LonWorks技术在楼宇自控系统中的应用

楼宇自动控制系统是智能建筑不可缺少的重要组成部分,其任务是对建筑物内部设施进行监测、控制与管理,以提供一个既安全可靠、又节约能源,而且舒适宜人的工作或居住环境.建筑物中有大量的空调设备、给排水设备和电气设备等,一座建筑物需要控制、监视和测量的对象很多,而且分散在楼内各处,所以控制系统需要采用分散式结构或现场总线式结构,其中现场总线控制系统(Fieldbus Control System-FCS)是20世纪80年代发展起来的新一代计算机自动控制系统,它是继计算机技术、网络技术和通讯技术得到迅猛发展后,与自动控制技术相结合的产物,现场总线控制系统在楼宇自动控制系统中的应用,保证了控制系统的网络化实现,实现了全分散控制,提高了控制系统的可靠性.

LonWorks是由美国Echelon公司1991年推出的一种全面的现场总线测控网络,又称作局部操作网(Local Operating Network-LON),该项技术目前在楼宇控制领域得到了广泛应用.本文首先讨论了LonWorks网络控制技术的特性,针对楼宇自控系统的具体要求,从不同方面分析了LonWorks技术适用于楼宇自动控制系统的性能特点,在此基础上介绍了该项技术在某智能化住宅小区监控系统中的应用.

1 LonWorks现场总线技术对楼宇自

控系统的适用性

1.1 楼宇自控系统网络的互连性

对于一座智能化建筑而言,整个楼宇自控系统要求对各个子系统的设备进行监视并控制起来,也就是应该能用一个通用的控制网络把它们连接在一起,并尽可能地降低成本.可是楼宇自控系统各子系统的设备各有其特点,且生产厂家也各不相同,它们有不同的现场控制总线、设备总线、传感器总线、BACnet及多种专用的解决方案,而且这些建筑设备有时还需和智能建筑中的其它系统,如保安防盗、消防等,发生联系,协调运作,这些系统也有独立的网络结构和通信协议,以一种网络实现这些设备之间的统一管理和调度非常困难,这项任务可以利用LonWorks网络实现.因为LonWorks技术具有两大基本优势:高性能低成本的网络接口产品,以及内含三个CPU的超大规模Neuron芯片以及固化的LonTalk通信协议.同时,利用其MIP(微处理器接口程序)软件还可以开发出各种低成本的网关,因此多种网络的互连变得非常容易.

1.2 楼宇自控系统控制网络的现场要求

控制网络不同于通用计算机网络,与一般通信网络比较,更要保证网络的高可靠性和高安全性.在控制系统中,通信网络故障将导致整个系统比较严重的全局性故障,后果将难以估计,有时甚至危及生命安全,因此要求传递的信息绝对准确、可靠.同时,为满足过程控制中的实时性要求并对事故进行及时处理,要求数据通信网络必须具备良好的实时性,这就需要采取一定的措施解决传输碰撞问题.此外,由于需要在工作现场进行控制,必须能适应现场的强电磁干扰、强腐蚀及易爆环境.由于控制现场的复杂性,对传输介质的要求也有所不同,控制网络还应当适合于不同的场合.对于上述问题, LonWorks网络采取了各种相应的措施来加以解决.

1.3 LonWorks网络特性

LonWorks技术是专门针对于控制网络设计开发的,其具有以下特性:

1)可靠性

LonWorks网络技术以超大规模的神经元芯片为核心,神经元芯片使每个节点的应用变得简单,固化的LonTalk协议具有检测应答、自动重发和请求/响应等消息服务功能,保证了通信的高可靠.节点结构分散,使得故障隔离,不影响整个系统的正常运行,易于实现冗余备份,从而提高了系统的可靠性.

2)实时性

目前在不同的网络中存在有多种介质访问控制协议,其中之一就是大家熟悉的CSMA(载波侦听),LonTalk协议的MAC(介质访问控制)协议是该标准的一种改进,目前存在的MAC协议,如IEEE802.2、802.3、802.4、802.5都不能很好地满足在大网络和多通信介质、重负荷下保持网络高效率.如以太网,在轻负载的情况下具有很好的性能,但当在重负载的情况下,重复的碰撞仍会发生,使网络效率大大降低.LonTalk协议使用改进的CSMA介质访问控制协议,称为带预测的P-坚持CSMA(Predictive P-presistent CSMA).它在保留CSMA协议优点的同时,注意克服它在控制网络中的不足,可以有效地避免网络的频繁碰撞,能够保证网络的实时性.

