采用LonWorks(r)技术设计楼宇控制系统

（Building Automation System）

中建集团·北京北黄自动化设备安装有限公司 刘延峰 郭炳金 朱峭

一、 前言

九十年代初，诞生了LonWorks(r)开放式分布式控制网络技术，这使得制造轻小的、低价格的、智能化的控制设备（Smart Intelligent Control Devices）成为可能，这些设备内置了具有标准的LonWorks(r)网络通信协议和控制功能的智能化微处理器CPU，这些协议同以太网络（Ehernet）一样，完全遵守标准化委员会ISO制定的七层网络协议，这些协议由美国Echelon公司提供给基于LonWorks的独立开发商 （LonWorks Independent Developers, LID），而智能化微处理器CPU由美国Motorola 和日本Toshiba制造。这项新的技术使得由不同的产品独立开发商设计和制造的产品直接连接在一起，不需要中间转换设备（如：Gateway，Router等）；这些基于LonWorks(r)协议的产品包括：

HVAC 楼宇空调系统

Flow Controllers 流量控制器

Fire Detection & Prevention 火灾探测和预防

Power Distribution 电力监控

Access Control 刷卡、门禁、侵入控制系统

Transceivers & Modules 网络通信传送接收适配器

CCTV 闭路监控系统

Detectors & Sensors 传感器、探测器及执行机构

Parking Equipment 车库管理设备

Control Network: Development Tools 网络开发工具

Lighting 照明系统

Control Network: Management 网络管理系统

Elevators 电梯系统

Control Network: Infrastructure 网络基本结构

I / O 输入 / 输出设备

Miscellaneous 其他种类设备

Energy Management 能源管理系统

Audio & Video 声音和图象设备

Communications 网络通信

Generator Sets 发电机设备

MMI(Man Machine Interface)人机交互式界面

　

对于任何基于网络的分布式控制系统，要想在实际工程中设计有效的、强有力的、好的性能价格比的系统，网络结构是及其重要的。在不同的控制水平上，要求不同的系统特点，不同的通讯介质和不同的通讯速率。一个系统必须在每一水平上，满足合适的技术要求。

这篇文章所介绍的控制系统网络结构广泛地采用了LonWorks(r)控制网络作为分散的控制设备间（Control Horizontal Level Device ）的通信连接，而同时在通信主干（Riser backbone Level）采用Ethernet和TCP/IP协议，通过Ethernet- LonWorks(r) Routers路由器连接企业局域网和广域网包括：Intranets和Internet。这样就和结构化综合布线（PDS）完整的结合起来，实现所有子系统真正集成。

二、 LonWorks(r)控制网络技术对兼容性（不同厂家的产品间的互联性、互操作性）的要求

开发和设计LonWorks(r)控制网络技术的目的，就是使所有不同厂家的不同产品间相互兼容，相互开放，就象计算机工业一样。业主和工程师们希望从兼容和开放系统获得利益，因此，这个系统应该满足如下要求：

2.1 为了确保系统的互操作性和互联性，所有产品应该具有LonMark认证 （产品上都有LonMark(r)标记），来自于节点的I/O通信数据应该是标准网络变量类型（Standard Network Variable Types SNVT’s）；进一步说，必须为所有基于LonWorks(r)的节点提供外部界面文件（XIF）以确保用户将来能够维护系统，调整系统的操作和对系统进行扩容。

2.2 所设计的系统必须采用Lontalk协议，以便安装系统时，可以利用标准的、其它厂家开发的人机界面软件MMI作为用户界面。MMI系统采用SNVTs作为通信数据。如FIX, INTOUCH, CITECT等等。

2.3 可以采用标准的、其它厂家开发的软件工具包，进行网络管理、维护和配置，如LonPoint, VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilder等等。

2.4 为了降低系统的造价，提高系统的性能价格比，在设计系统时，可以在开放的市场，购买来自于许多厂家的通用LonWorks(r)设备，这些设备包括：Smart Controllers（智能控制器）,Rouers（路由器）, Communication Interfaces Network Card（网卡）, Sensors（传感器）, Actuators（执行器）。

三、 楼宇控制控制系统网络结构

控制系统设计的第一步是选择不同类型的控制设备以便满足系统的各种控制需要，例如：用于Packaged HVAC空调系统、VAV变风量系统和Heat Pumps的专用控制器，用于较大的控制系统如空气处理单元、冷水机组的可编程智能通用控制器，用于传感器和执行器的单点智能控制器，具体介绍如下：

