基于Profinet的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛大衛(wèi)

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100015)

0 引言

樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能建筑的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能建筑各子系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，包括供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行設(shè)備的優(yōu)化管理，保障設(shè)備正常運(yùn)行的安全性和可靠性，并能夠提供計(jì)算費(fèi)用、生成報(bào)表、分析設(shè)備使用率、分析系統(tǒng)生命周期成本等運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)［1］。

傳統(tǒng)的分布式樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)(DCS)存在如下缺點(diǎn):①由于采用一對(duì)一傳輸方式，一對(duì)儀表之間使用一對(duì)傳輸線，導(dǎo)致接線復(fù)雜、安裝工程周期長(zhǎng)、安裝費(fèi)用高，不易于設(shè)備維護(hù)，可靠性差;②各廠家系統(tǒng)封閉，使用的傳輸協(xié)議和接口方式不開(kāi)放，對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的互換與互操作［2］。

近幾年，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)用在智能樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)中。本文針對(duì)樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了基于Profinet的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 Profinet簡(jiǎn)介

Profinet是一個(gè)開(kāi)放式的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)定，是由Profibus＆Profinet國(guó)際協(xié)會(huì)所提出。Profinet應(yīng)用TCP/IP及資訊科技的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)。

與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用主要有以下特點(diǎn)。

(1)實(shí)時(shí)通信 采用以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡(jiǎn)化通信棧軟件層次、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)段化等針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制的通信實(shí)時(shí)性措施，提高了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性。

(2)總線供電 采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問(wèn)題。

(3)遠(yuǎn)距離傳輸 采用網(wǎng)絡(luò)分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡(luò)超小時(shí)滯中繼以及光纖等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸。

(4)網(wǎng)絡(luò)安全 采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過(guò)具有網(wǎng)絡(luò)隔離和安全過(guò)濾的現(xiàn)場(chǎng)控制器與系統(tǒng)主干相連，實(shí)現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡(luò)隔離。

(5)可靠性采用分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、冗余、自診斷等可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等，提高基于以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可靠性。

(6)一網(wǎng)到底即可一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流技術(shù)。

Profinet可分為Profinet CBA及Profinet IO二種:Profinet CBA適合經(jīng)由TCP/IP，以元件為基礎(chǔ)的通訊，Profinet IO則使用在需要實(shí)時(shí)通訊的系統(tǒng)。Profi-net CBA和Profinet IO可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)出現(xiàn)。

Profinet網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備的通訊是借由Profinet IO來(lái)實(shí)現(xiàn)，Profinet IO定義和現(xiàn)場(chǎng)連接的外部設(shè)備的通訊機(jī)能，其基礎(chǔ)是級(jí)聯(lián)性的實(shí)時(shí)概念，Profinet IO定義控制器(有“主站機(jī)能”的設(shè)備)和其他設(shè)備(有“從站機(jī)能”的設(shè)備)之間完整的資料交換、參數(shù)設(shè)定及診斷機(jī)能。Profinet IO是設(shè)計(jì)用來(lái)在以以太網(wǎng)連接的設(shè)備提供快速的資料傳輸，且支援生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型(provider-consumermodel)。支援Profibus通訊協(xié)定的設(shè)備可以無(wú)縫的和Profinet網(wǎng)絡(luò)連接，不需要IO代理器(IO-Proxy)之類的設(shè)備。設(shè)備開(kāi)發(fā)者可以利用市面上販?zhǔn)鄣囊蕴W(wǎng)控制器來(lái)開(kāi)發(fā)Profinet IO設(shè)備。Profinet IO適用在網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間在數(shù)ms的系統(tǒng)。

Profinet IO系統(tǒng)包括以下幾種設(shè)備:①IO控制器，控制自動(dòng)化的任務(wù)工作。②IO設(shè)備，一般是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，受IO控制器的控制及監(jiān)控，一個(gè)IO設(shè)備可能包括數(shù)個(gè)模組或是子模組。③IO監(jiān)控器是一個(gè)PC的軟件，可以設(shè)定參數(shù)及診斷個(gè)別模組的狀態(tài)。

Profinet IO會(huì)在IO控制器及IO設(shè)備之間建立應(yīng)用關(guān)系，應(yīng)用關(guān)系中會(huì)定義有不同的參數(shù)傳遞、周期資料交換及警告處理等特性的通訊關(guān)系［3］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)西門子全集成自動(dòng)化的系統(tǒng)理念，樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(1)管理級(jí) 管理級(jí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、報(bào)表等功能。我們使用兩臺(tái)安裝WinCC組態(tài)軟件的工控機(jī)作為管理級(jí)的上位機(jī)，兩臺(tái)WinCC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了冗余系統(tǒng)。WINCC冗余系統(tǒng)采用的是兩臺(tái)服務(wù)器連接到一起協(xié)同工作，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行期間，這兩臺(tái)服務(wù)器能實(shí)現(xiàn)相互監(jiān)控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)方服務(wù)器是否進(jìn)入了故障狀態(tài)。如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生了故障，則所有的監(jiān)控站點(diǎn)會(huì)自動(dòng)切換到正常工作的服務(wù)器，從而保證所有的監(jiān)控站點(diǎn)都可以進(jìn)行對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。當(dāng)在一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障期間，仍然正常工作的服務(wù)器會(huì)繼續(xù)完成系統(tǒng)信息處理、過(guò)程數(shù)據(jù)歸檔、記錄等功能;而當(dāng)故障服務(wù)器恢復(fù)正常工作后，故障期間的歸檔記錄也會(huì)復(fù)制到恢復(fù)正常工作的服務(wù)器，從而保證了兩臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)。這一過(guò)程也被稱作恢復(fù)后同步。

(2)控制級(jí) 控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的關(guān)鍵，也是聯(lián)系管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之間的樞紐。其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)輸送到管理層。本系統(tǒng)的控制級(jí)部分主要采用多套西門子公司S7-300(CPU315-2PN/DP)型PLC組成，采用Scalance交換機(jī)構(gòu)建成數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，CPU315-2PN/DP集成有Profinet接口和Profibus接口，既可以連接到工業(yè)以太網(wǎng)，也可以連接到低端Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備，而無(wú)需重新網(wǎng)絡(luò)耦合器［4］。

(3)現(xiàn)場(chǎng)級(jí) 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要有各種檢測(cè)儀表、電機(jī)、IO端口和各種控制設(shè)備等組成。其功能主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳;接受控制級(jí)的指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。通過(guò)開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線AS-I總線來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器，是解決這些問(wèn)題的最佳方案。AS-I是單主站系統(tǒng)，作為控制過(guò)程或現(xiàn)場(chǎng)的通信處理器(CP)主站由西門子公司提供。通過(guò)DP/AS接口鏈路直接連接AS-I到Profibus-DP，從而成為Profibus-DP的子網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了基于Profinet工業(yè)以太網(wǎng)的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)全集成自動(dòng)化的理念，實(shí)現(xiàn)了從管理層到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層的“一網(wǎng)到底”，與智能建筑中其它系統(tǒng)，如信息網(wǎng)通信自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，集成起來(lái)更加容易。

［1］ 文 方，孫 敏．集散型樓宇自控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)．科技廣場(chǎng)［J］．2010(1):159-161．

［2］ 張 洋．樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究［D］．長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué)，2007．

［3］ 西門子．Profinet系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)［M］．A5E00879148_01 2006．

［4］ 崔光亮，馮正進(jìn)，蘇 純．基于Profibus的SBR工藝污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］．給水排水，2003(11):84-87．