何麗莉

(浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州 310014)

LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

何麗莉

(浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州 310014)

本文結(jié)合智能大廈的特點(diǎn)，介紹了LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的基本概念和總體結(jié)構(gòu)功能，論述了用LonWorks技術(shù)實(shí)現(xiàn)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(BAS)的控制方案，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場總線在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的廣闊前景。

LonWorks樓宇自動(dòng)化;現(xiàn)場總線;集散控制系統(tǒng)

1.引言

第一幢智能大廈于1984年在美國哈特福德(Hartford)市建成。智能大廈是利用系統(tǒng)集成的方法，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過對設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務(wù)及其與建筑工程之間的優(yōu)化組合所獲得的投資合理、適合信息社會(huì)需要并且具有安全、高效、合適、便利和靈活等特點(diǎn)的建筑物。作為智能大廈系統(tǒng)的重要組成——樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) BAS，它集照明、變配電、空調(diào)、通風(fēng)、給排水、電梯、管理等系統(tǒng)的監(jiān)視和控制為一體。我國于20世紀(jì)90年代開始對樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和宣傳，經(jīng)過近二十年的努力，該系統(tǒng)正不斷為人們所接受，并取得了很大的成績。

樓宇自動(dòng)化是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，是對智能建筑內(nèi)所有動(dòng)力、樓宇設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測和控制。它主要包括中央操作站OWS、網(wǎng)絡(luò)控制器NCU和直接數(shù)字控制器DDC。中央操作站的主要功能是借助網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)與直接數(shù)字控制器的連接，從而完成現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)視和控制。網(wǎng)絡(luò)控制器的功能是通過以太網(wǎng)，將中央操作站與直接數(shù)字控制器連接在一起，通過Ethernet/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息傳遞。直接數(shù)字控制器的功能是將現(xiàn)場的檢測元件和執(zhí)行元件連接起來，實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制工作。

2.LonWorks總線技術(shù)

2.1 LonWorks技術(shù)概述

LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于上世紀(jì)九十年代，推出的一種新的現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備間的互連，并借助路由器實(shí)現(xiàn)不同傳輸介質(zhì)和傳輸速率網(wǎng)絡(luò)間的連接，最后通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于WEB的監(jiān)控。它是全面的分布式測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，真正并徹底地貫徹了“分散控制、集中管理”的控制思想，有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通訊難題，在國際和國內(nèi)都得到廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制和樓宇自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全部由智能控制設(shè)備(節(jié)點(diǎn))組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備多種形式的I/O功能，用戶可以對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行再編程，實(shí)現(xiàn)用戶自定義的算法和功能，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的信息傳送，具有極其良好的互操作性，這樣使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無中心的真正的分布式控制模式。

見圖1，智能節(jié)點(diǎn)或者智能設(shè)備與其他節(jié)點(diǎn)之間可通過不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循ISO/OSI的全部7層模型協(xié)議的規(guī)范。LonWorks技術(shù)包含監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、安裝、開發(fā)和調(diào)試等所需要的全部技術(shù)組成，要使用多種專用的硬件設(shè)備和軟件程序。LonWorks技術(shù)的核心是Neuron神經(jīng)元芯片和LonTalk通信協(xié)議。

圖1 LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 Neuron神經(jīng)元芯片

Neuron芯片是LonWorks技術(shù)的核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是一種集調(diào)度、控制通信以及I/O支持為一體的高級元件。為了區(qū)分LonWorks網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，芯片制造廠家在芯片內(nèi)寫入了永久保存的48位標(biāo)識(shí)碼。當(dāng)前的主要型號有Motorola公司的MC系列和Toshiba公司的TMPN系列。根據(jù)是否支持外部存儲(chǔ)器，分成64腳的3150和32腳的3120兩大系列。3150芯片能對軟件進(jìn)行擴(kuò)展并支持外部存儲(chǔ)器，適用于復(fù)雜的大型系統(tǒng);3120芯片則支持小型應(yīng)用程序，適用于簡單低成本系統(tǒng)。Neuron芯片集成度高，通過三個(gè)八位流水線作業(yè)的處理器CPU，分別執(zhí)行用戶編寫的代碼以及用戶代碼調(diào)用的操作系統(tǒng)命令，以及實(shí)現(xiàn)片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存器和應(yīng)用緩存器進(jìn)行通信。

