基于智能化建筑電氣中關鍵技術的分析

摘 要:在借鑒國內外新技術成功經驗的基礎上,系統分析適合我國國情的智能化建筑樓宇中信息采集與處理、PROFIBUS現場總線技術、智能斷路器選用以及組態控制軟件與系統布線等幾個關鍵技術的特點,并提出其設計方法和相應的應用準則,目前這些技術在可靠性、方便性以及其市場份額方面較為理想,從而達到遙調、遙測、遙控、遙信的目的。同時又提出PROFIBUS-DP采用數字信號編碼中的不歸零編碼方式(NRZ)的新理念,這為系統組態提供了高度的靈活性。

關鍵詞:探測器;采集器;監控主機;系統布線;PROFIBUS-DP;NRZ

中圖分類號:TM346 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-121-03

Analysis of Key Technology Based on Intelligent Building

LI Shibo

(School of Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,225009,China)

Abstract:With improvement of domestic and global intelligent building management,there are many new control techniques,including not only basic functions such as equipment monitoring,operation information feedback,but also information centralizing and sharing.Based on current domestic production and consumption economy,large investment without markets should be avoided.Using successful cases to analyze information collection and process,examine PROFIBUS,select intelligent circuit breakers,investigate applications of control software and wiring system,and propose designed method and application guidelines.Currently,the reliability,convenience,and consumer markets of these remotely regulated,measured,controlled and communicated techniques are adequate.This paper also indicates the concept of PROFIBUS-DP which uses a new form of binary code of NRZ (Non Return to Zero) resulting in a more flexible system.

Keywords:sensor;collector;central monitor;wiring system;PROFIBUS-DP;NRZ

0 引 言

隨著樓宇智能化程度的提高,國內外涌現出許多新型控制技術,這些技術不但能實現對設備運行狀況監視、操作、反饋等基本功能,還可以對各種設備進行信息集中管理與通信,實現信息共享。但根據我國目前的生產和消費的實際情況,應避免出現盲目投入大資金卻沒有足夠市場份額支持的技術產品,造成不必要的浪費。

智能化安全防范系統的核心是信息采集與處理,其相關技術包括:現場總線、智能元器件、微機接口及其控制、系統調試等方面。其中入侵探測器是信息采集關鍵部件,采集后的傳輸有多種結構的,而在民宅安全防范系統中為了節省小區內的管理成本提高實用性,采用電話線路進行數據傳輸。另外國內外一些大型建筑物普遍設置了中央控制系統,特別是自動化程度較高的高層樓宇,增設了許多新的運行控制,因此選擇國際上應用廣泛、可靠,適合于低壓配電系統使用的PROFIBUS-DP協議的現場總線技術,同時用PROFIBUS總線來實現低壓配電柜的智能化。國內在中高壓供配電系統上其他一些總線協議應用較多,用發展的眼光來看,有必要也有可能將所有配電都用一套監控系統來完成。

1 信息采集與處理

在智能建筑中,總線系統經常采用分層總線控制結構,系統可以根據樓宇分布和單元數量,進行組建和擴展,圖1是一種典型的系統構成。

1.1 采集器

對各種探測器輸出的信號進行采集、處理和判斷,并據判斷結果作出相應反應,同時將判斷結果傳送單元控制器。

采集器結構如圖2所示,主要用于報警信息的采集、傳輸和存儲。采集器從軟件算法和硬件兩方面防止住戶非法拆卸和有意破壞。同時采用掉電保護和電池備用相結合,實現掉電24 h內系統正常運行。

1.2 處理

監控主機是整個監控系統的核心,也是單元控制器與報警管理接警主機溝通的橋梁,是報警管理接警主機對底層設備進行控制的通道。監控主機采用RS 232C總線接口,實現與報警管理接警主機的通信,通過RS 485總線接口,提供與多臺單元控制器的外部接口擴展。同時,可實現110報警,控制電子模擬屏顯示報警地點,單元控制器則用于進一步提供系統擴展接口能力,實現模塊化設計,提高系統的工作速度和系統的可靠性。監控主機結構如圖3所示。

