德達智能系統(tǒng)研究院：燕飛
　　
　　　　隨著科技的發(fā)展、社會的進步，許多高級建筑物(例如：黨政機關、企事業(yè)單位辦公樓，高級賓館，高級寫字間)內包含的樓宇自控設備和不同功能的子系統(tǒng)越來越多，越來越復雜。同時，建筑物業(yè)主希望整個系統(tǒng)具有更高的性能、更高的效率和相對低的維護擴展費用。但由于不同廠商提供了不同功能的產品和子系統(tǒng)，采用了不同的通信協(xié)議，因此將造成各子系統(tǒng)有不同的通信速率、不同的編碼格式和不同的通信規(guī)則，致使各子系統(tǒng)間實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)互連將很困難，實現(xiàn)智能建筑的系統(tǒng)一體化集成更就無從談起。如果各子系統(tǒng)獨立運行，不僅不能對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一的協(xié)調和管理，而且會有較高的運行和維護費用，將來擴展起來也不方便?，F(xiàn)在，建筑物業(yè)主和管理者迫切需要一種開放的、可互操作的控制技術。通過這種技術建筑物內的各種自控設備都可方便地集成在一起，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)和各個設備間的自由通信，以求取得最佳的經濟利益。
　　
　　1. 一種開放的控制技術--Lonworks技術
　　　　由于前面所述的原因，目前使用的傳統(tǒng)樓宇自控系統(tǒng)已不能滿足市場和用戶的需求，歸納起來，有以下幾個方面：
　?。?） 傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)就其本身而言是一種封閉的系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在其通信協(xié)議上。不同廠商的產品采用不同的通信協(xié)議，互不兼容。如要實現(xiàn)封閉系統(tǒng)的一體化集成，就要在不同通信協(xié)議的系統(tǒng)間用網(wǎng)關(Gateway)把它們連接起來，將會產生大量的軟件編制工作。這樣實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅性能差，而且費用很高，不是理想的解決方案。
　?。?） 由于系統(tǒng)封閉，不同子系統(tǒng)間無法共享相同意義的信息。不同功能的子系統(tǒng)可能要配置相同的器件，造成極大的資源浪費。
　?。?） 由于系統(tǒng)是封閉的，從業(yè)主選擇了產品后系統(tǒng)的設計、供貨、調試到以后的維護、擴展、升級都只能由廠商來完成，業(yè)主毫無自由度可言，只能被動接受，最初的投資不能得到有效的保護。
　　（4） 隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，封閉的系統(tǒng)限制了建筑物智能化產品的更新?lián)Q代，只有開放的系統(tǒng)才能為用戶提供真正的低成本產品。
　　　　今天，建筑物業(yè)主和管理者正在尋找一種建筑物控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)是一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)，它可以把來自多家廠商的暖通空調、照明、消防、安保、門禁、給排水和電梯等設備集成一體化地集成在這個控制系統(tǒng)中。就象在計算機市場上PC機帶來的浪潮一樣，開放的、可互操作的控制系統(tǒng)的使用可以為用戶在系統(tǒng)的整個生命周期內降低系統(tǒng)安裝費用、提高性能、節(jié)約運行費用。另外，在一個控制系統(tǒng)中多廠商產品的一體化集成需要采用一個統(tǒng)一的通信協(xié)議，通過使用相同的通信協(xié)議，昂貴的用戶硬件、軟件和網(wǎng)關等設備可以被取消。
　　　　目前，美國Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技術使上述目標成為現(xiàn)實。Lonworks技術是開放系統(tǒng)的一種完整的解決方案。