3)支持多种传输介质和网络拓扑结构

LonWorks网络的一个重要特点就是它对多传输介质和多种网络拓扑结构的支持,由于突破了传输介质的限制,LonWorks网络可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质.它不仅可以使用双绞线、同轴电缆,还可以使用光纤、无线电波、电力线以及红外光波等多种媒介.依据通信媒介的不同,具有300 bps~1125 Mbps的数据传输速率.根据需要选择不同的通信媒介,不仅可以简化网络安装,降低系统成本,同时还可以选择不同的数据传输速率以满足不同自动化领域中不同的通信速率的要求.

LonWorks可通过多种收发器提供典型的拓扑结构系统,如总线型、星型、环型和混合型等,这就为网络在建筑物中的安装提供了方便.

4)本征安全

有些建筑物的内部环境比较恶劣,比如化工厂、存有易燃易爆物品的仓库等,为这些建筑物设计楼宇自控系统,现场总线网络的本征安全性必须考虑.本征安全的关键是解决现场节点的供电问题,现在的方法是倾向于电源与信息共同传输,即实现通信线供电,这在目前的一些现场总线系统中是无法解决的,而LonWorks目前已有电源线、电力线等控制模块,可以完成此项功能.其用户协会已在本征安全方面作了大量研究,现已出现了满足易燃、易爆环境要求的产品.基于LonWorks的消防安全系统即将问世,可燃气体环境的本征安全系统已经投入使用,这些说明了LonWorks有其技术优势来解决这一重要技术关键问题.

2 基于LonWorks技术的住宅小区智能化控制系统

某住宅小区包括2栋29层高层住宅楼,共320套住宅,其智能化系统采用LonWorks现场总线网络技术,对所有住户实现住宅防盗监控(包括室内红外移动监测、非法闯入监控、门口防劫持密码),燃气泄漏监控,紧急求助报警,以及对控制箱的拆卸、断电报警,并对每户的水表、电表和燃气表实现远程抄表计量.

2.1 系统构成

网上连接有两台监控计算机,位于住宅小区管理处的监控中心,分别作为报警监控计算机和远程抄表计算机使用,插上PCLTA PC LonTalk适配器卡后,即可连入到监控网络中作为基于主处理器(Host Base)的监控节点.

每户使用一个LonWorks节点实现所有的安防功能,每2户使用一个单独的LonWorks节点实现远程抄表,所有节点就近连接到相应的子网上.所有检测到的报警信号均经过LonWorks节点的计算和转换,通过LonWorks网络传送到监控计算机,进行多媒体声光报警和信息提示.每抄表节点随时采集每户的水电气3表读数,并保存在Neuron芯片片内EEPROM中,因此可断电保存,并可随时由监控计算机读取.

该系统全部子网采用自由拓扑网络结构,智能节点使用FTT-10A收发器,利用双绞线作为传输介质.每个子网都通过1个路由器再连接到主干网上,中心监控计算机和抄表计算机也直接连接在主干网上.每个子网从各自的路由器(安装在第3层),垂直连接同一栋楼内每层同一户型的所有节点,由于每栋有6种户型,所以每栋楼设计有6个子网,两栋共12个子网.而分布在每层的2个抄表节点均分散安装在每栋的6个子网中,使得每个子网的网络负载尽量平衡.主干网使用TP/XF-1250收发器,使用双绞线作为传输介质,将所有路由器,1个时钟节点与中心监控计算机、抄表计算机连接,形成总线型主干网.由于所有路由器分别集中安装在两栋楼的第3层,缩短了主干网线长度,以达到较好的网络性能.

2.2 系统功能

整个系统分为3个部分:住户室内安全防卫系统,小区自动远程抄表系统以及小区管理监控中心.

