【安防知識網】樓宇自動化系統(tǒng)(BAS)是按分布式信息與控制理論設計的集散監(jiān)控系統(tǒng)(DCS)，它是由計算機技術、自動控制技術、通信網絡技術和人機接口技術相互發(fā)展?jié)B透而產生[1]。然而，集散型控制系統(tǒng)還沒有從根本上解決系統(tǒng)內部通信問題和分布式問題，只是自成封閉系統(tǒng)，以固定集散模式和通信約定構成。因此，這種控制系統(tǒng)還很難適應智能大廈種類繁多的設備檢測和控制要求。LonWorks技術是專門為實時控制而設計的、能在控制層提供互操作的現(xiàn)場總線技術，作為局域網絡技術在控制領域的延伸和應用，LonWorks網絡是將控制系統(tǒng)按局域網絡(LAN)的方式進行構造，用網絡節(jié)點代替LAN中的工作站，并將其安裝于監(jiān)控現(xiàn)場，直接與各種監(jiān)控傳感器和控制器相連。LonWorks網中每個節(jié)點間可以實現(xiàn)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(xiàn)了無中心的真正的分布式控制模式。這種網絡集數(shù)據采集、分析、控制和網絡通信為一體，十分適合于智能建筑進行分布式網絡管理和控制。樓宇自動化近年來正在向著開放系統(tǒng)迅速發(fā)展。在實時控制方面，實現(xiàn)可互相操作的現(xiàn)場總線LonWorks網絡技術的通信協(xié)議LonTalk，為樓宇自動化中的傳感器、執(zhí)行器和控制器之間網絡化操作奠定了基礎。

　　2LonWorks技術概述及在樓宇自動化系統(tǒng)的應用

　　2.1LonWorks技術簡介

　　LonWorks技術是美國Echelon公司90年12月推出的一種現(xiàn)場總線技術，Lon(LocalOperatingNetwork)的意思為局部操作網絡，具有現(xiàn)場總線技術的一切特點?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)總線，它是自動化領域中計算機通信體系最低層的低成本網絡。國際電工委員會(IEC)和現(xiàn)場總線基金會(FF)對現(xiàn)場總線作了如下定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結構的通信網絡[2]。目前，世界上許多著名的自動化廠商和Honeywell、JohnsenControls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術。迄今為止，使用LonWorks技術的生產廠商已有3000多家，并安裝了500多萬個節(jié)點。在中國，Echelon北京代表處于1995年成立，目前有六十多家中國廠商加入了LonWorks控制網絡的OEM行列，LonWorks控制網絡技術已大量應用于各主要工業(yè)領域，如工業(yè)廠房、樓宇及家庭自動化、農業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等。LonWorks分布式測控網絡技術，它真正并徹底地貫徹了"分散控制、集中管理"的控制思想，在國際和國內都得到越來越廣泛的應用。更準確地說LonWorks技術有效地解決了集散控

　　2.2LonWorks技術的主要性能特點

　　LonWorks網絡系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，每個智能節(jié)點可具有多種功能的I/O功能。用戶可以對節(jié)點進行再編程，實現(xiàn)用戶自定義的算法和功能。各個節(jié)點之間可通過不同的傳輸介質進行數(shù)據傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術包括監(jiān)控網絡的設計、安裝、開發(fā)和調試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序，主要包括以下幾個方面：