　　Lonworks技術是通用的總線，在工業(yè)控制系統(tǒng)中可同時應用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus等任何一層總線中。Lonworks技術是采用神經元芯片(Neuron Chip)技術，在ISO的OSI七層協(xié)議上實現(xiàn)的網(wǎng)絡控制技術。在一個Lonworks控制網(wǎng)絡中，智能控制設備(節(jié)點)使用同一個通信協(xié)議與網(wǎng)絡中的其它節(jié)點通信。每個節(jié)點都包含內置的智能來完成協(xié)議的監(jiān)控功能。一個Lonworks控制網(wǎng)絡可以有3個到30000個或更多的節(jié)點：傳感器功能(溫度、壓力等)、執(zhí)行器功能(開關、調節(jié)閥、變頻驅動等)、操作接口(顯示、人機界面等)、控制功能(新風機組、VAV等)。由于不需要像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的中央控制器，Lonworks分布式控制技術顯示出很高的系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)響應，并且降低了系統(tǒng)的成本和運行費用。神經元芯片完成節(jié)點的事件處理，并通過多種介質把處理結果傳遞給網(wǎng)絡上的其它節(jié)點。LonTalk協(xié)議為Lonworks控制網(wǎng)絡實現(xiàn)可互操作性提供了條件。神經元芯片和LonTalk協(xié)議是Lonworks技術的核心。
　　
　　1.1 神經元芯片(Neuron Chip)
　　　　使用CMOS CLSI技術的神經元芯片使實現(xiàn)低成本的控制網(wǎng)絡成為可能。神經元芯片是高度集成的，內部包含三個8位的CPU。第一個CPU為介質訪問處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一、二層；第二個CPU為網(wǎng)絡處理器，處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，進行網(wǎng)絡變量的處理、尋址、事務處理、證實、背景診斷、軟件定時器、網(wǎng)絡管理和函數(shù)路徑選擇等；第三個CPU為應用處理器，它執(zhí)行由用戶編寫的代碼及用戶代碼所調用的操作系統(tǒng)服務。Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C中派生出來的，并對ANSI C進行了刪減和增補。
　　　　Neuron芯片可以通過5個通信管腳與網(wǎng)絡上的其它節(jié)點交換信息，也可以通過11個應用管腳與現(xiàn)場的傳感器和執(zhí)行器交換信息。11個應用管腳具有34種應用操作模式，可以在不同的配置下為外部提供靈活的接口和芯片內部的計時器應用。
　　
　　1.2 LonTalk協(xié)議
　　　　LonTalk協(xié)議遵循ISO定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，并提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務。它具有以下的特點：
　　（1） LonTalk協(xié)議支持包括雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖在內的多種傳輸介質。
　?。?） LonTalk應用可以運行在任何主處理器(Host Processor)上。主處理器(微控制器、微處理器、計算機)管理LonTalk協(xié)議的第六層和第七層并使用Lonworks網(wǎng)絡接口管理第一層到第五層。
　?。?） LonTalk協(xié)議使用網(wǎng)絡變量與其它節(jié)點通信。網(wǎng)絡變量可以是任何單個數(shù)據(jù)項也可以是結構體，并都有一個由應用程序說明的數(shù)據(jù)類型。網(wǎng)絡變量的概念大大簡化了復雜的分布式應用的編程，大大降低了開發(fā)人員的工作量。
　?。?） LonTalk協(xié)議支持總線型、星型、自由拓樸等多種拓樸結構類型，極大地方便了控制網(wǎng)絡的構建。
　　　　到目前為止，全世界安裝的Lonworks節(jié)點已超過400萬個，已有3000多家公司致力于Lonworks控制網(wǎng)絡產品和解決方案，涉及到包括建筑、家庭、工業(yè)、通訊和交通等在內的多個行業(yè)。Lonworks技術是支持完全分布式的網(wǎng)絡控制技術，是開放的、可互操作的控制系統(tǒng)的一個技術平臺。
　　
　　2. 工程簡介及系統(tǒng)總體設計
　　2.1 工程簡介
　　　　本工程是某國家機關辦公樓，分主樓和配樓兩部分，由辦公室、多功能廳、餐廳及接待室等用房組成。主樓建筑面積26000平方米，地下一層，地上九層。配樓建筑面積7600平方米，地下一層，地上五層。本工程屬于舊樓改造項目，改造后的大樓將實現(xiàn)樓宇設備的自動控制，達到對大樓內的水、電、熱、空調、通風、電梯、高低壓配電、停車場等系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制和科學管理，以實現(xiàn)舒適、安全、高效、節(jié)能的目的，并使設備損耗降低，延長使用壽命。
