基于LonWorks技术智能楼宇自动化系统设计

一、BAS的方案规划

1.技术选择

对控制系统而言,当今最具革命性的应当是现场总线(Fieldbus,简称FB)。现场总线技术是80年代末90年代初发展起来的应用于过程自动化和制造自动化领域的现场设备互联网络通信技术。一个现场总线控制系统(Fieldbus Control System,简称FCS)可以被看作由数字通信设备和监控设

备组成的分布式系统。它的出现将使传统的自动化控制系统产生革命性变革,变革现有控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构。其在智能建筑领域有着广阔的应用前景。

楼宇自控系统(Building Automation System,简称BAS)的任务是提供给客户安全、健康、舒适、温馨的生活与工作环境,并要保证整个BA系统运行的经济性和管理的智能化。因此,BAS的监控范围很广,要求其控制功能应尽可能分散,各子系统应能独立运行,并可以和其他系统交换数据,系统的整体可靠性要高,结构要灵活,实时性要求相对不高。因此,现场总线技术比较适合构成BAS。

2.LonWorks技术

LonWorks技术是1991年由美国埃施朗(Echelon)公司推出的,LonWorks技术所使用的标准通信协议是LonTalk协议,该协议遵循国际标准化组织(ISO)1984年公布的开放系统互联(OSI)参考模型的定义,它提供了(OSI)参考模型定义的全部7层协议,通过变量直接面向对象通信,网络协议开放,可以实现互操作。每一个域最多有255个子网,每个子网最多可以有127个节点。所以,一个域最多可以有255×127=32385个子网。LonWorks技术是专门为实时控制而设计的,在Lon网络中大批设备(传感器、执行器等)和Lon的控制节点相互配合,使用LonTalks协议,经过多种传输媒体进行节点之间的通信,灵活组成各种各样的分布式智能控制系统。Lonworks技术能在控制层提供互操作的Lon现场总线技术,其安装的节点数远远超过了任何其他现场总线产品,几乎囊括了测控应用的所有范畴。更准确地说,LonWorks技术有效地解决了集散控制系统的通信难题。LonWorks控制网络技术拥有诸多优点,集中体现在:

(1)Neuron芯片是LonWorks技术的核心元件,它内部带有3个8位微处理器:一个用于链路层的控制;一个用于网络层的控制;一个用于执行用户的应用程序。该芯片还包括11个I/O口和完整的LonTalk通信协议。包括神经元芯片的Lon节点具有通信和控制功能,部分节点故障不会造成系统瘫痪,

对系统的调试、维护和稳定性都有着重要的意义。

(2)LonWorks技术支持多种通信介质(双绞线、电力线、电源线、光纤、无线和红外)和它们的互联。

(3)由于LonWorks技术直接面向对象通信。开发人员只需将主要精力花在Lon节点应用设计方面,而不需要专门去实现和测试传输线路和通信系统。

(4)LonWorks的微处理器接口程序,即MIP软件。用MIP软件可以开发出各种低成本的网关,从而使各种网络的互联成为轻而易举的事情。

(5)提供LonBuilder、NodeBuilder、Neuron C及LonManager等强有力的开发工具平台,给系统设计、维护和升级改造带来极大的方便。

3.BAS总体规划

(1)系统选择

系统采用海湾安全技术有限公司以LonWorks技术为核心的BA5000楼宇自控系统;BAS网络的集成与测试采用LonBuilder网络管理器;安装与调试采用LonWorks LonMaker安装工具。

(2)设计目标

楼宇自动化系统的设计目标是:对大厦内所有机电设备如中央空调系统、变配电系统、照明系统等采用现代计算机控制技术进行全面有效的监控与管理,确保大厦内所有设备处于高效节能、安全可靠的最佳运行状态,从而更好地发挥建筑物的潜能,最终实现降低大楼的营运成本,延长机电设备的使用寿命以及提高大楼的安全性等。

二、BA系统的设计

楼宇自动化系统(Building Automation System,简称BAS)主要包括区域照明系统、空调及通风系统、供排水系统、变配电系统、消防保安系统、电梯系统、自动停车系统等。

1、系统结构

BA5000楼宇自动化系统是通过路由器将分布在各监控现场的区域智能节点连接起来的集散型控制系统,具有集中操作、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理论,系统采用分层分布式控制结构,由中央控制中心的操作站和各监控现场的区域智能节点组成,系统内节点之间的连接采用现场总线技术来实现。

