基于現場總線的智能建筑淺談

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　　智能建筑是傳統建筑工程和新興信息技術相結合的產物，智能建筑運用系統工程的觀點，將建筑物的結構(建筑環境結構) 、系統(智能化系統) 、服務(住用、用戶需求服務)和管理(物業運行管理)四個基本要素進行優化組合，以建筑為平臺，兼備建筑設備、 辦公自動化及網絡通信系統，用最優的設計，向人們提供一個投資合理、高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環境空間。
　　
　　1 智能建筑系統的組成
　　智能建筑系統的組成由四大部分組成：樓宇自動化系統(BAS)、通信自動化系統(CAS)、辦公自動化系統(OAS)和結構化綜合布線系統(SCS)。
　　1.1 樓宇自動化系統(BAS)
　　樓宇自動化系統(BAS)采用傳感器技術、圖形圖象技術、計算機和現代通信技術對建筑的電力、空調、電梯、冷水機組、熱力站、給排水、消防系統、保安監控、出入門控制等設備實行全自動的綜合監控管理。包括樓宇自動化管理、出入管理、磁卡識別系統、保安監控系統、防火系統以及各種設備控制與監視系統等。它們建立在綜合布線系統之上，將完成如下基本功能：各類參數的實時控制和監視、各種動力設備的起?？刂婆c監視、各種設備運行狀態顯示、設備非正常狀態的報警、動力設備的節能控制。BAS按建筑設備和設施的功能劃分為十個子系統:1)變配電控制子系統;2)照明控制子系統;3)通風空調控制子系統;4)交通運輸控制子系統;5)給排水設備控制子系統;6)停車庫自動化子系統;7)消防自動化子系統;8)安保自動化子系統;9)公共廣播與背景音樂系統;10)多媒體音像系統。
　　1. 2 通信自動化系統(CAS)
　　通信自動化系統(CAS)提供建筑內外的一切語言和數據通信，CAS是在保證建筑物內語音、數據、圖像傳輸的基礎上，同時與外部通信網(如電話網、數據網、計算機網、衛星以及廣電網)相連，與世界各地互通信息的系統。主要包括：1)以程控交換機為核心的電話，傳真等為主的通訊網絡。2)建筑內的局域網，把建筑內的各種終端、微機、工作站、主計算機與數據庫等聯網，實現數據通信。3)與國內外建立遠程數據通信網絡。
　　CAS按功能劃分為八個子系統: 1) 固定電話通信系統，設PABX或采用公網的集中小交換機;2)聲訊服務通信系統(語音信箱和語音應答系統) ;3)無線通信系統，具備選擇呼叫和群呼功能;4)衛星通信系統，樓頂安裝衛星收發天線和 VAST通信系統，與外部構成語音和數據通道，實現遠距離通信的目的;5)多媒體通信系統;6)視訊服務系統;7)有線電視系統;8)計算機通信網絡系統。
　　1. 3 辦公自動化系統(OAS)
　　辦公自動化系統(OAS)由高性能的傳真機、各種終端、微機、文字處理機、主計算機、聲像設備等現代化辦公設備與相應的軟件組成。主要用于文字處理、辦公服務、公文文檔等綜合管理，以及電子票務、電子郵件、電視會議以及電子數據交換等。
　　1. 4 結構化綜合布線系統(SCS)
　　SCS又稱綜合布線系統 ( Premises Dist ribution System，簡稱PDS)，它是建筑物或建筑群內部之間的傳輸網絡。它把建筑物內部的語音交換、智能數據處理設備及其廣義的數據通信設施相互連接起來，并采用必要的設備同建筑物外部數據網絡或電話局線路相連接。其系統包括所有建筑物與建筑群內部用以連接以上設備的電纜和相關的布線器件。
　　
　　2 智能建筑的現場總線技術
