一、引 言
樓宇自控系統(tǒng)（BAS）的目標(biāo)是對(duì)樓宇設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和科學(xué)管理。BAS要求盡可能采用最先進(jìn)的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；對(duì)主要監(jiān)控對(duì)象如供熱、通風(fēng)、空調(diào)等子系統(tǒng)實(shí)施集成協(xié)調(diào)運(yùn)作；BAS的控制網(wǎng)絡(luò)必須具有開(kāi)放性和互操作性，將智能建筑中所有的硬、軟件平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)整合成一個(gè)滿足用戶(hù)功能需要的完整系統(tǒng)。BAS的顯著特點(diǎn)是測(cè)控點(diǎn)分布廣、設(shè)備種類(lèi)多，為達(dá)到全面協(xié)調(diào)控制，保證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和便于科學(xué)管理，BAS系統(tǒng)一般采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它由現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)構(gòu)成：現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)直接負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制；監(jiān)控級(jí)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)進(jìn)行監(jiān)控；管理級(jí)實(shí)施相關(guān)系統(tǒng)協(xié)調(diào)與信息共享。
二、基于LonWorks的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
分布式控制系統(tǒng)以單個(gè)的傳感器和執(zhí)行器為通信節(jié)點(diǎn)，信號(hào)點(diǎn)可分散分布，其測(cè)量和控制精度不受距離影響，通過(guò)LonWorks技術(shù)，使現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器等通過(guò)兩線制網(wǎng)絡(luò)互連，進(jìn)行全數(shù)字、雙向、多站的數(shù)字通信。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：全數(shù)字化取代了傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)；開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，使產(chǎn)品設(shè)備有交互操作與互換性；采用通信線供電；通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)；分散的功能塊，有利于向綜合自動(dòng)化發(fā)展。分布式控制系統(tǒng)具有豐富的監(jiān)控管理功能，分布式控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)串行雙向快速傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它進(jìn)一步完善了整個(gè)系統(tǒng)的控制、管理、決策等功能。
圖1 基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
三、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
LonWorks總線技術(shù)完全滿足BAS要求：
1） LonWorks網(wǎng)絡(luò)采用了ISO/OSI參考模型的七層協(xié)議，有很好的開(kāi)放性，所定義的網(wǎng)絡(luò)變量標(biāo)準(zhǔn)使不同廠商的設(shè)備具有良好的互操作性。
2） 支持多種通信介質(zhì)，保證系統(tǒng)可以有多種組態(tài)。
3） Neuron芯片集通信和控制于一體，便于實(shí)現(xiàn)直接接入網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，為開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了廣闊的空間。
因此，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)為BAS的集成提供了一個(gè)完整的解決方案，具有很好的可靠性、開(kāi)放性和互操作性。
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)
樓宇自控系統(tǒng)包括：冷水系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)等，可采用LonWorks技術(shù)作技術(shù)平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，即使網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障也不會(huì)影響全網(wǎng)其他設(shè)備的正常工作，把故障點(diǎn)分散到最小的程度。
圖2 BAS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
3.2 基于LonWorks技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