　　2.2.1LonWorks的技術核心是神經元芯片Neuron

　　這種使用CMOSCLSI技術的神經元芯片使實現(xiàn)低成本的網絡控制成為可能。在Neuron芯片中有3個8位的CPU，第一個CPU為介質訪問控制處理器，處理LonTalk協(xié)議的第一層和第二層，它包括驅動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行沖突避免算法;第二個CPU為網絡處理器、處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，它進行網絡變量的處理、尋址、事務處理、證實、背景診斷、軟件計時器、網絡管理和函數(shù)路徑選擇等，它還控制網絡通信口，物理地發(fā)送和接受數(shù)據包;第三個CPU為應用處理器，它執(zhí)行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NeuronC，它是從ANSIC中派生出來的，并對ANSIC進行了冊減和增補。一個運行NeuronC應用程序的節(jié)點，最多可以說明62個網絡變量。一個網絡變量可以是NeuronC變量或結構，其最大長度可達31個字節(jié)。最多31個字節(jié)的數(shù)組可以被嵌入在一個結構里并作為一個網絡變量來傳播。Neuron芯片有一個非常通用的通信口，它有五個引腳組成，利用這五個引腳可以配置成各種通信介質接口(網絡收發(fā)器)。Neuron芯片既可以從具有五個引腳的通信口，也可以從具有11個引腳的I/O口發(fā)送和接受信息。這些引腳可以用在不同的配置下，為外部硬件提供靈活的接口和接入芯片內部計時時鐘。I/O口有四類34個預編程的I/O對象，用來實現(xiàn)有效的測量、計時和控制應用操作。

[nextpage]　　2.2.2LonWorks技術的核心為LonTalk通信協(xié)議

　　協(xié)議遵循由國際標準化組織(ISO)定義的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，提供了7層協(xié)議所有內容的服務。在通信方式上采用一種改進的CSMA(載波監(jiān)聽多路訪問)，稱為帶預測的P-PersistentCSMA算法。

　　2.2.3LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質

　　如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。每一種介質稱為一種信道，每一種信道有專用的收發(fā)器作為智能節(jié)點與通信介質的接口器件。不同的傳輸信道可通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)。在不同的介質中有不同的傳輸速率，最高達到1.25Mbps，傳輸距離最遠為2.7Km，每個信道最多可接3.2萬個節(jié)點。

　　2.2.4在網絡結構上，LonTalk協(xié)議支持分散的PeertoPeer的通信

　　節(jié)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種網絡拓撲結構，并可組成自由拓撲結構。網絡通信采用面向對象的設計方法，可使用一種稱為NeuronC的語言進行編程。

　　2.3LonWorks與樓宇自動化

　　樓宇自動化是對智能建筑內所有動力、樓宇設備進行自動監(jiān)測和控制的系統(tǒng)，它通常是由中央管理站、通信控制器、DDC、傳感器和執(zhí)行器等組成的集散型控制系統(tǒng)(DCS)，也是一個開放的網絡通信系統(tǒng)。一般可以把建筑物自動化開放系統(tǒng)分成兩部分考慮：一部分是低速部分，主要涉及傳感器、執(zhí)行器和控制器所構成的實時環(huán)境;另一部分是高速部分，主要涉及大量數(shù)據傳送和高級的網絡環(huán)境，如報警處理、命令優(yōu)先安排以及動態(tài)數(shù)據交換、開放數(shù)據庫連接等。建筑物樓宇自動化系統(tǒng)其各工作站之間的住處通信通?；贓thernet網或TCP/IP協(xié)議，而下級通信控制器及DDC的通信則基于RS-232、RS-442協(xié)議，采用對等或令牌控制的信息傳輸。

