1 前言
樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是按分布式信息與控制理論設(shè)計的集散監(jiān)控系統(tǒng)（DCS），它是由計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機接口技術(shù)相互發(fā)展?jié)B透而產(chǎn)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(nèi)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(gòu)成。因此，這種控制系統(tǒng)還很難適應(yīng)智能大廈種類繁多的設(shè)備檢測和控制要求。LonWorks技術(shù)是專門為實時控制而設(shè)計的、能在控制層提供互操作的現(xiàn)場總線技術(shù)，作為局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域的延伸和應(yīng)用，LonWorks網(wǎng)絡(luò)是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）的方式進(jìn)行構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了無中心的真正的分布式控制模式。這種網(wǎng)絡(luò)集數(shù)據(jù)采集、分析、控制和網(wǎng)絡(luò)通信為一體，十分適合于智能建筑進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)化操作奠定了基礎(chǔ)。
2 LonWorks技術(shù)概述及在樓宇自動化系統(tǒng)的應(yīng)用
2.1 LonWorks技術(shù)簡介
LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司90年12月推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，Lon(Local Operating Network)的意思為局部操作網(wǎng)絡(luò)，具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)總線，它是自動化領(lǐng)域中計算機通信體系最低層的低成本網(wǎng)絡(luò)。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(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。目前，世界上許多著名的自動化廠商和Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術(shù)。迄今為止，使用LonWorks技術(shù)的生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)的OEM行列，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已大量應(yīng)用于各主要工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)廠房、樓宇及家庭自動化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和運輸業(yè)等。
LonWorks分布式測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(nèi)都得到越來越廣泛的應(yīng)用。更準(zhǔn)確地說LonWorks技術(shù)有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通訊難題。
2.2 LonWorks技術(shù)的主要性能特點
LonWorks網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行再編程，實現(xiàn)用戶自定義的算法和功能。節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個節(jié)點之間可通過不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術(shù)包括監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、安裝、開發(fā)和調(diào)試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設(shè)備和軟件程序，主要包括以下幾個方面：
2.2.1 LonWorks的技術(shù)核心是神經(jīng)元芯片Neuron，這種使用CMOS CLSI技術(shù)的神經(jīng)元芯片使實現(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(qū)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(wǎng)絡(luò)處理器、處理LonTalk協(xié)議的第三層到第六層，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的處理、尋址、事務(wù)處理、證實、背景診斷、軟件計時器、網(wǎng)絡(luò)管理和函數(shù)路徑選擇等，它還控制網(wǎng)絡(luò)通信口，物理地發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包；第三個CPU為應(yīng)用處理器，它執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。 Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C中派生出來的，并對ANSI C進(jìn)行了冊減和增補。一個運行Neuron C應(yīng)用程序的節(jié)點，最多可以說明62個網(wǎng)絡(luò)變量。一個網(wǎng)絡(luò)變量可以是Neuron C變量或結(jié)構(gòu)，其最大長度可達(dá)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(jié)構(gòu)里并作為一個網(wǎng)絡(luò)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(zhì)接口（網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部計時時鐘。I/O口有四類34個預(yù)編程的I/O對象，用來實現(xiàn)有效的測量、計時和控制應(yīng)用操作。
2.2.2 LonWorks技術(shù)的核心為LonTalk通信協(xié)議，協(xié)議遵循由國際標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)容的服務(wù)。在通信方式上采用一種改進(jìn)的CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問），稱為帶預(yù)測的P-Persistent CSMA算法。
2.2.3 LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。每一種介質(zhì)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(zhì)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(zhì)中有不同的傳輸速率，最高達(dá)到1.25Mbps，傳輸距離最遠(yuǎn)為2.7Km，每個信道最多可接3.2萬個節(jié)點。
2.2.4 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，LonTalk協(xié)議支持分散的Peer to Peer的通信，節(jié)點可以組成總線型、環(huán)型、樹型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并可組成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，可使用一種稱為Neuron C的語言進(jìn)行編程。
2.3 LonWorks與樓宇自動化
