一、 前言 九十年代初，誕生了LonWorks（r）開放式分布式控制網(wǎng)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(wǎng)絡通信協(xié)議和控制功能的智能化微處理器CPU，這些協(xié)議同以太網(wǎng)絡（Ehernet）一樣，完全遵守標準化委員會ISO制定的七層網(wǎng)絡協(xié)議，這些協(xié)議由美國Echelon公司提供給基于LonWorks的獨立開發(fā)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(chǎn)品獨立開發(fā)商設計和制造的產(chǎn)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(xié)議的產(chǎn)品包括： HVAC 樓宇空調系統(tǒng) Flow Controllers 流量控制器 Fire Detection & Prevention 火災探測和預防 Power Distribution 電力監(jiān)控 Access Control 刷卡、門禁、侵入控制系統(tǒng) Transceivers & Modules 網(wǎng)絡通信傳送接收適配器 CCTV 閉路監(jiān)控系統(tǒng) Detectors & Sensors 傳感器、探測器及執(zhí)行機構 Parking Equipment 車庫管理設備 Control Network: Development Tools 網(wǎng)絡開發(fā)工具 Lighting 照明系統(tǒng) Control Network: Management 網(wǎng)絡管理系統(tǒng) Elevators 電梯系統(tǒng) Control Network: Infrastructure 網(wǎng)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(tǒng) Audio & Video 聲音和圖象設備 Communications 網(wǎng)絡通信 Generator Sets 發(fā)電機設備 MMI（Man Machine Interface）人機交互式界面 對于任何基于網(wǎng)絡的分布式控制系統(tǒng)，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(tǒng)，網(wǎng)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(tǒng)特點，不同的通訊介質和不同的通訊速率。一個系統(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡結構廣泛地采用了LonWorks（r）控制網(wǎng)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(xié)議，通過Ethernet- LonWorks（r） Routers路由器連接企業(yè)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)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(xiàn)所有子系統(tǒng)真正集成。 二、 LonWorks（r）控制網(wǎng)絡技術對兼容性（不同廠家的產(chǎn)品間的互聯(lián)性、互操作性）的要求 開發(fā)和設計LonWorks（r）控制網(wǎng)絡技術的目的，就是使所有不同廠家的不同產(chǎn)品間相互兼容，相互開放，就象計算機工業(yè)一樣。業(yè)主和工程師們希望從兼容和開放系統(tǒng)獲得利益，因此，這個系統(tǒng)應該滿足如下要求： 2.1 為了確保系統(tǒng)的互操作性和互聯(lián)性，所有產(chǎn)品應該具有LonMark認證 （產(chǎn)品上都有LonMark（r）標記），來自于節(jié)點的I/O通信數(shù)據(jù)應該是標準網(wǎng)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(jié)點提供外部界面文件（XIF）以確保用戶將來能夠維護系統(tǒng)，調整系統(tǒng)的操作和對系統(tǒng)進行擴容。 2.2 所設計的系統(tǒng)必須采用Lontalk協(xié)議，以便安裝系統(tǒng)時，可以利用標準的、其它廠家開發(fā)的人機界面軟件MMI作為用戶界面。MMI系統(tǒng)采用SNVTs作為通信數(shù)據(jù)。如FIX, INTOUCH, CITECT等等。 2.3 可以采用標準的、其它廠家開發(fā)的軟件工具包，進行網(wǎng)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(tǒng)的造價，提高系統(tǒng)的性能價格比，在設計系統(tǒng)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(wǎng)卡）, Sensors（傳感器）, Actuators（執(zhí)行器）。 三、 樓宇控制控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構 控制系統(tǒng)設計的第一步是選擇不同類型的控制設備以便滿足系統(tǒng)的各種控制需要，例如：用于Packaged HVAC空調系統(tǒng)、VAV變風量系統(tǒng)和Heat Pumps的專用控制器，用于較大的控制系統(tǒng)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(zhí)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(jīng)元微處理器（Neuron Chip）和網(wǎng)絡界面卡（Network Card），在LonWorks（r）網(wǎng)絡中作為單一節(jié)點存在，使得控制系統(tǒng)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(tǒng)、VAV變風量系統(tǒng)、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(jīng)元微處理器（Neuron Chip）和網(wǎng)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(zhí)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(jiān)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(wǎng)絡系統(tǒng)的結構圖如下： 3.4 網(wǎng)絡中間節(jié)點（"Meta-Nodes", MN） 網(wǎng)絡中間節(jié)點MN執(zhí)行兩個功能：一個功能是它們在LonWorks（r）控制網(wǎng)絡中，可以作為連接Ethernet（或其它網(wǎng)絡）通信網(wǎng)關（Communication Gateway）或服務器（Server）；另一個功能是它們可以在LonWorks（r）控制網(wǎng)絡中，執(zhí)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(shù)據(jù)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(tǒng)的控制等等。 