　　20 世紀 80 年代后期起 ,伴隨著計算機可靠性提高 ,價格大幅下降 ,出現了由多個計算機遞階構成的集中、分散相結合的分布式控制系統(Dist ributed Cont rol System ,簡稱 DCS) 。DCS是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統。DCS在工業自動化控制領域獲得了廣泛的應用 ,也開始應用到樓宇自動化控制領域 ,但是 DCS存在一些缺點 ,如系統互換與互操作性差等。20 世紀 90 年代后期 ,出現了基于現場總線的控制系統( Field Cont rol System ,簡稱 FCS) ,FCS克服了 DCS的缺點 ,它是一種全數字化的、全分散的、可互操作和開放式互連的新一代控制系統?，F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。目前 ,現場總線技術已經成為自動化技術中的一個熱點 ,備受國內外自動化設備制造商與用戶的關注。FCS極大地簡化了傳統控制系統繁瑣且技術含量較低的布線工作量 ,使其系統檢測和控制單元的分布更趨合理。與傳統的DCS(分布式控制系統)相比 ,FCS具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好、實現了控制管理一體化的結構體系等優點。隨著建筑業的智能化和信息化需求的迅速增長 ,出現了一些專門針對智能建筑的總線和通信協議 ,如美國的 BACnet和 EBus、 日本的HBS、 歐洲的 EIB 等。其中 ,以 LonWorks、EIB在國內應用最為廣泛 ,它們在智能建筑中的應用各有側重。
　　2.1LonWorks總線
　　LonWorks是一種具有強勁實力的現場總線技術 ,它是由美國 Ecelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導 ,于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/ OSI模型的全部七層通訊協議 ,采用了面向對象的設計方法 ,通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置 ,其通訊速率從 300 bps～15 Mbps不等 ,直接通信距離可達到 2 700 m(78 kbps ,雙絞線) ,支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質 ,并開發相應的本安防爆產品 ,被譽為通用控制網絡。
　　2.1.1LonTalk協議
　　LonTalk協議是LonWorks技術的通信協議，采用短幀報文 ,可靠性高、 實時性好。LonTalk協議使用網絡變量與其他節點通信。網絡變量可以是任何單個數據項 ,也可以是結構體 ,并都有一個由應用程序說明的數據類型。網絡變量的概念大大簡化了復雜的分布式應用的編程 ,降低了開發人員的工作量。該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網絡中對其他裝置接受或發送數據而無需知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置的功能。該協議能有選擇的提供端對端的報文確認、報文證實和優先級確認，是一個分層的以數據包為基礎的對等的通信協議，使用類似于以太網所用的“CSMA”算法來處理網上報文沖突。
　　LonTalk協議支持總線型、 星型、 自由拓撲等多種拓撲結構 ,極大地方便了控制網絡的構建。LonTalk協議支持包括雙絞線、 電力線、 無線、 紅外線、 同軸電纜和光纖在內的多種傳輸介質。Lon2Talk采用一種基于載波偵聽多路訪問 /介質訪問控制 (CS MA /MAC)的算法 ,提供介質訪問協議 ,使得可以根據預測網絡業務量發送優先級報文和動態調整時間槽的數目 ,稱為帶預測的 P2 persis2tent CS MA算法。通過動態調整網絡帶寬,使網絡能在極高網絡業務量出現時繼續運行 ,而在業務量較小時期不降低網絡速度。最大通信速率為1 . 25Mb / s (有效距離為 130 m) ,支持非屏蔽雙絞線 (UTP)的通信距離達 2 700 m (通信速率為728 . 125 kb / s)。

　　2.1.2 神經元芯片
　　LonWorks技術的神經元芯片內部裝有3個微處理器:MAC處理器完成介質訪問控制;網絡處理器完成OSI的3～6層網絡協議;應用處理器完成用戶現場控制應用。它們之間通過公用存儲器傳遞數據。