　　現(xiàn)場總線是一種通信技術，它用數(shù)字儀表代替了模擬儀表，以串行通信方式取代傳統(tǒng)的4~20mA的模擬信號，一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址現(xiàn)場設備實現(xiàn)多點連接，支持底層的現(xiàn)場智能設備與高層的系統(tǒng)通過公用傳輸介質交換信息。更為關鍵的是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)(DCS)，實現(xiàn)了現(xiàn)場通信網絡與控制系統(tǒng)的集成。傳統(tǒng)的DCS采用"操作站-控制站-現(xiàn)場儀表"三層主從結構方式，而現(xiàn)場總線則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現(xiàn)場智能儀表中。每個智能儀表都有自己的CPU單元，進行測量、調節(jié)、診斷、輸出等功能的操作。每個智能儀表成為總線中的一個節(jié)點，節(jié)點間通過現(xiàn)場總線連接，任何一個節(jié)點的故障都不會影響到其它節(jié)點。因此，F(xiàn)CS比DCS具有更優(yōu)越的關系結構，它與DCS系統(tǒng)的關鍵區(qū)別在于取消了龐大的集中測控分站，而將測量、控制、傳感器等劃分成更小的單元，并集成到被控對象中去，將計算處理能力向對象分散，并利用集中的上級計算機完成系統(tǒng)的協(xié)調。LonWorks網絡的智能節(jié)點中包含溫度檢測、相對濕度檢測、二氧化碳檢測、風門執(zhí)行器、變風量控制、風機盤管控制以及恒溫控制器、冷凍機、單元通風器、墻掛式檢測器、閥門執(zhí)行器、報警及報警管理、數(shù)據記錄及趨勢分析等。基于LonWorks網絡技術的樓宇自動化系統(tǒng)，如圖2所示，全面綜合了計算機、控制和通信技術，采用集散、現(xiàn)場總線等分布式控制系統(tǒng)的結構及先進的管理技術。它主要由大量分散在智能建筑物內部的各設備子系統(tǒng)以及作為核心對它們進行測量、監(jiān)視、控制、管理和協(xié)調的LonWorks智能節(jié)點構成，具體包括：

　　2.3.1變配電系統(tǒng)

　　LonWorks單點智能節(jié)點(SinglePointSmartNode簡稱SPN)有一個Neuron微處理器和網絡接口，允許以節(jié)點的形式存在于LonWorks網絡中，它能用作溫度和濕度傳感器、單輸出繼電器的節(jié)點?？梢詫χ悄芙ㄖ锏墓╇姞顩r進行實時監(jiān)視和控制，包括對各級電力開關設備，配電柜高壓和低壓側狀態(tài)，主要回路的電流、電壓及功率因數(shù)，變壓器及電纜的溫度，發(fā)電機運行狀態(tài)等的監(jiān)測與控制，對故障進行報警等;另外，通過對用電情況的計量和統(tǒng)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。

　　2.3.2空調系統(tǒng)

　　LonWorks中可編程智能節(jié)點(ProgrammableSmartNode簡稱PSN)。PSN是一種可根據設備監(jiān)控需求定制程序的小型控制器，它為系統(tǒng)安裝者提供了生成定制控制程序的能力。PSN可用于小型空氣傳送、冷卻塔、熱交換等，其應用程序和內部操作系統(tǒng)存儲在PSN中的非易失性存儲器中?？蓪Σ煌瑓^(qū)域的空調系統(tǒng)按預先編制的時序或根據環(huán)境溫度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(jiān)視和記錄各設備的狀態(tài)、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(shù)，自動進行故障報警或停機，動態(tài)顯示有關水閥、風機的位置、狀態(tài)等。

　　2.3.3電梯系統(tǒng)

　　LonWorks中基于主機的智能節(jié)點(Host-basedSmartNode簡稱HSN)能提供兩種應用：其一可作為連接LonWorks網絡與其它網絡(如Ethernet)的通信網關;基二可適用于一些大型非封裝設備系統(tǒng)的控制應用。電梯是建筑物內交通的重要樞紐。對帶有完備裝置的電梯，利用此節(jié)點將其控制裝置與樓宇自動化系統(tǒng)相連接，以實現(xiàn)相互間的數(shù)據通信，使管理中心能夠隨時掌握各個電梯的工作狀況，并在火災、安保等特殊場合對電梯的運行進行直接控制。

[nextpage]　　2.3.4照明、給排水系統(tǒng)