监控系统由3部分组成:管理中心、LonWorks网络接口设备和LonWorks网络节点。

(1)管理中心(工作站)

建议采用工控机以便提高系统的可靠性,推荐配置为:P4 2.6G以上;512M内存;80G硬盘;1‘7纯平彩色显示器。

1)Lon网络适配器PCLTA-20 Lon网络适配器安装在计算机的插槽中,用于将管理中心计算机接入现场LonWorks网络总线。Lon网络通信速率一

般为78kbps。其中,PCLTA-20网络适配器用于PCI插槽,适用于台式PC机。

2)楼宇自控系统组态软件采用HW-BA5030。

3)Lon网络管理工具软件采用GST-XQ6001。

(2)LonWorks网络接口设备

1)LonWorksIP服务器i.Lon1000

Lon1000IP服务器可以将LonWorks控制网络和基于Internet Protocol(IP)数据网无缝地连接,从而为LonWorks技术在超大型智能建筑项目中的应用提供了强大的工具。

2)网络路由器GST-XQ6101

GST-XQ6101路由器是连接两个网段(主干线和分支)的工具,主要用于优化网络性能,提高网络通信质量。同时具有增加网络传输距离,扩展网络节点控制器的功能。通常网络节点多于50个时,应使用路由器。

3)网络集线器GST-XQ6102

网络集线器是将网络结构由星形转向总线形的一种无源连接设备。适用于网络主干上有4~8条支路的连接。当主干上有3条以下的支路时,可以使用HW—5099网络1T、3T分支器。

(3)网络(Lon)节点

主要由神经元(Neuron)芯片、自由拓扑收发器、程序存储器、传感器、控制设备和电源等组成。其中神经元芯片是LonWorks技术的核心部分。

神经元芯片拥有3个CPU、非易失性随机存储器、应用I/O口和可执行LonTalk协议的网络通信口,可以完成现场的控制和组网功能。

管理中心与子网为总线型结构,通信速度达到1.25Mpbs;各子网为星型结构,通信速度为78.5kbps。管理中心与子网通过LonWorks专用路由器进行连接,子网的局部网络故障不会影响管理中心和其他子网的正常工作;而且由于LonWorks网络为对等网络结构,监控主机的故障不会影响整个监控网络各个节点的正常工作。

在上位PC机部分,采用Lon网络适配器PCLTA-20作为LonWorks网络接口,将LonTalk协议转换为串行通信,与管理中心相联。这样通过管理中心将LonWorks网络集成到计算机局域网(LAN),在LAN上则采用TCP/IP网络协议进行更高一级的系统集成。

2、软件实现

软件设计主要包括Lon智能节点的编程、BAS网络的集成与测试和网络安装与调试。

(1)在Lon智能节点编程前,首先定义每一个节点的功能。Lon智能节点编程采用Neuron C,并使用NodeBuilder节点开发工具进行调试。Neuron C完全兼容C,具有丰富的功能子程序,用户无须关心网络通信、内存分布等问题,只需根据应用系统需求直接编程控制节点I/O端口,实现对测控对象的访问。各节点之间以网络变量的形式进行互访,实现点对点、点对多点的信息交换。

(2)BAS网络的集成与测试

在实验室用LonBuilder网络管理器对所有节点或部分节点进行集成和调试,网络管理器通过向每个节点配置网络地址,对每个网络变量绑定网络变量地址,建立并维护节点、路由器数据库,所有细节信息对用户透明,由网络管理器自动进行管理。网络管理器支持网络测试,开发者可以显示、修改和观察网络上的任意节点的任意网络变量,可以控制每个节点的工作状态。

(3)网络安装与调试

网络采用LonWorks LonMaker安装工具进行现场安装,首先进行实际地址分配、网络变量捆绑、实际节点配置。然后用LonManager协议分析网络性能,现场诊断网络的承受能力、信道容量、节点吞吐量,检验信道性能和节点性能。当BAS系统完成安装、调试后,操作人员即可关闭LonWorks. LonMaker软件让BAS系统独立运行。LonWorks技术完全满足了未来发展测控网络的要求,即开放性、灵活性、低成本、开发迅速等。LonWorks总线技术中节点的设计与开发工作因为有了神经元芯片的强大功能而变得简单易行了。从这一点我们也可以看出现场总线控制系统真正实现了

号数字化、控制功能分散化、同层设备通信化。因此,FCS控制系统具有DCS控制系统不可替代的优点。