現(xiàn)場總線技術(shù)在樓宇自動化中的應(yīng)用

鄧麗金

【摘要】隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，其綜合運用而產(chǎn)生的自動化技術(shù)在不斷革新，應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)使得可編程控制器、集散控制系統(tǒng)和自動化儀表等的功能和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了巨大變化。本文將對現(xiàn)場總線的技術(shù)特點和現(xiàn)狀進行介紹，并對樓宇的自動化中現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用進行討論。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場總線；樓宇；自動化

引言

現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎涉及到了整個工業(yè)行業(yè)，如家庭自動化、制造加工自動化和過程自動化等，在樓宇的自動化中也有重要表現(xiàn)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了幾種主要總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各種標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)的不同領(lǐng)域里發(fā)揮著不同的作用[1]。下面本文將著重介紹樓宇自動化中涉及到的現(xiàn)場總線技術(shù)。

1.智能建筑中應(yīng)用的現(xiàn)場總線技術(shù)

1.1 LonWorks總線技術(shù)

1991年美國Echelon公司研制出的一套總線標(biāo)準(zhǔn)-LonWorks技術(shù)，是一種開放分布式控制總線技術(shù)，這種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被建筑物自動化、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛采用，是普及程度最高的，最流行的總線技術(shù)之一[2]。

目前LonWorks技術(shù)已經(jīng)被中國建設(shè)部智能建筑中心推薦使用，中國的智能建筑廣泛采用了這種控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，僅至2003年，就有286種空調(diào)控制器、24種門窗感應(yīng)器、115種安保監(jiān)控控制器、29種火災(zāi)報警控制器以及64門禁控制器使用了LonWorks技術(shù)。經(jīng)過10年的發(fā)展，這種技術(shù)的應(yīng)用更為普及了。

LonWorks節(jié)點是由開發(fā)平臺、網(wǎng)絡(luò)接口、控制模塊、收發(fā)器和神經(jīng)元芯片共同構(gòu)成的。LonWorks節(jié)點的最關(guān)鍵之處是其內(nèi)含的神經(jīng)元芯片具有三個處理單元，這三個處理單元分別用于對應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的控制。在LonWorks節(jié)點的神經(jīng)元芯片上還同時安裝有11個I/O接口，這些接口可以便捷地連接外圍輸入輸出設(shè)備，所以在這個芯片上就能夠便捷地實現(xiàn)對控制功能和網(wǎng)絡(luò)的操作。ISO/OSI的全七層通信協(xié)議是這種神經(jīng)元芯片通信使用的主要協(xié)議，除此之外，它還支持多種通信速率和傳輸介質(zhì)。

LonWorks支持的傳輸介質(zhì)包括：紅外、光線、電源線、電力線和雙絞線等。在使用過程中，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的不同，可以對傳輸介質(zhì)和收發(fā)器的種類進行選擇。LonWorks還支持面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的互操作功能可以輕松實現(xiàn)。

由于推出LonWorks技術(shù)的公司Echelon在這項技術(shù)的產(chǎn)出中處于壟斷地位，所以其他廠商采用這種技術(shù)時，成本就會相對較高[3]，這一因素嚴(yán)重影響到LonWorks技術(shù)在成本較低的樓宇自動化中的使用。

1.2 BACnet總線技術(shù)

隸屬于美國冷暖工程師協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)項目委員會135P推出了BACnet標(biāo)準(zhǔn)，這項標(biāo)準(zhǔn)在推出的同一年通過了美國國家標(biāo)準(zhǔn)局ANSI的審批成為了美國國家標(biāo)準(zhǔn)，并且BACnet標(biāo)準(zhǔn)在2000年的八月份草擬成為了樓宇自控標(biāo)準(zhǔn)。

BACnet標(biāo)準(zhǔn)的最大亮點在于其強大的互操作性。BACnet采用的協(xié)議是面向?qū)ο箢愋偷?，其?yīng)用層中對服務(wù)和對象的定義是標(biāo)準(zhǔn)化的，這使得其應(yīng)用功能可以得到較為完整的實現(xiàn)。因為BACnet擁有這樣統(tǒng)一、完善的交換技術(shù)和數(shù)據(jù)表示方法，在各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)操作行為與交換信息是很容易完成的。開發(fā)商可以依據(jù)具體開發(fā)項目的不同，選擇不同的應(yīng)用，并利用異構(gòu)BACnet設(shè)備的優(yōu)越的擴展性和重用性以及設(shè)備的互操作性以實現(xiàn)所需功能[4]，使用這種技術(shù)建構(gòu)起的系統(tǒng)，其可擴展性和集成程度都較好。

