一、 前言 九十年代初，誕生了LonWorks（r）開(kāi)放式分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這使得制造輕小的、低價(jià)格的、智能化的控制設(shè)備（Smart Intelligent Control Devices）成為可能，這些設(shè)備內(nèi)置了具有標(biāo)準(zhǔn)的LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和控制功能的智能化微處理器CPU，這些協(xié)議同以太網(wǎng)絡(luò)（Ehernet）一樣，完全遵守標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)ISO制定的七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這些協(xié)議由美國(guó)Echelon公司提供給基于LonWorks的獨(dú)立開(kāi)發(fā)商 （LonWorks Independent Developers, LID），而智能化微處理器CPU由美國(guó)Motorola 和日本Toshiba制造。這項(xiàng)新的技術(shù)使得由不同的產(chǎn)品獨(dú)立開(kāi)發(fā)商設(shè)計(jì)和制造的產(chǎn)品直接連接在一起，不需要中間轉(zhuǎn)換設(shè)備（如：Gateway，Router等）；這些基于LonWorks（r）協(xié)議的產(chǎn)品包括： HVAC 樓宇空調(diào)系統(tǒng) Flow Controllers 流量控制器 Fire Detection & Prevention 火災(zāi)探測(cè)和預(yù)防 Power Distribution 電力監(jiān)控 Access Control 刷卡、門禁、侵入控制系統(tǒng) Transceivers & Modules 網(wǎng)絡(luò)通信傳送接收適配器 CCTV 閉路監(jiān)控系統(tǒng) Detectors & Sensors 傳感器、探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu) Parking Equipment 車庫(kù)管理設(shè)備 Control Network: Development Tools 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具 Lighting 照明系統(tǒng) Control Network: Management 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng) Elevators 電梯系統(tǒng) Control Network: Infrastructure 網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu) I / O 輸入 / 輸出設(shè)備 Miscellaneous 其他種類設(shè)備 Energy Management 能源管理系統(tǒng) Audio & Video 聲音和圖象設(shè)備 Communications 網(wǎng)絡(luò)通信 Generator Sets 發(fā)電機(jī)設(shè)備 MMI（Man Machine Interface）人機(jī)交互式界面 對(duì)于任何基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，要想在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)有效的、強(qiáng)有力的、好的性能價(jià)格比的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是及其重要的。在不同的控制水平上，要求不同的系統(tǒng)特點(diǎn)，不同的通訊介質(zhì)和不同的通訊速率。一個(gè)系統(tǒng)必須在每一水平上，滿足合適的技術(shù)要求。 這篇文章所介紹的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)廣泛地采用了LonWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)作為分散的控制設(shè)備間（Control Horizontal Level Device ）的通信連接，而同時(shí)在通信主干（Riser backbone Level）采用Ethernet和TCP/IP協(xié)議，通過(guò)Ethernet- LonWorks（r） Routers路由器連接企業(yè)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)包括：Intranets和Internet。這樣就和結(jié)構(gòu)化綜合布線（PDS）完整的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)真正集成。 二、 LonWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)兼容性（不同廠家的產(chǎn)品間的互聯(lián)性、互操作性）的要求 開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)LonWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目的，就是使所有不同廠家的不同產(chǎn)品間相互兼容，相互開(kāi)放，就象計(jì)算機(jī)工業(yè)一樣。業(yè)主和工程師們希望從兼容和開(kāi)放系統(tǒng)獲得利益，因此，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求： 2.1 為了確保系統(tǒng)的互操作性和互聯(lián)性，所有產(chǎn)品應(yīng)該具有LonMark認(rèn)證 （產(chǎn)品上都有LonMark（r）標(biāo)記），來(lái)自于節(jié)點(diǎn)的I/O通信數(shù)據(jù)應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型（Standard Network Variable Types SNVT’s）；進(jìn)一步說(shuō)，必須為所有基于LonWorks（r）的節(jié)點(diǎn)提供外部界面文件（XIF）以確保用戶將來(lái)能夠維護(hù)系統(tǒng)，調(diào)整系統(tǒng)的操作和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。 