Keď inžinieri hodnotia Priemyselné komunikačné riešenia IoT , v užšom výbere dominujú dve rodiny protokolov: LonWorks a BACnet. Obidve vyplynuli z potrieb automatizácie budov, no predstavujú zásadne odlišné filozofie o komunikácii zariadení a systémovej integrácii. Toto porovnanie poskytuje technickú analýzu na úrovni aplikácie, takže môžete urobiť informované rozhodnutie o infraštruktúre.
Čo je LonWorks a ako funguje?
LonWorks je sieťová platforma typu peer-to-peer pôvodne vyvinutá začiatkom 90. rokov minulého storočia na riešenie distribuovanej inteligencie v riadiacich systémoch. The Protokol LonWorks umožňuje zariadeniam komunikovať priamo bez toho, aby centrálny kontrolér sprostredkoval každú transakciu.
Základná architektúra
Sieťová architektúra LonWorks je postavená na koncepte neurónového čipu – každé zariadenie obsahuje zabudovanú inteligenciu na spracovanie, komunikáciu a správu I/O. Aj keď centrálny hostiteľský systém zlyhá, prevádzkové zariadenia naďalej vykonávajú naprogramovanú logiku a komunikujú peer-to-peer. Zostava protokolov sa riadi sedemvrstvovým modelom ISO/OSI a používa TP/FT-10 pre inštalácie s krútenou dvojlinkou, s podporou nosiča elektrického vedenia, optických vlákien, RF a IP tunelovania. Dátové rýchlosti krútenej dvojlinky dosahujú 78 kbps.
Sieťové premenné a interoperabilita
Definujúcou vlastnosťou protokolu LonWorks je jeho použitie sieťové premenné (NV) - štandardizované dátové štruktúry, ktoré definujú, ako si senzory, akčné členy a ovládače vymieňajú informácie. Keď teplotný senzor zverejní svoju hodnotu ako sieťovú premennú, akýkoľvek vyhovujúci ovládač na rovnakom kanáli sa môže naviazať na túto premennú bez vlastného programovania, čo umožňuje interoperabilitu viacerých dodávateľov na úrovni zariadenia.
BACnet: Štandard ASHRAE pre automatizáciu budov
BACnet (Building Automation and Control Networks) bol publikovaný podľa štandardu ASHRAE 135 v roku 1995 ako otvorený štandard riadený konsenzom, ktorý riadi skôr orgán pre normy než ekosystém jedného dodávateľa.
Objektovo orientovaný dátový model
BACnet štruktúruje všetky dáta zariadenia ako objekty s definovanými vlastnosťami. Analógový vstupný objekt má vlastnosti pre aktuálnu hodnotu, jednotky a príznaky stavu. Akýkoľvek riadiaci systém kompatibilný s BACnet môže objaviť a čítať údaje z akéhokoľvek kompatibilného zariadenia bez predchádzajúcej konfigurácie. Model definuje viac ako 60 typov objektov pokrývajúcich fyzické I/O, plánovanie, trendy a alarmy.
Možnosti fyzickej vrstvy
- BACnet/IP -- dominantná moderná voľba, beží cez štandardný Ethernet a UDP/IP
- BACnet MS/TP -- master/slave token-passing sériový protokol RS-485 pre zariadenia v teréne
- BACnet/SC -- najnovší prírastok využívajúci komunikáciu založenú na WebSocket cez TLS 1.3
Diskusia BACnet MS/TP vs LonWorks je najrelevantnejšia na úrovni prevádzkovej zbernice, kde obe súťažia o zapojenie snímačov a akčných členov obsluhujúcich jednotlivé zóny.
LonWorks vs BACnet: Technické porovnanie typu Head-to-Head
| Atribút | LonWorks | BACnet |
|---|---|---|
| Štandardné telo | ISO/IEC 14908 | ASHRAE 135 / ISO 16484-5 |
| Topológia siete | Plochá sieťovina typu peer-to-peer | Klient/server a peer-to-peer |
| Rýchlosť poľnej zbernice | 78 kbps (TP/FT-10) | 9,6 – 115,2 kbps (MS/TP) |
| Možnosť chrbtice | LonWorks cez IP (tunelovanie) | BACnet/IP (natívne UDP/IP) |
| Dátový model | Sieťové premenné (SNVT) | Objektový/vlastnícky model |
| Objavovanie zariadenia | Vyžaduje sa nástroj na správu siete | Who-Is / I-Am vysielanie |
| Bezpečnosť | Spolieha sa na izoláciu siete | BACnet/SC s TLS 1.3 |
| Maximálny počet uzlov/kanál | 128 (TP/FT-10) | 127 majstrov (MS/TP) |
| Topológia elektroinštalácie | Zadarmo (autobus, hviezda, slučka, zmiešané) | Vyžaduje sa reťazový reťazec (MS/TP) |
| Typický prípad použitia | Tranzit, pouličné osvetlenie, meranie energií | HVAC, energetický manažment, CAFM |
Fyzická vrstva a zapojenie: Úvahy o teréne
Oba protokoly používajú krútenú dvojlinku na úrovni zbernice, ale pod kapotou sa objavujú architektonické rozdiely.