該監控主機采用雙CPU結構,均選用8XC251單片機,CPU(A)主要負責通過RS 232C串口與上位機(報警管理接警主機)通信,同時負責模擬屏的顯示控制和通過撥號模塊實現110報警;CPU(B)主要負責通過RS 485接口與單元控制器的通信。系統采用雙CPU結構,共用一個數據區(RAM),實現數據共享。數據區分成三塊,一塊存放報警信息,一塊存放已儲備好的多表數據,另一塊用于正在準備的多表數據。這樣可以提高系統的功能和速度,同時實現報警信息的處理和多表數據的處理。雙CPU通過經常判斷對方的工作標志狀態,識別對方是否正常工作,以提高系統可靠性。RS 485通訊接口模塊留有8個外接端口,每個RS 485端口可以并聯單元控制器32臺,即系統總共可以外接單元控制器256套。

2 現場總線PROFIBUS

PROFIBUS以國際標準為基礎,協議結構是以ISO7498國際標準開放式互聯網絡(OSI)參考模型為基礎的,OSI參考模型采用了分層結構化技術將整個網絡的通訊功能分為7層,由低到高分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。每個傳輸層精確地處理所定義的任務。第一層定義了物理傳輸技術特性;第二層定義了總線的存取協議及數據的可靠性、傳輸協議和報文處理等;第三層是通信子網與網絡高層的界面,主要負責控制通信子網的操作,實現網絡上不相鄰的數據終端設備結點之間在穿過通信子網邏輯信道上的準確數據傳輸;第四層是資源子網與通信子網的界面與橋梁,完成資源子網中兩結點之間的直接邏輯通信,實現通信子網中端到端的透明傳輸;第五層會話層利用傳輸層提供的端到端數據傳輸服務,具體實現兩端主機之間的通信;第六層表示層完成通信雙方之間的數據表示問題;第七層應用層是OSI模型的最高層,提供完成特定網絡服務功能所需的各種應用協議。

PROFIBUS采用了該模型七層中的第一層(物理層)、第二層(數據鏈絡層)和第七層(應用層),增加了用戶的接口層。

3 智能框架斷路器及塑殼斷路器的選用

3.1 智能框架斷路器(空氣斷路器、萬能式斷路器)

主要在配電網絡中用于分配電能和保護線路及電流設備免受過載、欠壓、斷路、單相接地等故障的危害,可避免不必要的停電,提高供電的可靠性,產品具備協議通信接口,可實現遙測、遙控、遙信、搖調等“四搖”組網通信功能。結構分為抽屜式和固定式;按分段能力分為標準型:50～65 kA,較高性能型:65～85 kA,高限流能力型:100～150 kA;配置有智能通信控制單元,用于元器件的組網。這類產品國產的有DW40,DW45,DW48等型號,國外有3WN1,3WN1,Masterpact M,MT等系列。

這類產品主要特點是:規格齊全;觸頭系統高分段能力;使用壽命長;無附加飛弧距離;多種接線方式;均具有數據傳輸功能。

3.2 智能型塑殼斷路器

該產品是配電線路中應用極廣的產品。目前我國眾多企業開發的YSM1,YSM2,JXM3,HM3,HSM1,1SM1等智能型塑殼斷路器,以及國外的富士、通用、ABB、三菱、梅蘭日蘭等公司推出的帶有智能控制模塊的塑殼斷路器,都具有各種精確的選擇保護功能和多種輔助功能,且具有通信接口,可實現“四遙”組網監控管理功能。

4 組態控制軟件與系統布線

各種智能可信元件的開發應用為配電系統自動化組網監控提供了可能,在此基礎上還需要組態監控軟件。目前國際上如SIEMENS,SCHNEIDER等公司都提高相關的軟件,國內的有YSS 2000等,其產品都可通過協議轉換模塊組網。上述軟件除以多種風格實現“四遙”監控功能外,還可實現多種操作控制和管理功能。

