LonWorks技术在楼宇自动化系统中的应用

在简要介绍了开放的LonWorks现场总线控制技术基础上，给出了LonWorks技术在楼宇自动化系统中应用的具体实例，并对系统的组成结构和功能进行了分析。

　　1 一种开放的控制技术——LonWorks技术传统楼宇自控系统已不能满足市场和用户的需求，其原因归纳起来，有以下几个方面：
　　a．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，这样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。
　　b．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，造成资源浪费。
　　c．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。
　　d．随着计算机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。因此，建筑物业主和管理者需要一个开放的、可互操作的控制系统，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一体化地集成在这个控制系统中。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技术是一种通用的总线技术，在工业控制系统中可同时应用在Sensor Bus (传感器总线)、DeviceBus(设备总线)、FieldBus(现场总线)等任何一层总线中。它是采用神经元芯片 (NeuronChip)技术，在ISO(国际标准化组织)的OSI (开放系统互连)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芯片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，可以实现如下功能：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变风量等)。由于不需要象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。konTalk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LonWorks协议是LonWorks技术的核心。
　　1．1 神经元芯片(NeuronChip)
使用CMOSCLSI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(中央处理器)。第一个CPU为介质访问处理器，处理l_onTalk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为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ANSIC进行了删减和增补。
　　Neuron芯片可通过5个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可通过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，并为芯片内部的计时器所应用。
　　1．2 LonTalk协议
LonWorks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。它具有以下特点：
　　a．LonTalk协议支持双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤等多种传输介质。
　　b．LonTalk协议可以运行在任何主处理器(HostProcessor)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。
　　c．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，减少了开发人员的工作量。
　　d．LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓扑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
本工程是某政府机关办公楼，分主楼和副楼两部分，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26000m2，地下1层，地上9层。副楼建筑面积7600m2，地下1层，地上5层。建成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9个部分。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，故采用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—10El；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，如下图所示。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，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，网线采用Echelon公司推荐的Belden公司8741型双绞线，全部采用手拉手连接方式。整个系统分为三个子网(主楼部分两个)：主楼21台新风机组组成一个子网；主楼其它照明、给排水、变配电等系统为另一个子网；副楼所有系统组成第三个子网。每个子网之间采用路由器(Lon Point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，还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。系统应具有以下功能：
　　a．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。
　　b．由LonPoint的SCH—10模块控制冷冻机组定时启／停。
　　c．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。
　　d．根据供回水压差laid控制旁通阀的开度，保持供回水压差平衡。
　　e．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台新风机组和副楼的7台新风机组进行监视和控制。包括如下功能：
　　a．自动监测新风机组的新风温度、送风温 (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。
　　b．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。
　　c．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。
　　d．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。
　　e．正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制新风机组定时启／停。
　　f．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。具体应包括：
　　a.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。
　　b．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。
　　c．根据新风焓值和回风焓值，PID调节冷／热水阀门的开度，保持回风温度在一定范围内。
　　d．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。
　　e．正常运行情况下，由Lon Point的SCH-10模块控制新风机组定时启／停。
　　f．在人机界面(HMl)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
主要对主楼和副楼的公共照明、应急照明和泛光照明进行监视和控制，包括：
　　a．自动监视各路照明的开关状态。
　　b．正常运行情况下，由kanPoint的SCH—10模块控制各路照明的定时开／关。
　　c．在人机界面(HMl)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。包括：
　　a.自动监测并定期记录高压进线和低压出线的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率和电度等参数。
　　b．自动监视断路器和高／低压母联开关的工作状态和报警状态。
　　c．自动监视4台变压器的高温报警和超高温报警状态。
　　d．自动监测变电室的室内温度。
　　e．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(HMI)
　　本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LNSDDEServer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：
　　a．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。
　　b．设备管理功能。管理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，以及设备投入运行时间、故障记录和设备维修报告记录等。
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。
　　d．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。
　　e．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 结论
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技术为智能建筑的系统一体化集成提供了强有力的技术平台。