3.1 单点智能控制器（Single Point "Smart Nodes", SPN）

单点智能控制器SPN是一些设备，如温度和湿度传感器，单一继电器输出设备，功率及电度传感器等等，它们都内置神经元微处理器（Neuron Chip）和网络界面卡（Network Card），在LonWorks(r)网络中作为单一节点存在，使得控制系统更加分散。

3.2 专用控制器（Application Specific "Smart Nodes", ASN）

专用控制器ASN是非常小的控制器，它们被设计用于某些特殊设备，内置了工厂预编程的专家模式和算法，如Packaged HVAC空调系统、VAV变风量系统、Heat Pumps和风机盘管单元Fan Coil Units等等。这些智能控制器都内置神经元微处理器（Neuron Chip）和网络界面卡（Network Card），具有必要的输入、输出端子（I/O）和内存资源，以便执行特殊的控制任务。ASN不是可以自由编程的，内置在ASN上的专家模式和算法被保存在非易失内存中（如FLASH EPROM）。

3.3 可编程智能通用控制器（Programmable "Smart Nodes", PSN）

可编程智能通用控制器PSN是非常小的控制器，用户可以自由编程以满足相应设备的控制需要，因此它们应用广泛，如：空气处理单元（AHU），冷水机组，冷却塔，热交换器等等，用户应用程序和控制监控程序被存储在PSN上的非易失内存中（如FLASH EPROM）。

应用PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器的LonWorks(r)控制网络系统的结构图如下：

3.4 网络中间节点（"Meta-Nodes", MN）

网络中间节点MN执行两个功能：一个功能是它们在LonWorks(r)控制网络中，可以作为连接Ethernet（或其它网络）通信网关（Communication Gateway）或服务器（Server）；另一个功能是它们可以在LonWorks(r)控制网络中，执行高级控制任务，这些控制任务非常庞大，ASN和PSN无法完成，这些控制任务要求大量的数据和复杂的分析、计算；MN典型的控制应用包括：中心控制单元，超大型系统的控制等等。

MN’s也被称为“Hosted Nodes”，控制器板上的神经元微处理器Neuron Chip被用于同LonWorks(r)的通信，控制任务由控制器板上的另一个微处理器执行，如：Intel 80486 和Pentium；作为“Hosted Nodes”，MN能够处理4096个SNVT’s，而PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器只能处理62个SNVT’s。

在典型的控制应用中，MN控制器读取由I/O模块和PSN’s, ASN’s, SPN’s控制器所采集的数据，进行大量的数据分析和复杂的计算，如最优启/停控制等。

在典型的通信网关应用中，MN控制器作为LonWorks(r)控制网络的节点，同时它连接到以太网（或其它网络）主干；它们也作为通信网关提供与其它非LonWorks(r)网络的接口界面，MN控制器在LonWorks(r)网络和其它系统之间进行必要的协议转换。用户应用程序和控制监控程序被存储在MN上的非易失内存中（如FLASH EPROM，EEPROM和电池供电的RAM中）。

3.5 I/O模块

I/O模块最重要的作用是提供与常规的、非基于LonWorks(r)的传感器和执行控制器的接口界面，如：温度传感器，继电器，执行水阀和风阀等等，基于LonWorks(r)的I/O模块的输入连接这些常规器件监测信息，如温度，湿度，流量，开关量等等，输出连接控制设备如：风机，泵，照明电路，继电器等等。

这些I/O模块内置神经元微处理器（Neuron Chip），它们并不执行控制任务，它们在系统中的作用是采集区域数据信息，通过网络提供它们到系统中其它的智能节点上，这些智能节点基于这些数据信息作出控制决定。

综合上述对MN’s, SPN’s, ASN’s和PSN’s的讨论，我们得出如下的控制系统结构图：

3.6 MN控制器之间在系统级水平上的联网

在大型的控制系统中，可能需要多个MN控制器，因此我们必须在这些网络节点之间建立通信网络；取决于系统的大小和性能要求，这个区域网络可以是控制级网络（LonWorks(r)网络）用于连接各种控制器节点，也可以是标准的企业级广域主干网络如：Ethernet。

