采用LonWorks（r）技術設計樓宇控制系統

九十年代初，誕生了LonWorks（r）開放式分布式控制網絡技術，這使得制造輕小的、低價格的、智能化的控制設備（Smart Intelligent Control Devices）成為可能，這些設備內置了具有標準的LonWorks（r）網絡通信協議和控制功能的智能化微處理器CPU，這些協議同以太網絡（Ehernet）一樣，完全遵守標準化委員會ISO制定的七層網絡協議，這些協議由美國Echelon公司提供給基于LonWorks的獨立開發商 （LonWorks Independent Developers, LID），而智能化微處理器CPU由美國Motorola 和日本Toshiba制造。這項新的技術使得由不同的產品獨立開發商設計和制造的產品直接連接在一起，不需要中間轉換設備（如：Gateway，Router等）；這些基于LonWorks（r）協議的產品包括：

HVAC 樓宇空調系統

Flow Controllers 流量控制器

Fire Detection & Prevention 火災探測和預防

Power Distribution 電力監控

Access Control 刷卡、門禁、侵入控制系統

Transceivers & Modules 網絡通信傳送接收適配器

CCTV 閉路監控系統

Detectors & Sensors 傳感器、探測器及執行機構

Parking Equipment 車庫管理設備

Control Network: Development Tools 網絡開發工具

Lighting 照明系統

Control Network: Management 網絡管理系統

Elevators 電梯系統

Control Network: Infrastructure 網絡基本結構

I / O 輸入 / 輸出設備

Miscellaneous 其他種類設備

Energy Management 能源管理系統

Audio & Video 聲音和圖象設備

Communications 網絡通信

Generator Sets 發電機設備

MMI（Man Machine Interface）人機交互式界面

對于任何基于網絡的分布式控制系統，要想在實際工程中設計有效的、強有力的、好的性能價格比的系統，網絡結構是及其重要的。在不同的控制水平上，要求不同的系統特點，不同的通訊介質和不同的通訊速率。一個系統必須在每一水平上，滿足合適的技術要求。

這篇文章所介紹的控制系統網絡結構廣泛地采用了LonWorks（r）控制網絡作為分散的控制設備間（Control Horizontal Level Device ）的通信連接，而同時在通信主干（Riser backbone Level）采用Ethernet和TCP/IP協議，通過Ethernet- LonWorks（r） Routers路由器連接企業局域網和廣域網包括：Intranets和Internet。這樣就和結構化綜合布線（PDS）完整的結合起來，實現所有子系統真正集成。

二、 LonWorks（r）控制網絡技術對兼容性（不同廠家的產品間的互聯性、互操作性）的要求

開發和設計LonWorks（r）控制網絡技術的目的，就是使所有不同廠家的不同產品間相互兼容，相互開放，就象計算機工業一樣。業主和工程師們希望從兼容和開放系統獲得利益，因此，這個系統應該滿足如下要求：

2.1 為了確保系統的互操作性和互聯性，所有產品應該具有LonMark認證 （產品上都有LonMark（r）標記），來自于節點的I/O通信數據應該是標準網絡變量類型（Standard Network Variable Types SNVT's）；進一步說，必須為所有基于LonWorks（r）的節點提供外部界面文件（XIF）以確保用戶將來能夠維護系統，調整系統的操作和對系統進行擴容。

2.2 所設計的系統必須采用Lontalk協議，以便安裝系統時，可以利用標準的、其它廠家開發的人機界面軟件MMI作為用戶界面。MMI系統采用SNVTs作為通信數據。如FIX, INTOUCH, CITECT等等。

2.3 可以采用標準的、其它廠家開發的軟件工具包，進行網絡管理、維護和配置，如LonPoint, VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilder等等。

2.4 為了降低系統的造價，提高系統的性能價格比，在設計系統時，可以在開放的市場，購買來自于許多廠家的通用LonWorks（r）設備，這些設備包括：Smart Controllers（智能控制器）,Rouers（路由器）, Communication Interfaces Network Card（網卡）, Sensors（傳感器）, Actuators（執行器）。

三、 樓宇控制控制系統網絡結構

控制系統設計的第一步是選擇不同類型的控制設備以便滿足系統的各種控制需要，例如：用于Packaged HVAC空調系統、VAV變風量系統和Heat Pumps的專用控制器，用于較大的控制系統如空氣處理單元、冷水機組的可編程智能通用控制器，用于傳感器和執行器的單點智能控制器，具體介紹如下：

