楼宇自动化系统中的控制网络技术
邱 少 陵
摘要 简要介绍了智能建筑中的楼宇自动化系统及其对控制网络的具体要求,论述了传统集散型控制网络的发展趋势和新兴的现场总线控制网络在楼宇自动化系统中的应用,并介绍了一种应用最广,功能最全面的现场总线控制网络——LONWORKS.
关键词 楼宇自动化系统 控制网络 现场总线 LONWORKS
Technology of
Control Network
in Building Automation System
Abstract:This paper introduces briefly
the Building Automation System (BAS)and its requirements to control
network, discusses the trend of development of the traditional distributed
control network and the application of the rising field-bus control
network in BAS.Lastly ,this paper also introduces one kind of fieldbus
control network which has the widest application and the most
comprehensive function——LONWORKS.
Key Words:Building
automation system (BAS) Control network Fieldbus LONWORKS
1 楼宇自动化系统综述
目前日益流行的智能建筑(Intelligent
Buildings),是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物,是信息社会与经济国际化的需要,也是未来建筑发展的方向。智能建筑主要由楼宇自动化系统（Building
Automation System， BAS
）、通信自动化系统（CAS）和办公自动化系统（OAS）三大系统组成。其中，楼宇自动化是智能建筑中最基本和最重要的部分。
楼宇自动化系统是采用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术组成的高度自动化的综合管理系统，对大楼内部各种设备：包括空调、照明、动力设备、消防、保安设备等进行综合自动控制。它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。
楼宇自动化系统从功能上可以分为下面几个部分：
（1）
物业管理：可提供设备运行管理和楼宇经营管理，包括大楼内各种空间服务设施的预约，使用分配、调度及费用管理。
（2）
节能控制：包括空调、供配电、照明、给排水等系统的控制管理。
（3）
安全防范：包括消防报警系统、防盗保安系统、出入管理系统等。
2 楼宇自动化系统对控制网络的要求
楼宇自动化系统实质上就是一个计算机控制系统，其控制网络则是控制系统的骨干和灵魂，具体说来，楼宇自动化领域中对控制网络的要求主要有以下几个方面：
2.1 技术的先进性
当今的时代是一个技术高速发展的时代，技术设备的淘汰速度也越来越快，有些楼宇自动化系统刚刚安装就已经落后或者快要被淘汰了，这使得以后的维修非常麻烦。为了延长建筑物及其设备的寿命，在可能的情况下应尽可能地采用先进的技术和设备。今天在楼宇自控领域方面，最先进的控制网络技术就是下面将要介绍到的现场总线控制系统。
2.2 集成一体化协调运作
楼宇自动化系统主要的监控对象一般是供热、通风及空调系统、给排水系统、照明、电梯、变配电、安全、消防，以及计量管理等，这些子系统应该得到充分的集成，做到信息共享，统一管理，以及各子系统的一体化协调运作，使系统安全、节能、高效运作，有利于设备的集中化管理，便于维护和保养。例如，当消防系统检测出火警信号时，就要联锁控制电梯、空调、供配电、给排水等各子系统，或者是保安系统发现警情时，要联控电梯、照明、停车场系统等。
2.3 开放性和互操作性
由于受到楼宇设备的多样化、技术的复杂性和市场竞争各方面严重的影响，为了达到最优的组合和最好的性能价格比，往往需要不同的厂家的产品组成一个楼宇自动化控制系统。因此，我们选择的楼宇自动化控制网络最好是具备开放性和互操作性的，允许不同厂家的产品很容易地连接到同一系统中协调运作。否则的话，将给系统的维护、扩展、更新带来无穷的麻烦。
