LonWorks技術在樓宇自動化系統中的應用研究

何麗莉

(浙江工業大學，浙江杭州 310014)

LonWorks技術在樓宇自動化系統中的應用研究

何麗莉

(浙江工業大學，浙江杭州 310014)

本文結合智能大廈的特點，介紹了LonWorks現場總線技術的基本概念和總體結構功能，論述了用LonWorks技術實現的樓宇自動化系統(BAS)的控制方案，充分體現了現場總線在樓宇自動化領域的廣闊前景。

LonWorks樓宇自動化;現場總線;集散控制系統

1.引言

第一幢智能大廈于1984年在美國哈特福德(Hartford)市建成。智能大廈是利用系統集成的方法，將計算機網絡技術、通信技術、信息技術與建筑藝術有機地結合在一起，通過對設備的自動監控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務及其與建筑工程之間的優化組合所獲得的投資合理、適合信息社會需要并且具有安全、高效、合適、便利和靈活等特點的建筑物。作為智能大廈系統的重要組成——樓宇自動化系統 BAS，它集照明、變配電、空調、通風、給排水、電梯、管理等系統的監視和控制為一體。我國于20世紀90年代開始對樓宇自動化系統進行研究、設計和宣傳，經過近二十年的努力，該系統正不斷為人們所接受，并取得了很大的成績。

樓宇自動化是一個開放的網絡通信系統，是對智能建筑內所有動力、樓宇設備進行自動監測和控制。它主要包括中央操作站OWS、網絡控制器NCU和直接數字控制器DDC。中央操作站的主要功能是借助網絡控制器實現與直接數字控制器的連接，從而完成現場設備的監視和控制。網絡控制器的功能是通過以太網，將中央操作站與直接數字控制器連接在一起，通過Ethernet/IP協議實現信息傳遞。直接數字控制器的功能是將現場的檢測元件和執行元件連接起來，實現集中管理、分散控制工作。

2.LonWorks總線技術

2.1 LonWorks技術概述

LonWorks技術是美國Echelon公司于上世紀九十年代，推出的一種新的現場總線技術，實現現場設備間的互連，并借助路由器實現不同傳輸介質和傳輸速率網絡間的連接，最后通過網關接入互聯網，實現基于WEB的監控。它是全面的分布式測控網絡技術，真正并徹底地貫徹了“分散控制、集中管理”的控制思想，有效地解決了集散控制系統的通訊難題，在國際和國內都得到廣泛的應用，特別是在工業網絡控制和樓宇自動化控制等領域。

LonWorks網絡系統全部由智能控制設備(節點)組成，各個節點都具備多種形式的I/O功能，用戶可以對節點進行再編程，實現用戶自定義的算法和功能，節點結構如圖1所示。每個節點間可以實現點到點的信息傳送，具有極其良好的互操作性，這樣使整個網絡實現了無中心的真正的分布式控制模式。

見圖1，智能節點或者智能設備與其他節點之間可通過不同的傳輸介質進行數據傳輸，并遵循ISO/OSI的全部7層模型協議的規范。LonWorks技術包含監控網絡的設計、安裝、開發和調試等所需要的全部技術組成，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序。LonWorks技術的核心是Neuron神經元芯片和LonTalk通信協議。

圖1 LonWorks網絡系統的節點結構框圖

2.2 Neuron神經元芯片

Neuron芯片是LonWorks技術的核心，硬件結構如圖2所示，它是一種集調度、控制通信以及I/O支持為一體的高級元件。為了區分LonWorks網絡中各個節點的地址，芯片制造廠家在芯片內寫入了永久保存的48位標識碼。當前的主要型號有Motorola公司的MC系列和Toshiba公司的TMPN系列。根據是否支持外部存儲器，分成64腳的3150和32腳的3120兩大系列。3150芯片能對軟件進行擴展并支持外部存儲器，適用于復雜的大型系統;3120芯片則支持小型應用程序，適用于簡單低成本系統。Neuron芯片集成度高，通過三個八位流水線作業的處理器CPU，分別執行用戶編寫的代碼以及用戶代碼調用的操作系統命令，以及實現片內的網絡緩存器和應用緩存器進行通信。

圖2 Neuron神經元芯片框圖

2.3 LonTalk 協議

LonTalk協議是LonWorks技術的網絡通信協議，它遵循由國際標準化組織(ISO)定義的開放系統互連(OSI)模型，提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務，是一套安全、完整、有效的系統。LonTalk協議使得各個節點在不了解名稱、拓撲、功能的情況下發送和接受信息，實現節點間可靠的通信以及通信介質的有效使用，為控制應用提供了一個高可靠、高性能、高抗干擾性強、基于數據包、面向對象的通信方式。表1是LonTalk與OSI七層協議的比較。

表1 LonTalk與OSI比較

3.LonWorks技術在樓宇自動化系統中的應用

樓宇自動化控制近年來得到了飛速發展，樓宇自動化系統工程在智能建筑的總投入中比例也很大。LonWorks總線的LonTalk開放性協議及其技術的關鍵作用是能夠解決“自動化孤島”問題——因設備采用非標準化、非公開化的專有通信協議而使控制系統被封閉，系統失去了與外部的通信、擴展與互操作等功能。