3.1 單點智能控制器（Single Point "Smart Nodes", SPN）

單點智能控制器SPN是一些設備，如溫度和濕度傳感器，單一繼電器輸出設備，功率及電度傳感器等等，它們都內置神經元微處理器（Neuron Chip）和網絡界面卡（Network Card），在LonWorks（r）網絡中作為單一節點存在，使得控制系統更加分散。

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，它們被設計用于某些特殊設備，內置了工廠預編程的專家模式和算法，如Packaged HVAC空調系統、VAV變風量系統、Heat Pumps和風機盤管單元Fan Coil Units等等。這些智能控制器都內置神經元微處理器（Neuron Chip）和網絡界面卡（Network Card），具有必要的輸入、輸出端子（I/O）和內存資源，以便執行特殊的控制任務。ASN不是可以自由編程的，內置在ASN上的專家模式和算法被保存在非易失內存中（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設備的控制需要，因此它們應用廣泛，如：空氣處理單元（AHU），冷水機組，冷卻塔，熱交換器等等，用戶應用程序和控制監控程序被存儲在PSN上的非易失內存中（如FLASH EPROM）。

應用PSN's, ASN's, SPN's控制器的LonWorks（r）控制網絡系統的結構圖如下：

3.4 網絡中間節點（"Meta-Nodes", MN）

網絡中間節點MN執行兩個功能：一個功能是它們在LonWorks（r）控制網絡中，可以作為連接Ethernet（或其它網絡）通信網關（Communication Gateway）或服務器（Server）；另一個功能是它們可以在LonWorks（r）控制網絡中，執行高級控制任務，這些控制任務非常龐大，ASN和PSN無法完成，這些控制任務要求大量的數據和復雜的分析、計算；MN典型的控制應用包括：中心控制單元，超大型系統的控制等等。

MN's也被稱為“Hosted Nodes”，控制器板上的神經元微處理器Neuron Chip被用于同LonWorks（r）的通信，控制任務由控制器板上的另一個微處理器執行，如：Intel 80486 和Pentium；作為“Hosted Nodes”，MN能夠處理4096個SNVT's，而PSN's, ASN's, SPN's控制器只能處理62個SNVT's。

在典型的控制應用中，MN控制器讀取由I/O模塊和PSN's, ASN's, SPN's控制器所采集的數據，進行大量的數據分析和復雜的計算，如最優啟/停控制等。

在典型的通信網關應用中，MN控制器作為LonWorks（r）控制網絡的節點，同時它連接到以太網（或其它網絡）主干；它們也作為通信網關提供與其它非LonWorks（r）網絡的接口界面，MN控制器在LonWorks（r）網絡和其它系統之間進行必要的協議轉換。用戶應用程序和控制監控程序被存儲在MN上的非易失內存中（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的、非基于LonWorks（r）的傳感器和執行控制器的接口界面，如：溫度傳感器，繼電器，執行水閥和風閥等等，基于LonWorks（r）的I/O模塊的輸入連接這些常規器件監測信息，如溫度，濕度，流量，開關量等等，輸出連接控制設備如：風機，泵，照明電路，繼電器等等。

這些I/O模塊內置神經元微處理器（Neuron Chip），它們并不執行控制任務，它們在系統中的作用是采集區域數據信息，通過網絡提供它們到系統中其它的智能節點上，這些智能節點基于這些數據信息作出控制決定。

綜合上述對MN's, SPN's, ASN's和PSN's的討論，我們得出如下的控制系統結構圖：

3.6 MN控制器之間在系統級水平上的聯網

在大型的控制系統中，可能需要多個MN控制器，因此我們必須在這些網絡節點之間建立通信網絡；取決于系統的大小和性能要求，這個區域網絡可以是控制級網絡（LonWorks（r）網絡）用于連接各種控制器節點，也可以是標準的企業級廣域主干網絡如：Ethernet。

LonWorks（r）網絡和LonTalk（r）協議已經被證明是控制節點之間信息交流的最快和最可靠的工具；此外這個網絡提供較低的節點訪問價格比和高靈活性的網絡拓撲結構，簡化了安裝過程，允許無中繼的長距離傳輸，提供各種傳輸介質，包括：雙絞線，光纖，動力線，射頻，這些特點使LonWorks（r）網絡成為理想的控制應用級網絡。