要达到具备良好的开放性和互操作性这一点，就要求控制网络采用当前国际上的主流标准。在智能建筑控制方面，由于国际标准化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范，所以目前尚未有一个国际统一的标准。当前在该领域有两种技术应用得最为广泛：一是美国供热、制冷与空调工程师协会（American
Society of Heating， Refrigerating， and Air-Conditioning Engineers， ASHRAE
）制定的BACnet标准协议，二是Echelon公司提出的LONWORKS 技术。本文最后将对后一种技术作专门的介绍。
3 传统集散型控制网络的发展趋势
集计算机技术、控制技术、通信技术于一体的集散式控制系统（DCS），其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。目前，国内的大多数楼宇自动化控制系统中采取的都是集散式的控制方式。
随着计算机技术的飞速发展，信息技术已经影响到各个领域，特别是计算机技术的开放结构和集成技术，将深刻地影响DCS的发展和应用，使传统的DCS逐渐向集成化、开放化、智能化的方向发展。
3.1 集成化
90年代的DCS为了尽量满足应用需要，正不断地向管理信息系统（MIS）扩展，向计算机网络控制发展，将过程控制和管理信息系统紧密结合起来，构成管控一体化的计算机集成过程系统（CIPS）。
3.2 开放化
开放，就是标准。开放系统的核心就在于形成一些在操作界面、人机界面和网络通信上共同遵守的标准，形成标准的软件开发环境和标准的硬件制造环境。现在的DCS厂商们也正逐步走向开放系统，在他们的产品中的硬件平台、操作系统、网络、数据库以及图形用户界面等都使用了当前的一些标准。
3.3 智能化
目前在仪器仪表行业发展最快的两个部分是智能化仪表和现场总线。由于作为嵌入式应用的微处理器功能也在不断加强，现场设备和仪表的智能化程度在不断提高，其功能已不仅仅限于数据采集，还越来越多的加入了计算、执行、报警、预测和远程控制等功能。而现场总线（Fieldbus）实际上是一种全数字化、双向、多站的串行通信计算机网络，这个网络上的每个节点都是一个智能化设备或仪表。由于现场总线具备有全数字化通信、可互操作性强、完全彻底的分散性等诸多优点，它的出现势必将对传统的集散型控制系统的结构带来深刻的影响，主要表现在目前由DCS完成的控制功能以后将由现场总线开发的功能块来完成，而DCS今后将主要完成目前由上位计算机实现的数据采集、优化管理、专家系统、统计过程、先进控制等功能。
总之，实现开放式的通信系统，与管理信息紧密结合，向上能与MAP/TOP或Ethernet接口，向下支持现场总线，使得过程控制中的智能设备和仪表能够实现高可靠的实时全数字通信。这种形式的DCS将成为进入21世纪的新一代的DCS。
4 楼宇自动化领域中的现场总线控制系统
如前所述，现场总线技术的出现必将引起一场控制网络的革命，这样，楼宇自动化系统中新一代的控制网络结构——现场总线控制系统（Fieldbus
Control
System）便应运而生了。FCS的出现立刻得到了设计者、施工人员、设备制造商和业主的欢迎。
4.1 现场总线控制系统的主要特点
（1）系统结构彻底分散
FCS采用全分布式的结构，它的监测和控制全部分散到现场，废弃了传统的控制器，直接在智能式传感器和执行器中进行监测和控制。
（2）实现全数字化通信
传统的传感器和执行器的输入/输出信号常常是4-20mA、0-5V或2-10V的标准模拟信号，而在FCS中，从传感器到执行器一直保持全数字化信号，也就是系统无论是在上下链路还是在左右链路进行的信息交换都是全数字式的。
4.2 现场总线控制系统的优点
(1)
可靠性高，适应性强
由于FCS消除了现场设备与控制器之间的信号联线，实现了全数字传输，这就极大地提高了信号的转换精度和可靠性，并且完全避免了模拟信号传输中存在的信号衰减、精度降低、干扰信号的引入等长期难以解决的问题，使得更复杂、更精确的信号处理得以实现。另外，数字信息传输方面完善的纠错技术也使得信息传输的误差大大降低了，同时还可以利用多种传输介质完成信息的传输，如双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波（RF）、红外线等等，大大提高了在不同现场条件下信息传输的适应性。 | 