Lonworks技术在楼宇自动化系统中的应用

　德达智能系统研究院：燕飞
　　
　　　　随着科技的发展、社会的进步，许多高级建筑物(例如：党政机关、企事业单位办公楼，高级宾馆，高级写字间)内包含的楼宇自控设备和不同功能的子系统越来越多，越来越复杂。同时，建筑物业主希望整个系统具有更高的性能、更高的效率和相对低的维护扩展费用。但由于不同厂商提供了不同功能的产品和子系统，采用了不同的通信协议，因此将造成各子系统有不同的通信速率、不同的编码格式和不同的通信规则，致使各子系统间实现互操作和系统互连将很困难，实现智能建筑的系统一体化集成更就无从谈起。如果各子系统独立运行，不仅不能对整个系统进行统一的协调和管理，而且会有较高的运行和维护费用，将来扩展起来也不方便。现在，建筑物业主和管理者迫切需要一种开放的、可互操作的控制技术。通过这种技术建筑物内的各种自控设备都可方便地集成在一起，实现各个子系统和各个设备间的自由通信，以求取得最佳的经济利益。
　　
　　1. 一种开放的控制技术--Lonworks技术
　　　　由于前面所述的原因，目前使用的传统楼宇自控系统已不能满足市场和用户的需求，归纳起来，有以下几个方面：
　　（1） 传统的楼宇自控系统就其本身而言是一种封闭的系统，主要表现在其通信协议上。不同厂商的产品采用不同的通信协议，互不兼容。如要实现封闭系统的一体化集成，就要在不同通信协议的系统间用网关(Gateway)把它们连接起来，将会产生大量的软件编制工作。这样实现的系统不仅性能差，而且费用很高，不是理想的解决方案。
　　（2） 由于系统封闭，不同子系统间无法共享相同意义的信息。不同功能的子系统可能要配置相同的器件，造成极大的资源浪费。
　　（3） 由于系统是封闭的，从业主选择了产品后系统的设计、供货、调试到以后的维护、扩展、升级都只能由厂商来完成，业主毫无自由度可言，只能被动接受，最初的投资不能得到有效的保护。
　　（4） 随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，封闭的系统限制了建筑物智能化产品的更新换代，只有开放的系统才能为用户提供真正的低成本产品。
　　　　今天，建筑物业主和管理者正在寻找一种建筑物控制系统。这种控制系统是一个开放的、可互操作的控制系统，它可以把来自多家厂商的暖通空调、照明、消防、安保、门禁、给排水和电梯等设备集成一体化地集成在这个控制系统中。就象在计算机市场上PC机带来的浪潮一样，开放的、可互操作的控制系统的使用可以为用户在系统的整个生命周期内降低系统安装费用、提高性能、节约运行费用。另外，在一个控制系统中多厂商产品的一体化集成需要采用一个统一的通信协议，通过使用相同的通信协议，昂贵的用户硬件、软件和网关等设备可以被取消。
　　　　目前，美国Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技术使上述目标成为现实。Lonworks技术是开放系统的一种完整的解决方案。
　　Lonworks技术是通用的总线，在工业控制系统中可同时应用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus等任何一层总线中。Lonworks技术是采用神经元芯片(Neuron Chip)技术，在ISO的OSI七层协议上实现的网络控制技术。在一个Lonworks控制网络中，智能控制设备(节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。一个Lonworks控制网络可以有3个到30000个或更多的节点：传感器功能(温度、压力等)、执行器功能(开关、调节阀、变频驱动等)、操作接口(显示、人机界面等)、控制功能(新风机组、VAV等)。由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，Lonworks分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费用。神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。LonTalk协议为Lonworks控制网络实现可互操作性提供了条件。神经元芯片和LonTalk协议是Lonworks技术的核心。
　　
　　1.1 神经元芯片(Neuron Chip)
　　　　使用CMOS CLSI技术的神经元芯片使实现低成本的控制网络成为可能。神经元芯片是高度集成的，内部包含三个8位的CPU。第一个CPU为介质访问处理器，处理LonTalk协议的第一、二层；第二个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的第三层到第六层，进行网络变量的处理、寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件定时器、网络管理和函数路径选择等；第三个CPU为应用处理器，它执行由用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C中派生出来的，并对ANSI C进行了删减和增补。