- Voľné topologické vedenie (zbernica, hviezda, slučka)
- Až 500 m celkového drôtu na kanál
- 128 uzlov na kanál
- 78 kbps, nezávislá na polarite
- Prediktívny p-trvalý prístup CSMA
- Vyžaduje sa reťazová / zbernicová topológia
- Až 1 200 m pri 76,8 kbps
- 127 masters slave uzlov
- Voliteľná rýchlosť 9,6 až 115,2 kbps
- Prístup na základe tokenu, citlivý na polaritu
LonWorks TP/FT-10 podporuje voľné zapojenie topológie, čo je cenné v projektoch modernizácie, kde trasy vedenia nemôžu podporovať reťazový reťazec. BACnet MS/TP vyžaduje skutočný reťazec so správnym zakončením, čo zvyšuje prácnosť v budovách, kde je domáca elektroinštalácia prirodzenejšia.
Kybernetická bezpečnosť: rastúci diferenciátor
Ako sa prevádzková technológia zbližuje s IT infraštruktúrou, kybernetická bezpečnosť sa presunula z poznámky pod čiarou na primárne výberové kritérium. Kontrast medzi lon a bacnet na tomto rozmere je významný.
Zabezpečenie LonWorks
Tradičné nasadenia LonWorks sa spoliehajú na izoláciu na úrovni siete a externé bezpečnostné mechanizmy IP (VPN, TLS tunely). Základný protokol LonWorks natívne nezahŕňa šifrovanie na úrovni správ ani autentifikáciu kryptografických zariadení.
BACnet Secure Connect (BACnet/SC)
Dodatok ASHRAE BACnet/SC nahrádza BACnet/IP na báze vysielania architektúrou hub-and-spoke WebSocket pomocou TLS 1.3 vrátane:
- Vzájomná autentifikácia zariadenia na základe certifikátu
- Prenos šifrovaných údajov (TLS 1.3)
- Pripojenia WebSocket vhodné pre bránu firewall (žiadne prichádzajúce vysielania UDP)
- Redundancia primárneho a núdzového rozbočovača
Spolieha sa na izoláciu siete a externú bezpečnostnú infraštruktúru IP. Žiadne natívne šifrovanie na úrovni správy.
Úroveň zabezpečenia natívneho protokoluPrenos TLS 1.3, vzájomná autentifikácia certifikátom, priateľský k firewallu, redundancia rozbočovača.
Úroveň zabezpečenia natívneho protokoluKde každý protokol funguje najlepšie
Ani jeden protokol nie je univerzálne lepší. Kontext aplikácie, staršia infraštruktúra, tímové odborné znalosti a škálovanie projektov ovplyvňujú to, ktorá voľba prináša lepšiu dlhodobú hodnotu.
- Tranzitná a traťová kontrola -- Odolnosť typu peer-to-peer udržuje systémy v prevádzke, keď je centrálna správa nedostupná
- Siete verejného osvetlenia -- Zapojenie voľnej topológie a nízke náklady na uzol urobili z LonWorks preferovanú voľbu pre vonkajšie inštalácie
- Retrofit projekty - voľná topológia eliminuje presmerovanie káblov, aby sa dosiahlo čisté rozloženie reťazca
- Integrácia kampusov viacerých dodávateľov -- väzba sieťových premenných umožňuje priame zdieľanie dát bez vlastného programovania
- Nová obchodná výstavba -- BACnet/IP beží cez Ethernet už nainštalovaný pre IT, čím sa eliminujú náklady na samostatné prevádzkové zbernice
- Správa zariadení -- Samoopisný objektový model a certifikácia BTL zjednodušujú integráciu CAFM
- Prostredia s vysokým zabezpečením -- BACnet/SC spĺňa požiadavky na kybernetickú bezpečnosť v zdravotníctve, vláde a dátových centrách
- Viacsystémová integrácia - bohatý objektový model sa elegantne mení na HVAC, riadenie prístupu, oheň a energiu
Normy a certifikácia interoperability
V protokoloch priemyselnej komunikácie sú certifikačné programy technickým dôkazom, nie marketingovými tvrdeniami. Oba protokoly majú formálne procesy na overenie kompatibility viacerých dodávateľov.
