現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用

鄧麗金

【摘要】隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，其綜合運(yùn)用而產(chǎn)生的自動(dòng)化技術(shù)在不斷革新，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)使得可編程控制器、集散控制系統(tǒng)和自動(dòng)化儀表等的功能和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了巨大變化。本文將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)樓宇的自動(dòng)化中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線；樓宇；自動(dòng)化

引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎涉及到了整個(gè)工業(yè)行業(yè)，如家庭自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化等，在樓宇的自動(dòng)化中也有重要表現(xiàn)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了幾種主要總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各種標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)的不同領(lǐng)域里發(fā)揮著不同的作用[1]。下面本文將著重介紹樓宇自動(dòng)化中涉及到的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

1.智能建筑中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

1.1 LonWorks總線技術(shù)

1991年美國(guó)Echelon公司研制出的一套總線標(biāo)準(zhǔn)-LonWorks技術(shù)，是一種開(kāi)放分布式控制總線技術(shù)，這種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被建筑物自動(dòng)化、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛采用，是普及程度最高的，最流行的總線技術(shù)之一[2]。

目前LonWorks技術(shù)已經(jīng)被中國(guó)建設(shè)部智能建筑中心推薦使用，中國(guó)的智能建筑廣泛采用了這種控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，僅至2003年，就有286種空調(diào)控制器、24種門窗感應(yīng)器、115種安保監(jiān)控控制器、29種火災(zāi)報(bào)警控制器以及64門禁控制器使用了LonWorks技術(shù)。經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展，這種技術(shù)的應(yīng)用更為普及了。

LonWorks節(jié)點(diǎn)是由開(kāi)發(fā)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)接口、控制模塊、收發(fā)器和神經(jīng)元芯片共同構(gòu)成的。LonWorks節(jié)點(diǎn)的最關(guān)鍵之處是其內(nèi)含的神經(jīng)元芯片具有三個(gè)處理單元，這三個(gè)處理單元分別用于對(duì)應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的控制。在LonWorks節(jié)點(diǎn)的神經(jīng)元芯片上還同時(shí)安裝有11個(gè)I/O接口，這些接口可以便捷地連接外圍輸入輸出設(shè)備，所以在這個(gè)芯片上就能夠便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)控制功能和網(wǎng)絡(luò)的操作。ISO/OSI的全七層通信協(xié)議是這種神經(jīng)元芯片通信使用的主要協(xié)議，除此之外，它還支持多種通信速率和傳輸介質(zhì)。

LonWorks支持的傳輸介質(zhì)包括：紅外、光線、電源線、電力線和雙絞線等。在使用過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同，可以對(duì)傳輸介質(zhì)和收發(fā)器的種類進(jìn)行選擇。LonWorks還支持面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的互操作功能可以輕松實(shí)現(xiàn)。

由于推出LonWorks技術(shù)的公司Echelon在這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)出中處于壟斷地位，所以其他廠商采用這種技術(shù)時(shí)，成本就會(huì)相對(duì)較高[3]，這一因素嚴(yán)重影響到LonWorks技術(shù)在成本較低的樓宇自動(dòng)化中的使用。

1.2 BACnet總線技術(shù)

隸屬于美國(guó)冷暖工程師協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)135P推出了BACnet標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在推出的同一年通過(guò)了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局ANSI的審批成為了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且BACnet標(biāo)準(zhǔn)在2000年的八月份草擬成為了樓宇自控標(biāo)準(zhǔn)。

BACnet標(biāo)準(zhǔn)的最大亮點(diǎn)在于其強(qiáng)大的互操作性。BACnet采用的協(xié)議是面向?qū)ο箢愋偷模鋺?yīng)用層中對(duì)服務(wù)和對(duì)象的定義是標(biāo)準(zhǔn)化的，這使得其應(yīng)用功能可以得到較為完整的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)锽ACnet擁有這樣統(tǒng)一、完善的交換技術(shù)和數(shù)據(jù)表示方法，在各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)操作行為與交換信息是很容易完成的。開(kāi)發(fā)商可以依據(jù)具體開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的不同，選擇不同的應(yīng)用，并利用異構(gòu)BACnet設(shè)備的優(yōu)越的擴(kuò)展性和重用性以及設(shè)備的互操作性以實(shí)現(xiàn)所需功能[4]，使用這種技術(shù)建構(gòu)起的系統(tǒng)，其可擴(kuò)展性和集成程度都較好。

BACnet的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層都有自己的定義。BACnet網(wǎng)絡(luò)層中，所謂的物理網(wǎng)段是一段物理介質(zhì)，負(fù)責(zé)連接部分BACnet設(shè)備；多個(gè)物理網(wǎng)段共同構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)段，這是通過(guò)在物理層中與繼電器連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的；再通過(guò)網(wǎng)橋連接，多個(gè)網(wǎng)段可以構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的MAC地址域，這樣就構(gòu)成了一個(gè)BACnet網(wǎng)；所謂的BACnet局域網(wǎng)就是使用BACnet路由器將多個(gè)BACnet網(wǎng)連接到一起構(gòu)成的。