　　　　Neuron芯片可以通过5个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可以通过11个应用管脚与现场的传感器和执行器交换信息。11个应用管脚具有34种应用操作模式，可以在不同的配置下为外部提供灵活的接口和芯片内部的计时器应用。
　　
　　1.2 LonTalk协议
　　　　LonTalk协议遵循ISO定义的开放系统互连(OSI)模型，并提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。它具有以下的特点：
　　（1） LonTalk协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。
　　（2） LonTalk应用可以运行在任何主处理器(Host Processor)上。主处理器(微控制器、微处理器、计算机)管理LonTalk协议的第六层和第七层并使用Lonworks网络接口管理第一层到第五层。
　　（3） LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体，并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量。
　　（4） LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型，极大地方便了控制网络的构建。
　　　　到目前为止，全世界安装的Lonworks节点已超过400万个，已有3000多家公司致力于Lonworks控制网络产品和解决方案，涉及到包括建筑、家庭、工业、通讯和交通等在内的多个行业。Lonworks技术是支持完全分布式的网络控制技术，是开放的、可互操作的控制系统的一个技术平台。
　　
　　2. 工程简介及系统总体设计
　　2.1 工程简介
　　　　本工程是某国家机关办公楼，分主楼和配楼两部分，由办公室、多功能厅、餐厅及接待室等用房组成。主楼建筑面积26000平方米，地下一层，地上九层。配楼建筑面积7600平方米，地下一层，地上五层。本工程属于旧楼改造项目，改造后的大楼将实现楼宇设备的自动控制，达到对大楼内的水、电、热、空调、通风、电梯、高低压配电、停车场等系统进行监测、控制和科学管理，以实现舒适、安全、高效、节能的目的，并使设备损耗降低，延长使用寿命。
　　2.2 系统总体设计
　　　　本楼宇自动化系统包括：冷冻水系统、新风机组、空调机组、给排水系统、变配电系统、电梯系统、照明系统、有害气体检测系统和热交换系统九部分。由于Lonworks技术的开放性和全分布式的特点，并且考虑到以后与其它功能子系统的集成，决定采用Lonworks技术作为本系统的技术平台。这个平台上集成了来自三个不同厂商的基于Lonworks技术的产品，它们分别是：美国SIEBE公司的I/A系列新风、空调控制器；澳大利亚AUSLON公司的DI-10E1；Echelon公司的LonPoint系列产品(DI-10、DO-10、AI-10、SCH-10和LPR-10路由器模块)。
　　　　系统的网络结构充分体现了Lonworks控制网络的特点，即全分布式的，对等的，开放性的网络结构，如图1所示。与集中式网络比较，Lonworks控制网络的节点控制箱放置在被控对象的附近，这样做减少了布线工作量，节省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于调试及维护。另外，如果网络中一个设备出现故障不会影响全网其它设备的正常工作，把故障点分散到最小的程度。
　　
　　
　　
　　　　整个网络采用自由拓朴结构，网线线采用Echelon公司推荐的Belden公司8741型双绞线，连接方式全部采用手拉手连接方式。整个系统分为三个子网，主楼部分分成两个子网：21台新风机组组成一个子网，其它照明、给排水、变配电等系统为另一个子网；配楼所有系统组成第三个子网。每个子网之间采用路由器(LonPoint的LPR－10)相互隔离。
　　
　　3. 系统功能
　　　　在系统功能设计过程中，除了要对楼宇内各机电设备实现基本功能的控制以外，要着重考虑系统节能，以便为用户日后带来更大的经济效益。
　　3.1 冷冻水系统
　　　　主要是对3台冷水机组、3台冷却塔、3台冷却水泵、3台冷冻水泵、集水器、分水器及相关阀门和水流开关等设备进行监视和控制。
　　◆ 自动监测冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵的工作状态、故障情况。
　　◆ 由LonPoint的SCH-10模块控制冷冻机组定时启/停。
　　◆ 由实际冷负荷控制冷水机组的开启台数，并对相应的阀门和水泵进行联动控制。
