基于Profinet的樓宇自動控制系統(tǒng)設(shè)計*

葛大衛(wèi)

(北京信息職業(yè)技術(shù)學院，北京 100015)

0 引言

樓宇自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)智能建筑的重要組成部分，它實現(xiàn)了對智能建筑各子系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，包括供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等，從而實現(xiàn)對執(zhí)行設(shè)備的優(yōu)化管理，保障設(shè)備正常運行的安全性和可靠性，并能夠提供計算費用、生成報表、分析設(shè)備使用率、分析系統(tǒng)生命周期成本等運營管理服務［1］。

傳統(tǒng)的分布式樓宇自動控制系統(tǒng)(DCS)存在如下缺點:①由于采用一對一傳輸方式，一對儀表之間使用一對傳輸線，導致接線復雜、安裝工程周期長、安裝費用高，不易于設(shè)備維護，可靠性差;②各廠家系統(tǒng)封閉，使用的傳輸協(xié)議和接口方式不開放，對于復雜的網(wǎng)絡難以實現(xiàn)產(chǎn)品的互換與互操作［2］。

近幾年，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工業(yè)以太網(wǎng)絡也應用在智能樓宇自動控制系統(tǒng)中。本文針對樓宇自動控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計了基于Profinet的樓宇自動控制系統(tǒng)。

1 Profinet簡介

Profinet是一個開放式的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)定，是由Profibus＆Profinet國際協(xié)會所提出。Profinet應用TCP/IP及資訊科技的相關(guān)標準，是實時的工業(yè)以太網(wǎng)。

與其他現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)應用主要有以下特點。

(1)實時通信 采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，提高了以太網(wǎng)通信的實時性。

(2)總線供電 采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。

(3)遠距離傳輸 采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖等技術(shù)實現(xiàn)了以太網(wǎng)的遠距離傳輸。

(4)網(wǎng)絡安全 采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。

(5)可靠性采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計、EMC設(shè)計、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計技術(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備可靠性。

(6)一網(wǎng)到底即可一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。

Profinet可分為Profinet CBA及Profinet IO二種:Profinet CBA適合經(jīng)由TCP/IP，以元件為基礎(chǔ)的通訊，Profinet IO則使用在需要實時通訊的系統(tǒng)。Profi-net CBA和Profinet IO可以在一個網(wǎng)絡中同時出現(xiàn)。

Profinet網(wǎng)絡和外部設(shè)備的通訊是借由Profinet IO來實現(xiàn)，Profinet IO定義和現(xiàn)場連接的外部設(shè)備的通訊機能，其基礎(chǔ)是級聯(lián)性的實時概念，Profinet IO定義控制器(有“主站機能”的設(shè)備)和其他設(shè)備(有“從站機能”的設(shè)備)之間完整的資料交換、參數(shù)設(shè)定及診斷機能。Profinet IO是設(shè)計用來在以以太網(wǎng)連接的設(shè)備提供快速的資料傳輸，且支援生產(chǎn)者-消費者模型(provider-consumermodel)。支援Profibus通訊協(xié)定的設(shè)備可以無縫的和Profinet網(wǎng)絡連接，不需要IO代理器(IO-Proxy)之類的設(shè)備。設(shè)備開發(fā)者可以利用市面上販售的以太網(wǎng)控制器來開發(fā)Profinet IO設(shè)備。Profinet IO適用在網(wǎng)絡循環(huán)時間在數(shù)ms的系統(tǒng)。

Profinet IO系統(tǒng)包括以下幾種設(shè)備:①IO控制器，控制自動化的任務工作。②IO設(shè)備，一般是現(xiàn)場設(shè)備，受IO控制器的控制及監(jiān)控，一個IO設(shè)備可能包括數(shù)個模組或是子模組。③IO監(jiān)控器是一個PC的軟件，可以設(shè)定參數(shù)及診斷個別模組的狀態(tài)。

Profinet IO會在IO控制器及IO設(shè)備之間建立應用關(guān)系，應用關(guān)系中會定義有不同的參數(shù)傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關(guān)系［3］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)西門子全集成自動化的系統(tǒng)理念，樓宇自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計分為管理級、控制級和現(xiàn)場級。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 樓宇自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)簡圖

(1)管理級 管理級實現(xiàn)了遠程控制、實時狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)處理、報警、報表等功能。我們使用兩臺安裝WinCC組態(tài)軟件的工控機作為管理級的上位機，兩臺WinCC服務器實現(xiàn)了冗余系統(tǒng)。WINCC冗余系統(tǒng)采用的是兩臺服務器連接到一起協(xié)同工作，當系統(tǒng)在運行期間，這兩臺服務器能實現(xiàn)相互監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)對方服務器是否進入了故障狀態(tài)。如果一臺服務器發(fā)生了故障，則所有的監(jiān)控站點會自動切換到正常工作的服務器，從而保證所有的監(jiān)控站點都可以進行對自動化系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。當在一臺服務器發(fā)生故障期間，仍然正常工作的服務器會繼續(xù)完成系統(tǒng)信息處理、過程數(shù)據(jù)歸檔、記錄等功能;而當故障服務器恢復正常工作后，故障期間的歸檔記錄也會復制到恢復正常工作的服務器，從而保證了兩臺服務器數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)。這一過程也被稱作恢復后同步。

(2)控制級 控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的關(guān)鍵，也是聯(lián)系管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐。其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對各個子系統(tǒng)進行控制，同時將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。本系統(tǒng)的控制級部分主要采用多套西門子公司S7-300(CPU315-2PN/DP)型PLC組成，采用Scalance交換機構(gòu)建成數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡，CPU315-2PN/DP集成有Profinet接口和Profibus接口，既可以連接到工業(yè)以太網(wǎng)，也可以連接到低端Profibus現(xiàn)場總線的設(shè)備，而無需重新網(wǎng)絡耦合器［4］。

(3)現(xiàn)場級 現(xiàn)場級主要有各種檢測儀表、電機、IO端口和各種控制設(shè)備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳;接受控制級的指令對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線AS-I總線來連接現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器，是解決這些問題的最佳方案。AS-I是單主站系統(tǒng)，作為控制過程或現(xiàn)場的通信處理器(CP)主站由西門子公司提供。通過DP/AS接口鏈路直接連接AS-I到Profibus-DP，從而成為Profibus-DP的子網(wǎng)絡。

3 結(jié)語

本文中設(shè)計了基于Profinet工業(yè)以太網(wǎng)的樓宇自動控制系統(tǒng)，根據(jù)全集成自動化的理念，實現(xiàn)了從管理層到現(xiàn)場設(shè)備控制層的“一網(wǎng)到底”，與智能建筑中其它系統(tǒng)，如信息網(wǎng)通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)，集成起來更加容易。

［1］ 文 方，孫 敏．集散型樓宇自控系統(tǒng)的實現(xiàn)．科技廣場［J］．2010(1):159-161．

［2］ 張 洋．樓宇自動化控制網(wǎng)絡技術(shù)研究［D］．長春:長春理工大學，2007．

［3］ 西門子．Profinet系統(tǒng)說明書［M］．A5E00879148_01 2006．

［4］ 崔光亮，馮正進，蘇 純．基于Profibus的SBR工藝污水處理自動控制系統(tǒng)［J］．給水排水，2003(11):84-87．