基于雙絞線的時分復用技術研究與應用

龍海珊

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

近年來，隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，智能建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，成為智慧城市建設不可或缺的基礎元素，建筑的智能化很大程度上依賴于建筑中機電設備的智能控制。 傳統(tǒng)的建筑中，實現(xiàn)機電設備控制的供電和通信有以下兩種解決方案：第一種方案是分別采用供電電纜和通信電纜，由于二者電壓等級和技術標準不同，采用不同的穿線管敷設，此方案避免了供電功率大對通信線路信號傳輸?shù)挠绊?，目前在工程應用中較為普遍，但存在設計繁瑣、施工及維護工程量大的缺點；第二種方案是采用電力載波技術，用一條電纜同時實現(xiàn)電力傳輸和雙向通信，此方案雖然設計、施工及維護工作量大大減少，但數(shù)據(jù)傳輸速率低、通信信號干擾嚴重且傳輸功率小，故工程應用較少。

針對上述工程實踐中存在的問題，本文探討的核心技術是在雙絞線上應用時分復用技術，實現(xiàn)建筑中機電設備的一體化智能監(jiān)控，達到強電與弱電的有機兼容。 筆者作為科研課題“建筑設備電氣一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術及研究”的主要完成人，結合課題研究成果，系統(tǒng)闡述基于雙絞線的時分復用技術研究思路、系統(tǒng)工作原理以及該技術在建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。

1 基于雙絞線的時分復用技術研究思路

基于雙絞線的時分復用技術研究的總體思路是將采用時分復用技術的雙絞線工作時間分為三種時間片，即通信時間片、供電時間片和狀態(tài)緩沖時間片。 供電時間片和通信時間片交替切換，在二者相互切換時插入緩沖時間片，從而達到用一根雙絞線既能供電、又能進行數(shù)據(jù)通信的目的，供電采用單向傳輸，數(shù)據(jù)通信采用雙向傳輸。 在供電轉向通信時產(chǎn)生的高頻諧波通過緩沖時間片消除，從而大幅降低了電力傳輸對數(shù)據(jù)通信的干擾。 實驗數(shù)據(jù)及工程實際運行數(shù)據(jù)表明，采用時分復用技術的雙絞線平均供電電流可達16A，可以同時滿足線纜在供電能力、通信質(zhì)量、工程造價、安裝維護等方面的需求，從而降低工程成本，提高總體經(jīng)濟效益。

2 基于雙絞線的時分復用技術的系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)包括主設備和從設備，二者通過雙絞線（總線）連接，網(wǎng)絡拓撲圖如圖1 所示。 主設備可采用雙機熱備，增加系統(tǒng)可靠性。 下面筆者將從3 個方面就系統(tǒng)運行進行詳細闡述。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.1 雙絞線總線工作時間片設定

采用時分復用技術的雙絞線的工作時間分成三種時間片，如圖2 所示，通信時間片a、供電時間片b 和狀態(tài)緩沖時間片c。

圖2 系統(tǒng)功能及時序圖

由圖2 可見，通信時間片a 和供電時間片b 交替出現(xiàn)，在二者相互切換時插入緩沖時間片c。 前一時間片（a 或b）對線路的影響在緩沖時間片c 得到釋放并逐漸消失。 供電時間片（b）前后的緩沖時間片（c）一般不同，一般通信狀態(tài)向供電狀態(tài)切換的緩沖時間片設置較短，供電狀態(tài)向通信狀態(tài)切換的緩沖時間片設置較長。 主設備控制三種時間片的時序排布，并負責在供電時間片時段內(nèi)向從設備提供電力。

從圖2 中還可以看到，在通信時間片a 時段內(nèi)，系統(tǒng)主要實現(xiàn)主設備和從設備之間的雙向通信，通信物理層邏輯可采用電壓邏輯、電流邏輯、電壓電流混合邏輯三種方式，具體分析如下。

（1）電壓邏輯方式：利用U1和U2兩種電平來分別表示0 邏輯與1 邏輯，采用固定壓差dU（即U1－U2為固定值）的方式。 在課題研究中U1取36V、dU采用12V，則經(jīng)計算U2應為24V。 當U1、U2較高時，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率能得到有效提高。

（2）電流邏輯方式：利用雙絞線（總線）上的兩個電流Ia和Ie來分別表示0 邏輯與1 邏輯，圖2 中Ie可以取0～10mA，在課題研究中Ie取10mA。

（3）電壓、電流邏輯混合方式：主設備采用電壓邏輯方式向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設備采用電流邏輯方式向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)，反之亦可。 在緩沖時間片c 時段，線路的電壓處于U1電平狀態(tài)，電流處于無序、不確定的過渡狀態(tài)。