- Spravuje BACnet International
- Pokrýva BACnet/IP, MS/TP, BACnet/SC
- Viac ako 3 000 uvedených modelov produktov
- Na základe profilu: B-AAC, B-SA, B-BC atď.
- Vyžaduje sa vo väčšine vládnych špecifikácií
- Spravuje spoločnosť LonMark International
- Kryty TP/FT-10, PL-20, IP kanály
- Certifikácia založená na funkčnom profile
- Vyžaduje sa súlad so SNVT a SCPT
- Silný na tranzitných a komunálnych trhoch
Senzor a kontrolér s certifikáciou LonMark od rôznych výrobcov zdieľajú údaje prostredníctvom kompatibilných SNVT bez vlastného programovania – čo je ekvivalent samoopisného objektového modelu BACnet na úrovni poľa.
Rámec výberu protokolu
| Rozhodovacie kritérium | Vyberte LonWorks, ak... | Vyberte BACnet, ak... |
|---|---|---|
| Topológia siete | Potrebné bezplatné vedenie káblov; rozloženie hviezda/slučka je nevyhnutné | Ethernetová infraštruktúra už existuje |
| Dozorná kontrola | Zariadenia musia fungovať autonómne bez dostupnosti servera | Primárne požiadavky sú centralizované riadenie a trendovanie |
| Kybernetická bezpečnosť | Izolácia siete je prijateľná; flexibilná IT politika | Vyžaduje sa overenie certifikátu a šifrovaný prenos |
| Inštalovaná základňa | Rozšírenie existujúceho kampusu LonWorks alebo tranzitnej inštalácie | Na zelenej lúke alebo nahradenie starnúcej dozornej vrstvy |
| Rozsah integrácie | Prvoradou potrebou je interoperabilita na úrovni terénu | Vyžaduje sa viacsystémová integrácia požiarnej energie prístupu HVAC |
| Trajektória trhu | Silný na tranzitných, úžitkových a vonkajších trhoch | Pestovanie; dominantné v komerčných budovách a novostavbách |
Budúca trajektória: vývoj protokolov a priemyselný internet vecí
Oba protokoly sa prispôsobujú modernej Priemyselné komunikačné riešenia IoT požiadavky, ale ich cesty sa výrazne líšia.
BACnet smerom ku konvergencii IT
BACnet/SC je najjasnejším signálom smerovania BACnet. Nahradením broadcast UDP overenými WebSocket pripojeniami sa protokol stáva prvotriednym občanom v podnikových IT sieťach, prechádza cez firewally a integruje sa s cloudovými platformami bez riešení VPN. ASHRAE pokračuje vo vývoji rozšírení pre analýzu okrajov a integráciu REST API. Vznik Project Haystack a Brick Schema ako vrstiev sémantického modelovania nad BACnet umožňuje analytiku riadenú AI a automatizovanú optimalizáciu budov.
LonWorks v ére IP
LonWorks sa prispôsobil štandardu ISO/IEC 14908-4 pre LonWorks over IP, čo umožňuje kanálom LonWorks zdieľať IP chrbticovú infraštruktúru. Vo svojich tradičných baštách - tranzit, pouličné osvetlenie a meranie energií - spoločnosť LonWorks naďalej vidí nové inštalácie, kde je nevyhnutná odolnosť medzi rovnocennými partnermi. Hybridné architektúry, kde LonWorks obsluhuje vrstvu zariadení v teréne a BACnet/IP obsluhuje vrstvu dohľadu, sú bežné vo veľkých areáloch. Protokolové brány prekladajú medzi sieťovými premennými LonWorks a objektmi BACnet, čím zachovávajú kapitálové investície do existujúcej infraštruktúry LonWorks.
Často kladené otázky
Otázka 1: Čo je to LonWorks a ako sa v podstate líši od BACnet?
LonWorks je platforma distribuovanej riadiacej siete typu peer-to-peer štandardizovaná ako ISO/IEC 14908. Inteligencia je distribuovaná medzi všetky uzly pomocou neurónových čipov, čo umožňuje zariadeniam komunikovať bez centrálneho ovládača. BACnet je štandardizovaný podľa ASHRAE 135, pričom využíva dátový model objektu/vlastnosti podporujúci fyzické vrstvy MS/TP aj BACnet/IP. LonWorks kladie dôraz na distribuovanú autonómiu na úrovni poľa; BACnet kladie dôraz na štandardizovanú výmenu údajov so silnou integráciou dohľadu.
