基于现场总线的智能建筑浅谈-智能科学技论文发表

基于现场总线的智能建筑浅谈

林飞

智能建筑是传统建筑工程和新兴信息技术相结合的产物，智能建筑运用系统工程的观点，将建筑物的结构(建筑环境结构) 、系统(智能化系统) 、服务(住用、用户需求服务)和管理(物业运行管理)四个基本要素进行优化组合，以建筑为平台，兼备建筑设备、 办公自动化及网络通信系统，用最优的设计，向人们提供一个投资合理、高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。

1 智能建筑系统的组成

智能建筑系统的组成由四大部分组成：楼宇自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)、办公自动化系统(OAS)和结构化综合布线系统(SCS)。

1.1 　楼宇自动化系统(BAS)

楼宇自动化系统(BAS)采用传感器技术、图形图象技术、计算机和现代通信技术对建筑的电力、空调、电梯、冷水机组、热力站、给排水、消防系统、保安监控、出入门控制等设备实行全自动的综合监控管理。包括楼宇自动化管理、出入管理、磁卡识别系统、保安监控系统、防火系统以及各种设备控制与监视系统等。它们建立在综合布线系统之上，将完成如下基本功能：各类参数的实时控制和监视、各种动力设备的起停控制与监视、各种设备运行状态显示、设备非正常状态的报警、动力设备的节能控制。BAS按建筑设备和设施的功能划分为十个子系统:1)变配电控制子系统;2)照明控制子系统;3)通风空调控制子系统;4)交通运输控制子系统;5)给排水设备控制子系统;6)停车库自动化子系统;7)消防自动化子系统;8)安保自动化子系统;9)公共广播与背景音乐系统;10)多媒体音像系统。

1. 2 　通信自动化系统(CAS)

通信自动化系统(CAS)提供建筑内外的一切语言和数据通信，CAS是在保证建筑物内语音、数据、图像传输的基础上，同时与外部通信网(如电话网、数据网、计算机网、卫星以及广电网)相连，与世界各地互通信息的系统。主要包括：1)以程控交换机为核心的电话，传真等为主的通讯网络。2)建筑内的局域网，把建筑内的各种终端、微机、工作站、主计算机与数据库等联网，实现数据通信。3)与国内外建立远程数据通信网络。

CAS按功能划分为八个子系统: 1) 固定电话通信系统，设PABX或采用公网的集中小交换机;2)声讯服务通信系统(语音信箱和语音应答系统) ;3)无线通信系统，具备选择呼叫和群呼功能;4)卫星通信系统，楼顶安装卫星收发天线和 VAST通信系统，与外部构成语音和数据通道，实现远距离通信的目的;5)多媒体通信系统;6)视讯服务系统;7)有线电视系统;8)计算机通信网络系统。

1. 3 　办公自动化系统(OAS)

办公自动化系统(OAS)由高性能的传真机、各种终端、微机、文字处理机、主计算机、声像设备等现代化办公设备与相应的软件组成。主要用于文字处理、办公服务、公文文档等综合管理，以及电子票务、电子邮件、电视会议以及电子数据交换等。

1. 4 　结构化综合布线系统(SCS)

SCS又称综合布线系统 ( Premises Dist ribution System，简称PDS)，它是建筑物或建筑群内部之间的传输网络。它把建筑物内部的语音交换、智能数据处理设备及其广义的数据通信设施相互连接起来，并采用必要的设备同建筑物外部数据网络或电话局线路相连接。其系统包括所有建筑物与建筑群内部用以连接以上设备的电缆和相关的布线器件。

2 智能建筑的现场总线技术

20 世纪 80 年代后期起 ,伴随着计算机可靠性提高 ,价格大幅下降 ,出现了由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控制系统(Dist ributed Cont rol System ,简称 DCS) 。DCS是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种综合控制系统。DCS在工业自动化控制领域获得了广泛的应用 ,也开始应用到楼宇自动化控制领域 ,但是 DCS存在一些缺点 ,如系统互换与互操作性差等。20 世纪 90 年代后期 ,出现了基于现场总线的控制系统( Field Cont rol System ,简称 FCS) ,FCS克服了 DCS的缺点 ,它是一种全数字化的、全分散的、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。目前 ,现场总线技术已经成为自动化技术中的一个热点 ,备受国内外自动化设备制造商与用户的关注。FCS极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量 ,使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。与传统的DCS(分布式控制系统)相比 ,FCS具有可靠性高、可维护性好、成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。随着建筑业的智能化和信息化需求的迅速增长 ,出现了一些专门针对智能建筑的总线和通信协议 ,如美国的 BACnet和 EBus、 日本的HBS、 欧洲的 EIB 等。其中 ,以 LonWorks、EIB在国内应用最为广泛 ,它们在智能建筑中的应用各有侧重。

2.1　LonWorks总线

LonWorks是一种具有强劲实力的现场总线技术 ,它是由美国 Ecelon公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导 ,于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/ OSI模型的全部七层通讯协议 ,采用了面向对象的设计方法 ,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 ,其通讯速率从 300 bps～15 Mbps不等 ,直接通信距离可达到 2 700 m(78 kbps ,双绞线) ,支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质 ,并开发相应的本安防爆产品 ,被誉为通用控制网络。

