基于Lon總線的BA實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成方案

鹽城工學(xué)院 段小匯 馮俊青

一、引言

智能樓宇的概念在20世紀(jì)80年代誕生于美國。隨著社會的進(jìn)步、科技的騰飛以及人類需求的提高，智能樓宇的需求量越來越大。目前它已成為一個國家、地區(qū)和城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。為向社會輸送大量的樓宇自動化技術(shù)人才，很多高校已開設(shè)了建筑電氣智能化專業(yè)。作為構(gòu)成智能樓宇的3A之一，BA即樓宇自動化設(shè)備占智能樓宇能源消耗量最大。為實(shí)現(xiàn)智能樓宇的安全、高效、便捷、舒適以及低能耗等目標(biāo)，樓宇自動化設(shè)備集成是非常重要的。為了能讓學(xué)生更好地掌握BA系統(tǒng)的集成技術(shù)，高校BA實(shí)驗(yàn)設(shè)備的集成是非常有必要的。

由于建筑電氣智能化專業(yè)是新生專業(yè)，所以許多高校的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備還在籌建階段。目前，我校的建筑電氣智能化實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本齊全，但處于分散控制狀態(tài)，這樣的狀態(tài)存在弊端。首先，分散的設(shè)備不便于管理。如果設(shè)備出現(xiàn)故障需要逐個排查，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計也很麻煩。其次，由于樓宇自動化系統(tǒng)有很多子系統(tǒng)，對應(yīng)設(shè)備也很多，價格也很高，所以每個子系統(tǒng)設(shè)備一般只有一套。這樣如果采用分散控制，做實(shí)驗(yàn)室往往需要多名同學(xué)共用一套系統(tǒng)，學(xué)生上手機(jī)會較少，不便于系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。因此本文提出基于Lon總線的BA實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成方案，在一定程度上能夠解決這些弊端。

二、系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我院BA實(shí)驗(yàn)室包含五大子系統(tǒng)，分別為定風(fēng)量中央空調(diào)控制系統(tǒng)、中央空調(diào)空氣處理系統(tǒng)、給排水控制系統(tǒng)、變頻恒壓供水系統(tǒng)以及供配電與照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

BA實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)上分為兩間。一間是機(jī)房，放置學(xué)生電腦、教師電腦以及上位機(jī)管理設(shè)備，構(gòu)成中央控制室（中央站）；另一間是設(shè)備間，放置五套子系統(tǒng)設(shè)備，構(gòu)成DDC現(xiàn)場控制器（分站）。系統(tǒng)由兩級網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)和LonWorks現(xiàn)場總線）連接，既可以滿足系統(tǒng)龐大的容量要求，又可以提供高速的通訊能力，使管理人員在中央控制室就可以全面了所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時也可以讓教師集中管理學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程。

系統(tǒng)一級網(wǎng)絡(luò)是一個以太網(wǎng)的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，采用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸速度為10/100M。現(xiàn)場DDC模塊通過LonWorks總線連接到以太網(wǎng)時，通過專用的數(shù)據(jù)采集站Lon網(wǎng)絡(luò)適配器（PCLTA-20）連接。工作站管理平臺通過智能建筑集成管理系統(tǒng)將各實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的信息資源匯集到一個系統(tǒng)集成平臺上，通過對資源的收集、分析、傳遞和處理，從而對整個設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的控制和決策，達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、協(xié)調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，使管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)中的任何一個終端來控制或監(jiān)測設(shè)施內(nèi)的任一設(shè)備情況。管理平臺設(shè)備主要包括UPS不間斷電源、三層核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻、服務(wù)器與管理中心機(jī)等。系統(tǒng)的二級網(wǎng)絡(luò)采用LonWorks現(xiàn)場總線，LonWorks總線方式可實(shí)現(xiàn)DDC與DDC、DDC與中央控制站之間的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。在配置系統(tǒng)上，本方案充分體現(xiàn)集中管理、分散控制的集散式系統(tǒng)設(shè)計思想，所有DDC控制器均嵌入到各子系統(tǒng)內(nèi)部，對現(xiàn)場電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，DDC可獨(dú)立完成全部的監(jiān)測、控制工作，并與其它DDC進(jìn)行雙向通信，當(dāng)系統(tǒng)通信故障時，各DDC仍能完成正常監(jiān)控功能。中央站監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)以LonWorks總線連接各DDC模塊至中央監(jiān)控中心。在中央監(jiān)控中心，我們可以查看到各種電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)，并控制電氣設(shè)備啟停。

三、下位機(jī)設(shè)備組態(tài)

