论文部分内容阅读
[摘 要] 本文结合智能大厦的特点，介绍了LonWorks现场总线技术的基本概念和功能特性，给出用LonWorks技术实现的楼宇自动化系统的控制方案，充分体现了现场总线在楼宇自动化领域的广阔前景。
[关键词] LonWorks 楼宇自动化 总线技术 集散控制
1、引言
第一幢智能大厦于1984年在美国哈特福德（Hartford）市建成。智能大厦是计算机网络技术、通信控制技术与建筑艺术的完美结合，具有安全、高效、合适、便利和灵活等特点。楼宇自动化系统（BAS）作为智能大厦的重要组成之一，集照明、变配电、空调、给排水、电梯、管理等系统的监视和控制为一体，是一个开放的网络通信系统。我国于20世纪90年代开始对楼宇自动化系统进行研究、设计和宣传，经过近二十年的努力，该系统正不断地走向成熟。
2、LonWorks总线技术
2.1 LonWorks技术概述
LonWorks技术是美国Echelon公司于上世纪九十年代，推出的一种新的现场总线技术，实现现场设备间的互连，并借助路由器实现不同传输介质和传输速率网络间的连接，最后通过网关接入互联网，实现基于WEB的监控。它是全面的分布式测控网络技术，真正并彻底地贯彻了“分散控制、集中管理”的控制思想，有效地解决了集散控制系统的通讯难题，在工业网络控制和楼宇自动化控制等领域得到广泛应用。
LonWorks网络系统全部由智能节点组成，节点结构如图1所示。各个节点都具备多种形式的I/O功能，用户可以对节点进行再编程，实现用户自定义的算法和功能。每个节点间可以实现点到点的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式。
图1 LonWorks网络系统的节点结构框图
如图1所示，智能节点或者智能设备与其他节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输，并遵循ISO/OSI的全部7层模型协议的规范。LonWorks技术包含监控网络的设计、安装、开发和调试等所需要的全部技术组成，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。LonWorks技术的核心是Neuron神经元芯片和LonTalk通信协议。
2.2 Neuron神经元芯片
Neuron芯片是LonWorks技术的核心，是一种的高级元件，集调度、控制通信以及I/O支持为一体，硬件结构如图2所示。根据是否支持外部存储器，分成64脚的3150和32脚的3120两大系列。3150芯片能对软件进行扩展并支持外部存储器，适用于复杂的大型系统；3120芯片则支持小型应用程序，适用于简单低成本系统。Neuron芯片集成度高，通过三个八位流水线作业的处理器CPU，分别执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令，以及实现片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。
图2 Neuron神经元芯片框图
2.3 LonTalk协议
LonTalk协议是LonWorks技术的网络通信协议，它遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）模型，提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务，是一套安全、完整、有效的系统。LonTalk协议使得各个节点在不了解名称、拓扑、功能的情况下发送和接受信息，实现节点间可靠的通信以及通信介质的有效使用，为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性强、基于数据包、面向对象的通信方式。
3、LonWorks技术在楼宇自动化系统中的应用
楼宇自动化控制近年来得到了飞速发展，楼宇自动化系统工程在智能建筑的总投入中比例也很大。LonWorks总线的LonTalk开放性协议及其技术的关键作用是能够解决“自动化孤岛”问题——因设备采用非标准化、非公开化的专有通信协议而使控制系统被封闭，系统失去了与外部的通信、扩展与互操作等功能。
图3 楼宇自动化系统的组成框图
基于LonWorks总线技术的楼宇自动化系统的基本组成如图3所示，主要是对智能建筑中所有机电设备和能源设备实现高度自动化和智能化的集中管理。它由大量分散在建筑物内的各设备子系统，如供配电、给排水、空调、电梯、照明、安防等设备，以及作为核心对它们进行测量、监视、控制、管理和协调的LonWorks智能节点构成，主要包括以下部分：
1）供配电系统
供配电系统的主要功能是对智能建筑物的供电状况进行实时监视和控制，并通过对用电情况的计量和统计，采用科学的管理方法，合理均衡负荷，以保障建筑物安全、可靠地供电。由于电力系统的状态变化和事故都是在瞬间发生的，因此利用计算机进行这种监测时要求采样间隔非常小，并且能自动连续记录在这种采样间隔下各测量参数的连续变化过程，这样才能预测并防止事故的发生，或者在事故发生后，能及时判断出故障点。
2）空调系统
