摘 要:在借鑒國(guó)內(nèi)外新技術(shù)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析適合我國(guó)國(guó)情的智能化建筑樓宇中信息采集與處理、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、智能斷路器選用以及組態(tài)控制軟件與系統(tǒng)布線等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn),并提出其設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的應(yīng)用準(zhǔn)則,目前這些技術(shù)在可靠性、方便性以及其市場(chǎng)份額方面較為理想,從而達(dá)到遙調(diào)、遙測(cè)、遙控、遙信的目的。同時(shí)又提出PROFIBUS-DP采用數(shù)字信號(hào)編碼中的不歸零編碼方式(NRZ)的新理念,這為系統(tǒng)組態(tài)提供了高度的靈活性。

關(guān)鍵詞:探測(cè)器;采集器;監(jiān)控主機(jī);系統(tǒng)布線;PROFIBUS-DP;NRZ

中圖分類號(hào):TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-121-03

Analysis of Key Technology Based on Intelligent Building

LI Shibo

(School of Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,225009,China)

Abstract:With improvement of domestic and global intelligent building management,there are many new control techniques,including not only basic functions such as equipment monitoring,operation information feedback,but also information centralizing and sharing.Based on current domestic production and consumption economy,large investment without markets should be avoided.Using successful cases to analyze information collection and process,examine PROFIBUS,select intelligent circuit breakers,investigate applications of control software and wiring system,and propose designed method and application guidelines.Currently,the reliability,convenience,and consumer markets of these remotely regulated,measured,controlled and communicated techniques are adequate.This paper also indicates the concept of PROFIBUS-DP which uses a new form of binary code of NRZ (Non Return to Zero) resulting in a more flexible system.

Keywords:sensor;collector;central monitor;wiring system;PROFIBUS-DP;NRZ

0 引 言

隨著樓宇智能化程度的提高,國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多新型控制技術(shù),這些技術(shù)不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)視、操作、反饋等基本功能,還可以對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行信息集中管理與通信,實(shí)現(xiàn)信息共享。但根據(jù)我國(guó)目前的生產(chǎn)和消費(fèi)的實(shí)際情況,應(yīng)避免出現(xiàn)盲目投入大資金卻沒有足夠市場(chǎng)份額支持的技術(shù)產(chǎn)品,造成不必要的浪費(fèi)。

智能化安全防范系統(tǒng)的核心是信息采集與處理,其相關(guān)技術(shù)包括:現(xiàn)場(chǎng)總線、智能元器件、微機(jī)接口及其控制、系統(tǒng)調(diào)試等方面。其中入侵探測(cè)器是信息采集關(guān)鍵部件,采集后的傳輸有多種結(jié)構(gòu)的,而在民宅安全防范系統(tǒng)中為了節(jié)省小區(qū)內(nèi)的管理成本提高實(shí)用性,采用電話線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外國(guó)內(nèi)外一些大型建筑物普遍設(shè)置了中央控制系統(tǒng),特別是自動(dòng)化程度較高的高層樓宇,增設(shè)了許多新的運(yùn)行控制,因此選擇國(guó)際上應(yīng)用廣泛、可靠,適合于低壓配電系統(tǒng)使用的PROFIBUS-DP協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),同時(shí)用PROFIBUS總線來實(shí)現(xiàn)低壓配電柜的智能化。國(guó)內(nèi)在中高壓供配電系統(tǒng)上其他一些總線協(xié)議應(yīng)用較多,用發(fā)展的眼光來看,有必要也有可能將所有配電都用一套監(jiān)控系統(tǒng)來完成。

1 信息采集與處理

在智能建筑中,總線系統(tǒng)經(jīng)常采用分層總線控制結(jié)構(gòu),系統(tǒng)可以根據(jù)樓宇分布和單元數(shù)量,進(jìn)行組建和擴(kuò)展,圖1是一種典型的系統(tǒng)構(gòu)成。

1.1 采集器

對(duì)各種探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集、處理和判斷,并據(jù)判斷結(jié)果作出相應(yīng)反應(yīng),同時(shí)將判斷結(jié)果傳送單元控制器。

采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要用于報(bào)警信息的采集、傳輸和存儲(chǔ)。采集器從軟件算法和硬件兩方面防止住戶非法拆卸和有意破壞。同時(shí)采用掉電保護(hù)和電池備用相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)掉電24 h內(nèi)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 處理

