摘要：本文結合智能建筑的特點，介紹了LonWorks技術的特點并論述了用LonWorks網絡技術實現的BAS控制系統方案，充分體現了現場總線在樓宇自動化領域的前景。 關鍵詞：LonWorks、現場總線（FCS）、樓宇自動化（BAS）、集散監控系統（DCS） 1 前言 樓宇自動化系統（BAS）是按分布式信息與控制理論設計的集散監控系統（DCS），它是由計算機技術、自動控制技術、通信網絡技術和人機接口技術相互發展滲透而產生[1]。然而，集散型控制系統還沒有從根本上解決系統內部通信問題和分布式問題，只是自成封閉系統，以固定集散模式和通信約定構成。因此，這種控制系統還很難適應智能大廈種類繁多的設備檢測和控制要求。LonWorks技術是專門為實時控制而設計的、能在控制層提供互操作的現場總線技術，作為局域網絡技術在控制領域的延伸和應用，LonWorks網絡是將控制系統按局域網絡（LAN）的方式進行構造，用網絡節點代替LAN中的工作站，并將其安裝于監控現場，直接與各種監控傳感器和控制器相連。LonWorks網中每個節點間可以實現點到點的信息傳送，具有極其良好的互操作性，這樣使整個網絡實現了無中心的真正的分布式控制模式。這種網絡集數據采集、分析、控制和網絡通信為一體，十分適合于智能建筑進行分布式網絡管理和控制。樓宇自動化近年來正在向著開放系統迅速發展。在實時控制方面，實現可互相操作的現場總線LonWorks網絡技術的通信協議LonTalk，為樓宇自動化中的傳感器、執行器和控制器之間網絡化操作奠定了基礎。 2 LonWorks技術概述及在樓宇自動化系統的應用 2．1LonWorks技術簡介LonWorks技術是美國Echelon公司90年12月推出的一種現場總線技術，Lon（LocalOperatingNetwork）的意思為局部操作網絡，具有現場總線技術的一切特點。現場總線是一種工業總線，它是自動化領域中計算機通信體系最低層的低成本網絡。國際電工委員會（IEC）和現場總線基金會（FF）對現場總線作了如下定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸多分支結構的通信網絡[2]。目前，世界上許多著名的自動化廠商和Honeywell、JohnsenControls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技術。迄今為止，使用LonWorks技術的生產廠商已有3000多家，并安裝了500多萬個節點。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控制網絡的OEM行列，LonWorks控制網絡技術已大量應用于各主要工業領域，如工業廠房、樓宇及家庭自動化、農業、醫療和運輸業等。LonWorks分布式測控網絡技術，它真正并徹底地貫徹了“分散控制、集中管理”的控制思想，在國際和國內都得到越來越廣泛的應用。更準確地說LonWorks技術有效地解決了集散控制系統的通訊難題。 2．2LonWorks技術的主要性能特點LonWorks網絡系統由智能節點組成，每個智能節點可具有多種功能的I/O功能。用戶可以對節點進行再編程，實現用戶自定義的算法和功能。節點結構如圖1所示，各個節點之間可通過不同的傳輸介質進行數據傳輸，并遵循ISO/OSI的7層模型，LonWorks技術包括監控網絡的設計、安裝、開發和調試的一整套方法，要使用多種專用的硬件設備和軟件程序，主要包括以下幾個方面： 2．2．1LonWorks的技術核心是神經元芯片Neuron，這種使用CMOSCLSI技術的神經元芯片使實現低成本的網絡控制成為可能。 在Neuron芯片中有3個8位的CPU，第一個CPU為介質訪問控制處理器，處理LonTalk協議的第一層和第二層，它包括驅動通信子系統硬件和執行沖突避免算法；第二個CPU為網絡處理器、處理LonTalk協議的第三層到第六層，它進行網絡變量的處理、尋址、事務處理、證實、背景診斷、軟件計時器、網絡管理和函數路徑選擇等，它還控制網絡通信口，物理地發送和接受數據包；第三個CPU為應用處理器，它執行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調用的操作系統服務。Neuron芯片的編程語言為NeuronC，它是從ANSIC中派生出來的，并對ANSIC進行了冊減和增補。一個運行NeuronC應用程序的節點，最多可以說明62個網絡變量。一個網絡變量可以是NeuronC變量或結構，其最大長度可達31個字節。