segment (TP/FT-10 Transceiver) überschritten wird.

Netzwerktopologie und Medien

LON erlaubt vielfältige Netzwerktopologien. Zwischen Bus-, Stern‑, Ring- oder Baumstrukturen kann frei gewählt werden. In der Praxis ergeben sich oft freie Topologien, die sich an vorhandenen Strukturen in Gebäuden oder Anlagen orientieren. Zur Segmentierung solcher freien Topologien können hierbei Router zur Steuerung des Datenaustausches eingesetzt werden.
Besonders flexibel zeigt sich LON auch bei der Wahl der Übertragungsmedien:

• Verdrillte Zweidrahtleitung
• Funk
• Infrarot
• Lichtwellenleiter
• COAX-Kabel
• 230 V-Stromnetz
• IP-Netzwerke

Dabei lassen sich auch größere Strecken verbinden. Über Zweidrahtleitung können Netze (Linie) bis über 2000 m ausgedehnt werden. Beim Einsatz von z. B. physikalischen Sternkopplern beträgt die Reichweite der einzelnen Stichleitungen maximal 1,3 km. Darüber hinaus kann die Struktur des Netzes durch Repeater, Router oder Gateways so erweitert werden, dass eine nahezu uneingeschränkte Länge erreicht werden kann.

Neben diesen Übertragungsmedien kann das LonTalk Protokoll auch das IP-Protokoll zur Übertragung verwenden. Damit ist das LonTalk Protokoll Intra- und Internetfähig.

Wer redet mit wem?

Neben der physikalischen ist zur Realisierung der Steuerungsauf­ga­be auch eine logische Verbindung erforderlich. Der Datenaustausch zwischen den Knoten erfolgt im LON Netzwerk über so ge­nannte Netz­werkvariablen (NV). Eine spezielle Gruppe darunter sind die SNVTs (Standard Network Variable Type). Sie werden von der LonMark International festgelegt und stehen jedem Entwickler zur Verfügung, ein wichtiger Punkt für die Interoperabilität. Netzwerkvariablen haben zentrale Bedeutung, denn:

• im Betrieb werden Informationen von einem Knoten auf den anderen ausschließlich über NVs „transportiert“.
• NVs bilden die logische Schnittstelle jedes Knoten zu anderen Knoten.
• in dem Verbinden (Binding) der NVs verschiedener Knoten liegt die eigentliche Aufgabe des LON-Systemintegrators.
• Netzwerkvariablen sind (neben Konfigurationsparametern) das Wesentliche, was man in einem LON Knoten sieht.

Die Definition der Netzwerklogik erfolgt mit dem Netzwerkmanagement Tool. Damit werden die folgenden Festlegungen getroffen:

• Wer kommuniziert mit wem?
• Welche Informationen werden ausgetauscht?
• Wie werden Informationen ausgetauscht?

Das Netz ist die Steuerung

Ein LON Netz besteht aus bis zu 32.385 intelligenten Netzwerkknoten, die über LonTalk kommunizieren. Zeitkritische Nachrichten können priorisiert werden, eine gesicherte Übertragung wird unter anderem durch End-To-End-Kontrolle und Acknowledges (Empfangsbestätigungen) gewährleistet.

Überall dort, wo Ein- oder Ausgabesignale (I/O) benötigt werden, kön­­nen dezentrale und intelligente Erfassungs- und Steuergeräte platziert werden. Diese anwendungsbezogenen Knoten steuern und verwalten sich selbst und einander gegenseitig. Sie benöti­gen ledig­lich Zustands- oder Änderungsmeldungen anderer Netz­werk­knoten, um reagieren zu können. Diese erhalten sie über das LON Netz. Dabei sind Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 1,25 MBit/s möglich.

Standardisierte Datentypen, sog. SNVTs und Funktionsprofile sind Grundlage für die Interoperabilität der Netzwerkknoten. Die Interoperabilität zwischen Modulen unterschiedlicher Hersteller gibt dem Anwender Wahlfreiheit und erleichtert wesentlich z. B. eine gewerkeübergreifende Gebäudeautomatisierung.

Durch die Dezentralisierung der Intelligenz bzw. Applikation können LON Netze kostengünstig ohne Hostrechner bzw. SPS (für die zen­trale Erfassung und Auswertung) betrieben werden. Für Steuerungs- und Überwachungsaufgaben ist ein Hostrechner nicht erforderlich. Für Zwecke der Visualisierung und Weiterverarbeitung der Daten in anderen Systemen werden üblicherweise PCs eingesetzt.

Mit LON steht ein flexibles, mit dezentraler Logik versehe­nes Feldbus-System zur Verfügung, das große Reichweiten mit unterschiedlichsten Medien auf hohem Sicherheitsniveau erreichen kann. Durch den modularen Aufbau sind Änderung und Erweiterung des Netzes jederzeit flexibel und ohne großen Aufwand möglich.

Zur Easylon Interfaces Übersicht

• DIN EN 14908; ISO/IEC 14908 Firmenneutrale Datenkommunikation für die Gebäudeautomation und Gebäudemanagement – Gebäude-Netzwerk-Protokoll
  – Teil 1: Datenprotokollschichtenmodell
  – Teil 2: Kommunikation über paarig verdrillte Leitungen
  – Teil 3: Kommunikation über die Stromversorgungsleitungen
  – Teil 4: Kommunikation mittels Internet Protokoll (IP)
  – Teil 5: Implementierung
  – Teil 6: Anwendungselemente