監(jiān)控主機(jī)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心,也是單元控制器與報(bào)警管理接警主機(jī)溝通的橋梁,是報(bào)警管理接警主機(jī)對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行控制的通道。監(jiān)控主機(jī)采用RS 232C總線接口,實(shí)現(xiàn)與報(bào)警管理接警主機(jī)的通信,通過RS 485總線接口,提供與多臺(tái)單元控制器的外部接口擴(kuò)展。同時(shí),可實(shí)現(xiàn)110報(bào)警,控制電子模擬屏顯示報(bào)警地點(diǎn),單元控制器則用于進(jìn)一步提供系統(tǒng)擴(kuò)展接口能力,實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的工作速度和系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該監(jiān)控主機(jī)采用雙CPU結(jié)構(gòu),均選用8XC251單片機(jī),CPU(A)主要負(fù)責(zé)通過RS 232C串口與上位機(jī)(報(bào)警管理接警主機(jī))通信,同時(shí)負(fù)責(zé)模擬屏的顯示控制和通過撥號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)110報(bào)警;CPU(B)主要負(fù)責(zé)通過RS 485接口與單元控制器的通信。系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu),共用一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)(RAM),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)區(qū)分成三塊,一塊存放報(bào)警信息,一塊存放已儲(chǔ)備好的多表數(shù)據(jù),另一塊用于正在準(zhǔn)備的多表數(shù)據(jù)。這樣可以提高系統(tǒng)的功能和速度,同時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的處理和多表數(shù)據(jù)的處理。雙CPU通過經(jīng)常判斷對(duì)方的工作標(biāo)志狀態(tài),識(shí)別對(duì)方是否正常工作,以提高系統(tǒng)可靠性。RS 485通訊接口模塊留有8個(gè)外接端口,每個(gè)RS 485端口可以并聯(lián)單元控制器32臺(tái),即系統(tǒng)總共可以外接單元控制器256套。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS

PROFIBUS以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),協(xié)議結(jié)構(gòu)是以ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(OSI)參考模型為基礎(chǔ)的,OSI參考模型采用了分層結(jié)構(gòu)化技術(shù)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊功能分為7層,由低到高分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。每個(gè)傳輸層精確地處理所定義的任務(wù)。第一層定義了物理傳輸技術(shù)特性;第二層定義了總線的存取協(xié)議及數(shù)據(jù)的可靠性、傳輸協(xié)議和報(bào)文處理等;第三層是通信子網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)高層的界面,主要負(fù)責(zé)控制通信子網(wǎng)的操作,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不相鄰的數(shù)據(jù)終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)之間在穿過通信子網(wǎng)邏輯信道上的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸;第四層是資源子網(wǎng)與通信子網(wǎng)的界面與橋梁,完成資源子網(wǎng)中兩結(jié)點(diǎn)之間的直接邏輯通信,實(shí)現(xiàn)通信子網(wǎng)中端到端的透明傳輸;第五層會(huì)話層利用傳輸層提供的端到端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),具體實(shí)現(xiàn)兩端主機(jī)之間的通信;第六層表示層完成通信雙方之間的數(shù)據(jù)表示問題;第七層應(yīng)用層是OSI模型的最高層,提供完成特定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能所需的各種應(yīng)用協(xié)議。

PROFIBUS采用了該模型七層中的第一層(物理層)、第二層(數(shù)據(jù)鏈絡(luò)層)和第七層(應(yīng)用層),增加了用戶的接口層。

3 智能框架斷路器及塑殼斷路器的選用

3.1 智能框架斷路器(空氣斷路器、萬能式斷路器)

主要在配電網(wǎng)絡(luò)中用于分配電能和保護(hù)線路及電流設(shè)備免受過載、欠壓、斷路、單相接地等故障的危害,可避免不必要的停電,提高供電的可靠性,產(chǎn)品具備協(xié)議通信接口,可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信、搖調(diào)等“四搖”組網(wǎng)通信功能。結(jié)構(gòu)分為抽屜式和固定式;按分段能力分為標(biāo)準(zhǔn)型:50～65 kA,較高性能型:65～85 kA,高限流能力型:100～150 kA;配置有智能通信控制單元,用于元器件的組網(wǎng)。這類產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)的有DW40,DW45,DW48等型號(hào),國(guó)外有3WN1,3WN1,Masterpact M,MT等系列。

這類產(chǎn)品主要特點(diǎn)是:規(guī)格齊全;觸頭系統(tǒng)高分段能力;使用壽命長(zhǎng);無附加飛弧距離;多種接線方式;均具有數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.2 智能型塑殼斷路器

該產(chǎn)品是配電線路中應(yīng)用極廣的產(chǎn)品。目前我國(guó)眾多企業(yè)開發(fā)的YSM1,YSM2,JXM3,HM3,HSM1,1SM1等智能型塑殼斷路器,以及國(guó)外的富士、通用、ABB、三菱、梅蘭日蘭等公司推出的帶有智能控制模塊的塑殼斷路器,都具有各種精確的選擇保護(hù)功能和多種輔助功能,且具有通信接口,可實(shí)現(xiàn)“四遙”組網(wǎng)監(jiān)控管理功能。

4 組態(tài)控制軟件與系統(tǒng)布線

各種智能可信元件的開發(fā)應(yīng)用為配電系統(tǒng)自動(dòng)化組網(wǎng)監(jiān)控提供了可能,在此基礎(chǔ)上還需要組態(tài)監(jiān)控軟件。目前國(guó)際上如SIEMENS,SCHNEIDER等公司都提高相關(guān)的軟件,國(guó)內(nèi)的有YSS 2000等,其產(chǎn)品都可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊組網(wǎng)。上述軟件除以多種風(fēng)格實(shí)現(xiàn)“四遙”監(jiān)控功能外,還可實(shí)現(xiàn)多種操作控制和管理功能。