　　2.2 系統(tǒng)總體設計
　　　　本樓宇自動化系統(tǒng)包括：冷凍水系統(tǒng)、新風機組、空調機組、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、有害氣體檢測系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)九部分。由于Lonworks技術的開放性和全分布式的特點，并且考慮到以后與其它功能子系統(tǒng)的集成，決定采用Lonworks技術作為本系統(tǒng)的技術平臺。這個平臺上集成了來自三個不同廠商的基于Lonworks技術的產品，它們分別是：美國SIEBE公司的I/A系列新風、空調控制器；澳大利亞AUSLON公司的DI-10E1；Echelon公司的LonPoint系列產品(DI-10、DO-10、AI-10、SCH-10和LPR-10路由器模塊)。
　　　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構充分體現(xiàn)了Lonworks控制網(wǎng)絡的特點，即全分布式的，對等的，開放性的網(wǎng)絡結構，如圖1所示。與集中式網(wǎng)絡比較，Lonworks控制網(wǎng)絡的節(jié)點控制箱放置在被控對象的附近，這樣做減少了布線工作量，節(jié)省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于調試及維護。另外，如果網(wǎng)絡中一個設備出現(xiàn)故障不會影響全網(wǎng)其它設備的正常工作，把故障點分散到最小的程度。
　　
　　
　　
　　　　整個網(wǎng)絡采用自由拓樸結構，網(wǎng)線線采用Echelon公司推薦的Belden公司8741型雙絞線，連接方式全部采用手拉手連接方式。整個系統(tǒng)分為三個子網(wǎng)，主樓部分分成兩個子網(wǎng)：21臺新風機組組成一個子網(wǎng)，其它照明、給排水、變配電等系統(tǒng)為另一個子網(wǎng)；配樓所有系統(tǒng)組成第三個子網(wǎng)。每個子網(wǎng)之間采用路由器(LonPoint的LPR－10)相互隔離。
　　
　　3. 系統(tǒng)功能
　　　　在系統(tǒng)功能設計過程中，除了要對樓宇內各機電設備實現(xiàn)基本功能的控制以外，要著重考慮系統(tǒng)節(jié)能，以便為用戶日后帶來更大的經濟效益。
　　3.1 冷凍水系統(tǒng)
　　　　主要是對3臺冷水機組、3臺冷卻塔、3臺冷卻水泵、3臺冷凍水泵、集水器、分水器及相關閥門和水流開關等設備進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵的工作狀態(tài)、故障情況。
　　◆ 由LonPoint的SCH-10模塊控制冷凍機組定時啟/停。
　　◆ 由實際冷負荷控制冷水機組的開啟臺數(shù)，并對相應的閥門和水泵進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)供回水壓差PID控制旁通閥的開度，保持供回水壓差平衡。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各個設備的運行情況，并可強制控制旁通閥的開度。
　　3.2 新風機組
　　　主要對主樓的21臺新風機組和配樓的7臺新風機組進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測新風機組的新風溫度、送風溫度、送風濕度、新風閥門和風機的運行狀態(tài)，并累計風機的運行時間和機組的啟停次數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)測并報警過濾網(wǎng)阻塞、防凍開關和風機故障信息。當有報警發(fā)生時對新風閥門、風機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)送風溫度PID調節(jié)冷/熱水閥門的開度，保持送風溫度在一定范圍內。
　　◆ 在冬季運行模式下，根據(jù)送風濕度控制加濕閥的開關，保持送風濕度在一定范圍內。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制新風機組定時啟/停。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各項運行參數(shù)，并可強制啟/停新風機組。
