Lonworks技术在楼宇自动化系统中的应用

Lonworks技术在楼宇自动化系统中的应用

张凯

国家广播电视总局机关服务局北京100866

摘要：楼宇自动化系统BAS作为智能建筑非常重要的组成部分，集供配电、空调通风、电梯、电力照明、给排水等系统为一体，担负着对建筑物内所有机电设备的集中监测和控制，保证所有设备处于正常运行状态。BAS是一个开放的网络通信系统，采用先进的多层次、多用户、多任务、可独立工作的集散控制系统结构，来完成各种楼宇设备自控功能。整个系统中分散的控制单元的操作是高度自治的，并不依赖中央操作站。当系统通信故障时，控制单元仍然能正常完成监测和调控的功能，实现集中管理、分散控制，使建筑物的环境满足业主所需的要求。

关键词：LonWorks；楼宇自动化系统；现场总线

随着科技的发展、社会的进步，现代的写字楼、饭店和工业厂房，使用了越来越多的各类机电设备和不同功能的子系统，对这些设备的有效管理，不仅能够保证正常的工作和生活环境，也能够延长设备寿命，降低设备运行费用，减少维护管理的难度和开销。但由于不同厂商提供了不同功能的设备和子系统，采用了不同的通信协议，因此将造成各子系统有不同的通信速率、不同的编码格式和不同的通信规则，使各子系统间实现互操作、系统互联将很困难，各子系统独立运行，不仅不能对整个系统进行统一的协调和管理，而且会有较高的运行和维护费用，将来扩展起来也不方便。现在，建筑物业主和管理者迫切需要一种开放的、可互操作的控制技术。通过这种技术建筑物内的各种自控设备都可方便地集成在一起，实现各个子系统和各个设备间的自由通信，以求取得最佳的经济利益。

一、LonWorks技术概述

LonWorks技术是美国Echelon公司于上世纪九十年代，推出的一种新的现场总线技术，实现现场设备间的互连，并借助路由器实现不同传输介质和传输速率网络间的连接，最后通过网关接入互联网，实现基于WEB的监控。它是全面的分布式测控网络技术，真正并彻底地贯彻了“分散控制、集中管理”的控制思想，有效地解决了集散控制系统的通讯难题，在国际和国内都得到广泛的应用，特别是在工业网络控制和楼宇自动化控制等领域。LonWorks网络系统全部由智能控制设备组成，各个节点都具备多种形式的I/O功能，用户可以对节点进行再编程，实现用户自定义的算法和功能，每个节点间可以实现点到点的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式，智能节点或者智能设备与其他节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输，并遵循ISO/OSI的全部7层模型协议的规范。LonWorks技术包含监控网络的设计、安装、开发和调试等所需要的全部技术组成，要使用多种专用的硬件设备和软件程序。LonWorks技术的核心是Neuron神经元芯片和LonTalk通信协议。

二、LonWorks技术在楼宇自动化系统中的应用

楼宇自动化控制近年来得到了飞速发展，楼宇自动化系统工程在智能建筑的总投入中比例也很大。LonWorks总线的LonTalk开放性协议及其技术的关键作用是能够解决“自动化孤岛”问题———因设备采用非标准化、非公开化的专有通信协议而使控制系统被封闭，系统失去了与外部的通信、扩展与互操作等功能。基本组成主要是对智能建筑中所有机电设备和能源设备实现高度自动化和智能化的集中管理。它由大量分散在建筑物内的各设备子系统设备，以及作为核心对它们进行测量、监视、控制、管理和协调的LonWorks智能节点构成，主要包括以下部分：