2.2 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須采用Lontalk協(xié)議，以便安裝系統(tǒng)時(shí)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的、其它廠家開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面軟件MMI作為用戶界面。MMI系統(tǒng)采用SNVTs作為通信數(shù)據(jù)。如FIX, INTOUCH, CITECT等等。 2.3 可以采用標(biāo)準(zhǔn)的、其它廠家開(kāi)發(fā)的軟件工具包，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理、維護(hù)和配置，如LonPoint, VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilder等等。 2.4 為了降低系統(tǒng)的造價(jià)，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，可以在開(kāi)放的市場(chǎng)，購(gòu)買來(lái)自于許多廠家的通用LonWorks（r）設(shè)備，這些設(shè)備包括：Smart Controllers（智能控制器）,Rouers（路由器）, Communication Interfaces Network Card（網(wǎng)卡）, Sensors（傳感器）, Actuators（執(zhí)行器）。 三、 樓宇控制控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是選擇不同類型的控制設(shè)備以便滿足系統(tǒng)的各種控制需要，例如：用于Packaged HVAC空調(diào)系統(tǒng)、VAV變風(fēng)量系統(tǒng)和Heat Pumps的專用控制器，用于較大的控制系統(tǒng)如空氣處理單元、冷水機(jī)組的可編程智能通用控制器，用于傳感器和執(zhí)行器的單點(diǎn)智能控制器，具體介紹如下： 3.1 單點(diǎn)智能控制器（Single Point "Smart Nodes", SPN） 單點(diǎn)智能控制器SPN是一些設(shè)備，如溫度和濕度傳感器，單一繼電器輸出設(shè)備，功率及電度傳感器等等，它們都內(nèi)置神經(jīng)元微處理器（Neuron Chip）和網(wǎng)絡(luò)界面卡（Network Card），在LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)中作為單一節(jié)點(diǎn)存在，使得控制系統(tǒng)更加分散。 3.2 專用控制器（Application Specific "Smart Nodes", ASN） 專用控制器ASN是非常小的控制器，它們被設(shè)計(jì)用于某些特殊設(shè)備，內(nèi)置了工廠預(yù)編程的專家模式和算法，如Packaged HVAC空調(diào)系統(tǒng)、VAV變風(fēng)量系統(tǒng)、Heat Pumps和風(fēng)機(jī)盤管單元Fan Coil Units等等。這些智能控制器都內(nèi)置神經(jīng)元微處理器（Neuron Chip）和網(wǎng)絡(luò)界面卡（Network Card），具有必要的輸入、輸出端子（I/O）和內(nèi)存資源，以便執(zhí)行特殊的控制任務(wù)。ASN不是可以自由編程的，內(nèi)置在ASN上的專家模式和算法被保存在非易失內(nèi)存中（如FLASH EPROM）。 3.3 可編程智能通用控制器（Programmable "Smart Nodes", PSN） 可編程智能通用控制器PSN是非常小的控制器，用戶可以自由編程以滿足相應(yīng)設(shè)備的控制需要，因此它們應(yīng)用廣泛，如：空氣處理單元（AHU），冷水機(jī)組，冷卻塔，熱交換器等等，用戶應(yīng)用程序和控制監(jiān)控程序被存儲(chǔ)在PSN上的非易失內(nèi)存中（如FLASH EPROM）。 應(yīng)用PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器的LonWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下： 3.4 網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)（"Meta-Nodes", MN） 網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)MN執(zhí)行兩個(gè)功能：一個(gè)功能是它們?cè)贚onWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)中，可以作為連接Ethernet（或其它網(wǎng)絡(luò)）通信網(wǎng)關(guān)（Communication Gateway）或服務(wù)器（Server）；另一個(gè)功能是它們可以在LonWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)中，執(zhí)行高級(jí)控制任務(wù)，這些控制任務(wù)非常龐大，ASN和PSN無(wú)法完成，這些控制任務(wù)要求大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的分析、計(jì)算；MN典型的控制應(yīng)用包括：中心控制單元，超大型系統(tǒng)的控制等等。 MN’s也被稱為“Hosted Nodes”，控制器板上的神經(jīng)元微處理器Neuron Chip被用于同LonWorks（r）的通信，控制任務(wù)由控制器板上的另一個(gè)微處理器執(zhí)行，如：Intel 80486 和Pentium；作為“Hosted Nodes”，MN能夠處理4096個(gè)SNVT’s，而PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器只能處理62個(gè)SNVT’s。 