圖3 樓宇自動化系統的組成框圖

基于LonWorks總線技術的樓宇自動化系統的基本組成如圖3所示，主要是對智能建筑中所有機電設備和能源設備實現高度自動化和智能化的集中管理。它由大量分散在建筑物內的各設備子系統，如供配電、給排水、空調、電梯、照明、安防等設備，以及作為核心對它們進行測量、監視、控制、管理和協調的LonWorks智能節點構成，主要包括以下部分：

3.1.1 供配電系統

供配電系統的主要功能是保證建筑物安全可靠的供電，可以對智能建筑物的供電狀況進行實時監視和控制，包括對各級電力開關的狀態、配電柜高壓和低壓側狀態、主要回路的電壓電流及功率因數、變壓器及電纜的溫度、發電機運行狀態的監測與控制，對故障進行報警等。由于電力系統的狀態變化和事故都是在瞬間發生，因此利用計算機進行這種監測時要求采樣間隔非常小，并且能自動連續記錄在這種采樣間隔下各測量參數的連續變化過程，這樣才能預測并防止事故的發生，或者在事故發生后，及時判斷故障點。此外，通過對用電情況的計量和統計，利用科學的管理方法，合理均衡負荷，以保障安全、可靠地供電。

3.1.2 空調系統

在建筑物中，空調系統能耗最大，在保證環境舒適前提下，可以采取一些優化節能控制的措施，如設備最佳啟停控制、空調及制冷機的節能優化控制、設備運行周期控制、電力負荷控制、蓄冷系統優化控制等，最大程度地降低能耗。可以對不同區域的空調系統按預先編制的時序或通過對大樓環境溫濕度的監測，自動控制建筑物內的中央空調制冷機組、冷凍水泵、冷卻塔風機、電磁閥門、風機的啟停，并監視和記錄各設備的狀態、室內外各測點的溫濕度、送風壓力、流量、閥門開度和運行時間等參數，自動進行故障報警或停機、動態顯示有關閥門、風機的位置、狀態等。

3.1.3 電梯系統

電梯控制是建筑物內交通管理的重要樞紐。對帶有完備控制裝置的電梯，利用LonWorks中的智能節點將這些控制裝置與樓宇自動化系統相連，并實現相互之間的數據通信，使管理中心能夠隨時掌握各個電梯的工作狀況，如運行狀態、故障報警、上升下降等，累積記錄電梯系統的運行時間，對多部電梯進行群控優化，并在火災、安保等特殊場合對電梯的運行進行直接的管理控制。

3.1.4 照明系統

照明監控系統主要是對各樓層的配電盤、辦公室、門廳、走廊、庭院或停車場等處的照明、廣告霓虹燈等設備自動進行啟停控制，并自動實現對照明回路的分組控制、對用電過大時的自動切斷，以及對廳堂和辦公室等地的無人熄燈控制等。照明系統的控制與節能直接相關，對照明的協調控制反映了樓宇自動化系統的水平。

3.1.5 給排水系統

給排水系統的基本功能是對各給水泵、排水泵、污水泵及飲用水泵的運行狀態進行監測，對各種水箱及污水池的水位進行實時監控，并通過對給水系統壓力、流量的監測以及根據這些相關數據，啟停相應的水泵，以保證給排水系統的正常運行。

樓宇自動化系統的各個子系統并非完全獨立運行，它們之間是相互協調，具有互操作性，能夠通過網絡實現互動或聯動的，因此需要一個能實現集中管理與協調的系統，以便各個子系統能有機地集成在一起，共同構成建筑物的自動控制網絡。例如，當消防系統發現火災報警時，首先智能控制中心要通過監視系統或相關人員對接收到的火警報告進行核實。如果是“虛”報警，撤銷報警。若確實發生火災，智能控制中心必須根據火勢的大小、起火的具體地點等具體情況通過廣播系統緊急呼救，向給排水、空調、電梯、照明等系統發出相關聯動命令，轉入火災運行模式，保證安全。

4.結束語

LonWorks現場總線應用在樓宇自動化系統中，構成功能齊全、組成靈活的智能大廈監控系統、遠程通信監控系統等，并可根據需要靈活加以組態和擴展。通過其出色的通信和控制功能，使整個網絡實現了真正的完全分散的分布式控制模式。所有這些都表明LonWorks技術為智能建筑的系統一體化集成提供了強有力的技術平臺，而基于LonWorks技術的樓宇自動化系統是今后智能建筑控制系統的發展方向。

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Analysis of Lon Works Technology App lied to Building Automation System

HE Li－li

(Zhejiang University of Technology，Hangzhou310014，China)

This paper introduces the basic concepts and overall function of LonWorks technology，expounds the methods of building automation control system using LonWorks technology according to the characteristics of intelligent building.

LonWorks;Building Automation System;Fieldbus;Distributed Control System

TP212.9 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671－3974(2012)01－0044－03

2011－10－26

何麗莉(1979－)，女，工程碩士在讀，杭州職業技術學院講師。主要從事電氣控制技術的教學研究工作。