然而，如果要求高容量的數據通信，采用Ethernet以太網作為系統主干，效果可能更好；以太網在辦公自動化方面能夠傳輸大量的數據和信息；在控制主干采用以太網的另外一個優點是它采用TCP/IP協議（迄今為止，世界上最流行的網絡協議），因此使控制網絡同企業級網絡如Intranet和Internet容易集成。這就確保了同迅速變化的計算機和網絡技術的兼容，保護控制網絡不作不必要的改變。基于這些理由，推薦在系統的主干采用以太網，而在控制級水平采用LonWorks（r）網絡。

基于這些要求，MN控制器應該內置以太網通信能力（通過一個簡單的插接模塊），這樣設計的BAS系統提供了強大的可伸縮性，可滿足不同的應用要求。

采用多個聯網的MN控制器和以太網作主干的系統，其結構圖如下：

3.7 控制級水平上的聯網/系統節點能力

控制級網絡應該是LonWorks（r）網絡和采用Lontalk（r）協議，LonWorks（r）網絡具有自由拓撲結構，可以連接成星型，總線型和環型，LonWorks（r）技術也允許不同的介質類型混合存在，如：雙絞線，動力線，射頻和光纖。

LonWorks（r）網絡系統結構支持Lontalk（r）協議說明的極限，即255/域，127節點/子網，因此，每個域的系統容量是32,385個節點。

3.8 系統冗余度設計

LonWorks（r）網絡結構使得實現充分的分布式控制成為可能。

四、 操作人機界面（MMI）

控制系統應該允許操作者通過計算機動態圖形顯示界面實時觀察現場設備的運行狀況，為滿足這一要求，系統應該允許用戶使用標準的、其它廠家開發的、基于WINDOWS 95/NT的人機界面軟件工具包，如：Intellution的FIX和Wonderware的Intouch，這些產品必須能夠通過其內置的通信驅動軟件和DDE或OPC Servers同控制系統交換信息。

4.1 多用戶/遠程訪問功能

控制系統應該支持多用戶訪問，允許多個用戶同時在線操作，也能夠通過Modem和Internet支持遠程訪問。

4.2 編程/系統安裝

控制系統應該允許用戶編制自己的控制程序，以便滿足獨特的應用和設備系統的需要。

控制系統的編程應該具有產生復雜的邏輯語言功能（如：IF/THEN...ELSE, GOTO等等）以便優化HVAC系統的操作；應該支持：PID調節，最優啟/停控制（Optimum Start/Stop），設定點復位（Setpoint Reset）等等。

4.3 同標準工具包的兼容性要求

控制系統應該允許使用標準的Echelon工具包進行初始化節點安裝，除此之外，控制系統也應該允許使用基于LonWorks（r）協議的工具包進行系統的安裝，如：VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilde等。

4.4 同工作站的物理連接

系統管理工作站（PC）應該能夠采用所有標準的LonWorks（r）協議支持的網絡界面卡（如：SLTA, PC NSS, PCC-10, PCMCIA等）連接到LonWorks（r）網絡。

4.5 支持便攜式通信工具

控制系統應能夠支持同便攜式通信工具的信息交流如，Pager（機）等。

五、 報警信息的實時通信、顯示、打印

控制系統的報警信息應該能夠通過如下的通信工具實時地顯示、打印、聲象報警，作為系統的最小配置要求，如：調制解調器的撥出（Modem dial-out），個人呼機（Paqger or Beeper），手機（Mobile Phone）等。

六、 控制系統同其它系統的集成

控制系統應該能夠通過MN節點內置的LonWorks（r）通信協議同其它系統完整地集成，MN節點也應該能夠通過RS232, RS485, Ethernet同其它系統進行通信。

七、 銷售商技術資格認證

系統集成商應該熟悉LonWorks（r）技術并能夠熟練使用基于LonWorks（r）的產品，對控制系統進行編程調試。

系統集成商應該獨立地或同制造廠家一起合作，為預投標的系統進行技術演示，演示系統將展示所有關鍵設備的操作，包括智能可編程控制器DDC，用戶人/機界面（MMI）軟件，控制器的安裝和編程，報警信息的顯示、打印。

中建集團·北京北黃自動化設備安裝有限公司 劉延峰 郭炳金 朱峭