ＬｏｎＷｏｒｋｓ現(xiàn)場(chǎng)總線在樓宇自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊　怡

摘 要：智能建筑是建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是未來建筑發(fā)展的方向?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng),具有可靠性高、可維護(hù)性好、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點(diǎn)。著重討論了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)并將其應(yīng)用在智能建筑中,同時(shí)給出了基于LonWorks技術(shù)的樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例,提出LonWorks技術(shù)能有效地解決集散控制系統(tǒng)的通信難題。

關(guān)鍵詞：LonWorks總線;BA系統(tǒng);智能建筑;智能節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-104-03

Application of LonWorks Technology in Building Automatic Control System

YANG Yi

(College of Information and Control Engineering,Xi′an University of Architecture and Technology,Xi′an,710055,China)

Abstract：Intelligent building is the integration of construction technology and computer technology,it is the future development direction.Field bus is an all-digital,all scattered,all open control system with high reliability and maintainability,low cost, real-time control.The paper focuses on the characteristics of its LonWorks technology in smart and intelligent buildings in the area of application,and gives LonWorks technology-based on building automation system design example,LonWorks technology can be made to effectively address the communication problems of the distributed control system.

Keywords：LonWorks bus;BA system;intelligent buildings;smart node

智能建筑(Intelligent Buildings)是建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是未來建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(Building Automation System,BAS)通信自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)組成。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)建的綜合管理和控制系統(tǒng)。

1 智能大廈自動(dòng)化領(lǐng)域的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線

上個(gè)世紀(jì)80年代,隨著計(jì)算機(jī)可靠性提高,價(jià)格大幅下降,出現(xiàn)了由多個(gè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)。DCS是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統(tǒng)。它的測(cè)量變送儀表一般是模擬儀表,因此屬于一種模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)。

90年代,隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)(Field Control System,FCS)。FCS是一種全數(shù)字化、全分散、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng),具有可靠性高、可維護(hù)性好、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)總線開創(chuàng)了工業(yè)自動(dòng)控制的新紀(jì)元,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。

鑒于FCS的許多優(yōu)點(diǎn),其已被廣泛應(yīng)用到BAS控制領(lǐng)域,其中比較有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線有LonWorks,BACnet,CAN,EIB等。

(1) LonWorks

LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司1991年推出的局域操作網(wǎng),具有完整的開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái),包含所有設(shè)計(jì)、配置和支持控制網(wǎng)的元素,是目前最為先進(jìn)的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

(2) BACnet

BACnet是世界上第一個(gè)面向樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢(shì)。它詳細(xì)闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的途徑、使用的通信介質(zhì)、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規(guī)則。它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以與Ethernet、LonWorks等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫集成,以解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問題,故其不太適用于智能傳感器、執(zhí)行器等末端設(shè)備。

(3) CAN

CAN總線最初是德國Bosch公司為設(shè)計(jì)汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)而提出的,現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國際標(biāo)準(zhǔn),在電力、石化、空調(diào)、建筑等行業(yè)均有應(yīng)用。CAN的主要優(yōu)點(diǎn)在于:采用8B的短幀傳送；具有多種錯(cuò)誤校驗(yàn)方式；采用無損壞的仲裁技術(shù)；CAN芯片不但價(jià)格低而且供應(yīng)商多。CAN的主要缺點(diǎn)在于其支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少。

(4) EIB

歐洲安裝總線(European Installation Bus,EIB)1990年被提出,經(jīng)過十多年的發(fā)展,已成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。1999年EIB被引進(jìn)中國的智能化建筑領(lǐng)域,并在上海同濟(jì)大學(xué)建立了EIB認(rèn)證技術(shù)培訓(xùn)中心。

2 LonWorks技術(shù)的特點(diǎn)

LonWorks技術(shù)是1991年由美國埃施朗(Echelon)公司推出的,LonWorks技術(shù)所使用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議是LonTalk協(xié)議,該協(xié)議遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 1984年公布的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型的定義,它提供了(OSI)參考模型定義的全部7層協(xié)議,通過變量直接面向?qū)ο笸ㄐ?網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放,可以實(shí)現(xiàn)互操作。每一個(gè)域最多有255個(gè)子網(wǎng),每個(gè)子網(wǎng)最多可以有 127個(gè)節(jié)點(diǎn)。所以,一個(gè)域最多可以有255×127= 32 385個(gè)子網(wǎng)。LonWorks技術(shù)是專門為實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的,在Lon網(wǎng)絡(luò)中大批設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器等)和Lon的控制節(jié)點(diǎn)相互配合,使用LonTalks協(xié)議,經(jīng)過多種傳輸媒體進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的通信,靈活組成各種各樣的分布式智能控制系統(tǒng)。LonWorks技術(shù)能在控制層提供互操作的Lon現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),其安裝的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任何其他現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品,幾乎囊括了測(cè)控應(yīng)用的所有范疇。更準(zhǔn)確地說,LonWorks技術(shù)有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通信難題。LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擁有諸多優(yōu)點(diǎn),集中體現(xiàn)在:

(1) Neuron芯片是LonWorks技術(shù)的核心元件,它內(nèi)部帶有3個(gè)8位微處理器:1個(gè)用于鏈路層的控制；1個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層的控制；1個(gè)用于執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。該芯片還包括11個(gè)I/O口和完整的LonTalk通信協(xié)議。包括神經(jīng)元芯片的Lon節(jié)點(diǎn)具有通信和控制功能,部分節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓,對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)和穩(wěn)定性都有著重要的意義。

(2) LonWorks技術(shù)支持多種通信介質(zhì)(雙絞線、電力線、電源線、光纖、無線和紅外)和它們的互聯(lián)。

(3) 由于LonWorks技術(shù)直接面向?qū)ο笸ㄐ拧ｉ_發(fā)人員只需將主要精力花在Lon節(jié)點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計(jì)方面,而不需要專門去實(shí)現(xiàn)和測(cè)試傳輸線路和通信系統(tǒng)。

(4) LonWorks的微處理器接口程序,即MIP軟件。用MIP軟件可以開發(fā)出各種低成本的網(wǎng)關(guān),從而使各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為輕而易舉的事情。

(5) 提供LonBuilder,NodeBuilder,Neuron C及LonManager等強(qiáng)有力的開發(fā)工具平臺(tái),給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)和升級(jí)改造帶來極大的方便。

3 基于LonWorks技術(shù)的樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

某智能大廈系統(tǒng)總監(jiān)控點(diǎn)為1 240個(gè),其中數(shù)字量控制點(diǎn):DI有625個(gè),DO有358個(gè)；模擬量控制點(diǎn):AI有254個(gè),AO有3個(gè)。

系統(tǒng)采用美國埃施朗(Echelon)和先導(dǎo)公司(Advanced Tech Inc.)以LonWorks技術(shù)為核心的EU-BAS樓宇自控系統(tǒng)作為大樓的樓宇監(jiān)控系統(tǒng),而所有的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)則選定美國江森(Johnson control)公司的進(jìn)口產(chǎn)品,上層監(jiān)控軟件采用美國Wonderware公司的Intouch 7.0組態(tài)軟件開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EU-BAS樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是一種通過中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將分布在各監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域智能節(jié)點(diǎn)連接起來的集散型控制系統(tǒng),具有集中操作、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理論,系統(tǒng)采用分層分布式控制結(jié)構(gòu),由中央控制中心的操作站和各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域智能節(jié)點(diǎn)組成,系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間連接采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：信號(hào)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、LonWorks采集控制網(wǎng)絡(luò)、上位監(jiān)控PC子系統(tǒng)。

系統(tǒng)中LonWorks現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)由三類節(jié)點(diǎn)組成：

(1) 模擬量采集節(jié)點(diǎn)

主要由Neuron芯片、TP-FT10自由拓?fù)涫瞻l(fā)器、程序存儲(chǔ)器、串行A/D芯片等組成?？赏瓿?4路模擬量信號(hào)的數(shù)-模轉(zhuǎn)換,采樣分辨率為10位。

(2) 開關(guān)量采集節(jié)點(diǎn)

主要由Neuron芯片、TP-FT10自由拓?fù)涫瞻l(fā)器、程序存儲(chǔ)器、移位寄存器等組成。可接24路開關(guān)量輸入,信號(hào)全部采用光電隔離。

(3) 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

通過RS 232C串口LonTalk接口模塊LON-EU/SLTA,支持LonTalk協(xié)議,可以對(duì)LonWorks網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安裝、配置、網(wǎng)絡(luò)管理；LON-EU/SLTA通過連接Modem的RS 232C接口,各類主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LonWorks網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程遙控及進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；LonWorks網(wǎng)絡(luò)的工作節(jié)點(diǎn)通過Modem也可以向遠(yuǎn)程主機(jī)報(bào)警、傳遞信息等。LON-EU/SLTA還能實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)向其他RS 232C測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的路由功能。

主干網(wǎng)為總線型結(jié)構(gòu),通信速度達(dá)到1.25 MB/s；各子網(wǎng)為星型結(jié)構(gòu),通信速度為78.5 KB/s。主干網(wǎng)與子網(wǎng)通過LonWorks專用路由器進(jìn)行連接,子網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)故障不會(huì)影響主干網(wǎng)和其他子網(wǎng)的正常通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),監(jiān)控主機(jī)的故障不會(huì)影響整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常工作。