2.2.1 住户室内安全防卫系统

住户室内安全防卫系统主要包括室内防盗、紧急求助、燃气泄漏探测和关断3大功能.在室内安防系统中使用的各种探测器均为简单的开关量输入/输出接口,因此采用了具有8通道开关量I/O口的LonWorks节点,每通道连接一种探测器,选用Bit I/O对象.节点程序随时监测各I/O口的状态变化,一旦某I/O通道状态发生变化,经程序判断此时探测器处于报警状态,便将相应的报警信号以网络变量的形式发送到网络上,小区监控中心收到该数据后进行相应的报警输出.每个节点可连接6个不同探测器,1个报警信号,1个交流断电监测信号.住户的各窗户旁边安装有1个红外探测器,住户门边安装有1个门磁,实现住户室内的窗警和门警等非法闯入监视.一旦有报警发生,系统启动室内报警信号,并传送到监控中心.在住户室内还安装有密码键盘,住户可通过此键盘进行室内监控的布防和撤防.还可以通过此键盘输入劫持密码,模拟对系统撤防但实际上是向监控中心进行劫持报警.住户门锁的锁孔还装有专用电子开关,使得住户在出门反锁时,监控系统能自动设防,在住户开门时,系统能自动撤防.在卧室和客厅装有紧急按钮,使得住户在家中有紧急情况时能很容易地报警求助.厨房和浴室内还装有燃气检测或自动关断器,一旦有燃气泄漏,探测器将发生报警,并报警到监控中心,同时启动关断器切断气源.

以上各种检测控制设备都通过埋管走线的方式连接到每户的终端控制箱内,该控制箱包含有LonWorks节点、稳压电源、备用电池、继电器以及交流断电报警电路、电池充电电路等,一旦因各种原因导致控制箱交流断电,立即启动备用电池工作,维持监控系统运行并向监控中心报警,备用电池能连续工作10小时左右.

2.2.2 小区自动远程抄表系统

小区自动远程抄表系统使用电子水表、电子电表、电子燃气表,以上3种表均为电子脉冲输出,对表的计量只需累计电子表输出的脉冲数即可,在节点中采用Bit I/O对象即可实现脉冲计数.这里采用带8路数字I/O通道的LonWorks节点作为专门的抄表节点,同时对8个电子表进行脉冲计数,并转换为相应的表读数,所计数据保存在节点Neuron芯片片内EEPROM中.监控中心的计算机通过LonWorks网络读取各抄表节点中各住户对应的3表数据,实现远程自动抄表.利用网络上的时钟节点,本系统可进行电费付费率抄表计算.每个抄表节点可同时抄收2个住户的3表数据,使用专门的线路供电,并配有备用电池,以保证抄表节点的连续运行.抄表节点安装在大楼每层的小设备间内,用专用铁箱密封,包含稳压电源及备用电池.小区远程抄表系统相对独立,可以自成一个单独抄表网络.本系统中将抄表网络和住户安防网络合并成同一个网络,抄表节点被就近连接到不同的监控子网上.

2.2.3 小区管理监控中心

住宅区内的全部报警信号都通过LonWorks网络送达监控计算机中,在该计算机屏幕上及时显示住户资料(姓名、电话、地址、报警级别、报警类别、报警节点地址、报警时间及住户平面图等),并可记录小区全部住户的历史报警信号,同时接受多点报警.远程抄表计算机可随时查询住户电、水、燃气表读数,对每户每月消耗的水、电、燃气的用量进行系统总用量、总金额统计.

小区监控中心还包括一个时钟节点,为整个LonWorks网络提供统一的标准实时时钟,为住户节点提供统一报警时钟,为抄表节点不同时段付费率计费提供时间依据.

3 结语

由于LonWorks的开放性,可使产品的选择多样化、网络规模大小灵活,因此可以选择各种网络设备,包括国产的节点、路由器等设备,以比较合理的价格组建符合要求的监控网络,有效控制开发成本.无论是系统升级,还是新系统设计,都可以形成不同档次的实用系统,根据客户的需求提出实施方案,并能方便地对用户节点进行修改升级.基于LonWorks技术的扩充性,还可以在现有基础上增加新的功能,实现住户家电控制、家居环境控制,以及小区周边环境控制,如系统供电设备、公共照明、蓄水及消防水箱、电梯、草地喷淋集中检测控制、停车场控制等,对于客户的各种档次要求都能在原有网络中实现.