在典型的控制應(yīng)用中，MN控制器讀取由I/O模塊和PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器所采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析和復(fù)雜的計(jì)算，如最優(yōu)啟/停控制等。 在典型的通信網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中，MN控制器作為L(zhǎng)onWorks（r）控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)它連接到以太網(wǎng)（或其它網(wǎng)絡(luò)）主干；它們也作為通信網(wǎng)關(guān)提供與其它非LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)的接口界面，MN控制器在LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)和其它系統(tǒng)之間進(jìn)行必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換。用戶應(yīng)用程序和控制監(jiān)控程序被存儲(chǔ)在MN上的非易失內(nèi)存中（如FLASH EPROM，EEPROM和電池供電的RAM中）。 3.5 I/O模塊 I/O模塊最重要的作用是提供與常規(guī)的、非基于LonWorks（r）的傳感器和執(zhí)行控制器的接口界面，如：溫度傳感器，繼電器，執(zhí)行水閥和風(fēng)閥等等，基于LonWorks（r）的I/O模塊的輸入連接這些常規(guī)器件監(jiān)測(cè)信息，如溫度，濕度，流量，開(kāi)關(guān)量等等，輸出連接控制設(shè)備如：風(fēng)機(jī)，泵，照明電路，繼電器等等。 這些I/O模塊內(nèi)置神經(jīng)元微處理器（Neuron Chip），它們并不執(zhí)行控制任務(wù)，它們?cè)谙到y(tǒng)中的作用是采集區(qū)域數(shù)據(jù)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供它們到系統(tǒng)中其它的智能節(jié)點(diǎn)上，這些智能節(jié)點(diǎn)基于這些數(shù)據(jù)信息作出控制決定。 綜合上述對(duì)MN’s, SPN’s, ASN’s和PSN’s的討論，我們得出如下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖： 3.6 MN控制器之間在系統(tǒng)級(jí)水平上的聯(lián)網(wǎng) 在大型的控制系統(tǒng)中，可能需要多個(gè)MN控制器，因此我們必須在這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立通信網(wǎng)絡(luò)；取決于系統(tǒng)的大小和性能要求，這個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可以是控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)（LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)）用于連接各種控制器節(jié)點(diǎn)，也可以是標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)級(jí)廣域主干網(wǎng)絡(luò)如：Ethernet。 LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)和LonTalk（r）協(xié)議已經(jīng)被證明是控制節(jié)點(diǎn)之間信息交流的最快和最可靠的工具；此外這個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供較低的節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)價(jià)格比和高靈活性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，允許無(wú)中繼的長(zhǎng)距離傳輸，提供各種傳輸介質(zhì)，包括：雙絞線，光纖，動(dòng)力線，射頻，這些特點(diǎn)使LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)成為理想的控制應(yīng)用級(jí)網(wǎng)絡(luò)。 然而，如果要求高容量的數(shù)據(jù)通信，采用Ethernet以太網(wǎng)作為系統(tǒng)主干，效果可能更好；以太網(wǎng)在辦公自動(dòng)化方面能夠傳輸大量的數(shù)據(jù)和信息；在控制主干采用以太網(wǎng)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它采用TCP/IP協(xié)議（迄今為止，世界上最流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議），因此使控制網(wǎng)絡(luò)同企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)如Intranet和Internet容易集成。這就確保了同迅速變化的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的兼容，保護(hù)控制網(wǎng)絡(luò)不作不必要的改變。基于這些理由，推薦在系統(tǒng)的主干采用以太網(wǎng)，而在控制級(jí)水平采用LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)。 基于這些要求，MN控制器應(yīng)該內(nèi)置以太網(wǎng)通信能力（通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的插接模塊），這樣設(shè)計(jì)的BAS系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的可伸縮性，可滿足不同的應(yīng)用要求。 