龍海珊

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長沙410012）

0 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，成為智慧城市建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)元素，建筑的智能化很大程度上依賴于建筑中機(jī)電設(shè)備的智能控制。 傳統(tǒng)的建筑中，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備控制的供電和通信有以下兩種解決方案：第一種方案是分別采用供電電纜和通信電纜，由于二者電壓等級和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，采用不同的穿線管敷設(shè)，此方案避免了供電功率大對通信線路信號傳輸?shù)挠绊?，目前在工程?yīng)用中較為普遍，但存在設(shè)計(jì)繁瑣、施工及維護(hù)工程量大的缺點(diǎn)；第二種方案是采用電力載波技術(shù)，用一條電纜同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力傳輸和雙向通信，此方案雖然設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)工作量大大減少，但數(shù)據(jù)傳輸速率低、通信信號干擾嚴(yán)重且傳輸功率小，故工程應(yīng)用較少。

針對上述工程實(shí)踐中存在的問題，本文探討的核心技術(shù)是在雙絞線上應(yīng)用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑中機(jī)電設(shè)備的一體化智能監(jiān)控，達(dá)到強(qiáng)電與弱電的有機(jī)兼容。 筆者作為科研課題“建筑設(shè)備電氣一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及研究”的主要完成人，結(jié)合課題研究成果，系統(tǒng)闡述基于雙絞線的時(shí)分復(fù)用技術(shù)研究思路、系統(tǒng)工作原理以及該技術(shù)在建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 基于雙絞線的時(shí)分復(fù)用技術(shù)研究思路

基于雙絞線的時(shí)分復(fù)用技術(shù)研究的總體思路是將采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線工作時(shí)間分為三種時(shí)間片，即通信時(shí)間片、供電時(shí)間片和狀態(tài)緩沖時(shí)間片。 供電時(shí)間片和通信時(shí)間片交替切換，在二者相互切換時(shí)插入緩沖時(shí)間片，從而達(dá)到用一根雙絞線既能供電、又能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的，供電采用單向傳輸，數(shù)據(jù)通信采用雙向傳輸。 在供電轉(zhuǎn)向通信時(shí)產(chǎn)生的高頻諧波通過緩沖時(shí)間片消除，從而大幅降低了電力傳輸對數(shù)據(jù)通信的干擾。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線平均供電電流可達(dá)16A，可以同時(shí)滿足線纜在供電能力、通信質(zhì)量、工程造價(jià)、安裝維護(hù)等方面的需求，從而降低工程成本，提高總體經(jīng)濟(jì)效益。

2 基于雙絞線的時(shí)分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)包括主設(shè)備和從設(shè)備，二者通過雙絞線（總線）連接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1 所示。 主設(shè)備可采用雙機(jī)熱備，增加系統(tǒng)可靠性。 下面筆者將從3 個(gè)方面就系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.1 雙絞線總線工作時(shí)間片設(shè)定

采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線的工作時(shí)間分成三種時(shí)間片，如圖2 所示，通信時(shí)間片a、供電時(shí)間片b 和狀態(tài)緩沖時(shí)間片c。

圖2 系統(tǒng)功能及時(shí)序圖

由圖2 可見，通信時(shí)間片a 和供電時(shí)間片b 交替出現(xiàn)，在二者相互切換時(shí)插入緩沖時(shí)間片c。 前一時(shí)間片（a 或b）對線路的影響在緩沖時(shí)間片c 得到釋放并逐漸消失。 供電時(shí)間片（b）前后的緩沖時(shí)間片（c）一般不同，一般通信狀態(tài)向供電狀態(tài)切換的緩沖時(shí)間片設(shè)置較短，供電狀態(tài)向通信狀態(tài)切換的緩沖時(shí)間片設(shè)置較長。 主設(shè)備控制三種時(shí)間片的時(shí)序排布，并負(fù)責(zé)在供電時(shí)間片時(shí)段內(nèi)向從設(shè)備提供電力。

從圖2 中還可以看到，在通信時(shí)間片a 時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主設(shè)備和從設(shè)備之間的雙向通信，通信物理層邏輯可采用電壓邏輯、電流邏輯、電壓電流混合邏輯三種方式，具體分析如下。

（1）電壓邏輯方式：利用U1和U2兩種電平來分別表示0 邏輯與1 邏輯，采用固定壓差dU（即U1－U2為固定值）的方式。 在課題研究中U1取36V、dU采用12V，則經(jīng)計(jì)算U2應(yīng)為24V。 當(dāng)U1、U2較高時(shí)，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率能得到有效提高。

（2）電流邏輯方式：利用雙絞線（總線）上的兩個(gè)電流Ia和Ie來分別表示0 邏輯與1 邏輯，圖2 中Ie可以取0～10mA，在課題研究中Ie取10mA。

（3）電壓、電流邏輯混合方式：主設(shè)備采用電壓邏輯方式向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備采用電流邏輯方式向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，反之亦可。 在緩沖時(shí)間片c 時(shí)段，線路的電壓處于U1電平狀態(tài)，電流處于無序、不確定的過渡狀態(tài)。