　　在控制單元中需要采集和控制功能,為此,神經元芯片特設置11個I/O口。這些I/O口可根據需求不同來靈活配置與外圍設備的接口,如RS232、并口、定時/計數、間隔處理、位I / O等。
　　神經元芯片還有一個時間計數器,從而能完成Watchdog、多任務調度和定時功能。神經元芯片支持節電方式,在節電方式下系統時鐘和計數器關閉,但狀態信息(包括RAM中的信息) 不會改變。一旦I/O狀態變化或網線上信息有變,系統便會激活。其內部還有一個最高1.25 Mbps、獨立于介質的收發器。由此可見,一個小小的神經元芯片不僅具有強大的通信功能, 更集采集、控制于一體。在理想情況下,一個神經元芯片加上幾個分離元件便可成為DCS系統中一個獨立的控制單元。
　　2EI B總線
　　EIB（European Installation Bus），是電氣布線領域使用范圍最廣的行業規范和產品標準?，F已成為國際標準ISO/IEC 14543-3，并于2007年正式成為中國國標GB/Z 20965-2007。
　　EIB最大的特點是通過單一多芯電纜替代了傳統分離的控制電纜和電力電纜，并確保各開關可以互傳控制指令，因此總線電纜可以以線型、樹型或星型鋪設，方便擴容與改裝。元件的智能化使其可以通過編程來改變功能，既可獨立完成諸如開關、控制、監視等工作，也可根據要求進行不同的組合。與傳統安裝方式比較，EIB不增加元件數量而實現了功能倍增，從而具有了高度的靈活性。它的開放性更使得不同公司基于EIB協議開發的電氣設備可以完全兼容，并為后續公司進入EIB市場提供可能。
　　EIB系統既是一個面向使用者、體現個性的系統又是一個面向管理者的系統，使用者可根據個人的喜好任意修改系統的功能，達到自己所需要的效果，并可通過操作探測器（如按鈕開關等）來控制系統的動作；另一方面， EIB系統還提供基于Windows的軟件平臺，管理者（如小區物業中心、大樓管理中心、車庫管理處等）將安裝此套軟件的計算機連接至EIB系統即可對EIB系統進行控制并進行管理，從而達到集中管理的功能。
　　3 結束語
　　智能建筑的特點是測控點分散 ,幾乎遍及建筑物各個角落 ,而且被控設備種類多 ,包括暖通空調、 電梯、 給排水、 安防、 照明、 變配電等 ,這些設備往往本身配有控制系統 ,將這些控制子系統融合為一個綜合的 BAS就需要用到通信協議或現場總線。
　　LonWorks最大的優點是開放性、 分散性和互換性。一個具有 LonMark標志的節點 (Node)可以互操作。由于 LonWorks是低速現場總線 (最大傳輸速率為 1 . 25Mb / s) ,對現場儀表和設備的計算能力以及信息處理能力相對較弱 ,主要用于數據采集和控制信號的輸出 , 因此 LonWorks適合于子系統級的遠距離現場數據的采集和實時控制。在智能建筑中 ,主要應用于建筑物自控系統中傳感器與執行器之間的網絡化、 互操作性 ,實現一種成本低、 對分散設備可以實現互操作的測控系統 ,如安全防范子系統、 智能消防子系統、 智能抄表子系統、 暖通空調子系統、 給排水子系統等。
　　EI B通常被稱為電氣安裝總線 ,其應用最廣泛的領域為電氣安裝系統工程。面對智能化建筑中大量的線纜敷設 ,傳統的電氣安裝技術存在安裝調試時間長、 維護昂貴、 線路變更困難等問題 ,而 E I B總線具有分布性、 開放性、 互操作性等優點 ,能夠減少線纜數量 ,使設計、 施工和安裝方便、快捷 ,系統易于擴展。E I B在智能建筑中主要應用于智能照明子系統 ,如各種燈具的開關量和調光控制等 ,在智能家居 (如窗簾控制、 電話控制 )和安全防范子系統 (如門磁開關、 各種探測器 )等實時性要求不高的領域也有廣泛的應用。
　　目前 ,建筑電氣幾種總線技術均發展迅速 ,在智能建筑領域各占有一部分市場 ,在相當長的一段時間里將引領建筑電氣總線技術的發展。隨著樓宇自動化要求日益增多 ,不同的建筑電氣總線在一段時間內并存且各自不斷完善 ,但也將相互滲透和互為補充 ,總的發展趨勢是統一的樓宇自動化系統。

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