基于LonWorks技術(shù)的智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的研究

馬占敖

（吉林建筑工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021）

0 引言

智能建筑是科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和人類社會(huì)不斷進(jìn)步的產(chǎn)物，它在信息化社會(huì)中發(fā)揮了巨大的作用，使人們的生產(chǎn)、生活環(huán)境和生產(chǎn)方式發(fā)生了翻天覆地的變化。所謂智能建筑[1]是以建筑為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、辦公自動(dòng)化及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及它們之間的最優(yōu)化組合，向人們提供一個(gè)安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境。

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線[2]技術(shù)作為最早應(yīng)用于建筑物設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)中的總線技術(shù)之一，其顯著的開(kāi)放性、可靠性和靈活性，使其無(wú)論在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制，還是在智能樓宇和家庭智能化方面均有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)基于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的研究在學(xué)術(shù)研究方面和實(shí)際工程建設(shè)中都具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 LonWorks總線技術(shù)

1.1 LonWorks技術(shù)概述

LonWorks由美國(guó)Echelon公司推出的一種全面的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。因?yàn)?，LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在控制系統(tǒng)中引入了網(wǎng)絡(luò)的概念，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以方便的實(shí)現(xiàn)分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。并使得系統(tǒng)更高效、更靈活、更易于維護(hù)和擴(kuò)展。所以，使得LonWorks無(wú)論在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制還是在智能建筑方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 Neuron芯片

Lonworks技術(shù)的核心是Neuron芯片，Neuron芯片由3個(gè)8位微處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)RAM、只讀存儲(chǔ)ROM以及通信和I/O接口組成。ROM中駐存一個(gè)操作系統(tǒng)、LonTalk協(xié)議和I/O函數(shù)庫(kù)；RAM用于存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)上下載的配置數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。LonTalk通信協(xié)議，可以確保節(jié)點(diǎn)間使用可靠的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互操作。Neuron芯片也可直接與它所監(jiān)視的傳感器和控制設(shè)備連接，來(lái)傳輸傳感器或控制設(shè)備的狀態(tài)，從而執(zhí)行控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)和其它的Neuron芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。

1.3 LonTalk協(xié)議

LonWorks協(xié)議稱為L(zhǎng)onTalk協(xié)議和ANSI/EIA709.1控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，是LonWorks系統(tǒng)的核心。LonTalk[3]協(xié)議遵循由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定義的開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型。為了確保滿足控制網(wǎng)的可靠和魯棒的通信標(biāo)準(zhǔn)，LonTalk協(xié)議為控制應(yīng)用提供了一個(gè)高可靠、高性能、高抗干擾性的通信機(jī)制。

1.4 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括五個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(LonTalk)、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和管理軟件。其中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括智能測(cè)控單元、路由器、網(wǎng)關(guān)等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括傳感器、執(zhí)行器等；管理軟件包括LonTalk開(kāi)放式通信協(xié)議，并為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。

2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)又稱建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)，它實(shí)質(zhì)上是一套采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊和自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)建筑物中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控管理的中央監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)建筑物內(nèi)的各種設(shè)備實(shí)行綜合自動(dòng)化管理以達(dá)到舒適、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的目的，為用戶提供良好的工作和生活環(huán)境，并使系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備經(jīng)常處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。通常，一個(gè)典型的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)[4]通常包括供配電、給排水、暖通空調(diào)、照明、電梯、消防、安全防范、車庫(kù)管理等子系統(tǒng)。

3 基于LonWorks的樓宇空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LonWorks的樓宇空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于LonWorks的樓宇空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 空調(diào)控制系統(tǒng)原理

空調(diào)系統(tǒng)的工作原理：空氣調(diào)節(jié)是指把經(jīng)過(guò)一定處理之后的空氣，以一定方式送入室內(nèi)，將室內(nèi)空氣的溫度、濕度、流動(dòng)速度和潔凈度等控制在一定范圍內(nèi)?？諝庹{(diào)節(jié)的形式有集中式空調(diào)系統(tǒng)(又稱中央空調(diào))、獨(dú)立式空調(diào)系統(tǒng)和混合式空調(diào)系統(tǒng)。集中式空調(diào)系統(tǒng)因?yàn)榫哂泄?jié)能、衛(wèi)生、噪音小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛采用。集中式空調(diào)系統(tǒng)通常采用一部分回風(fēng)與新鮮空氣相混合的方法，該方法既保證了室內(nèi)空氣新鮮，又利用了回風(fēng)的能量，提高了設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。集中式空調(diào)系統(tǒng)一般含有進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、空氣過(guò)濾、空氣加濕處理、空氣輸送等部分。

3.2 空調(diào)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以某一居民小區(qū)為例，我們選用北京工業(yè)大學(xué)和北京自動(dòng)化成套工程公司開(kāi)發(fā)的LonBAC-3000控制系統(tǒng)構(gòu)建空調(diào)控制系統(tǒng)[5]。LonBAC-3000系統(tǒng)是以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)，以神經(jīng)元芯片為核心，專用于空調(diào)機(jī)組控制的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LonBAC-3000基本結(jié)構(gòu)圖

其工作原理：溫、濕度控制器測(cè)得溫度和濕度后，通過(guò)運(yùn)算獲得閥門的調(diào)節(jié)輸出。該輸出通過(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò)[6]送到智能閥，產(chǎn)生相應(yīng)的閥門開(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。