圖2 Neuron神經(jīng)元芯片框圖

2.3 LonTalk 協(xié)議

LonTalk協(xié)議是LonWorks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它遵循由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)，是一套安全、完整、有效的系統(tǒng)。LonTalk協(xié)議使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)在不了解名稱、拓?fù)?、功能的情況下發(fā)送和接受信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間可靠的通信以及通信介質(zhì)的有效使用，為控制應(yīng)用提供了一個(gè)高可靠、高性能、高抗干擾性強(qiáng)、基于數(shù)據(jù)包、面向?qū)ο蟮耐ㄐ欧绞?。?是LonTalk與OSI七層協(xié)議的比較。

表1 LonTalk與OSI比較

3.LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

樓宇自動(dòng)化控制近年來得到了飛速發(fā)展，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)工程在智能建筑的總投入中比例也很大。LonWorks總線的LonTalk開放性協(xié)議及其技術(shù)的關(guān)鍵作用是能夠解決“自動(dòng)化孤島”問題——因設(shè)備采用非標(biāo)準(zhǔn)化、非公開化的專有通信協(xié)議而使控制系統(tǒng)被封閉，系統(tǒng)失去了與外部的通信、擴(kuò)展與互操作等功能。

圖3 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成框圖

基于LonWorks總線技術(shù)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的基本組成如圖3所示，主要是對智能建筑中所有機(jī)電設(shè)備和能源設(shè)備實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化和智能化的集中管理。它由大量分散在建筑物內(nèi)的各設(shè)備子系統(tǒng)，如供配電、給排水、空調(diào)、電梯、照明、安防等設(shè)備，以及作為核心對它們進(jìn)行測量、監(jiān)視、控制、管理和協(xié)調(diào)的LonWorks智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主要包括以下部分：

3.1.1 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)的主要功能是保證建筑物安全可靠的供電，可以對智能建筑物的供電狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，包括對各級電力開關(guān)的狀態(tài)、配電柜高壓和低壓側(cè)狀態(tài)、主要回路的電壓電流及功率因數(shù)、變壓器及電纜的溫度、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，對故障進(jìn)行報(bào)警等。由于電力系統(tǒng)的狀態(tài)變化和事故都是在瞬間發(fā)生，因此利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行這種監(jiān)測時(shí)要求采樣間隔非常小，并且能自動(dòng)連續(xù)記錄在這種采樣間隔下各測量參數(shù)的連續(xù)變化過程，這樣才能預(yù)測并防止事故的發(fā)生，或者在事故發(fā)生后，及時(shí)判斷故障點(diǎn)。此外，通過對用電情況的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，利用科學(xué)的管理方法，合理均衡負(fù)荷，以保障安全、可靠地供電。

3.1.2 空調(diào)系統(tǒng)

在建筑物中，空調(diào)系統(tǒng)能耗最大，在保證環(huán)境舒適前提下，可以采取一些優(yōu)化節(jié)能控制的措施，如設(shè)備最佳啟?？刂啤⒖照{(diào)及制冷機(jī)的節(jié)能優(yōu)化控制、設(shè)備運(yùn)行周期控制、電力負(fù)荷控制、蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化控制等，最大程度地降低能耗?？梢詫Σ煌瑓^(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)按預(yù)先編制的時(shí)序或通過對大樓環(huán)境溫濕度的監(jiān)測，自動(dòng)控制建筑物內(nèi)的中央空調(diào)制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、電磁閥門、風(fēng)機(jī)的啟停，并監(jiān)視和記錄各設(shè)備的狀態(tài)、室內(nèi)外各測點(diǎn)的溫濕度、送風(fēng)壓力、流量、閥門開度和運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行故障報(bào)警或停機(jī)、動(dòng)態(tài)顯示有關(guān)閥門、風(fēng)機(jī)的位置、狀態(tài)等。

