一、引 言
樓宇自控系統（BAS）的目標是對樓宇設備系統進行自動監測、控制和科學管理。BAS要求盡可能采用最先進的控制網絡技術,即現場總線控制系統；對主要監控對象如供熱、通風、空調等子系統實施集成協調運作；BAS的控制網絡必須具有開放性和互操作性，將智能建筑中所有的硬、軟件平臺，網絡、數據庫平臺整合成一個滿足用戶功能需要的完整系統。BAS的顯著特點是測控點分布廣、設備種類多，為達到全面協調控制，保證經濟運行和便于科學管理，BAS系統一般采用分布式控制系統結構。它由現場執行級、監控級和管理級構成：現場執行級直接負責現場控制；監控級用于對現場級進行監控；管理級實施相關系統協調與信息共享。
二、基于LonWorks的分布式控制系統結構概述
分布式控制系統以單個的傳感器和執行器為通信節點，信號點可分散分布，其測量和控制精度不受距離影響，通過LonWorks技術，使現場傳感器和執行器等通過兩線制網絡互連，進行全數字、雙向、多站的數字通信。其優點主要表現在：全數字化取代了傳統的模擬量信號；開放式系統結構與標準的通信協議，使產品設備有交互操作與互換性；采用通信線供電；通信線延伸到生產現場，構成設備儀表互連的現場通信網絡；分散的功能塊，有利于向綜合自動化發展。分布式控制系統具有豐富的監控管理功能，分布式控制系統可以實現信號串行雙向快速傳輸，抗干擾能力強，分布式控制系統結構如圖1所示，它進一步完善了整個系統的控制、管理、決策等功能。
圖1 基于LonWorks現場總線的分布式控制系統結構
三、監控系統設計
LonWorks總線技術完全滿足BAS要求：
1） LonWorks網絡采用了ISO/OSI參考模型的七層協議，有很好的開放性，所定義的網絡變量標準使不同廠商的設備具有良好的互操作性。
2） 支持多種通信介質，保證系統可以有多種組態。
3） Neuron芯片集通信和控制于一體，便于實現直接接入網絡的控制系統，為開發應用提供了廣闊的空間。
因此，LonWorks控制網絡為BAS的集成提供了一個完整的解決方案，具有很好的可靠性、開放性和互操作性。
3.1 系統結構分析與網絡總體設計
樓宇自控系統包括：冷水系統、新風機組、空調機組、給排水系統、變配電系統、電梯系統、照明系統和換熱系統等，可采用LonWorks技術作技術平臺，系統結構采用基于LonWorks現場總線的分布式控制系統結構，如圖2所示。該網絡結構充分體現了LonWorks控制網絡的特點，即使網絡中一個設備出現故障也不會影響全網其他設備的正常工作，把故障點分散到最小的程度。
圖2 BAS的網絡結構圖
3.2 基于LonWorks技術的網絡實現
基于LonWorks技術實現的網絡控制需要四個步驟：系統設計、網絡配置、應用配置和安裝。⑴ 系統設計：選擇與輸入輸出部件相配合的LonWorks設備，并運行諸如PID控制應用程序的LonWorks設備；確定適當的通信信道數量和信道類型，并選擇連接信息的路由器。⑵ 網絡配置：給所有的設備和設備組賦予域ID和邏輯地址；捆綁網絡變量，創建設備間的邏輯連接；在每個設備中配置各種各樣的LonWorks協議參數，包括信道位率、應答、確認和優先級服務。網絡功能設計可以把設備功能塊拖放到設計圖中，連接其輸入、輸出。⑶ 應用配置：通過應用配置，使每個設備的應用程序可進行剪接以達到滿意、理想的功能。⑷ 安裝：安裝信道的物理通信介質；把LonWorks設備連接到網絡，包括路由器；把I/O部件連接到LonWorks設備；用網絡集成工具下載網絡配置數據和設備的應用配置數據。
四、基于LonWorks總線技術的空調控制系統
4.1 空調控制系統
空調系統實現以下控制功能：溫、濕度監視，即對新風、回風和排風進行溫、濕度監視，給系統溫、濕度的調節提供依據；風閥的控制，即對新風和回風閥門進行開關量的控制或模擬量的調節；冷/熱水閥門的調節，使溫差保持在精度范圍內；加濕閥的控制，即在空氣濕度低于設定的下限或者超過上限時，分別控制加濕閥的打開與關閉；風機控制，即實現對風機的啟停控制或者變頻調速控制；過濾網壓差報警監視、防凍開關報警監視、風機故障報警監視；空調機組工況轉換（冬季、夏季、過渡季）；手/自動轉換。
4.2 基于Lon總線技術的空調控制系統
根據上述分析，分布式控制系統是以LonWorks技術為基礎，以神經元芯片為核心，是專用于空調機組控制的現場總線系統，其結構如圖3所示 。
圖3 空調箱控制系統框圖