要讓系統(tǒng)正常運(yùn)作，除了硬件連接還需要對下位機(jī)作設(shè)備組態(tài)。設(shè)備組態(tài)采用Echelon公司開發(fā)的LonMaker集成工具。該集成工具是用于設(shè)計、安裝和維護(hù)開放式的、互可操作的LonWorks網(wǎng)絡(luò)的軟件包，它以LNS網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)。LonMaker集成工具把強(qiáng)大的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)和易于使用的Visio用戶界面集成在一起，可用來設(shè)計和啟動一個分布式控制網(wǎng)絡(luò)，而又經(jīng)濟(jì)地可以用作一個網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)的工具。應(yīng)用LonMaker軟件可將各子系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制器DDC以設(shè)備功能塊的形式，將需要監(jiān)控的傳感器和執(zhí)行器以輸入輸出功能塊的形式，將系統(tǒng)控制邏輯通過大小狀態(tài)機(jī)的真值表功能的形式，再通過在LonMaker里圖形化和模塊化的設(shè)置就能輕松實(shí)現(xiàn)程序的編寫，因此大大縮短了開發(fā)時間，而且程序可讀性和邏輯性強(qiáng)，便于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員修改和調(diào)試。按照控制流程和控制要求可對實(shí)驗(yàn)室樓宇設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，配置后的界面如圖2所示。

在界面中，用到了設(shè)備模塊、路由器、輸入輸出功能模塊、模擬量比較模塊，狀態(tài)機(jī)模塊和運(yùn)行時間累加器模塊等。不屬于同一個設(shè)備模塊下的功能模塊相連時需要LonMaker基本圖形庫中拖出“Connector”到右側(cè)編輯區(qū)對模塊進(jìn)行連接。同一個設(shè)備下的功能模塊連接可以通過內(nèi)部綁定，所以在界面上不是所有的功能模塊都通過“Connector”相連。程序下載到DDC的過程是通過“commission”完成的。

四、上位機(jī)系統(tǒng)集成

上位機(jī)集成軟件采用智能建筑集成管理系統(tǒng)iiBS3.0，它是針對智能建筑系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)設(shè)計的上位機(jī)管理軟件系統(tǒng)，它提供了智能建筑系統(tǒng)集成中各子系統(tǒng)及各類常用設(shè)備的設(shè)計模版和集成方案，內(nèi)置了樓宇控制系統(tǒng)、小區(qū)智能化系統(tǒng)及火災(zāi)報警系統(tǒng)等的解決方案。系統(tǒng)提供了OPC、LonWorks、DDE等軟件接口，同時提供MODBUS、232/485等硬件接口，為實(shí)現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)功能及系統(tǒng)集成提供了有力工具，使系統(tǒng)集成工程變得更容易、更規(guī)范、更可靠。能夠方便地實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備自動化系統(tǒng)的無縫集成。iiBS智能建筑監(jiān)控組態(tài)開發(fā)平臺提供了可視化的流程圖組態(tài)功能，易學(xué)易用，操作方便，內(nèi)嵌豐富的圖形庫，對典型子系統(tǒng)內(nèi)嵌了工程模板，并支持VBScript腳本語言，能夠表達(dá)豐富的邏輯。系統(tǒng)采用基于XML技術(shù)的監(jiān)控應(yīng)用描述語言，并提供第三方組件的安全運(yùn)行容器，支持ActiveX控件的嵌入編程；系統(tǒng)提供了豐富的面向領(lǐng)域的應(yīng)用組件來簡化系統(tǒng)的開發(fā)，支持大型實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的組合開發(fā)；面向?qū)ο蟮目蓴U(kuò)展的VBScript編程語言，支持用戶定制對象與組件的嵌入編程。系統(tǒng)運(yùn)行采用B/S結(jié)構(gòu)，組態(tài)的流程頁面能夠發(fā)布到Web服務(wù)器，在iiBS智能建筑綜合監(jiān)控運(yùn)行平臺支持下能夠在Intranet/Internet上的進(jìn)行瀏覽，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視與控制。結(jié)合供配電與照明控制系統(tǒng)集成界面如圖3所示，其主要由供配電實(shí)驗(yàn)臺、自動空氣開關(guān)、模擬負(fù)載、無功補(bǔ)償器、備自投轉(zhuǎn)換開關(guān)、辦公樓照明模擬實(shí)驗(yàn)架、各類燈具與開關(guān)等設(shè)備組成，可以實(shí)現(xiàn)雙段母線的一用一備和互為備用的模擬實(shí)驗(yàn)，可模擬過載、短路等危險情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)各種場景下的照明狀態(tài)切換。