1、供配电系统。供配电系统的主要功能是保证建筑物安全可靠的供电，可以对智能建筑物的供电状况进行实时监视和控制，包括对各级电力开关的状态、配电柜高压和低压侧状态、主要回路的电压电流及功率因数、变压器及电缆的温度、发电机运行状态的监测与控制，对故障进行报警等。由于电力系统的状态变化和事故都是在瞬间发生，因此利用计算机进行这种监测时要求采样间隔非常小，并且能自动连续记录在这种采样间隔下各测量参数的连续变化过程，这样才能预测并防止事故的发生，或者在事故发生后，及时判断故障点。此外，通过对用电情况的计量和统计，利用科学的管理方法，合理均衡负荷，以保障安全、可靠地供电。

2、空调系统。在建筑物中，空调系统能耗最大，在保证环境舒适前提下，可以采取一些优化节能控制的措施，如设备最佳启停控制、空调及制冷机的节能优化控制、设备运行周期控制、电力负荷控制、蓄冷系统优化控制等，最大程度地降低能耗。可以对不同区域的空调系统按预先编制的时序或通过对大楼环境温湿度的监测，自动控制建筑物内的中央空调制冷机组、冷冻水泵、冷却塔风机、电磁阀门、风机的启停，并监视和记录各设备的状态、室内外各测点的温湿度、送风压力、流量、阀门开度和运行时间等参数，自动进行故障报警或停机、动态显示有关阀门、风机的位置、状态等。

3、电梯系统。电梯控制是建筑物内交通管理的重要枢纽。对带有完备控制装置的电梯，利用LonWorks中的智能节点将这些控制装置与楼宇自动化系统相连，并实现相互之间的数据通信，使管理中心能够随时掌握各个电梯的工作状况，如运行状态、故障报警、上升下降等，累积记录电梯系统的运行时间，对多部电梯进行群控优化，并在火灾、安保等特殊场合对电梯的运行进行直接的管理控制。

4、照明系统。照明监控系统主要是对各楼层的配电盘、办公室、门厅、走廊、庭院或停车场等处的照明、广告霓虹灯等设备自动进行启停控制，并自动实现对照明回路的分组控制、对用电过大时的自动切断，以及对厅堂和办公室等地的无人熄灯控制等。照明系统的控制与节能直接相关，对照明的协调控制反映了楼宇自动化系统的水平。

5、给排水系统。给排水系统的基本功能是对各给水泵、排水泵、污水泵及饮用水泵的运行状态进行监测，对各种水箱及污水池的水位进行实时监控，并通过对给水系统压力、流量的监测以及根据这些相关数据，启停相应的水泵，以保证给排水系统的正常运行。楼宇自动化系统的各个子系统并非完全独立运行，它们之间是相互协调，具有互操作性，能够通过网络实现互动或联动的，因此需要一个能实现集中管理与协调的系统，以便各个子系统能有机地集成在一起，共同构成建筑物的自动控制网络。例如，当消防系统发现火灾报警时，首先智能控制中心要通过监视系统或相关人员对接收到的火警报告进行核实。如果是“虚”报警，撤销报警。若确实发生火灾，智能控制中心必须根据火势的大小、起火的具体地点等具体情况通过广播系统紧急呼救，向给排水、空调、电梯、照明等系统发出相关联动命令，转入火灾运行模式，保证安全。

6、人机界面。楼宇自动化系统的人机界面由HW-BA5030组态软件经二次设计完成。通过Lon网络适配器PCLTA-20，人机界面可以从Lonworks网络上采集信息，也可以把控制命令发送给网络上的控制节点，而完成相应的控制任务。它具有以下功能：操作功能：能够强制控制一些设备的启/停；可以调整及修改设定值；可以增加、修改、取消设备运行的时间表；可以修改模拟量的报警限值。设备管理功能：所有设备的原始信息，例如设备编号、设备型号、设备的物理位置和设备的生产厂商等；设备投入运行时间、故障记录和设备维修报告记录。数据实时显示功能：所有被测量的模拟量数据与开关量的状态都能在相应的画面上生动、形象地表现出来。

故障报警功能：当设备出现故障时，系统能及时显示出当前报警信息，并有报警音乐提示，同时能记录在故障记录表中。报表打印功能：能编制各类数据的报表，打印输出给管理人员。