Otázka 2: Je dnes LonWorks stále relevantný v nových priemyselných projektoch IoT?
Áno, v konkrétnych aplikačných doménach. LonWorks zostáva vedúcim protokolom v železničných a tranzitných traťových systémoch, sieťach pouličného osvetlenia a aplikáciách merania verejných služieb, kde najviac záleží na odolnosti peer-to-peer a voľnej topológii. V komerčnej automatizácii budov sa nové inštalácie vo veľkej miere presunuli na BACnet, ale LonWorks si zachováva významnú globálnu inštalovanú základňu, ktorá sa naďalej udržiava, rozširuje a integruje prostredníctvom brán.
Otázka 3: Aký je praktický rozdiel medzi BACnet MS/TP a LonWorks na úrovni zbernice?
Obidve bežia na krútenej dvojlinke, ale BACnet MS/TP používa RS-485 s prístupom token-passing, ktorý vyžaduje prísnu topológiu daisy-chain a zapojenie so správnou polaritou. LonWorks TP/FT-10 využíva prediktívny prístup CSMA a podporuje zapojenie voľnej topológie v akejkoľvek kombinácii segmentov zbernice, hviezdy a slučky. BACnet MS/TP podporuje dlhšie káblové trasy (až 1200 m), zatiaľ čo LonWorks TP/FT-10 je obmedzený na 500 m na kanál. Kompromisom je dĺžka kábla verzus flexibilita zapojenia.
Otázka 4: Môžu LonWorks a BACnet koexistovať v rovnakej budove alebo kampuse?
Áno, a toto je bežný vzor nasadenia. Protokolové brány prekladajú medzi sieťovými premennými LonWorks a objektmi BACnet, čo umožňuje existujúcim poľným zariadeniam LonWorks integrovať sa do dozorných systémov BACnet. Vo veľkých areáloch môže LonWorks slúžiť vrstve prevádzkových zariadení, zatiaľ čo BACnet/IP poskytuje dohľadovú a podnikovú integračnú vrstvu, pričom zachováva kapitálové investície do existujúcej infraštruktúry LonWorks a zároveň umožňuje moderné platformy správy zariadení.
Otázka 5: Ako sa porovnáva kybernetická bezpečnosť medzi týmito dvoma protokolmi?
BACnet má jasnú výhodu prostredníctvom BACnet/SC, ktorý poskytuje šifrovanie prenosu TLS 1.3 a vzájomnú autentifikáciu založenú na certifikátoch. Tradičný LonWorks nezahŕňa natívne zabezpečenie na úrovni správ a spolieha sa na izoláciu siete a externé bezpečnostné mechanizmy IP. Pre projekty s formálnymi požiadavkami na kybernetickú bezpečnosť – zdravotnícke zariadenia, vládne zariadenia alebo zariadenia finančného sektora – je BACnet/SC silnejšou voľbou bez potreby ďalšej bezpečnostnej infraštruktúry.
Otázka 6: Čo sú štandardné typy sieťových premenných (SNVT) v LonWorks?
SNVT (štandardné typy sieťových premenných) sú preddefinované formáty dátovej štruktúry definované spoločnosťou LonMark International na použitie v komunikácii LonWorks. Každý SNVT špecifikuje formát údajov, mierku a jednotky pre meranie alebo príkaz - napríklad teplotu v stupňoch Celzia alebo osvetlenie v luxoch. Zariadenia využívajúce kompatibilné SNVT môžu byť spojené, aby si vymieňali dáta bez vlastného programovania, čo umožňuje interoperabilitu viacerých dodávateľov na úrovni poľa.
Otázka 7: Ktorý protokol má silnejší ekosystém pre nové zariadenia?
BACnet má v súčasnosti širší a aktívnejšie rastúci ekosystém pre uvádzanie nových zariadení, najmä v oblasti HVAC regulátorov, automatizácie miestností a merania energie. Databáza BTL obsahuje viac ako 3 000 produktov a prakticky všetky hlavné softvérové platformy na správu budov zahŕňajú natívne pripojenie BACnet/IP. LonWorks má silný ekosystém v dopravných a verejných aplikáciách, ale uvádzanie nových zariadení v kategóriách komerčných budov sa v porovnaní s BACnet spomalilo.