LonWorks(r)网络和LonTalk(r)协议已经被证明是控制节点之间信息交流的最快和最可靠的工具；此外这个网络提供较低的节点访问价格比和高灵活性的网络拓扑结构，简化了安装过程，允许无中继的长距离传输，提供各种传输介质，包括：双绞线，光纤，动力线，射频，这些特点使LonWorks(r)网络成为理想的控制应用级网络。

然而，如果要求高容量的数据通信，采用Ethernet以太网作为系统主干，效果可能更好；以太网在办公自动化方面能够传输大量的数据和信息；在控制主干采用以太网的另外一个优点是它采用TCP/IP协议（迄今为止，世界上最流行的网络协议），因此使控制网络同企业级网络如Intranet和Internet容易集成。这就确保了同迅速变化的计算机和网络技术的兼容，保护控制网络不作不必要的改变。基于这些理由，推荐在系统的主干采用以太网，而在控制级水平采用LonWorks(r)网络。

基于这些要求，MN控制器应该内置以太网通信能力（通过一个简单的插接模块），这样设计的BAS系统提供了强大的可伸缩性，可满足不同的应用要求。

采用多个联网的MN控制器和以太网作主干的系统，其结构图如下：

3.7 控制级水平上的联网/系统节点能力

控制级网络应该是LonWorks(r)网络和采用Lontalk(r)协议，LonWorks(r)网络具有自由拓扑结构，可以连接成星型，总线型和环型，LonWorks(r)技术也允许不同的介质类型混合存在，如：双绞线，动力线，射频和光纤。

LonWorks(r)网络系统结构支持Lontalk(r)协议说明的极限，即255/域，127节点/子网，因此，每个域的系统容量是32,385个节点。

3.8 系统冗余度设计

LonWorks(r)网络结构使得实现充分的分布式控制成为可能。

四、 操作人机界面（MMI）

控制系统应该允许操作者通过计算机动态图形显示界面实时观察现场设备的运行状况，为满足这一要求，系统应该允许用户使用标准的、其它厂家开发的、基于WINDOWS 95/NT的人机界面软件工具包，如：Intellution的FIX和Wonderware的Intouch，这些产品必须能够通过其内置的通信驱动软件和DDE或OPC Servers同控制系统交换信息。

4.1 多用户/远程访问功能

控制系统应该支持多用户访问，允许多个用户同时在线操作，也能够通过Modem和Internet支持远程访问。

4.2 编程/系统安装

控制系统应该允许用户编制自己的控制程序，以便满足独特的应用和设备系统的需要。

控制系统的编程应该具有产生复杂的逻辑语言功能（如：IF/THEN...ELSE, GOTO等等）以便优化HVAC系统的操作；应该支持：PID调节，最优启/停控制（Optimum Start/Stop），设定点复位（Setpoint Reset）等等。

4.3 同标准工具包的兼容性要求

控制系统应该允许使用标准的Echelon工具包进行初始化节点安装，除此之外，控制系统也应该允许使用基于LonWorks(r)协议的工具包进行系统的安装，如：VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilde等。

4.4 同工作站的物理连接

系统管理工作站（PC）应该能够采用所有标准的LonWorks(r)协议支持的网络界面卡（如：SLTA, PC NSS, PCC-10, PCMCIA等）连接到LonWorks(r)网络。

4.5 支持便携式通信工具

控制系统应能够支持同便携式通信工具的信息交流如，Pager（机）等。

五、 报警信息的实时通信、显示、打印

控制系统的报警信息应该能够通过如下的通信工具实时地显示、打印、声象报警，作为系统的最小配置要求，如：调制解调器的拨出（Modem dial-out），个人呼机（Paqger or Beeper），手机（Mobile Phone）等。

六、 控制系统同其它系统的集成

控制系统应该能够通过MN节点内置的LonWorks(r)通信协议同其它系统完整地集成，MN节点也应该能够通过RS232, RS485, Ethernet同其它系统进行通信。

七、 销售商技术资格认证

系统集成商应该熟悉LonWorks(r)技术并能够熟练使用基于LonWorks(r)的产品，对控制系统进行编程调试。

系统集成商应该独立地或同制造厂家一起合作，为预投标的系统进行技术演示，演示系统将展示所有关键设备的操作，包括智能可编程控制器DDC，用户人/机界面（MMI）软件，控制器的安装和编程，报警信息的显示、打印。