基于LonWorks技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制需要四個(gè)步驟：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用配置和安裝。⑴ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：選擇與輸入輸出部件相配合的LonWorks設(shè)備，并運(yùn)行諸如PID控制應(yīng)用程序的LonWorks設(shè)備；確定適當(dāng)?shù)耐ㄐ判诺罃?shù)量和信道類(lèi)型，并選擇連接信息的路由器。⑵ 網(wǎng)絡(luò)配置：給所有的設(shè)備和設(shè)備組賦予域ID和邏輯地址；捆綁網(wǎng)絡(luò)變量，創(chuàng)建設(shè)備間的邏輯連接；在每個(gè)設(shè)備中配置各種各樣的LonWorks協(xié)議參數(shù)，包括信道位率、應(yīng)答、確認(rèn)和優(yōu)先級(jí)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)可以把設(shè)備功能塊拖放到設(shè)計(jì)圖中，連接其輸入、輸出。⑶ 應(yīng)用配置：通過(guò)應(yīng)用配置，使每個(gè)設(shè)備的應(yīng)用程序可進(jìn)行剪接以達(dá)到滿意、理想的功能。⑷ 安裝：安裝信道的物理通信介質(zhì)；把LonWorks設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，包括路由器；把I/O部件連接到LonWorks設(shè)備；用網(wǎng)絡(luò)集成工具下載網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)和設(shè)備的應(yīng)用配置數(shù)據(jù)。
四、基于LonWorks總線技術(shù)的空調(diào)控制系統(tǒng)
4.1 空調(diào)控制系統(tǒng)
空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下控制功能：溫、濕度監(jiān)視，即對(duì)新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行溫、濕度監(jiān)視，給系統(tǒng)溫、濕度的調(diào)節(jié)提供依據(jù)；風(fēng)閥的控制，即對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的控制或模擬量的調(diào)節(jié)；冷/熱水閥門(mén)的調(diào)節(jié)，使溫差保持在精度范圍內(nèi)；加濕閥的控制，即在空氣濕度低于設(shè)定的下限或者超過(guò)上限時(shí)，分別控制加濕閥的打開(kāi)與關(guān)閉；風(fēng)機(jī)控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟停控制或者變頻調(diào)速控制；過(guò)濾網(wǎng)壓差報(bào)警監(jiān)視、防凍開(kāi)關(guān)報(bào)警監(jiān)視、風(fēng)機(jī)故障報(bào)警監(jiān)視；空調(diào)機(jī)組工況轉(zhuǎn)換（冬季、夏季、過(guò)渡季）；手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
4.2 基于Lon總線技術(shù)的空調(diào)控制系統(tǒng)
根據(jù)上述分析，分布式控制系統(tǒng)是以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)，以神經(jīng)元芯片為核心，是專(zhuān)用于空調(diào)機(jī)組控制的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示 。
圖3 空調(diào)箱控制系統(tǒng)框圖
其工作原理為：溫、濕度控制器測(cè)得溫度和濕度后，通過(guò)運(yùn)算獲得閥門(mén)的調(diào)節(jié)輸出。該輸出通過(guò)Lon網(wǎng)絡(luò)送到智能閥，產(chǎn)生相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度。智能閥的數(shù)量與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。開(kāi)關(guān)量控制器則用于啟、停機(jī)組，監(jiān)測(cè)空調(diào)狀態(tài)及產(chǎn)生報(bào)警等。
4.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
⑴ 智能閥門(mén)：它直接連接在Lon網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)Lon總線接收閥門(mén)開(kāi)度命令，該命令以網(wǎng)絡(luò)變量形式出現(xiàn)。智能閥門(mén)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 智能閥門(mén)結(jié)構(gòu)圖
其主要硬件設(shè)計(jì)如下：智能閥門(mén)運(yùn)算量、存儲(chǔ)容量少，因此使用了3120芯片；使用FTT-10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器；電源部分使用LM2575芯片，濾波后能夠得到比較穩(wěn)定的+5V電壓；串行A/D采用TLCL549芯片（10位），可滿足閥位開(kāi)度控制的精度要求；繼電器為JGX-IF型固態(tài)繼電器，驅(qū)動(dòng)能力大，使用壽命長(zhǎng)；
⑵ 溫、濕度控制器硬件設(shè)計(jì)如下：溫、濕度主控制器要求有較大的存儲(chǔ)空間和處理能力，可采用3150CPU模板，該模板具有48KB 2PROM和8KB RAM空間，帶有FTT-10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器；電源部分使用MAX726芯片，濾波后能夠得到穩(wěn)定的+5V電壓；HD7279是一片具有串行接口、可驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，可以連接64鍵的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片；A/D芯片采用TLC2543，為11路模擬信道逐次逼近型12位串行AD，精度高，響應(yīng)時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單；5個(gè)按鍵，可進(jìn)行手/自動(dòng)切換和參數(shù)的直接修改；繼電器使用JGC-3FA，體積小，驅(qū)動(dòng)能力大（可直接驅(qū)動(dòng)380V交流設(shè)備），使用壽命長(zhǎng)。
在溫、濕度主控制器中有8路模擬信號(hào)輸入，可與溫度變送器或其它儀表相連接，也可利用3路熱敏電阻(NTC)或熱電阻（Pt100）輸入直接測(cè)量溫度，另外還有2路報(bào)警信號(hào)輸出。溫濕度控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 溫濕度控制器結(jié)構(gòu)圖