對(duì)于雙芯屏蔽電纜,屏蔽層主要是用來抗電磁干擾的,PROFIBUS系統(tǒng)中使用的電纜通常都是用編制網(wǎng)和導(dǎo)電泊來進(jìn)行屏蔽的。當(dāng)布置電纜層時(shí),應(yīng)特別小心將屏蔽層連接到接地卡上。

PROFIBUS數(shù)據(jù)線分為A,B。在總線設(shè)備上要求在整個(gè)系統(tǒng)中,同一種顏色的芯線必須連接到同一端點(diǎn)A或B上。

5 數(shù)據(jù)通訊

在數(shù)據(jù)通訊中主要有三類數(shù)據(jù)表示方式,即數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用數(shù)字信號(hào)編碼表示、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信號(hào)表示和模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示。PROFIBUS-DP采用數(shù)字信號(hào)編碼中的不歸零編碼方式即NRZ(Non Return to Zero),在位持續(xù)期間,二進(jìn)制“0”或“1”不改變。沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),空載電位為“1”,起動(dòng)位使之變?yōu)椤?”,詳見圖4。

中央空制器(主站)循環(huán)地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比中央控制器(PLC)的程序循環(huán)時(shí)間短?？偩€的循環(huán)時(shí)間只占全部時(shí)間的4%～3%,即無論是應(yīng)用在傳動(dòng)自動(dòng)化領(lǐng)域還是在配電自動(dòng)化領(lǐng)域,PROFIBUS-DP都有著不可比擬快速的特征。

除了循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)傳輸外,PROFIBUS-DP還提供強(qiáng)有力的診斷和組態(tài)功能。PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng),這樣為系統(tǒng)組態(tài)提供了高度的靈活性。系統(tǒng)組態(tài)描述包括:站數(shù)、站地址和輸入/輸出地址的分配、輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式,診斷信息的格式以及所使用的總線參數(shù)。

系統(tǒng)的行為主要取決于DPM1的運(yùn)行狀態(tài),這些狀態(tài)由本地或總線的組態(tài)設(shè)備所控制。主要有以下三種狀態(tài):

(1) 停止:在這種狀態(tài)下,DPM1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳輸。

(2) 清除:在這種狀態(tài)下,DPM1讀取DP從站的輸入信息并使信息保持在故障安全狀態(tài)。

(3) 運(yùn)行:在這種狀態(tài)下,DPM1處于數(shù)據(jù)傳輸階段,循環(huán)數(shù)據(jù)通信時(shí),DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息。

如果在DPM1的數(shù)據(jù)傳輸階段中發(fā)生錯(cuò)誤(如:DP從站有故障),系統(tǒng)將作出反應(yīng),它是由組態(tài)參數(shù)“自動(dòng)清除”(AUTO-clean)確定的。如果此參數(shù)為真,DPM1將所有有關(guān)的DP從站的輸出數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)入安全保護(hù)狀態(tài),而DP從站不再為用戶傳輸數(shù)據(jù)。在這之后,DPM1轉(zhuǎn)入清除狀態(tài),如果此參數(shù)為假,則DPM1即使在這個(gè)DP從站出錯(cuò)時(shí)仍停留在運(yùn)行狀態(tài),然后由用戶決定對(duì)系統(tǒng)作出什么反應(yīng)。

6 結(jié) 語

當(dāng)今樓宇智能化已離不開現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù),但是在應(yīng)用中這些技術(shù)逐步地暴露出它的固有缺點(diǎn),如:信息集成能力不強(qiáng);系統(tǒng)是非開放式,可集成性差;可靠性不易保證;可維護(hù)性不強(qiáng)等,有待進(jìn)一步改進(jìn)。另外配電系統(tǒng)智能化不僅是提高供電可靠性能的保證,同時(shí)又承擔(dān)著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的任務(wù),因此無論是自動(dòng)化的配電方式還是現(xiàn)場(chǎng)的控制方式,他們以其自身獨(dú)特的特點(diǎn),將成為智能化樓宇中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉國(guó)林.綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,1997.

[2]柳勇.建筑安裝工程施工圖集(弱電工程).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[3]陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[4]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

[5]陳一才.樓宇安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1997.

[6]陳良寬.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與智能建筑系統(tǒng)集成.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[7]梁華.實(shí)用建筑弱電工程設(shè)計(jì)資料集.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[8]張衛(wèi)東.智能型低壓配電系統(tǒng).北京:中國(guó)電力出版社,2001.

[9]劉漢超.智能化大廈綜合布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程.北京:電力工業(yè)出版社,1999.

[10]袁萍,張言榮.智能建筑安全防范自動(dòng)化技術(shù).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

作者簡(jiǎn)介 李世博 男,1969年出生,吉林人,碩士,高級(jí)工程師。主要從事智能建筑電氣的研究。