MN’s也被稱為“Hosted Nodes”，控制器板上的神經(jīng)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(zhí)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(shù)據(jù)，進行大量的數(shù)據(jù)分析和復雜的計算，如最優(yōu)啟/?？刂频取? 在典型的通信網(wǎng)關應用中，MN控制器作為LonWorks（r）控制網(wǎng)絡的節(jié)點，同時它連接到以太網(wǎng)（或其它網(wǎng)絡）主干；它們也作為通信網(wǎng)關提供與其它非LonWorks（r）網(wǎng)絡的接口界面，MN控制器在LonWorks（r）網(wǎng)絡和其它系統(tǒng)之間進行必要的協(xié)議轉換。用戶應用程序和控制監(jiān)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(guī)的、非基于LonWorks（r）的傳感器和執(zhí)行控制器的接口界面，如：溫度傳感器，繼電器，執(zhí)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(guī)器件監(jiān)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(jīng)元微處理器（Neuron Chip），它們并不執(zhí)行控制任務，它們在系統(tǒng)中的作用是采集區(qū)域數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡提供它們到系統(tǒng)中其它的智能節(jié)點上，這些智能節(jié)點基于這些數(shù)據(jù)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(tǒng)結構圖： 3.6 MN控制器之間在系統(tǒng)級水平上的聯(lián)網(wǎng) 在大型的控制系統(tǒng)中，可能需要多個MN控制器，因此我們必須在這些網(wǎng)絡節(jié)點之間建立通信網(wǎng)絡；取決于系統(tǒng)的大小和性能要求，這個區(qū)域網(wǎng)絡可以是控制級網(wǎng)絡（LonWorks（r）網(wǎng)絡）用于連接各種控制器節(jié)點，也可以是標準的企業(yè)級廣域主干網(wǎng)絡如：Ethernet。 LonWorks（r）網(wǎng)絡和LonTalk（r）協(xié)議已經(jīng)被證明是控制節(jié)點之間信息交流的最快和最可靠的工具；此外這個網(wǎng)絡提供較低的節(jié)點訪問價格比和高靈活性的網(wǎng)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(wǎng)絡成為理想的控制應用級網(wǎng)絡。 然而，如果要求高容量的數(shù)據(jù)通信，采用Ethernet以太網(wǎng)作為系統(tǒng)主干，效果可能更好；以太網(wǎng)在辦公自動化方面能夠傳輸大量的數(shù)據(jù)和信息；在控制主干采用以太網(wǎng)的另外一個優(yōu)點是它采用TCP/IP協(xié)議（迄今為止，世界上最流行的網(wǎng)絡協(xié)議），因此使控制網(wǎng)絡同企業(yè)級網(wǎng)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(wǎng)絡技術的兼容，保護控制網(wǎng)絡不作不必要的改變。基于這些理由，推薦在系統(tǒng)的主干采用以太網(wǎng)，而在控制級水平采用LonWorks（r）網(wǎng)絡。 基于這些要求，MN控制器應該內置以太網(wǎng)通信能力（通過一個簡單的插接模塊），這樣設計的BAS系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)的MN控制器和以太網(wǎng)作主干的系統(tǒng)，其結構圖如下： 3.7 控制級水平上的聯(lián)網(wǎng)/系統(tǒng)節(jié)點能力 控制級網(wǎng)絡應該是LonWorks（r）網(wǎng)絡和采用Lontalk（r）協(xié)議，LonWorks（r）網(wǎng)絡具有自由拓撲結構，可以連接成星型，總線型和環(huán)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(wǎng)絡系統(tǒng)結構支持Lontalk（r）協(xié)議說明的極限，即255/域，127節(jié)點/子網(wǎng)，因此，每個域的系統(tǒng)容量是32,385個節(jié)點。 3.8 系統(tǒng)冗余度設計 LonWorks（r）網(wǎng)絡結構使得實現(xiàn)充分的分布式控制成為可能。 四、 操作人機界面（MMI） 控制系統(tǒng)應該允許操作者通過計算機動態(tài)圖形顯示界面實時觀察現(xiàn)場設備的運行狀況，為滿足這一要求，系統(tǒng)應該允許用戶使用標準的、其它廠家開發(fā)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(chǎn)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(tǒng)交換信息。 4.1 多用戶/遠程訪問功能 控制系統(tǒng)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(tǒng)安裝 控制系統(tǒng)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(tǒng)的需要。 控制系統(tǒng)的編程應該具有產(chǎn)生復雜的邏輯語言功能（如：IF/THEN...ELSE, GOTO等等）以便優(yōu)化HVAC系統(tǒng)的操作；應該支持：PID調節(jié)，最優(yōu)啟/?？刂疲∣ptimum 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(tǒng)應該允許使用標準的Echelon工具包進行初始化節(jié)點安裝，除此之外，控制系統(tǒng)也應該允許使用基于LonWorks（r）協(xié)議的工具包進行系統(tǒng)的安裝，如：VisualControl, MetraVision和Visual Integrator, PathBuilde等。 4.4 同工作站的物理連接 系統(tǒng)管理工作站（PC）應該能夠采用所有標準的LonWorks（r）協(xié)議支持的網(wǎng)絡界面卡（如：SLTA, PC NSS, PCC-10, PCMCIA等）連接到LonWorks（r）網(wǎng)絡。 4.5 支持便攜式通信工具 控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)同其它系統(tǒng)的集成 控制系統(tǒng)應該能夠通過MN節(jié)點內置的LonWorks（r）通信協(xié)議同其它系統(tǒng)完整地集成，MN節(jié)點也應該能夠通過RS232, RS485, Ethernet同其它系統(tǒng)進行通信。 七、 銷售商技術資格認證 系統(tǒng)集成商應該熟悉LonWorks（r）技術并能夠熟練使用基于LonWorks（r）的產(chǎn)品，對控制系統(tǒng)進行編程調試。 系統(tǒng)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(tǒng)進行技術演示，演示系統(tǒng)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