2.1.1　LonTalk协议

LonTalk协议是LonWorks技术的通信协议，采用短帧报文 ,可靠性高、 实时性好。LonTalk协议使用网络变量与其他节点通信。网络变量可以是任何单个数据项 ,也可以是结构体 ,并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程 ,降低了开发人员的工作量。该协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能在网络中对其他装置接受或发送数据而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能。该协议能有选择的提供端对端的报文确认、报文证实和优先级确认，是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协议，使用类似于以太网所用的“CSMA”算法来处理网上报文冲突。

LonTalk协议支持总线型、 星型、 自由拓扑等多种拓扑结构 ,极大地方便了控制网络的构建。LonTalk协议支持包括双绞线、 电力线、 无线、 红外线、 同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。Lon2Talk采用一种基于载波侦听多路访问 /介质访问控制 (CS MA /MAC)的算法 ,提供介质访问协议 ,使得可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽的数目 ,称为带预测的 P2 persis2tent CS MA算法。通过动态调整网络带宽,使网络能在极高网络业务量出现时继续运行 ,而在业务量较小时期不降低网络速度。最大通信速率为1 . 25Mb / s (有效距离为 130 m) ,支持非屏蔽双绞线 (UTP)的通信距离达 2 700 m (通信速率为728 . 125 kb / s)。

2.1.2　 神经元芯片

LonWorks技术的神经元芯片内部装有3个微处理器:MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3～6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。

在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I / O等。

神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成Watchdog、多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息(包括RAM中的信息) 不会改变。一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。其内部还有一个最高1.25 Mbps、独立于介质的收发器。由此可见,一个小小的神经元芯片不仅具有强大的通信功能, 更集采集、控制于一体。在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。

2　EI B总线

EIB（European Installation Bus），是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准。现已成为国际标准ISO/IEC 14543-3，并于2007年正式成为中国国标GB/Z 20965-2007。

EIB最大的特点是通过单一多芯电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电缆，并确保各开关可以互传控制指令，因此总线电缆可以以线型、树型或星型铺设，方便扩容与改装。元件的智能化使其可以通过编程来改变功能，既可独立完成诸如开关、控制、监视等工作，也可根据要求进行不同的组合。与传统安装方式比较，EIB不增加元件数量而实现了功能倍增，从而具有了高度的灵活性。它的开放性更使得不同公司基于EIB协议开发的电气设备可以完全兼容，并为后续公司进入EIB市场提供可能。

EIB系统既是一个面向使用者、体现个性的系统又是一个面向管理者的系统，使用者可根据个人的喜好任意修改系统的功能，达到自己所需要的效果，并可通过操作探测器（如按钮开关等）来控制系统的动作；另一方面， EIB系统还提供基于Windows的软件平台，管理者（如小区物业中心、大楼管理中心、车库管理处等）将安装此套软件的计算机连接至EIB系统即可对EIB系统进行控制并进行管理，从而达到集中管理的功能。

3 结束语

智能建筑的特点是测控点分散 ,几乎遍及建筑物各个角落 ,而且被控设备种类多 ,包括暖通空调、 电梯、 给排水、 安防、 照明、 变配电等 ,这些设备往往本身配有控制系统 ,将这些控制子系统融合为一个综合的 BAS就需要用到通信协议或现场总线。

LonWorks最大的优点是开放性、 分散性和互换性。一个具有 LonMark标志的节点 (Node)可以互操作。由于 LonWorks是低速现场总线 (最大传输速率为 1 . 25Mb / s) ,对现场仪表和设备的计算能力以及信息处理能力相对较弱 ,主要用于数据采集和控制信号的输出 , 因此 LonWorks适合于子系统级的远距离现场数据的采集和实时控制。在智能建筑中 ,主要应用于建筑物自控系统中传感器与执行器之间的网络化、 互操作性 ,实现一种成本低、 对分散设备可以实现互操作的测控系统 ,如安全防范子系统、 智能消防子系统、 智能抄表子系统、 暖通空调子系统、 给排水子系统等。

EI B通常被称为电气安装总线 ,其应用最广泛的领域为电气安装系统工程。面对智能化建筑中大量的线缆敷设 ,传统的电气安装技术存在安装调试时间长、 维护昂贵、 线路变更困难等问题 ,而 E I B总线具有分布性、 开放性、 互操作性等优点 ,能够减少线缆数量 ,使设计、 施工和安装方便、快捷 ,系统易于扩展。E I B在智能建筑中主要应用于智能照明子系统 ,如各种灯具的开关量和调光控制等 ,在智能家居 (如窗帘控制、 电话控制 )和安全防范子系统 (如门磁开关、 各种探测器 )等实时性要求不高的领域也有广泛的应用。

目前 ,建筑电气几种总线技术均发展迅速 ,在智能建筑领域各占有一部分市场 ,在相当长的一段时间里将引领建筑电气总线技术的发展。随着楼宇自动化要求日益增多 ,不同的建筑电气总线在一段时间内并存且各自不断完善 ,但也将相互渗透和互为补充 ,总的发展趋势是统一的楼宇自动化系统。