在供電時間片b 時段內(nèi)，雙絞線（總線）的兩根雙絞線間的電壓U1由主設備決定，該總線上的電流Ib則根據(jù)從設備及負載單元的工作情況變化而變化。

2.2 系統(tǒng)主設備

圖3 為系統(tǒng)主設備工作原理圖。 主設備內(nèi)含主設備電源、主設備處理器單元、主設備通信控制單元和時間片切換單元。 主設備處理器單元通過控制時間片切換單元實現(xiàn)對系統(tǒng)總線工作狀態(tài)的控制，當總線切換至供電狀態(tài)時連接到總線電源，當總線切換至通信狀態(tài)時連接到主設備通信控制單元。

時間片切換單元負責將系統(tǒng)總線切換到通信時間片a、供電時間片b 或狀態(tài)緩沖時間片c。 時間片切換單元的功率切換一般由功率電子器件來實現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)主設備工作原理圖

2.3 系統(tǒng)從設備

圖4 為系統(tǒng)從設備工作原理圖。 從設備內(nèi)含極性變換單元、儲能單元、負載控制單元、從設備電源、從設備通信控制單元和從設備處理器單元。 儲能單元用于在供電時間片b 時段儲能，并在通信時間片a 向從設備或負載供電，當負載和電流較大時，可增設儲能單元。

從設備處理器單元通過負載控制單元驅(qū)動負載單元，極性變換單元將任意極性的雙絞線變換為固定確定極性，使從設備能夠無極性連接到系統(tǒng)總線上。 儲能單元可采用直流電容儲能或蓄電池儲能。 負載控制單元的驅(qū)動部件可為繼電器、接觸器或功率晶體管。

圖4 系統(tǒng)從設備工作原理圖

3 時分復用技術的雙絞線應用于建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 典型應用系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

根據(jù)課題研究成果，“基于時分復用技術的雙絞線總線”可應用于建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)中，當系統(tǒng)控制設備和受控設備為直流供電時，其網(wǎng)絡結構如圖5 所示。

圖5 建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

由圖5 可以看出，系統(tǒng)通過一條總線實現(xiàn)對控制設備及受控設備（如燈具、閥門、盤管等）的供電，同時可進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，其中“I”為輸入信號，“O”為輸出信號。 根據(jù)工程實際與產(chǎn)品性能，總線上的從設備可接多個受控設備，但每條回路從設備總數(shù)宜≤32 個，供電電流宜≤16A，每條回路的線路長度宜≤250m。

3.2 工程應用

筆者以某大型文化藝術場館為例，對基于時分復用技術的雙絞線總線在該項目照明系統(tǒng)中的應用作簡單說明。 場館總建筑面積約5 萬m2，地上6 層，建筑定位為當?shù)貥酥拘越ㄖ?，?nèi)部功能分區(qū)復雜，光環(huán)境品質(zhì)要求高。 該項目公共區(qū)域照明系統(tǒng)采用建筑設備一體化監(jiān)控技術，選用北京某公司的ePower 系列產(chǎn)品，采用基于時分復用技術的雙絞線總線及系列控制設備，實現(xiàn)了對大樓公共區(qū)域不同分區(qū)照明的精準控制。 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖如圖6 所示。

圖6 照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

由圖6 可知，該項目系統(tǒng)主設備采用總線回路控制器M702，系統(tǒng)從設備采用總線調(diào)光模塊S714V，每個從設備S714V 接4 個調(diào)光模塊。 項目設置主設備M702 共81 個、從設備S714V 共423個。 該項目照明系統(tǒng)自竣工以來運行狀況良好，完美地實現(xiàn)了建筑及業(yè)主對于照明燈具的控制要求。經(jīng)估算，與傳統(tǒng)強電供電與智能照明控制的方式相比較，該項目在照明控制子項中節(jié)約造價約320萬元。

工程實踐表明，采用時分復用技術的雙絞線總線應用于建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)有良好的實際應用價值，對于受控機電設備受控點多、分布分散、容量小的現(xiàn)代樓宇而言，具有傳統(tǒng)工業(yè)總線不可比擬的優(yōu)勢。

4 結束語

綜上所述，基于雙絞線的時分復用技術創(chuàng)造性地將傳統(tǒng)的設備數(shù)據(jù)通信與供電線路融合為一條總線，實現(xiàn)了供電與數(shù)據(jù)通信的有機兼容，為建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)提供了關鍵技術支撐，在工程實際應用中獲得了良好的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益，具有廣闊的推廣應用前景。 筆者也希望通過此文，給同行對于機電設備監(jiān)控策略提供一種有效的解決方案。