BACnet的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層都有自己的定義。BACnet網(wǎng)絡(luò)層中，所謂的物理網(wǎng)段是一段物理介質(zhì)，負(fù)責(zé)連接部分BACnet設(shè)備；多個物理網(wǎng)段共同構(gòu)成一個網(wǎng)段，這是通過在物理層中與繼電器連接來實現(xiàn)的；再通過網(wǎng)橋連接，多個網(wǎng)段可以構(gòu)成一個單獨的MAC地址域，這樣就構(gòu)成了一個BACnet網(wǎng)；所謂的BACnet局域網(wǎng)就是使用BACnet路由器將多個BACnet網(wǎng)連接到一起構(gòu)成的。

BACnet也存在缺陷，其對服務(wù)的對象的定義還不夠完善，還不能做到真正意義上的互操作。

1.3 CAN總線技術(shù)

有德國BOSCH公司推出的控制器局域網(wǎng)絡(luò)，主要用于汽車內(nèi)部執(zhí)行不見之間和數(shù)據(jù)測量的通信協(xié)議，其簡稱為CAN，即controller area network[5]。ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)將這種總線協(xié)議定為了國際總線標(biāo)準(zhǔn)，其在離散控制領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用。

CAN的信號受到干擾的程度較低，傳輸所需時間較短，這一特點源于CAN傳輸信號時所使用的幀結(jié)構(gòu)，它所使用的是短幀結(jié)構(gòu)，每幀只含有八個有效字節(jié)。CAN采用的總線沖突機制是總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上如果同時出現(xiàn)多個節(jié)點共同傳輸信息，那么通過仲裁技術(shù)調(diào)節(jié)，可以使低優(yōu)先級節(jié)點暫時停止傳輸信息，為高優(yōu)先級節(jié)點騰出空間繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。采用的雙絞線可以使得CAN信號傳輸速率達到1Mbps，最遠(yuǎn)傳輸路程可達10km，最多可掛接110個設(shè)備。

1.4 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)

由德國西門子公司等十余家企業(yè)和研究所聯(lián)合推出的PROFIBUS現(xiàn)場總線，是符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)和德國國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線技術(shù)。PROFIBUS現(xiàn)場總線包括三部分：PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMB、PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-FMB指的是現(xiàn)場總線報文規(guī)范，在包括低壓開關(guān)、可編程控制器和樓宇自動化等自動化過程中應(yīng)用廣泛[6]。而PROFIBUS-DP指的是用戶規(guī)范，其主要作用是使用快速串行鏈接將智能設(shè)備、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器、輸入/輸出設(shè)備與自動化系統(tǒng)連接起來。PROFIBUS-PA指的是過程自動化，其功能是將液面、壓力和溫度變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接到過程控制和自動化系統(tǒng)中。

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的互聯(lián)模式上使用的是ISO/OSI開放系統(tǒng)，PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的第一子集就是由這兩部分共同構(gòu)成的。PROFIBUS-DP使用了擬合的直接數(shù)據(jù)鏈接替代第三到第七層，成為了用戶接口；PROFIBUS-FMS則使用應(yīng)用層替代了第三到第六層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分；而PROFIBUS-PA可以取代4-20mA的模擬技術(shù)。

PROFIBUS采用的是雙絞線傳輸信號時，最遠(yuǎn)傳輸距離為10km，信號傳輸?shù)淖罡咚俾蕿?2Mbps。

2.樓宇自動化中現(xiàn)場總線的應(yīng)用

建設(shè)智能建筑的思路是，把建筑物作為自動化平臺，配以公共安全系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、信息設(shè)施系統(tǒng)等，以為人們提供健康、環(huán)保、節(jié)能、高效、安全的建筑環(huán)境為目標(biāo)，將管理、服務(wù)、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)合在一起?，F(xiàn)階段，智能建筑的主要構(gòu)成成分包括辦公自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)和樓宇自動化系統(tǒng)。其中智能建筑的核心部分是樓宇自動化系統(tǒng)[7]。

通過各種網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備將樓宇中的設(shè)備連接起來構(gòu)成的能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)成為樓宇自動化系統(tǒng)，它能夠為人們提供節(jié)能環(huán)保、安全可靠和舒適便捷的建筑環(huán)境[8]。通過使用現(xiàn)場總線技術(shù)，可以將樓宇系統(tǒng)中個子系統(tǒng)連接在一起，使用通信協(xié)議實現(xiàn)個自動化子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)、配合，并將子系統(tǒng)中產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)和事件回傳給自動化系統(tǒng)，以實現(xiàn)整體系統(tǒng)高效、有序和安全的運行。

3.總結(jié)

本文對應(yīng)用較為廣泛的幾種現(xiàn)場總線技術(shù)進行了介紹，并對系統(tǒng)總線技術(shù)在樓宇自動化建設(shè)中的應(yīng)用進行了淺析。通過本文闡述，我們可以知道，實現(xiàn)樓宇自動化系統(tǒng)的建設(shè)能夠大大提高人們生活的舒適度、便捷和安全程度，而在樓宇自動化系統(tǒng)的實施中，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的。在樓宇建設(shè)未來的發(fā)展進程中，現(xiàn)場總線技術(shù)在建筑上的應(yīng)用將會越來越廣泛，智能建筑將會逐步普及。

參考文獻

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