在建筑物中，空调系统能耗最大，在保证环境舒适的前提下，可以采取一些优化节能控制的措施，如设备最佳启停控制、空调及制冷机的节能优化控制等，最大程度地降低能耗。能对不同区域的空调系统按预先编制的时序或通过对大楼环境温湿度的监测，自动控制建筑物内的中央空调制冷机组、冷冻水泵、冷却塔风机、电磁阀门的启停，并监视和记录各设备的状态、室内外各测点的温湿度、送风压力、流量、阀门开度和运行时间等参数。
3）电梯系统
电梯控制是建筑物内交通管理的重要枢纽。对带有完备控制装置的电梯，利用LonWorks中的智能节点将这些控制装置与楼宇自动化系统相连，并实现相互之间的数据通信，使管理中心能够随时掌握各个电梯的工作状况。可以在火灾、安保等特殊场合对电梯的运行进行直接的管理控制。
4）照明系统
照明监控系统主要是对各楼层的配电盘、办公室、门厅、走廊、庭院或停车场等处的照明、广告霓虹灯等设备自动进行启停控制，并自动实现对照明回路的分组控制、对用电过大时的自动切断，以及对厅堂和办公室等地的无人熄灯控制等。照明系统的控制与节能直接相关，对照明的协调控制反映了楼宇自动化系统的水平。
5）给排水系统
给排水系统的基本功能是对各给水泵、排水泵、污水泵及饮用水泵的运行状态进行监测，对各种水箱及污水池的水位进行实时监控，并通过对给水系统压力、流量的监测以及根据这些相关数据，启停相应的水泵，以保证给排水系统的正常运行。
楼宇自动化系统的各个子系统不是完全独立的，它们之间是相互协调，通过网络实现互动或联动，具有互操作性。因此需要一个能实现集中管理与协调的系统，把各个子系统有机地集成在一起，从而构成建筑物的自动控制网络。例如，当消防系统发现火灾报警时，首先智能控制中心要通过监视系统或相关人员对接收到的火警报告进行核实。如果是“虚”报警，撤销报警。若确实发生火灾，智能控制中心必须根据火势的大小、起火的具体地点等具体情况通过广播系统紧急呼救，向给排水、空调、电梯、照明等系统发出相关联动命令，转入火灾运行模式，保证安全。
4、结束语
LonWorks现场总线应用在楼宇自动化系统中，构成功能齐全、组成灵活的智能大厦监控系统、远程通信监控系统等，并可根据需要灵活加以组态和扩展。通过其出色的通信和控制功能，使整个网络实现了真正的完全分散的分布式控制模式。所有这些都表明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，而基于LonWorks技术的楼宇自动化系统是今后智能建筑控制系统的发展方向。
参 考 文 献
[1]张瑞武.智能建筑的系统集成及工程实施[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2]马占敖.基于LonWorks技术的智能建筑楼宇自动化系统的研究[J].制造业自动化,2010(6):98-100.
[3]刘聃.楼宇自动化中的LonWorks技术[J].广西轻工业,2011(7):75-76.
[4]贺智修.我国对LonWorks技术的开发应用现状[J].城市建筑智能系统,2002(10).
[关键词] LonWorks 楼宇自动化 总线技术 集散控制
1、引言
第一幢智能大厦于1984年在美国哈特福德（Hartford）市建成。智能大厦是计算机网络技术、通信控制技术与建筑艺术的完美结合，具有安全、高效、合适、便利和灵活等特点。楼宇自动化系统（BAS）作为智能大厦的重要组成之一，集照明、变配电、空调、给排水、电梯、管理等系统的监视和控制为一体，是一个开放的网络通信系统。我国于20世纪90年代开始对楼宇自动化系统进行研究、设计和宣传，经过近二十年的努力，该系统正不断地走向成熟。
2、LonWorks总线技术
2.1 LonWorks技术概述
LonWorks技术是美国Echelon公司于上世纪九十年代，推出的一种新的现场总线技术，实现现场设备间的互连，并借助路由器实现不同传输介质和传输速率网络间的连接，最后通过网关接入互联网，实现基于WEB的监控。它是全面的分布式测控网络技术，真正并彻底地贯彻了“分散控制、集中管理”的控制思想，有效地解决了集散控制系统的通讯难题，在工业网络控制和楼宇自动化控制等领域得到广泛应用。
LonWorks网络系统全部由智能节点组成，节点结构如图1所示。各个节点都具备多种形式的I/O功能，用户可以对节点进行再编程，实现用户自定义的算法和功能。每个节点间可以实现点到点的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式。
图1 LonWorks网络系统的节点结构框图
如图1所示，智能节点或者智能设备与其他节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输，并遵循ISO/OSI的全部7层模型协议的规范。LonWorks技术包含监控网络的设计、安装、开发和调试等所需要的全部技术组成，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。LonWorks技术的核心是Neuron神经元芯片和LonTalk通信协议。
2.2 Neuron神经元芯片
Neuron芯片是LonWorks技术的核心，是一种的高级元件，集调度、控制通信以及I/O支持为一体，硬件结构如图2所示。根据是否支持外部存储器，分成64脚的3150和32脚的3120两大系列。3150芯片能对软件进行扩展并支持外部存储器，适用于复杂的大型系统；3120芯片则支持小型应用程序，适用于简单低成本系统。Neuron芯片集成度高，通过三个八位流水线作业的处理器CPU，分别执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系统命令，以及实现片内的网络缓存器和应用缓存器进行通信。
