Lonworks技術(shù)在樓宇自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

　德達(dá)智能系統(tǒng)研究院：燕飛
　　
　　　　隨著科技的發(fā)展、社會的進步，許多高級建筑物(例如：黨政機關(guān)、企事業(yè)單位辦公樓，高級賓館，高級寫字間)內(nèi)包含的樓宇自控設(shè)備和不同功能的子系統(tǒng)越來越多，越來越復(fù)雜。同時，建筑物業(yè)主希望整個系統(tǒng)具有更高的性能、更高的效率和相對低的維護擴展費用。但由于不同廠商提供了不同功能的產(chǎn)品和子系統(tǒng)，采用了不同的通信協(xié)議，因此將造成各子系統(tǒng)有不同的通信速率、不同的編碼格式和不同的通信規(guī)則，致使各子系統(tǒng)間實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)互連將很困難，實現(xiàn)智能建筑的系統(tǒng)一體化集成更就無從談起。如果各子系統(tǒng)獨立運行，不僅不能對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和管理，而且會有較高的運行和維護費用，將來擴展起來也不方便?，F(xiàn)在，建筑物業(yè)主和管理者迫切需要一種開放的、可互操作的控制技術(shù)。通過這種技術(shù)建筑物內(nèi)的各種自控設(shè)備都可方便地集成在一起，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)和各個設(shè)備間的自由通信，以求取得最佳的經(jīng)濟利益。
　　
　　1. 一種開放的控制技術(shù)--Lonworks技術(shù)
　　　　由于前面所述的原因，目前使用的傳統(tǒng)樓宇自控系統(tǒng)已不能滿足市場和用戶的需求，歸納起來，有以下幾個方面：
　　（1） 傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)就其本身而言是一種封閉的系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在其通信協(xié)議上。不同廠商的產(chǎn)品采用不同的通信協(xié)議，互不兼容。如要實現(xiàn)封閉系統(tǒng)的一體化集成，就要在不同通信協(xié)議的系統(tǒng)間用網(wǎng)關(guān)(Gateway)把它們連接起來，將會產(chǎn)生大量的軟件編制工作。這樣實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅性能差，而且費用很高，不是理想的解決方案。
　?。?） 由于系統(tǒng)封閉，不同子系統(tǒng)間無法共享相同意義的信息。不同功能的子系統(tǒng)可能要配置相同的器件，造成極大的資源浪費。
　?。?） 由于系統(tǒng)是封閉的，從業(yè)主選擇了產(chǎn)品后系統(tǒng)的設(shè)計、供貨、調(diào)試到以后的維護、擴展、升級都只能由廠商來完成，業(yè)主毫無自由度可言，只能被動接受，最初的投資不能得到有效的保護。
　?。?） 隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，封閉的系統(tǒng)限制了建筑物智能化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，只有開放的系統(tǒng)才能為用戶提供真正的低成本產(chǎn)品。
　　　　今天，建筑物業(yè)主和管理者正在尋找一種建筑物控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)是一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)，它可以把來自多家廠商的暖通空調(diào)、照明、消防、安保、門禁、給排水和電梯等設(shè)備集成一體化地集成在這個控制系統(tǒng)中。就象在計算機市場上PC機帶來的浪潮一樣，開放的、可互操作的控制系統(tǒng)的使用可以為用戶在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)降低系統(tǒng)安裝費用、提高性能、節(jié)約運行費用。另外，在一個控制系統(tǒng)中多廠商產(chǎn)品的一體化集成需要采用一個統(tǒng)一的通信協(xié)議，通過使用相同的通信協(xié)議，昂貴的用戶硬件、軟件和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備可以被取消。
　　　　目前，美國Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技術(shù)使上述目標(biāo)成為現(xiàn)實。Lonworks技術(shù)是開放系統(tǒng)的一種完整的解決方案。
　　Lonworks技術(shù)是通用的總線，在工業(yè)控制系統(tǒng)中可同時應(yīng)用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus等任何一層總線中。Lonworks技術(shù)是采用神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)技術(shù)，在ISO的OSI七層協(xié)議上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。在一個Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)中，智能控制設(shè)備(節(jié)點)使用同一個通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點通信。