中央空調(diào)以冷熱水源及定風(fēng)量控制系統(tǒng)集成界面如圖4和圖5所示。其中定風(fēng)量中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要由冷卻水塔、壓縮機(jī)、控制柜、熱水器、送風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道、水箱、分水器與集水器等設(shè)備組成。可以實(shí)現(xiàn)冬季和夏季兩種工況下的模擬運(yùn)行與程序控制。中央空調(diào)空氣處理系統(tǒng)是定風(fēng)量中央空調(diào)控制系統(tǒng)的濃縮版本，組成及功能與定風(fēng)量中央空調(diào)控制系統(tǒng)相似，但在空氣處理環(huán)節(jié)增加了溫、濕度傳感器器和風(fēng)閥門的控制。給排水控制系統(tǒng)界面如圖6所示，系統(tǒng)主要由用戶終端、水池、三相水泵、單相水泵、壓力變送器、氣壓罐與控制柜等組成?？梢詫?shí)現(xiàn)多種途徑的給水排水監(jiān)測與控制。變頻恒壓供水系統(tǒng)是給排水系統(tǒng)中的一部分功能的放大。能夠?qū)崿F(xiàn)工頻與變頻的自動切換、定時啟停給水泵等功能。

圖3 變配電控制系統(tǒng)集成界面

圖4 冷熱水源集成界面

圖5 中央空調(diào)定風(fēng)量控制系統(tǒng)集成界面

圖6 給排水控制系統(tǒng)集成界面

在本文所述的方案中，學(xué)生可以針對上述任意一臺設(shè)備完成其相應(yīng)的單個模塊組態(tài)試驗(yàn)、系統(tǒng)整體組態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)備集成聯(lián)動控制實(shí)驗(yàn)以及設(shè)備的連接等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)玻璃幕墻，可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備與學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作間分割開來。這樣做的目的有兩個：一是要保護(hù)設(shè)備。因樓宇自動化實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)點(diǎn)眾多，任何碰線、斷線都可能系統(tǒng)不能正常工作，所以在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)盡v可能地避免學(xué)生對設(shè)備的直接接觸；二是還原真實(shí)系統(tǒng)。在真實(shí)的樓宇自動化系統(tǒng)中有遠(yuǎn)程監(jiān)控站與現(xiàn)場控制站之分。我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以將學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作間作為遠(yuǎn)程監(jiān)控端，而將教師機(jī)作為現(xiàn)場控制機(jī)。但有所區(qū)別的是教師機(jī)還可以管理控制學(xué)生機(jī)。教師機(jī)的作用是利用集成軟件對一方面作為服務(wù)器將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砥脚_，另一方面可以將部份數(shù)據(jù)共享給學(xué)生機(jī)，能夠設(shè)罝與分配實(shí)驗(yàn)題目并能對學(xué)生機(jī)提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改生成實(shí)驗(yàn)報告并打印。

在學(xué)生機(jī)端學(xué)生能訪問教師機(jī)中的共享數(shù)據(jù)，從而在自己制作的組態(tài)畫面中創(chuàng)建動畫鏈接。學(xué)生如果需要對某個設(shè)備環(huán)節(jié)做控制操作時，則需先將控制信號發(fā)送到教師機(jī)，由教師機(jī)選擇將控制信號傳送到現(xiàn)場設(shè)備的時間和順序。這樣做是因?yàn)樵谧龌A(chǔ)實(shí)驗(yàn)時一般每個實(shí)驗(yàn)室每批學(xué)生將近20人，而每個實(shí)驗(yàn)室面積有限，設(shè)備數(shù)量在6臺左右。這樣必然會出現(xiàn)多名學(xué)生對同一臺設(shè)備作控制操作的情況，如不有效地管理，則可能造成系統(tǒng)的崩潰。所以在這種情況下，教師機(jī)起到了很關(guān)鍵的作用。而在課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中可考慮幾名學(xué)生針對同一系統(tǒng)共同完成一個課題設(shè)計，所以就不存在這種競爭現(xiàn)象了。

五、結(jié)束語

本文介紹的基于Lon總線的BA實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成系統(tǒng)系統(tǒng)采用了典型的集散型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分散控制、集中管理。該系統(tǒng)包含了智能樓宇中的樓宇設(shè)備自動化系統(tǒng)與通訊自動化系統(tǒng)，各子系統(tǒng)設(shè)備齊全，且均為真實(shí)產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的主要功能，能夠使學(xué)生充分理解智能樓宇的概念，掌握系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)采用局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的共享，可以同時供幾十名同學(xué)同時訪問所有子系統(tǒng)，并作組態(tài)監(jiān)控。該系統(tǒng)為智能樓宇的設(shè)計和運(yùn)行管理提供了一個全面的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。它既可以針對校內(nèi)學(xué)生開設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計等相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)，也可對外開放，作為企業(yè)員工的培訓(xùn)基地。

[1]智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB/T50314-2000,中華人民共和國建設(shè)部,2000.

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