其工作原理為：溫、濕度控制器測得溫度和濕度后，通過運算獲得閥門的調節輸出。該輸出通過Lon網絡送到智能閥，產生相應的閥門開度。智能閥的數量與空調系統結構有關。開關量控制器則用于啟、停機組，監測空調狀態及產生報警等。
4.3 系統硬件實現
⑴ 智能閥門：它直接連接在Lon網絡上，通過Lon總線接收閥門開度命令，該命令以網絡變量形式出現。智能閥門結構如圖4所示。
圖4 智能閥門結構圖
其主要硬件設計如下：智能閥門運算量、存儲容量少，因此使用了3120芯片；使用FTT-10A自由拓撲收發器；電源部分使用LM2575芯片，濾波后能夠得到比較穩定的+5V電壓；串行A/D采用TLCL549芯片（10位），可滿足閥位開度控制的精度要求；繼電器為JGX-IF型固態繼電器，驅動能力大，使用壽命長；
⑵ 溫、濕度控制器硬件設計如下：溫、濕度主控制器要求有較大的存儲空間和處理能力，可采用3150CPU模板，該模板具有48KB 2PROM和8KB RAM空間，帶有FTT-10A自由拓撲收發器；電源部分使用MAX726芯片，濾波后能夠得到穩定的+5V電壓；HD7279是一片具有串行接口、可驅動8位共陰式數碼管，可以連接64鍵的智能顯示驅動芯片；A/D芯片采用TLC2543，為11路模擬信道逐次逼近型12位串行AD，精度高，響應時間短，接線簡單；5個按鍵，可進行手/自動切換和參數的直接修改；繼電器使用JGC-3FA，體積小，驅動能力大（可直接驅動380V交流設備），使用壽命長。
在溫、濕度主控制器中有8路模擬信號輸入，可與溫度變送器或其它儀表相連接，也可利用3路熱敏電阻(NTC)或熱電阻（Pt100）輸入直接測量溫度，另外還有2路報警信號輸出。溫濕度控制器結構如圖5所示。
圖5 溫濕度控制器結構圖
⑶ 開關量控制器：開關量控制器結構如圖6所示，用于啟、停空調機組，檢測空調狀態及產生報警。同溫、濕度控制器一樣，選用了相同的CPU模板；電源部分使用MAX727芯片，濾波后能夠得到穩定的+5V電壓；繼電器使用JGC-3FA，體積小，驅動能力大（可直接驅動380V交流設備），使用壽命長。
圖6開關量控制器結構圖
五、系統通信的實時性分析
網絡通信中系統的實時性主要表現在所發送的數據在可確定的時延內送達， LonTalk協議所采用的MAC子層協議是所謂“可預測P堅持CSMA”，這種協議在發送數據時采用先偵聽信道是否空閑，若空閑則以概率p發送，否則以概率門（l-p）延時一段時間（端到端的傳播時延），重新偵聽信道[5>。提高網絡實時性需要解決的問題是：減少線路等待時延；避免沖突；沖突發生時的快速恢復。可預測P堅持CSMA協議在一定程度上解決了上述問題，另外，LonTalk協議提供的四種服務方式以及優先訪問方式為優化系統性能提供了方便。
網絡節點需要等待到介質空閑時才能發送報文，從節點排隊到實際發送到網絡上的時延，稱為介質存取時延，它直接影響報文的響應時間。在設計網絡時，為保證獲得較小的介質存取時延，必須保證最大預約交通量的限制。
采用不同的服務方式，會產生不同的網絡響應特性。可預測P堅持CSMA協議對網絡負載的預測是通過數據訪問的應答服務方式（確認或請求/響應）實現的，也就是說，對于非應答方式的服務（非確認、非確認重復），MAC子層是不能產生預測的。對于應答服務方式，概率P隨網絡負載動態變化。值得注意的是，相比較而言，應答服務比非應答服務多消耗了網絡帶寬。
當某些變量對實時性要求非常強時，優先級方式是非常好的選擇。但是，在分配優先級時應當注意：網絡上只能為有限個節點分配優先級；在為節點分配優先級時隙的同時也預占了網絡帶寬。
六、基于LonWorks網絡的系統集成實施
在設計中采用現場控制級和上位監控管理級兩層網絡結構。現場智能設備通過網絡形式實現系統的基本控制功能，通過OPC服務器建立上層的監控應用。在實現現場級功能時，需要首先確定整個系統完整的控制策略，并將其分解到多個相互獨立的模塊和子任務上；然后確定每個智能節點所完成的子任務，以及它們之間的聯系和數據共享關系，并對每個節點編寫應用程序，然后下載程序到節點，調試運行。在各個智能節點自治運行及完成現場控制功能的基礎上，上位機基于現場控制信息和現場管理信息，通過運行OPC服務器和人機界面軟件對系統運行的實時和歷史信息進行監控。
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