　　LonWorks中ASN是一種含有Neuron芯片、網絡接口、必要的輸入輸出和存儲資源的小型控制器，它可通過設計和編程實現(xiàn)對諸如VAX箱、熱泵、風扇線圈、封裝的HVAC等設備的控制，提供了一種針對封裝設備系統(tǒng)的低成本解決方案。應用特定的智能節(jié)點(ApplicationSpecificSmartNode簡稱ASN)：按編制的時序，對各樓層的配電盤、辦公室照明、走廊照明、庭院或停車場等處照明、廣告霓虹燈、節(jié)日裝飾彩燈、航空障礙照明燈等設備自動進行啟停控制，并自動實現(xiàn)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。對各給水泵、排水泵、污水飲用水泵的運行狀態(tài)、各種水箱及污水池的水位進行實時監(jiān)測，并通過對給水系統(tǒng)壓力的監(jiān)測以及根據這些水位、壓力狀態(tài)，啟停相應的水泵，以保證給排水系統(tǒng)的正常運行。

　　2.3.5消防、保安系統(tǒng)

　　LonWorks中輸入輸出模塊(IOM)IOM的主要任務是與傳統(tǒng)的溫度、濕度傳感器，控制繼電器等傳感和控制設備接口。基于LonWorks的IOM單元的輸入是對那些傳統(tǒng)的傳感和監(jiān)控信息進行連接，如溫度、濕度、流速、空氣質量、報警狀態(tài)等;輸出被用于控制風扇、泵、照明電路、繼電器等消防系統(tǒng)是智能建筑樓宇自動化中的重要組成部分，它實施對建筑物內消防系統(tǒng)中的消火栓、噴淋水、消防水泵、穩(wěn)壓水泵、火災煙感、溫感探測報警器、防火排煙閥、消防電梯、消防廣播、消防電話等消防設備聯(lián)網監(jiān)視與自動控制，一旦出現(xiàn)火警立即通過樓宇自動化系統(tǒng)，向變配電、給排水、空調、電梯等相關系統(tǒng)發(fā)出進入消防模式的命令，由這些設備自身的控制系統(tǒng)來協(xié)調和實現(xiàn)消防動作。并且通過對閉路電視監(jiān)聽、出入口控制、防盜報警保安巡更等基本手段辨別出運行物體、火焰、煙及其它異常狀態(tài)，并進行報警及自動錄像，對有關通道進行出入對象控制，最大限度地保證安全。

　　智能建筑中樓宇自動化的各個子系統(tǒng)之間是相互協(xié)調的，具有互操作特性，因此還需要有一個能實現(xiàn)集中管理與協(xié)調的系統(tǒng)，以便各個子系統(tǒng)能有機地集成在一起，共同構成建筑物的自動控制網絡。綜上所述，支持LonWorks網絡的各種現(xiàn)場智能節(jié)點，能使傳感器、變送器與執(zhí)行器本身帶有數(shù)據處理和數(shù)據通信功能，它們十分有效地支持了樓宇設備系統(tǒng)所組成的應用，都能被方便地組成真正意義上的分布式監(jiān)控網絡。

　　3結束語

　　目前，智能化建筑的開發(fā)平臺通常由三層網構成，最上層是通信自動化的通信網，中間是用于辦公自動化的局域網，下層是用于樓宇自動化的控制網絡。對于一個基于網絡的分布式處理系統(tǒng)，分層結構對建造一個有效、魯棒、低成本的設計來說是必需的。采用LonWorks網絡的樓宇自動化系統(tǒng)，用LonWorks網絡作為分布式控制臺、設備之間的通信連接，以構成功能齊全、組成靈活的智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)、遠程通信監(jiān)控系統(tǒng)等，并可根據需要靈活加以組態(tài)和擴展。顯然，樓宇自動化系統(tǒng)采用這種分層結構的組合，與世界最流行的網絡協(xié)議TCP/IP完全兼容，確保了與日新月異的計算機和網絡世界的兼容，體現(xiàn)了良好的開放性，避免了控制級網絡的不必要更改，滿足了不同應用的需求。