最多31個字節的數組可以被嵌入在一個結構里并作為一個網絡變量來傳播。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接口（網絡收發器）。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部計時時鐘。I/O口有四類34個預編程的I/O對象，用來實現有效的測量、計時和控制應用操作。 2．2．2LonWorks技術的核心為LonTalk通信協議，協議遵循由國際標準化組織（ISO）定義的開放系統互連（OSI）模型，提供了7層協議所有內容的服務。在通信方式上采用一種改進的CSMA（載波監聽多路訪問），稱為帶預測的P-PersistentCSMA算法。 2．2．3LonTalk協議支持多種傳輸介質，如雙絞線、電力線、超聲波、紅外線、光纖等。每一種介質稱為一種信道，每一種信道有專用的收發器作為智能節點與通信介質的接口器件。不同的傳輸信道可通過路由器實現互聯。在不同的介質中有不同的傳輸速率，最高達到1.25Mbps，傳輸距離最遠為2.7Km，每個信道最多可接3.2萬個節點。 2．2．4在網絡結構上，LonTalk協議支持分散的PeertoPeer的通信，節點可以組成總線型、環型、樹型等多種網絡拓撲結構，并可組成自由拓撲結構。網絡通信采用面向對象的設計方法，可使用一種稱為NeuronC的語言進行編程。 2．3LonWorks與樓宇自動化樓宇自動化是對智能建筑內所有動力、樓宇設備進行自動監測和控制的系統，它通常是由中央管理站、通信控制器、DDC、傳感器和執行器等組成的集散型控制系統（DCS），也是一個開放的網絡通信系統。一般可以把建筑物自動化開放系統分成兩部分考慮：一部分是低速部分，主要涉及傳感器、執行器和控制器所構成的實時環境；另一部分是高速部分，主要涉及大量數據傳送和高級的網絡環境，如報警處理、命令優先安排以及動態數據交換、開放數據庫連接等。建筑物樓宇自動化系統其各工作站之間的住處通信通常基于Ethernet網或TCP/IP協議，而下級通信控制器及DDC的通信則基于RS-232、RS-442協議，采用對等或令牌控制的信息傳輸。 現場總線是一種通信技術，它用數字儀表代替了模擬儀表，以串行通信方式取代傳統的4～20mA的模擬信號，一條現場總線可為眾多的可尋址現場設備實現多點連接，支持底層的現場智能設備與高層的系統通過公用傳輸介質交換信息。 更為關鍵的是用新一代的現場總線控制系統FCS代替傳統的集散型控制系統（DCS），實現了現場通信網絡與控制系統的集成。傳統的DCS采用“操作站―控制站―現場儀表”三層主從結構方式，而現場總線則把輸入/輸出單元，控制站的功能分散到現場智能儀表中。每個智能儀表都有自己的CPU單元，進行測量、調節、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點，節點間通過現場總線連接，任何一個節點的故障都不會影響到其它節點。因此，FCS比DCS具有更優越的關系結構，它與DCS系統的關鍵區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，將計算處理能力向對象分散，并利用集中的上級計算機完成系統的協調。LonWorks網絡的智能節點中包含溫度檢測、相對濕度檢測、二氧化碳檢測、風門執行器、變風量控制、風機盤管控制以及恒溫控制器、冷凍機、單元通風器、墻掛式檢測器、閥門執行器、報警及報警管理、數據記錄及趨勢分析等。基于LonWorks網絡技術的樓宇自動化系統，如圖2所示，全面綜合了計算機、控制和通信技術，采用集散、現場總線等分布式控制系統的結構及先進的管理技術。它主要由大量分散在智能建筑物內部的各設備子系統以及作為核心對它們進行測量、監視、控制、管理和協調的LonWorks智能節點構成，具體包括： 2．3．1變配電系統 LonWorks單點智能節點（SinglePointSmartNode簡稱SPN）有一個Neuron微處理器和網絡接口，允許以節點的形式存在于LonWorks網絡中，它能用作溫度和濕度傳感器、單輸出電器.html’onmouseover="javascript:showpos（event,this）"onmouseout="javascript:ClearTimer（）"target="_blank"style="color:#00A2CA">繼電器的節點。可以對智能建筑物的供電狀況進行實時監視和控制，包括對各級電力開關設備，配電柜高壓和低壓側狀態，主要回路的電流、電壓及功率因數，變壓器及電纜的溫度，發電機運行狀態等的監測與控制，對故障進行報警等；另外，通過對用電情況的計量和統計，利用科學的管理方法，合理均衡負荷，以保障安全、可靠地供電。 