在上位PC機(jī)部分,采用LON-EU/SLTA作為L(zhǎng)onWorks網(wǎng)絡(luò)接口,將LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為串行通信,與上位監(jiān)控機(jī)相聯(lián)。這樣通過監(jiān)控機(jī)將LonWorks網(wǎng)絡(luò)集成到計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)(LAN),在LAN上則采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行更高一級(jí)的系統(tǒng)集成。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括LON智能節(jié)點(diǎn)的編程、安裝維護(hù)和上位監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)。

LON智能節(jié)點(diǎn)編程采用Neuron C,它完全兼容C,具有豐富的功能子程序,用戶無須關(guān)心網(wǎng)絡(luò)通信、內(nèi)存分布等問題,只須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求直接編程控制節(jié)點(diǎn)I/O端口,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控對(duì)象的訪問；各節(jié)點(diǎn)之間以網(wǎng)絡(luò)變量的形式進(jìn)行互訪,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息交換。

BA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)軟件選用LonMaker for Windows軟件。LonMaker for Windows軟件是美國Echelon公司開發(fā)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)軟件。它提供密碼保護(hù)為操作人員提供操作與維護(hù)權(quán)限,該軟件的圖形化界面使操作人員能直接明了地對(duì)各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安裝、下載應(yīng)用程序以及參數(shù)設(shè)置,操作人員利用其完善的自診斷功能對(duì)各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)的故障進(jìn)行檢測(cè)。

BA系統(tǒng)的上層監(jiān)控軟件采用Intouch 7.0組態(tài)軟件來開發(fā),它是基于Windows的32位面向?qū)ο蟮膱D形化HMI應(yīng)用程序生成工具,用于工業(yè)自動(dòng)化、過程控制和管理性監(jiān)測(cè),集成了當(dāng)今微軟最先進(jìn)的軟件技術(shù)。Intouch 7.0提供了支持LonWorks技術(shù)的I/O Server,可與LON-EU2000系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)整個(gè)BA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

當(dāng)BA系統(tǒng)安裝配置完成后,操作人員即口關(guān)閉LonMaker for Windows軟件讓BA系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行；對(duì)BA系統(tǒng)的監(jiān)控通過Intouch 7.0軟件實(shí)現(xiàn),這樣有利于系統(tǒng)安裝和監(jiān)控的完全獨(dú)立,可以有效地防止操作人員的誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。

方案設(shè)計(jì)選用LNS DDE Server全32位應(yīng)用軟件,安裝在中央監(jiān)控主機(jī)中,有上層監(jiān)控軟件 Intouch 7.0同時(shí)運(yùn)行,它的功能是實(shí)現(xiàn)BA系統(tǒng)和Intouch 7.0軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。記錄數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和紀(jì)要等可以直接分別存入上層監(jiān)控軟件的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,或轉(zhuǎn)換成Microsoft Execl等文件格式并存在當(dāng)?shù)赜脖P中,通過大樓內(nèi)部局域網(wǎng),任何上網(wǎng)用戶都可以讀取該文件并打印出來,方便使用。

整個(gè)LonWorks BA系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)通訊如圖2所示。

DDE是進(jìn)程之間的通訊機(jī)制,它使用Windows消息和共享內(nèi)存,使相互合作應(yīng)用程序能夠交換數(shù)據(jù)。DDE中存在著一種協(xié)議,發(fā)送應(yīng)用程序和接收應(yīng)用程序在交換數(shù)據(jù)時(shí)必須遵守這種協(xié)議。一般來說,數(shù)據(jù)的提供者就是DDE服務(wù)程序,而數(shù)據(jù)的接受者就是DDE客戶程序。在這里,Intouch 7.0應(yīng)用程序?yàn)镈DE客戶程序,Lon Manager DDE服務(wù)程序?yàn)榉?wù)程序。Lon Manager服務(wù)程序在LonWorks網(wǎng)絡(luò)和Windows客戶程序之間交換網(wǎng)絡(luò)變量數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

以LonWorks技術(shù)為核心的LonMark標(biāo)準(zhǔn)將被世界更多標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)證與認(rèn)可、引用,成為世界家用電器和控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化方面重要的跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks技術(shù)將人們的生活帶入Internet時(shí)代。我們身邊的樓宇、家庭、工廠和交通運(yùn)輸系統(tǒng)中,存在著由家用電器相互連接構(gòu)成的無形網(wǎng)絡(luò)。

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作者簡(jiǎn)介楊 怡 男,1984年出生,陜西西安人,在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)橹悄艽髲B系統(tǒng)工程。