　　3.3 空調機組
　　　主要對主樓的2臺空調機組進行監(jiān)視和控制。
　　◆ 自動監(jiān)測空調機組的新風溫度、新風濕度、回風溫度、回風濕度、新/回風閥門開度和風機的運行狀態(tài)，并累計風機的運行時間和機組的啟停次數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)測并報警過濾網(wǎng)阻塞、防凍開關和風機故障信息。當有報警發(fā)生時對新/回風閥門、風機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制。
　　◆ 根據(jù)新風焓值和回內焓值PID調節(jié)冷/熱水閥門的開度，保持回風溫度在一定范圍內。
　　◆ 在冬季運行模式下，根據(jù)送風濕度控制加濕閥的開關，保持送風濕度在一定范圍內。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制新風機組定時啟/停。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，可實時地觀察到系統(tǒng)各項運行參數(shù)，并可強制啟/?？照{機組、強制新/回風閥門的開度、強制冷/熱水閥門的開度、強制啟/停風機、強制啟/停加濕閥。
　　3.4 照明系統(tǒng)
　　　　主要對主樓和配樓的公共照明、應急照明和泛光照明進行監(jiān)視和控制
　　◆ 自動監(jiān)視各路照明的開關狀態(tài)。
　　◆ 正常運行情況下，由LonPoint的SCH-10模塊控制各路照明的定時開/關。
　　◆ 在人機界面(HMI)上，不僅可觀察到各路照明的狀態(tài)，還可強制開/關各路照明。
　　3.5 變配電系統(tǒng)
　　　　主要對變配電系統(tǒng)的2路高壓進線、4臺變壓器、6個高壓斷路器、4個低壓斷路器、1個高壓母聯(lián)開關和2個低壓母聯(lián)開關進行監(jiān)測。
　　◆ 自動監(jiān)測并定期記錄高壓進線和低壓出線的電壓、電流、功率因素、有功功率和無功功率和電度等參數(shù)。
　　◆ 自動監(jiān)視斷路器和高/低母聯(lián)開關的工作狀態(tài)和報警狀態(tài)。
　　◆ 自動監(jiān)視4臺變壓器的高溫報警和超高溫報警狀態(tài)。
　　◆ 自動監(jiān)測變電室的室內溫度。
　　　　在這個樓宇自動化系統(tǒng)中，還包括給排水、電梯、熱交換、有害氣體檢測、送/排風等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大都是對相關的設備進行狀態(tài)監(jiān)測，這里不作詳細介紹。
　　
　　4. 人機界面(Human Machine Interface，HMI)
　　　　這個樓宇自動化系統(tǒng)的人機界面由美國WonderWare公司的Intouch組態(tài)軟件經二次設計完成。通過Echelon公司提供的PCLTA-10網(wǎng)絡接口卡和LNSDDE Server動態(tài)數(shù)據(jù)交換軟件，人機界面可以從Lonworks網(wǎng)絡上采集信息，也可以把控制命令發(fā)送給網(wǎng)絡上的控制節(jié)點，而完成相應的控制任務。它具有以下功能：
　　（1） 操作功能：提供5級操作密碼；能夠強制控制一些設備的啟/停；可以調整及修改設定值；可以增加、修改、取消設備運行的時間表；可以修改模擬量的報警限值。
　?。?） 設備管理功能：所有設備的原始信息，例如設備編號、設備型號、設備的物理位置和設備的生產廠商等；設備投入運行時間、故障記錄和設備維修報告記錄。
　?。?） 數(shù)據(jù)實時顯示功能：所有被測量的模擬量數(shù)據(jù)與開關量的狀態(tài)都能在相應的畫面上生動、形象地表現(xiàn)出來。
　?。?） 故障報警功能：當設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時顯示出當前報警信息，并有報警音樂提示，同時能記錄在故障記錄表中。
　　（5） 報表打印功能：能編制各類數(shù)據(jù)的報表，打印輸出給管理人員。
　　
　　5. 總結
　　　　由于采用了開放的Lonworks技術作為這個樓宇自動化系統(tǒng)的技術平臺，在選擇產品時可以有更多的選擇余地，這樣有效地控制了系統(tǒng)成本，保護了業(yè)主的投資?；贚onworks技術的網(wǎng)絡具有很好的擴充性，我們可以分期添加一些功能不同但都是基于Lonworks技術的系統(tǒng)到這個網(wǎng)絡中。Lonworks技術符合國際發(fā)展潮流，適合我國國情，為智能建筑的系統(tǒng)一體化集成提供了強有力的技術平臺。