3.1.3 電梯系統(tǒng)

電梯控制是建筑物內(nèi)交通管理的重要樞紐。對帶有完備控制裝置的電梯，利用LonWorks中的智能節(jié)點(diǎn)將這些控制裝置與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)相連，并實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)通信，使管理中心能夠隨時(shí)掌握各個(gè)電梯的工作狀況，如運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、上升下降等，累積記錄電梯系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，對多部電梯進(jìn)行群控優(yōu)化，并在火災(zāi)、安保等特殊場合對電梯的運(yùn)行進(jìn)行直接的管理控制。

3.1.4 照明系統(tǒng)

照明監(jiān)控系統(tǒng)主要是對各樓層的配電盤、辦公室、門廳、走廊、庭院或停車場等處的照明、廣告霓虹燈等設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行啟停控制，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對照明回路的分組控制、對用電過大時(shí)的自動(dòng)切斷，以及對廳堂和辦公室等地的無人熄燈控制等。照明系統(tǒng)的控制與節(jié)能直接相關(guān)，對照明的協(xié)調(diào)控制反映了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的水平。

3.1.5 給排水系統(tǒng)

給排水系統(tǒng)的基本功能是對各給水泵、排水泵、污水泵及飲用水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對各種水箱及污水池的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過對給水系統(tǒng)壓力、流量的監(jiān)測以及根據(jù)這些相關(guān)數(shù)據(jù)，啟停相應(yīng)的水泵，以保證給排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)并非完全獨(dú)立運(yùn)行，它們之間是相互協(xié)調(diào)，具有互操作性，能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)或聯(lián)動(dòng)的，因此需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)集中管理與協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，以便各個(gè)子系統(tǒng)能有機(jī)地集成在一起，共同構(gòu)成建筑物的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)消防系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警時(shí)，首先智能控制中心要通過監(jiān)視系統(tǒng)或相關(guān)人員對接收到的火警報(bào)告進(jìn)行核實(shí)。如果是“虛”報(bào)警，撤銷報(bào)警。若確實(shí)發(fā)生火災(zāi)，智能控制中心必須根據(jù)火勢的大小、起火的具體地點(diǎn)等具體情況通過廣播系統(tǒng)緊急呼救，向給排水、空調(diào)、電梯、照明等系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)聯(lián)動(dòng)命令，轉(zhuǎn)入火災(zāi)運(yùn)行模式，保證安全。

4.結(jié)束語

LonWorks現(xiàn)場總線應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，構(gòu)成功能齊全、組成靈活的智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信監(jiān)控系統(tǒng)等，并可根據(jù)需要靈活加以組態(tài)和擴(kuò)展。通過其出色的通信和控制功能，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了真正的完全分散的分布式控制模式。所有這些都表明LonWorks技術(shù)為智能建筑的系統(tǒng)一體化集成提供了強(qiáng)有力的技術(shù)平臺(tái)，而基于LonWorks技術(shù)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是今后智能建筑控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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Analysis of Lon Works Technology App lied to Building Automation System

HE Li－li

(Zhejiang University of Technology，Hangzhou310014，China)

This paper introduces the basic concepts and overall function of LonWorks technology，expounds the methods of building automation control system using LonWorks technology according to the characteristics of intelligent building.

LonWorks;Building Automation System;Fieldbus;Distributed Control System

TP212.9 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

1671－3974(2012)01－0044－03

2011－10－26

何麗莉(1979－)，女，工程碩士在讀，杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要從事電氣控制技術(shù)的教學(xué)研究工作。