每個節(jié)點都包含內(nèi)置的智能來完成協(xié)議的監(jiān)控功能。一個Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)可以有3個到30000個或更多的節(jié)點：傳感器功能(溫度、壓力等)、執(zhí)行器功能(開關(guān)、調(diào)節(jié)閥、變頻驅(qū)動等)、操作接口(顯示、人機界面等)、控制功能(新風(fēng)機組、VAV等)。由于不需要像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的中央控制器，Lonworks分布式控制技術(shù)顯示出很高的系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)響應(yīng)，并且降低了系統(tǒng)的成本和運行費用。神經(jīng)元芯片完成節(jié)點的事件處理，并通過多種介質(zhì)把處理結(jié)果傳遞給網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點。LonTalk協(xié)議為Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可互操作性提供了條件。神經(jīng)元芯片和LonTalk協(xié)議是Lonworks技術(shù)的核心。
　　
　　1.1 神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)
　　　　使用CMOS CLSI技術(shù)的神經(jīng)元芯片使實現(xiàn)低成本的控制網(wǎng)絡(luò)成為可能。神經(jīng)元芯片是高度集成的，內(nèi)部包含三個8位的CPU。第一個CPU為介質(zhì)訪問處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一、二層；第二個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，進行網(wǎng)絡(luò)變量的處理、尋址、事務(wù)處理、證實、背景診斷、軟件定時器、網(wǎng)絡(luò)管理和函數(shù)路徑選擇等；第三個CPU為應(yīng)用處理器，它執(zhí)行由用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C中派生出來的，并對ANSI C進行了刪減和增補。
　　　　Neuron芯片可以通過5個通信管腳與網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點交換信息，也可以通過11個應(yīng)用管腳與現(xiàn)場的傳感器和執(zhí)行器交換信息。11個應(yīng)用管腳具有34種應(yīng)用操作模式，可以在不同的配置下為外部提供靈活的接口和芯片內(nèi)部的計時器應(yīng)用。
　　
　　1.2 LonTalk協(xié)議
　　　　LonTalk協(xié)議遵循ISO定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，并提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)。它具有以下的特點：
　　（1） LonTalk協(xié)議支持包括雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖在內(nèi)的多種傳輸介質(zhì)。
　　（2） LonTalk應(yīng)用可以運行在任何主處理器(Host Processor)上。主處理器(微控制器、微處理器、計算機)管理LonTalk協(xié)議的第六層和第七層并使用Lonworks網(wǎng)絡(luò)接口管理第一層到第五層。
　　（3） LonTalk協(xié)議使用網(wǎng)絡(luò)變量與其它節(jié)點通信。網(wǎng)絡(luò)變量可以是任何單個數(shù)據(jù)項也可以是結(jié)構(gòu)體，并都有一個由應(yīng)用程序說明的數(shù)據(jù)類型。網(wǎng)絡(luò)變量的概念大大簡化了復(fù)雜的分布式應(yīng)用的編程，大大降低了開發(fā)人員的工作量。
　?。?） LonTalk協(xié)議支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結(jié)構(gòu)類型，極大地方便了控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
　　　　到目前為止，全世界安裝的Lonworks節(jié)點已超過400萬個，已有3000多家公司致力于Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和解決方案，涉及到包括建筑、家庭、工業(yè)、通訊和交通等在內(nèi)的多個行業(yè)。Lonworks技術(shù)是支持完全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，是開放的、可互操作的控制系統(tǒng)的一個技術(shù)平臺。
　　
　　2. 工程簡介及系統(tǒng)總體設(shè)計
　　2.1 工程簡介
　　　　本工程是某國家機關(guān)辦公樓，分主樓和配樓兩部分，由辦公室、多功能廳、餐廳及接待室等用房組成。主樓建筑面積26000平方米，地下一層，地上九層。配樓建筑面積7600平方米，地下一層，地上五層。本工程屬于舊樓改造項目，改造后的大樓將實現(xiàn)樓宇設(shè)備的自動控制，達(dá)到對大樓內(nèi)的水、電、熱、空調(diào)、通風(fēng)、電梯、高低壓配電、停車場等系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制和科學(xué)管理，以實現(xiàn)舒適、安全、高效、節(jié)能的目的，并使設(shè)備損耗降低，延長使用壽命。