在供電時(shí)間片b 時(shí)段內(nèi)，雙絞線（總線）的兩根雙絞線間的電壓U1由主設(shè)備決定，該總線上的電流Ib則根據(jù)從設(shè)備及負(fù)載單元的工作情況變化而變化。

2.2 系統(tǒng)主設(shè)備

圖3 為系統(tǒng)主設(shè)備工作原理圖。 主設(shè)備內(nèi)含主設(shè)備電源、主設(shè)備處理器單元、主設(shè)備通信控制單元和時(shí)間片切換單元。 主設(shè)備處理器單元通過控制時(shí)間片切換單元實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)總線工作狀態(tài)的控制，當(dāng)總線切換至供電狀態(tài)時(shí)連接到總線電源，當(dāng)總線切換至通信狀態(tài)時(shí)連接到主設(shè)備通信控制單元。

時(shí)間片切換單元負(fù)責(zé)將系統(tǒng)總線切換到通信時(shí)間片a、供電時(shí)間片b 或狀態(tài)緩沖時(shí)間片c。 時(shí)間片切換單元的功率切換一般由功率電子器件來實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)主設(shè)備工作原理圖

2.3 系統(tǒng)從設(shè)備

圖4 為系統(tǒng)從設(shè)備工作原理圖。 從設(shè)備內(nèi)含極性變換單元、儲(chǔ)能單元、負(fù)載控制單元、從設(shè)備電源、從設(shè)備通信控制單元和從設(shè)備處理器單元。 儲(chǔ)能單元用于在供電時(shí)間片b 時(shí)段儲(chǔ)能，并在通信時(shí)間片a 向從設(shè)備或負(fù)載供電，當(dāng)負(fù)載和電流較大時(shí)，可增設(shè)儲(chǔ)能單元。

從設(shè)備處理器單元通過負(fù)載控制單元驅(qū)動(dòng)負(fù)載單元，極性變換單元將任意極性的雙絞線變換為固定確定極性，使從設(shè)備能夠無極性連接到系統(tǒng)總線上。 儲(chǔ)能單元可采用直流電容儲(chǔ)能或蓄電池儲(chǔ)能。 負(fù)載控制單元的驅(qū)動(dòng)部件可為繼電器、接觸器或功率晶體管。

圖4 系統(tǒng)從設(shè)備工作原理圖

3 時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線應(yīng)用于建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 典型應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)課題研究成果，“基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線總線”可應(yīng)用于建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)控制設(shè)備和受控設(shè)備為直流供電時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由圖5 可以看出，系統(tǒng)通過一條總線實(shí)現(xiàn)對控制設(shè)備及受控設(shè)備（如燈具、閥門、盤管等）的供電，同時(shí)可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，其中“I”為輸入信號，“O”為輸出信號。 根據(jù)工程實(shí)際與產(chǎn)品性能，總線上的從設(shè)備可接多個(gè)受控設(shè)備，但每條回路從設(shè)備總數(shù)宜≤32 個(gè)，供電電流宜≤16A，每條回路的線路長度宜≤250m。

3.2 工程應(yīng)用

筆者以某大型文化藝術(shù)場館為例，對基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線總線在該項(xiàng)目照明系統(tǒng)中的應(yīng)用作簡單說明。 場館總建筑面積約5 萬m2，地上6 層，建筑定位為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑，內(nèi)部功能分區(qū)復(fù)雜，光環(huán)境品質(zhì)要求高。 該項(xiàng)目公共區(qū)域照明系統(tǒng)采用建筑設(shè)備一體化監(jiān)控技術(shù)，選用北京某公司的ePower 系列產(chǎn)品，采用基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線總線及系列控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對大樓公共區(qū)域不同分區(qū)照明的精準(zhǔn)控制。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由圖6 可知，該項(xiàng)目系統(tǒng)主設(shè)備采用總線回路控制器M702，系統(tǒng)從設(shè)備采用總線調(diào)光模塊S714V，每個(gè)從設(shè)備S714V 接4 個(gè)調(diào)光模塊。 項(xiàng)目設(shè)置主設(shè)備M702 共81 個(gè)、從設(shè)備S714V 共423個(gè)。 該項(xiàng)目照明系統(tǒng)自竣工以來運(yùn)行狀況良好，完美地實(shí)現(xiàn)了建筑及業(yè)主對于照明燈具的控制要求。經(jīng)估算，與傳統(tǒng)強(qiáng)電供電與智能照明控制的方式相比較，該項(xiàng)目在照明控制子項(xiàng)中節(jié)約造價(jià)約320萬元。

工程實(shí)踐表明，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的雙絞線總線應(yīng)用于建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對于受控機(jī)電設(shè)備受控點(diǎn)多、分布分散、容量小的現(xiàn)代樓宇而言，具有傳統(tǒng)工業(yè)總線不可比擬的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于雙絞線的時(shí)分復(fù)用技術(shù)創(chuàng)造性地將傳統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)通信與供電線路融合為一條總線，實(shí)現(xiàn)了供電與數(shù)據(jù)通信的有機(jī)兼容，為建筑設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，在工程實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。 筆者也希望通過此文，給同行對于機(jī)電設(shè)備監(jiān)控策略提供一種有效的解決方案。