2．3．2空調系統 LonWorks中可編程智能節點（ProgrammableSmartNode簡稱PSN）。PSN是一種可根據設備監控需求定制程序的小型控制器，它為系統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，其應用程序和內部操作系統存儲在PSN中的非易失性存儲器中。可對不同區域的空調系統按預先編制的時序或根據環境溫度自動控制建筑物內的中央空調制冷機組、冷凍水泵、冷卻塔風機、電磁閥門、風機的啟停，并監視和記錄各設備的狀態、室內外各測點的溫濕度、送風壓力、流量、閥門開度和運行時間等參數，自動進行故障報警或停機，動態顯示有關水閥、風機的位置、狀態等。 2．3．3電梯系統 LonWorks中基于主機的智能節點（Host-basedSmartNode簡稱HSN）能提供兩種應用：其一可作為連接LonWorks網絡與其它網絡（如Ethernet）的通信網關；基二可適用于一些大型非封裝設備系統的控制應用。 電梯是建筑物內交通的重要樞紐。對帶有完備裝置的電梯，利用此節點將其控制裝置與樓宇自動化系統相連接，以實現相互間的數據通信，使管理中心能夠隨時掌握各個電梯的工作狀況，并在火災、安保等特殊場合對電梯的運行進行直接控制。 2．3．4照明、給排水系統 LonWorks中ASN是一種含有Neuron芯片、網絡接口、必要的輸入輸出和存儲資源的小型控制器，它可通過設計和編程實現對諸如VAX箱、熱泵、風扇線圈、封裝的HVAC等設備的控制，提供了一種針對封裝設備系統的低成本解決方案。應用特定的智能節點（ApplicationSpecificSmartNode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、節日裝飾彩燈、航空障礙照明燈等設備自動進行啟停控制，并自動實現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、各種水箱及污水池的水位進行實時監測，并通過對給水系統壓力的監測以及根據這些水位、壓力狀態，啟停相應的水泵，以保證給排水系統的正常運行。 2．3．5消防、保安系統 LonWorks中輸入輸出模塊（IOM）IOM的主要任務是與傳統的溫度、濕度傳感器，控制繼電器等傳感和控制設備接口。基于LonWorks的IOM單元的輸入是對那些傳統的傳感和監控信息進行連接，如溫度、濕度、流速、空氣質量、報警狀態等；輸出被用于控制風扇、泵、照明電路、繼電器等消防系統是智能建筑樓宇自動化中的重要組成部分，它實施對建筑物內消防系統中的消火栓、噴淋水、消防水泵、穩壓水泵、火災煙感、溫感探測報警器、防火排煙閥、消防電梯、消防廣播、消防電話等消防設備聯網監視與自動控制，一旦出現火警立即通過樓宇自動化系統，向變配電、給排水、空調、電梯等相關系統發出進入消防模式的命令，由這些設備自身的控制系統來協調和實現消防動作。并且通過對閉路電視監聽、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，并進行報警及自動錄像，對有關通道進行出入對象控制，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之間是相互協調的，具有互操作特性，因此還需要有一個能實現集中管理與協調的系統，以便各個子系統能有機地集成在一起，共同構成建筑物的自動控制網絡。綜上所述，支持LonWorks網絡的各種現場智能節點，能使傳感器、變送器與執行器本身帶有數據處理和數據通信功能，它們十分有效地支持了樓宇設備系統所組成的應用，都能被方便地組成真正意義上的分布式監控網絡。 3 結束語 目前，智能化建筑的開發平臺通常由三層網構成，最上層是通信自動化的通信網，中間是用于辦公自動化的局域網，下層是用于樓宇自動化的控制網絡。對于一個基于網絡的分布式處理系統，分層結構對建造一個有效、魯棒、低成本的設計來說是必需的。采用LonWorks網絡的樓宇自動化系統，用LonWorks網絡作為分布式控制臺、設備之間的通信連接，以構成功能齊全、組成靈活的智能大廈監控系統、遠程通信監控系統等，并可根據需要靈活加以組態和擴展。顯然，樓宇自動化系統采用這種分層結構的組合，與世界最流行的網絡協議TCP/IP完全兼容，確保了與日新月異的計算機和網絡世界的兼容，體現了良好的開放性，避免了控制級網絡的不必要更改，滿足了不同應用的需求。