⑶ 開(kāi)關(guān)量控制器：開(kāi)關(guān)量控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，用于啟、停空調(diào)機(jī)組，檢測(cè)空調(diào)狀態(tài)及產(chǎn)生報(bào)警。同溫、濕度控制器一樣，選用了相同的CPU模板；電源部分使用MAX727芯片，濾波后能夠得到穩(wěn)定的+5V電壓；繼電器使用JGC-3FA，體積小，驅(qū)動(dòng)能力大（可直接驅(qū)動(dòng)380V交流設(shè)備），使用壽命長(zhǎng)。
圖6開(kāi)關(guān)量控制器結(jié)構(gòu)圖
五、系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性分析
網(wǎng)絡(luò)通信中系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要表現(xiàn)在所發(fā)送的數(shù)據(jù)在可確定的時(shí)延內(nèi)送達(dá)， LonTalk協(xié)議所采用的MAC子層協(xié)議是所謂“可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA”，這種協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用先偵聽(tīng)信道是否空閑，若空閑則以概率p發(fā)送，否則以概率門(mén)（l-p）延時(shí)一段時(shí)間（端到端的傳播時(shí)延），重新偵聽(tīng)信道[5>。提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性需要解決的問(wèn)題是：減少線路等待時(shí)延；避免沖突；沖突發(fā)生時(shí)的快速恢復(fù)。可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA協(xié)議在一定程度上解決了上述問(wèn)題，另外，LonTalk協(xié)議提供的四種服務(wù)方式以及優(yōu)先訪問(wèn)方式為優(yōu)化系統(tǒng)性能提供了方便。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要等待到介質(zhì)空閑時(shí)才能發(fā)送報(bào)文，從節(jié)點(diǎn)排隊(duì)到實(shí)際發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)延，稱(chēng)為介質(zhì)存取時(shí)延，它直接影響報(bào)文的響應(yīng)時(shí)間。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為保證獲得較小的介質(zhì)存取時(shí)延，必須保證最大預(yù)約交通量的限制。
采用不同的服務(wù)方式，會(huì)產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)特性。可預(yù)測(cè)P堅(jiān)持CSMA協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的預(yù)測(cè)是通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的應(yīng)答服務(wù)方式（確認(rèn)或請(qǐng)求/響應(yīng)）實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，對(duì)于非應(yīng)答方式的服務(wù)（非確認(rèn)、非確認(rèn)重復(fù)），MAC子層是不能產(chǎn)生預(yù)測(cè)的。對(duì)于應(yīng)答服務(wù)方式，概率P隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化。值得注意的是，相比較而言，應(yīng)答服務(wù)比非應(yīng)答服務(wù)多消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬。
當(dāng)某些變量對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常強(qiáng)時(shí)，優(yōu)先級(jí)方式是非常好的選擇。但是，在分配優(yōu)先級(jí)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：網(wǎng)絡(luò)上只能為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)分配優(yōu)先級(jí)；在為節(jié)點(diǎn)分配優(yōu)先級(jí)時(shí)隙的同時(shí)也預(yù)占了網(wǎng)絡(luò)帶寬。
六、基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成實(shí)施
在設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和上位監(jiān)控管理級(jí)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本控制功能，通過(guò)OPC服務(wù)器建立上層的監(jiān)控應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)功能時(shí)，需要首先確定整個(gè)系統(tǒng)完整的控制策略，并將其分解到多個(gè)相互獨(dú)立的模塊和子任務(wù)上；然后確定每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)所完成的子任務(wù)，以及它們之間的聯(lián)系和數(shù)據(jù)共享關(guān)系，并對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)應(yīng)用程序，然后下載程序到節(jié)點(diǎn)，調(diào)試運(yùn)行。在各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)自治運(yùn)行及完成現(xiàn)場(chǎng)控制功能的基礎(chǔ)上，上位機(jī)基于現(xiàn)場(chǎng)控制信息和現(xiàn)場(chǎng)管理信息，通過(guò)運(yùn)行OPC服務(wù)器和人機(jī)界面軟件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)和歷史信息進(jìn)行監(jiān)控。
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