采用多個(gè)聯(lián)網(wǎng)的MN控制器和以太網(wǎng)作主干的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如下： 3.7 控制級(jí)水平上的聯(lián)網(wǎng)/系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能力 控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)和采用Lontalk（r）協(xié)議，LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)具有自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以連接成星型，總線型和環(huán)型，LonWorks（r）技術(shù)也允許不同的介質(zhì)類型混合存在，如：雙絞線，動(dòng)力線，射頻和光纖。 LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持Lontalk（r）協(xié)議說(shuō)明的極限，即255/域，127節(jié)點(diǎn)/子網(wǎng)，因此，每個(gè)域的系統(tǒng)容量是32,385個(gè)節(jié)點(diǎn)。 3.8 系統(tǒng)冗余度設(shè)計(jì) LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得實(shí)現(xiàn)充分的分布式控制成為可能。 四、 操作人機(jī)界面（MMI） 控制系統(tǒng)應(yīng)該允許操作者通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)圖形顯示界面實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，為滿足這一要求，系統(tǒng)應(yīng)該允許用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的、其它廠家開(kāi)發(fā)的、基于WINDOWS 95/NT的人機(jī)界面軟件工具包，如：Intellution的FIX和Wonderware的Intouch，這些產(chǎn)品必須能夠通過(guò)其內(nèi)置的通信驅(qū)動(dòng)軟件和DDE或OPC Servers同控制系統(tǒng)交換信息。 4.1 多用戶/遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能 控制系統(tǒng)應(yīng)該支持多用戶訪問(wèn)，允許多個(gè)用戶同時(shí)在線操作，也能夠通過(guò)Modem和Internet支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)。 4.2 編程/系統(tǒng)安裝 控制系統(tǒng)應(yīng)該允許用戶編制自己的控制程序，以便滿足獨(dú)特的應(yīng)用和設(shè)備系統(tǒng)的需要。 控制系統(tǒng)的編程應(yīng)該具有產(chǎn)生復(fù)雜的邏輯語(yǔ)言功能（如：IF/THEN...ELSE, GOTO等等）以便優(yōu)化HVAC系統(tǒng)的操作；應(yīng)該支持：PID調(diào)節(jié)，最優(yōu)啟/停控制（Optimum Start/Stop），設(shè)定點(diǎn)復(fù)位（Setpoint Reset）等等。 4.3 同標(biāo)準(zhǔn)工具包的兼容性要求 控制系統(tǒng)應(yīng)該允許使用標(biāo)準(zhǔn)的Echelon工具包進(jìn)行初始化節(jié)點(diǎn)安裝，除此之外，控制系統(tǒng)也應(yīng)該允許使用基于LonWorks（r）協(xié)議的工具包進(jìn)行系統(tǒng)的安裝，如：VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilde等。 4.4 同工作站的物理連接 系統(tǒng)管理工作站（PC）應(yīng)該能夠采用所有標(biāo)準(zhǔn)的LonWorks（r）協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)界面卡（如：SLTA, PC NSS, PCC-10, PCMCIA等）連接到LonWorks（r）網(wǎng)絡(luò)。 4.5 支持便攜式通信工具 控制系統(tǒng)應(yīng)能夠支持同便攜式通信工具的信息交流如，Pager（機(jī)）等。 五、 報(bào)警信息的實(shí)時(shí)通信、顯示、打印 控制系統(tǒng)的報(bào)警信息應(yīng)該能夠通過(guò)如下的通信工具實(shí)時(shí)地顯示、打印、聲象報(bào)警，作為系統(tǒng)的最小配置要求，如：調(diào)制解調(diào)器的撥出（Modem dial-out），個(gè)人呼機(jī)（Paqger or Beeper），手機(jī)（Mobile Phone）等。 六、 控制系統(tǒng)同其它系統(tǒng)的集成 控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠通過(guò)MN節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的LonWorks（r）通信協(xié)議同其它系統(tǒng)完整地集成，MN節(jié)點(diǎn)也應(yīng)該能夠通過(guò)RS232, RS485, Ethernet同其它系統(tǒng)進(jìn)行通信。 七、 銷售商技術(shù)資格認(rèn)證 系統(tǒng)集成商應(yīng)該熟悉LonWorks（r）技術(shù)并能夠熟練使用基于LonWorks（r）的產(chǎn)品，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程調(diào)試。 系統(tǒng)集成商應(yīng)該獨(dú)立地或同制造廠家一起合作，為預(yù)投標(biāo)的系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)演示，演示系統(tǒng)將展示所有關(guān)鍵設(shè)備的操作，包括智能可編程控制器DDC，用戶人/機(jī)界面（MMI）軟件，控制器的安裝和編程，報(bào)警信息的顯示、打印。 中建集團(tuán)·北京北黃自動(dòng)化設(shè)備安裝有限公司 劉延峰 郭炳金 朱峭