　　2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計
　　　　本樓宇自動化系統(tǒng)包括：冷凍水系統(tǒng)、新風(fēng)機組、空調(diào)機組、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、有害氣體檢測系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)九部分。由于Lonworks技術(shù)的開放性和全分布式的特點，并且考慮到以后與其它功能子系統(tǒng)的集成，決定采用Lonworks技術(shù)作為本系統(tǒng)的技術(shù)平臺。這個平臺上集成了來自三個不同廠商的基于Lonworks技術(shù)的產(chǎn)品，它們分別是：美國SIEBE公司的I/A系列新風(fēng)、空調(diào)控制器；澳大利亞AUSLON公司的DI-10E1；Echelon公司的LonPoint系列產(chǎn)品(DI-10、DO-10、AI-10、SCH-10和LPR-10路由器模塊)。
　　　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)的特點，即全分布式的，對等的，開放性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與集中式網(wǎng)絡(luò)比較，Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點控制箱放置在被控對象的附近，這樣做減少了布線工作量，節(jié)省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于調(diào)試及維護。另外，如果網(wǎng)絡(luò)中一個設(shè)備出現(xiàn)故障不會影響全網(wǎng)其它設(shè)備的正常工作，把故障點分散到最小的程度。
　　
　　
　　
　　　　整個網(wǎng)絡(luò)采用自由拓樸結(jié)構(gòu)，網(wǎng)線線采用Echelon公司推薦的Belden公司8741型雙絞線，連接方式全部采用手拉手連接方式。整個系統(tǒng)分為三個子網(wǎng)，主樓部分分成兩個子網(wǎng)：21臺新風(fēng)機組組成一個子網(wǎng)，其它照明、給排水、變配電等系統(tǒng)為另一個子網(wǎng)；配樓所有系統(tǒng)組成第三個子網(wǎng)。每個子網(wǎng)之間采用路由器(LonPoint的LPR－10)相互隔離。
　　
　　3. 系統(tǒng)功能
　　　　在系統(tǒng)功能設(shè)計過程中，除了要對樓宇內(nèi)各機電設(shè)備實現(xiàn)基本功能的控制以外，要著重考慮系統(tǒng)節(jié)能，以便為用戶日后帶來更大的經(jīng)濟效益。
　　3.1 冷凍水系統(tǒng)
　　　　主要是對3臺冷水機組、3臺冷卻塔、3臺冷卻水泵、3臺冷凍水泵、集水器、分水器及相關(guān)閥門和水流開關(guān)等設(shè)備進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵的工作狀態(tài)、故障情況。
　　◆ 由LonPoint的SCH-10模塊控制冷凍機組定時啟/停。
　　◆ 由實際冷負(fù)荷控制冷水機組的開啟臺數(shù)，并對相應(yīng)的閥門和水泵進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)供回水壓差PID控制旁通閥的開度，保持供回水壓差平衡。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各個設(shè)備的運行情況，并可強制控制旁通閥的開度。
　　3.2 新風(fēng)機組
　　　主要對主樓的21臺新風(fēng)機組和配樓的7臺新風(fēng)機組進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測新風(fēng)機組的新風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、新風(fēng)閥門和風(fēng)機的運行狀態(tài)，并累計風(fēng)機的運行時間和機組的啟停次數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)測并報警過濾網(wǎng)阻塞、防凍開關(guān)和風(fēng)機故障信息。當(dāng)有報警發(fā)生時對新風(fēng)閥門、風(fēng)機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)送風(fēng)溫度PID調(diào)節(jié)冷/熱水閥門的開度，保持送風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)。
　　◆ 在冬季運行模式下，根據(jù)送風(fēng)濕度控制加濕閥的開關(guān)，保持送風(fēng)濕度在一定范圍內(nèi)。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制新風(fēng)機組定時啟/停。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各項運行參數(shù)，并可強制啟/停新風(fēng)機組。
　　3.3 空調(diào)機組