對于雙芯屏蔽電纜,屏蔽層主要是用來抗電磁干擾的,PROFIBUS系統中使用的電纜通常都是用編制網和導電泊來進行屏蔽的。當布置電纜層時,應特別小心將屏蔽層連接到接地卡上。

PROFIBUS數據線分為A,B。在總線設備上要求在整個系統中,同一種顏色的芯線必須連接到同一端點A或B上。

5 數據通訊

在數據通訊中主要有三類數據表示方式,即數字數據采用數字信號編碼表示、數字數據用模擬信號表示和模擬數據用數字信號表示。PROFIBUS-DP采用數字信號編碼中的不歸零編碼方式即NRZ(Non Return to Zero),在位持續期間,二進制“0”或“1”不改變。沒有數據發送時,空載電位為“1”,起動位使之變為“0”,詳見圖4。

中央空制器(主站)循環地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比中央控制器(PLC)的程序循環時間短。總線的循環時間只占全部時間的4%～3%,即無論是應用在傳動自動化領域還是在配電自動化領域,PROFIBUS-DP都有著不可比擬快速的特征。

除了循環的用戶數據傳輸外,PROFIBUS-DP還提供強有力的診斷和組態功能。PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統,這樣為系統組態提供了高度的靈活性。系統組態描述包括:站數、站地址和輸入/輸出地址的分配、輸入/輸出數據的格式,診斷信息的格式以及所使用的總線參數。

系統的行為主要取決于DPM1的運行狀態,這些狀態由本地或總線的組態設備所控制。主要有以下三種狀態:

(1) 停止:在這種狀態下,DPM1和DP從站之間沒有數據傳輸。

(2) 清除:在這種狀態下,DPM1讀取DP從站的輸入信息并使信息保持在故障安全狀態。

(3) 運行:在這種狀態下,DPM1處于數據傳輸階段,循環數據通信時,DPM1從DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息。

如果在DPM1的數據傳輸階段中發生錯誤(如:DP從站有故障),系統將作出反應,它是由組態參數“自動清除”(AUTO-clean)確定的。如果此參數為真,DPM1將所有有關的DP從站的輸出數據立即轉入安全保護狀態,而DP從站不再為用戶傳輸數據。在這之后,DPM1轉入清除狀態,如果此參數為假,則DPM1即使在這個DP從站出錯時仍停留在運行狀態,然后由用戶決定對系統作出什么反應。

6 結 語

當今樓宇智能化已離不開現場總線等技術,但是在應用中這些技術逐步地暴露出它的固有缺點,如:信息集成能力不強;系統是非開放式,可集成性差;可靠性不易保證;可維護性不強等,有待進一步改進。另外配電系統智能化不僅是提高供電可靠性能的保證,同時又承擔著現場設備控制的任務,因此無論是自動化的配電方式還是現場的控制方式,他們以其自身獨特的特點,將成為智能化樓宇中必不可少的關鍵技術。

參考文獻

[1]劉國林.綜合布線系統工程設計.北京:電子工業出版社,1997.

[2]柳勇.建筑安裝工程施工圖集(弱電工程).北京:中國建筑工業出版社,1999.

[3]陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京:清華大學出版社,1999.

[4]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術.北京:北京航空航天大學出版社,1999.

[5]陳一才.樓宇安全系統設計手冊.北京:中國計劃出版社,1997.

[6]陳良寬.計算機網絡與智能建筑系統集成.北京:中國建筑工業出版社,2002.

[7]梁華.實用建筑弱電工程設計資料集.北京:中國建筑工業出版社,1999.

[8]張衛東.智能型低壓配電系統.北京:中國電力出版社,2001.

[9]劉漢超.智能化大廈綜合布線系統設計工程.北京:電力工業出版社,1999.

[10]袁萍,張言榮.智能建筑安全防范自動化技術.北京:中國建筑工業出版社,2002.

作者簡介 李世博 男,1969年出生,吉林人,碩士,高級工程師。主要從事智能建筑電氣的研究。