7、楼宇自控系统应用建议。在智能大厦设计中，其他机电系统，如消防报警系统、安保系统、电梯系统、IC卡系统等可作为子系统纳入楼宇自控系统中，但是各子系统的工作应由其自行完成。楼宇自控系统与其它子系统之间可通过通讯接口相互联网，采用一个统一的通讯协议，把事先约定的其它子系统中发生的重大事件反应给楼宇自控系统，使大楼内各机电设备、各系统连成一个条理清晰的有机整体，统一、有序地处理各种日常的或突发的事件，在各种情况下都能安全、高效、稳定地运行。楼宇自控系统面对的是整个大楼内所有的机电设备，设置楼宇自控系统的目的是使所有的机电设备在安全可靠的前提下有序地完成各自工作，并达到节约能源，提高设备使用寿命的目的。在此，安全可靠是第一位的，针对诸如供配电系统、电梯系统中的设备等楼宇自控系统的工作应该是只监不控。也就是说当上述系统中设备发生故障时，楼宇自控系统所起的作用是发现问题并报警，而具体如何处理应由楼宇自控中心的管理人员或现场值班人员根据实际情况来完成。如果处理不当，可能会造成更大的损失。

三、楼宇自动化系统的集成

随着智能建筑的规模越来越大，楼宇自动化系统内各子系统的数量和规模都在持续增加。针对各个子系统进行信息的统一管理，确保信息交换顺畅，使其能够实现协同运行，已成为智能楼宇自动化发展的主要方向。BAS集成的目标主要如下。

（1）集成各子系统监测、控制和管理的信息，将目前由不同生产厂家生产的各类楼宇控制设备子系统，由网络集成在一起，通过楼宇网络中心能够对这些控制设备子系统进行统一的监测、控制和管理，同时要求有一个操作方便、合理适用的软件平台，来展示智能楼宇中管理者应该获取的各种信息。

（2）建立各设备之间的联动关系，使各个子系统有机地集成在一起，实现系统的集中管理与协调。楼宇自动化系统集成后，各个子系统通过网络实现互动或联动，相互协调，具有互操作性。例如：当消防系统发现火灾报警时，智能控制中心首先要对接收到的火灾报警进行核实，如果是“虚”报警，则撤销报警。若确实发生火灾，则要同时控制照明系统、电梯系统和空调自动控制系统中的通风设备，转入火灾运行模式，使得消防自动控制得到有效的应用，保证安全。各个子系统间的联动，实现了跨系统控制，大大提高了楼宇的智能水平。集成后的系统，在系统的安全性、快速性方面有了较大的改善、提升了楼宇管理的品质和水平。

（3）开放的数据结构，实现了信息资源的共享。楼宇网络中心可以建立一个采集和转换各子系统设备参数、数据信息的软件平台。在这个统一开放的数据库中，用户可以及时沟通信息，共享网络资源，为管理运行提供开放的、最佳的服务。

（4）实现高效管理，节约能源，降低建筑物维护、运行成本。楼宇自动化系统集成后，可充分发挥各设备子系统的功能，减少硬件设施，节约投资，进行统一调度。例如：利用智能化温度传感器不仅可以检测所控制地区的温度，还可以用作火灾探测器；视频监控器不仅可以用于安全保卫，还可在火灾时作为监控火灾区域的有效设备。

LonWorks现场总线应用在楼宇自动化系统中，构成功能齐全、组成灵活的智能大厦监控系统、远程通信监控系统等，并可根据需要灵活加以组态和扩展。通过其出色的通信和控制功能，使整个网络实现了真正的完全分散的分布式控制模式。所有这些都表明LonWorks技术为智能建筑的系统一体化集成提供了强有力的技术平台，而基于LonWorks技术的楼宇自动化系统是今后智能建筑控制系统的发展方向。

参考文献：

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