樓宇自動化是對智能建筑內(nèi)所有動力、樓宇設(shè)備進(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)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(jù)傳送和高級的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如報警處理、命令優(yōu)先安排以及動態(tài)數(shù)據(jù)交換、開放數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)，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(shè)備實現(xiàn)多點連接，支持底層的現(xiàn)場智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)通過公用傳輸介質(zhì)交換信息。更為關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(jìn)行測量、調(diào)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(guān)系結(jié)構(gòu)，它與DCS系統(tǒng)的關(guān)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?qū)ο蠓稚?，并利用集中的上級計算機完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)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(fēng)門執(zhí)行器、變風(fēng)量控制、風(fēng)機盤管控制以及恒溫控制器、冷凍機、單元通風(fēng)器、墻掛式檢測器、閥門執(zhí)行器、報警及報警管理、數(shù)據(jù)記錄及趨勢分析等。基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)，采用集散、現(xiàn)場總線等分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及先進(jìn)的管理技術(shù)。它主要由大量分散在智能建筑物內(nèi)部的各設(shè)備子系統(tǒng)以及作為核心對它們進(jìn)行測量、監(jiān)視、控制、管理和協(xié)調(diào)的LonWorks智能節(jié)點構(gòu)成，具體包括：
2.3.1 變配電系統(tǒng)
LonWorks單點智能節(jié)點（Single Point Smart Node簡稱SPN）有一個Neuron微處理器和網(wǎng)絡(luò)接口，允許以節(jié)點的形式存在于LonWorks網(wǎng)絡(luò)中，它能用作溫度和濕度傳感器、單輸出電器、繼電器的節(jié)點?？梢詫χ悄芙ㄖ锏墓╇姞顩r進(jìn)行實時監(jiān)視和控制，包括對各級電力開關(guān)設(shè)備，配電柜高壓和低壓側(cè)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(jìn)行報警等；另外，通過對用電情況的計量和統(tǒng)計，利用科學(xué)的管理方法，合理均衡負(fù)荷，以保障安全、可靠地供電。
2.3.2 空調(diào)系統(tǒng)
LonWorks中可編程智能節(jié)點（Programmable Smart Node簡稱PSN）。PSN是一種可根據(jù)設(shè)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(yīng)用程序和內(nèi)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(diào)系統(tǒng)按預(yù)先編制的時序或根據(jù)環(huán)境溫度自動控制建筑物內(nèi)的中央空調(diào)制冷機組、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機、電磁閥門、風(fēng)機的啟停，并監(jiān)視和記錄各設(shè)備的狀態(tài)、室內(nèi)外各測點的溫濕度、送風(fēng)壓力、流量、閥門開度和運行時間等參數(shù)，自動進(jìn)行故障報警或停機，動態(tài)顯示有關(guān)水閥、風(fēng)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-based Smart Node簡稱HSN）能提供兩種應(yīng)用：其一可作為連接LonWorks網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)（如Ethernet）的通信網(wǎng)關(guān)；基二可適用于一些大型非封裝設(shè)備系統(tǒng)的控制應(yīng)用。電梯是建筑物內(nèi)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(jù)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(zāi)、安保等特殊場合對電梯的運行進(jìn)行直接控制。
2.3.4照明、給排水系統(tǒng)
LonWorks中ASN是一種含有Neuron芯片、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計和編程實現(xiàn)對諸如VAX箱、熱泵、風(fēng)扇線圈、封裝的HVAC等設(shè)備的控制，提供了一種針對封裝設(shè)備系統(tǒng)的低成本解決方案。應(yīng)用特定的智能節(jié)點（Application Specific Smart Node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(shè)備自動進(jìn)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(jìn)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(jù)這些水位、壓力狀態(tài)，啟停相應(yīng)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(wù)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(shè)備接口?；贚onWorks的IOM單元的輸入是對那些傳統(tǒng)的傳感和監(jiān)控信息進(jìn)行連接，如溫度、濕度、流速、空氣質(zhì)量、報警狀態(tài)等；輸出被用于控制風(fēng)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(nèi)消防系統(tǒng)中的消火栓、噴淋水、消防水泵、穩(wěn)壓水泵、火災(zāi)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(shè)備聯(lián)網(wǎng)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(diào)、電梯等相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)入消防模式的命令，由這些設(shè)備自身的控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)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(jìn)行報警及自動錄像，對有關(guān)通道進(jìn)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(diào)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(diào)的系統(tǒng)，以便各個子系統(tǒng)能有機地集成在一起，共同構(gòu)成建筑物的自動控制網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，支持LonWorks網(wǎng)絡(luò)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(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，它們十分有效地支持了樓宇設(shè)備系統(tǒng)所組成的應(yīng)用，都能被方便地組成真正意義上的分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
3 結(jié)束語
目前，智能化建筑的開發(fā)平臺通常由三層網(wǎng)構(gòu)成，最上層是通信自動化的通信網(wǎng)，中 間是用于辦公自動化的局域網(wǎng)，下層是用于樓宇自動化的控制網(wǎng)絡(luò)。對于一個基于網(wǎng)絡(luò)的分布式處理系統(tǒng)，分層結(jié)構(gòu)對建造一個有效、魯棒、低成本的設(shè)計來說是必需的。采用LonWorks網(wǎng)絡(luò)的樓宇自動化系統(tǒng)，用LonWorks網(wǎng)絡(luò)作為分布式控制臺、設(shè)備之間的通信連接，以構(gòu)成功能齊全、組成靈活的智能大廈監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信監(jiān)控系統(tǒng)等，并可根據(jù)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(jié)構(gòu)的組合，與世界最流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP完全兼容，確保了與日新月異的計算機和網(wǎng)絡(luò)世界的兼容，體現(xiàn)了良好的開放性，避免了控制級網(wǎng)絡(luò)的不必要更改，滿足了不同應(yīng)用的需求。
（轉(zhuǎn)載）