　　◆ 根据供回水压差PID控制旁通阀的开度，保持供回水压差平衡。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各个设备的运行情况，并可强制控制旁通阀的开度。
　　3.2 新风机组
　　　主要对主楼的21台新风机组和配楼的7台新风机组进行监视和控制。
　　◆ 自动监测新风机组的新风温度、送风温度、送风湿度、新风阀门和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。
　　◆ 自动监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。
　　◆ 根据送风温度PID调节冷/热水阀门的开度，保持送风温度在一定范围内。
　　◆ 在冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制新风机组定时启/停。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各项运行参数，并可强制启/停新风机组。
　　3.3 空调机组
　　　主要对主楼的2台空调机组进行监视和控制。
　　◆ 自动监测空调机组的新风温度、新风湿度、回风温度、回风湿度、新/回风阀门开度和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。
　　◆ 自动监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新/回风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。
　　◆ 根据新风焓值和回内焓值PID调节冷/热水阀门的开度，保持回风温度在一定范围内。
　　◆ 在冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制新风机组定时启/停。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，可实时地观察到系统各项运行参数，并可强制启/停空调机组、强制新/回风阀门的开度、强制冷/热水阀门的开度、强制启/停风机、强制启/停加湿阀。
　　3.4 照明系统
　　　　主要对主楼和配楼的公共照明、应急照明和泛光照明进行监视和控制
　　◆ 自动监视各路照明的开关状态。
　　◆ 正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制各路照明的定时开/关。
　　◆ 在人机界面(HMI)上，不仅可观察到各路照明的状态，还可强制开/关各路照明。
　　3.5 变配电系统
　　　　主要对变配电系统的2路高压进线、4台变压器、6个高压断路器、4个低压断路器、1个高压母联开关和2个低压母联开关进行监测。
　　◆ 自动监测并定期记录高压进线和低压出线的电压、电流、功率因素、有功功率和无功功率和电度等参数。
　　◆ 自动监视断路器和高/低母联开关的工作状态和报警状态。
　　◆ 自动监视4台变压器的高温报警和超高温报警状态。
　　◆ 自动监测变电室的室内温度。
　　　　在这个楼宇自动化系统中，还包括给排水、电梯、热交换、有害气体检测、送/排风等系统，这些系统大都是对相关的设备进行状态监测，这里不作详细介绍。
　　
　　4. 人机界面(Human Machine Interface，HMI)
　　　　这个楼宇自动化系统的人机界面由美国WonderWare公司的Intouch组态软件经二次设计完成。通过Echelon公司提供的PCLTA-10网络接口卡和LNSDDE Server动态数据交换软件，人机界面可以从Lonworks网络上采集信息，也可以把控制命令发送给网络上的控制节点，而完成相应的控制任务。它具有以下功能：
　　（1） 操作功能：提供5级操作密码；能够强制控制一些设备的启/停；可以调整及修改设定值；可以增加、修改、取消设备运行的时间表；可以修改模拟量的报警限值。
　　（2） 设备管理功能：所有设备的原始信息，例如设备编号、设备型号、设备的物理位置和设备的生产厂商等；设备投入运行时间、故障记录和设备维修报告记录。
　　（3） 数据实时显示功能：所有被测量的模拟量数据与开关量的状态都能在相应的画面上生动、形象地表现出来。
　　（4） 故障报警功能：当设备出现故障时，系统能及时显示出当前报警信息，并有报警音乐提示，同时能记录在故障记录表中。
　　（5） 报表打印功能：能编制各类数据的报表，打印输出给管理人员。
　　
　　5. 总结
　　　　由于采用了开放的Lonworks技术作为这个楼宇自动化系统的技术平台，在选择产品时可以有更多的选择余地，这样有效地控制了系统成本，保护了业主的投资。基于Lonworks技术的网络具有很好的扩充性，我们可以分期添加一些功能不同但都是基于Lonworks技术的系统到这个网络中。Lonworks技术符合国际发展潮流，适合我国国情，为智能建筑的系统一体化集成提供了强有力的技术平台。