图2 Neuron神经元芯片框图
2.3 LonTalk协议
LonTalk协议是LonWorks技术的网络通信协议，它遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）模型，提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务，是一套安全、完整、有效的系统。LonTalk协议使得各个节点在不了解名称、拓扑、功能的情况下发送和接受信息，实现节点间可靠的通信以及通信介质的有效使用，为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰性强、基于数据包、面向对象的通信方式。
3、LonWorks技术在楼宇自动化系统中的应用
楼宇自动化控制近年来得到了飞速发展，楼宇自动化系统工程在智能建筑的总投入中比例也很大。LonWorks总线的LonTalk开放性协议及其技术的关键作用是能够解决“自动化孤岛”问题——因设备采用非标准化、非公开化的专有通信协议而使控制系统被封闭，系统失去了与外部的通信、扩展与互操作等功能。
图3 楼宇自动化系统的组成框图
基于LonWorks总线技术的楼宇自动化系统的基本组成如图3所示，主要是对智能建筑中所有机电设备和能源设备实现高度自动化和智能化的集中管理。它由大量分散在建筑物内的各设备子系统，如供配电、给排水、空调、电梯、照明、安防等设备，以及作为核心对它们进行测量、监视、控制、管理和协调的LonWorks智能节点构成，主要包括以下部分：
1）供配电系统
供配电系统的主要功能是对智能建筑物的供电状况进行实时监视和控制，并通过对用电情况的计量和统计，采用科学的管理方法，合理均衡负荷，以保障建筑物安全、可靠地供电。由于电力系统的状态变化和事故都是在瞬间发生的，因此利用计算机进行这种监测时要求采样间隔非常小，并且能自动连续记录在这种采样间隔下各测量参数的连续变化过程，这样才能预测并防止事故的发生，或者在事故发生后，能及时判断出故障点。
2）空调系统
在建筑物中，空调系统能耗最大，在保证环境舒适的前提下，可以采取一些优化节能控制的措施，如设备最佳启停控制、空调及制冷机的节能优化控制等，最大程度地降低能耗。能对不同区域的空调系统按预先编制的时序或通过对大楼环境温湿度的监测，自动控制建筑物内的中央空调制冷机组、冷冻水泵、冷却塔风机、电磁阀门的启停，并监视和记录各设备的状态、室内外各测点的温湿度、送风压力、流量、阀门开度和运行时间等参数。
3）电梯系统
电梯控制是建筑物内交通管理的重要枢纽。对带有完备控制装置的电梯，利用LonWorks中的智能节点将这些控制装置与楼宇自动化系统相连，并实现相互之间的数据通信，使管理中心能够随时掌握各个电梯的工作状况。可以在火灾、安保等特殊场合对电梯的运行进行直接的管理控制。
4）照明系统
照明监控系统主要是对各楼层的配电盘、办公室、门厅、走廊、庭院或停车场等处的照明、广告霓虹灯等设备自动进行启停控制，并自动实现对照明回路的分组控制、对用电过大时的自动切断，以及对厅堂和办公室等地的无人熄灯控制等。照明系统的控制与节能直接相关，对照明的协调控制反映了楼宇自动化系统的水平。
5）给排水系统
给排水系统的基本功能是对各给水泵、排水泵、污水泵及饮用水泵的运行状态进行监测，对各种水箱及污水池的水位进行实时监控，并通过对给水系统压力、流量的监测以及根据这些相关数据，启停相应的水泵，以保证给排水系统的正常运行。
楼宇自动化系统的各个子系统不是完全独立的，它们之间是相互协调，通过网络实现互动或联动，具有互操作性。因此需要一个能实现集中管理与协调的系统，把各个子系统有机地集成在一起，从而构成建筑物的自动控制网络。例如，当消防系统发现火灾报警时，首先智能控制中心要通过监视系统或相关人员对接收到的火警报告进行核实。如果是“虚”报警，撤销报警。若确实发生火灾，智能控制中心必须根据火势的大小、起火的具体地点等具体情况通过广播系统紧急呼救，向给排水、空调、电梯、照明等系统发出相关联动命令，转入火灾运行模式，保证安全。
4、结束语
LonWorks现场总线应用在楼宇自动化系统中，构成功能齐全、组成灵活的智能大厦监控系统、远程通信监控系统等，并可根据需要灵活加以组态和扩展。通过其出色的通信和控制功能，使整个网络实现了真正的完全分散的分布式控制模式。所有这些都表明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，而基于LonWorks技术的楼宇自动化系统是今后智能建筑控制系统的发展方向。
参 考 文 献
[1]张瑞武.智能建筑的系统集成及工程实施[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2]马占敖.基于LonWorks技术的智能建筑楼宇自动化系统的研究[J].制造业自动化,2010(6):98-100.
[3]刘聃.楼宇自动化中的LonWorks技术[J].广西轻工业,2011(7):75-76.
[4]贺智修.我国对LonWorks技术的开发应用现状[J].城市建筑智能系统,2002(10).