BACnet也存在缺陷，其對(duì)服務(wù)的對(duì)象的定義還不夠完善，還不能做到真正意義上的互操作。

1.3 CAN總線技術(shù)

有德國(guó)BOSCH公司推出的控制器局域網(wǎng)絡(luò)，主要用于汽車內(nèi)部執(zhí)行不見(jiàn)之間和數(shù)據(jù)測(cè)量的通信協(xié)議，其簡(jiǎn)稱為CAN，即controller area network[5]。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)將這種總線協(xié)議定為了國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn)，其在離散控制領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用。

CAN的信號(hào)受到干擾的程度較低，傳輸所需時(shí)間較短，這一特點(diǎn)源于CAN傳輸信號(hào)時(shí)所使用的幀結(jié)構(gòu)，它所使用的是短幀結(jié)構(gòu)，每幀只含有八個(gè)有效字節(jié)。CAN采用的總線沖突機(jī)制是總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上如果同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同傳輸信息，那么通過(guò)仲裁技術(shù)調(diào)節(jié)，可以使低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)停止傳輸信息，為高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)騰出空間繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。采用的雙絞線可以使得CAN信號(hào)傳輸速率達(dá)到1Mbps，最遠(yuǎn)傳輸路程可達(dá)10km，最多可掛接110個(gè)設(shè)備。

1.4 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

由德國(guó)西門子公司等十余家企業(yè)和研究所聯(lián)合推出的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，是符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線包括三部分：PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMB、PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-FMB指的是現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范，在包括低壓開(kāi)關(guān)、可編程控制器和樓宇自動(dòng)化等自動(dòng)化過(guò)程中應(yīng)用廣泛[6]。而PROFIBUS-DP指的是用戶規(guī)范，其主要作用是使用快速串行鏈接將智能設(shè)備、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器、輸入/輸出設(shè)備與自動(dòng)化系統(tǒng)連接起來(lái)。PROFIBUS-PA指的是過(guò)程自動(dòng)化，其功能是將液面、壓力和溫度變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)中。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的互聯(lián)模式上使用的是ISO/OSI開(kāi)放系統(tǒng)，PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的第一子集就是由這兩部分共同構(gòu)成的。PROFIBUS-DP使用了擬合的直接數(shù)據(jù)鏈接替代第三到第七層，成為了用戶接口；PROFIBUS-FMS則使用應(yīng)用層替代了第三到第六層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分；而PROFIBUS-PA可以取代4-20mA的模擬技術(shù)。

PROFIBUS采用的是雙絞線傳輸信號(hào)時(shí)，最遠(yuǎn)傳輸距離為10km，信號(hào)傳輸?shù)淖罡咚俾蕿?2Mbps。

2.樓宇自動(dòng)化中現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

建設(shè)智能建筑的思路是，把建筑物作為自動(dòng)化平臺(tái)，配以公共安全系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、信息設(shè)施系統(tǒng)等，以為人們提供健康、環(huán)保、節(jié)能、高效、安全的建筑環(huán)境為目標(biāo)，將管理、服務(wù)、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)合在一起。現(xiàn)階段，智能建筑的主要構(gòu)成成分包括辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。其中智能建筑的核心部分是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)[7]。

通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備將樓宇中的設(shè)備連接起來(lái)構(gòu)成的能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)成為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，它能夠?yàn)槿藗兲峁┕?jié)能環(huán)保、安全可靠和舒適便捷的建筑環(huán)境[8]。通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以將樓宇系統(tǒng)中個(gè)子系統(tǒng)連接在一起，使用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)個(gè)自動(dòng)化子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)、配合，并將子系統(tǒng)中產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)和事件回傳給自動(dòng)化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)高效、有序和安全的運(yùn)行。

3.總結(jié)

本文對(duì)應(yīng)用較為廣泛的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)系統(tǒng)總線技術(shù)在樓宇自動(dòng)化建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了淺析。通過(guò)本文闡述，我們可以知道，實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)能夠大大提高人們生活的舒適度、便捷和安全程度，而在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的。在樓宇建設(shè)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在建筑上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，智能建筑將會(huì)逐步普及。

參考文獻(xiàn)

[1]汪海杰.樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)[D].四川：電子科技大學(xué)，2012.

[2]何麗莉.LonWorks技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].河北能源資源技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，3（15）：211-213.

[3]萬(wàn)發(fā)勤.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].電子世界，2011，11（15）：23-24.

[4]劉康.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，10（5：）65-66.

[5]金湘力.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].山西電力，2010，12（15）：54-57.

[6]劉太，董良師.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在變電站綜合自動(dòng)化中的應(yīng)用探討[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（15）：23-24.

[7]林君芳，陸兵.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].科技傳播，2011，7（8）：112-114.

[8]向新圓.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用研究[J].科技致富向?qū)В?013，10（25）：82-83.