該空調(diào)控制系統(tǒng)主要由PC機(jī)構(gòu)成的操作與監(jiān)控部分、LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，智能閥門、溫、濕度控制器和開(kāi)關(guān)量控制器組成。

1）智能閥門。智能閥門直接連接在LonWorks網(wǎng)絡(luò)上，直接通過(guò)LonWorks總線接收閥門開(kāi)度命令，該命令以網(wǎng)絡(luò)變量形式出現(xiàn)。智能閥門硬件的選擇：（1）智能閥門要求的運(yùn)算量以及存儲(chǔ)容量少，因此選用3120芯片。（2）使用FTT-10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器。（3）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。（4）串行A/D采用TLCL549芯片(10位)，能夠滿足閥位開(kāi)度控制的精度要求。（5）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)。

2）溫、濕度控制器。溫、濕度控制器在系統(tǒng)中作為主控制器使用。其中有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路熱敏電阻或熱電阻輸入直接測(cè)量溫度，另外還有2路報(bào)警信號(hào)輸出。溫、濕度控制器硬件選擇：（1）溫、濕度控制器作為控制的主控制器，要求有較大的存儲(chǔ)空間和處理能力，因此采用3150CPU模塊。（2）電源部分使用MAX726芯片，濾波后能夠得到穩(wěn)定的+5V電壓。（3）HD7279是一片具有串行接口、可驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，還可以連接64鍵的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。（4）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。（6）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)。

3）開(kāi)關(guān)量控制器。開(kāi)關(guān)量控制器主要用于啟、?？照{(diào)機(jī)組，檢測(cè)空調(diào)狀態(tài)及產(chǎn)生報(bào)警。開(kāi)關(guān)量控制器硬件選擇：（1）同溫、濕度控制器一樣，選用了相同的CPU模板。（2）電源部分使用MAX727芯片，濾波后能夠得到穩(wěn)定的+5V電壓。（3）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)。

4 空調(diào)控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)包括三方面：系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、駐留在PC機(jī)內(nèi)的通信程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)組態(tài)管理軟件的設(shè)計(jì)。

1）系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序。智能閥門控制程序?qū)嶋H上為一簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制程序，即將讀入的閥位值與給定值比較，根據(jù)比較結(jié)果，正反電機(jī)動(dòng)作，使閥門定位在給定的正負(fù)誤差范圍內(nèi)。

溫、濕度控制器實(shí)現(xiàn)的功能主要有模擬量的采集、處理與顯示；能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)修改、運(yùn)算及以網(wǎng)絡(luò)變量形式輸出運(yùn)算結(jié)果到其它控制器或智能閥；根據(jù)設(shè)置條件進(jìn)行報(bào)警處理；為上位機(jī)的組態(tài)提供豐富的功能等。

開(kāi)關(guān)量控制器的程序主要包括：現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的讀入與顯示；根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出；開(kāi)關(guān)量輸出的手/自動(dòng)切換等。

2）PC機(jī)內(nèi)的通信程序。LonWorks技術(shù)提供了 DDESever， DDEServer能夠?qū)崿F(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)和任何具有DDE功能的windows應(yīng)用程序間交換網(wǎng)絡(luò)變量和信息。高級(jí)語(yǔ)言VC++具有DDE設(shè)計(jì)功能，可以在PC監(jiān)視節(jié)點(diǎn)中利用VC++的DDE功能實(shí)LonWorks網(wǎng)絡(luò)的 DDEServer連接，從而完成數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換。

3）PC機(jī)組態(tài)軟件。PC機(jī)組態(tài)軟件將為用戶提供一個(gè)工程師級(jí)編輯、編譯軟件模塊和一個(gè)操作員實(shí)時(shí)操作軟件模塊。組態(tài)程序編輯器為一個(gè)圖形方式界面的編輯工具，用戶可以使用該工具隨意構(gòu)造出各種控制方式，然后編譯軟件模塊將其變?yōu)樘囟ǚ绞降臄?shù)據(jù)表(程序鏈)送到控制器中。操作軟件模塊則為用戶提供了豐富的顯示畫(huà)面和操作功能，內(nèi)容包括文件操作、編輯處理、窗口設(shè)置、常用工具、在線幫助等。

4）系統(tǒng)仿真。我們對(duì)該小區(qū)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，我們運(yùn)行Visual Basic6.0軟件，在Windows環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。從空調(diào)流程監(jiān)控畫(huà)面中可以了解空調(diào)機(jī)的當(dāng)前詳細(xì)的工作狀態(tài)信息，包括空調(diào)機(jī)的工作狀態(tài)、測(cè)點(diǎn)溫濕度、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)、電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、過(guò)濾器的狀態(tài)等重要運(yùn)行參數(shù)。操作人員可以通過(guò)這些參數(shù)了解空調(diào)機(jī)的工況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的故障。空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

5 結(jié)論

LonWorks技術(shù)的發(fā)展不僅符合國(guó)際發(fā)展潮流，適合我國(guó)國(guó)情，而且為智能建筑的系統(tǒng)一體化集成提供了強(qiáng)有力的技術(shù)平臺(tái)。所有這些都表明，LonWorks技術(shù)[7]在智能建筑樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而基于LonWorks技術(shù)的智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)將是今后智能建筑控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向?yàn)榱诉m應(yīng)未來(lái)智能建筑的發(fā)展要求，對(duì)LonWorks技術(shù)以及對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，對(duì)我國(guó)的智能建筑發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

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