　　　主要對主樓的2臺空調(diào)機組進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測空調(diào)機組的新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、新/回風(fēng)閥門開度和風(fēng)機的運行狀態(tài)，并累計風(fēng)機的運行時間和機組的啟停次數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)測并報警過濾網(wǎng)阻塞、防凍開關(guān)和風(fēng)機故障信息。當(dāng)有報警發(fā)生時對新/回風(fēng)閥門、風(fēng)機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)新風(fēng)焓值和回內(nèi)焓值PID調(diào)節(jié)冷/熱水閥門的開度，保持回風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)。
　　◆ 在冬季運行模式下，根據(jù)送風(fēng)濕度控制加濕閥的開關(guān)，保持送風(fēng)濕度在一定范圍內(nèi)。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制新風(fēng)機組定時啟/停。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各項運行參數(shù)，并可強制啟/?？照{(diào)機組、強制新/回風(fēng)閥門的開度、強制冷/熱水閥門的開度、強制啟/停風(fēng)機、強制啟/停加濕閥。
　　3.4 照明系統(tǒng)
　　　　主要對主樓和配樓的公共照明、應(yīng)急照明和泛光照明進行監(jiān)視和控制
　　◆ 自動監(jiān)視各路照明的開關(guān)狀態(tài)。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制各路照明的定時開/關(guān)。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，不僅可觀察到各路照明的狀態(tài)，還可強制開/關(guān)各路照明。
　　3.5 變配電系統(tǒng)
　　　　主要對變配電系統(tǒng)的2路高壓進線、4臺變壓器、6個高壓斷路器、4個低壓斷路器、1個高壓母聯(lián)開關(guān)和2個低壓母聯(lián)開關(guān)進行監(jiān)測。
　　◆ 自動監(jiān)測并定期記錄高壓進線和低壓出線的電壓、電流、功率因素、有功功率和無功功率和電度等參數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)視斷路器和高/低母聯(lián)開關(guān)的工作狀態(tài)和報警狀態(tài)。
　　◆ 自動監(jiān)視4臺變壓器的高溫報警和超高溫報警狀態(tài)。
　　◆ 自動監(jiān)測變電室的室內(nèi)溫度。
　　　　在這個樓宇自動化系統(tǒng)中，還包括給排水、電梯、熱交換、有害氣體檢測、送/排風(fēng)等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大都是對相關(guān)的設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，這里不作詳細(xì)介紹。
　　
　　4. 人機界面(Human Machine Interface，HMI)
　　　　這個樓宇自動化系統(tǒng)的人機界面由美國WonderWare公司的Intouch組態(tài)軟件經(jīng)二次設(shè)計完成。通過Echelon公司提供的PCLTA-10網(wǎng)絡(luò)接口卡和LNSDDE Server動態(tài)數(shù)據(jù)交換軟件，人機界面可以從Lonworks網(wǎng)絡(luò)上采集信息，也可以把控制命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的控制節(jié)點，而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。它具有以下功能：
　?。?） 操作功能：提供5級操作密碼；能夠強制控制一些設(shè)備的啟/停；可以調(diào)整及修改設(shè)定值；可以增加、修改、取消設(shè)備運行的時間表；可以修改模擬量的報警限值。
　?。?） 設(shè)備管理功能：所有設(shè)備的原始信息，例如設(shè)備編號、設(shè)備型號、設(shè)備的物理位置和設(shè)備的生產(chǎn)廠商等；設(shè)備投入運行時間、故障記錄和設(shè)備維修報告記錄。
　?。?） 數(shù)據(jù)實時顯示功能：所有被測量的模擬量數(shù)據(jù)與開關(guān)量的狀態(tài)都能在相應(yīng)的畫面上生動、形象地表現(xiàn)出來。
　?。?） 故障報警功能：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時顯示出當(dāng)前報警信息，并有報警音樂提示，同時能記錄在故障記錄表中。
　?。?） 報表打印功能：能編制各類數(shù)據(jù)的報表，打印輸出給管理人員。
　　
　　5. 總結(jié)
　　　　由于采用了開放的Lonworks技術(shù)作為這個樓宇自動化系統(tǒng)的技術(shù)平臺，在選擇產(chǎn)品時可以有更多的選擇余地，這樣有效地控制了系統(tǒng)成本，保護了業(yè)主的投資?；贚onworks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴充性，我們可以分期添加一些功能不同但都是基于Lonworks技術(shù)的系統(tǒng)到這個網(wǎng)絡(luò)中。Lonworks技術(shù)符合國際發(fā)展潮流，適合我國國情，為智能建筑的系統(tǒng)一體化集成提供了強有力的技術(shù)平臺。