開放式通信技術在智能樓宇控制系統中的應用

“智能大廈”已成為近年來現代化大廈的重要標志,而“結構化布線系統”則是實現智能大廈的必不可少的技術手段和途徑,它是利用雙絞線、光纖和其他高品質的元器件,把電話、計算機網絡、圖像、攝影、安全報警、監控系統、建筑自動化管理系統所需各種專用布線系統集成為一套完整的布線系統。智能建筑則是采用計算機技術對建筑物內的設備進行自動控制,對信息資源進行管理,對用戶提供信息服務的一種新型建筑。它是涉及到計算機、通信、電子、自動化、暖通空調、給排水等多種學科的大型綜合性系統。構成智能建筑系統的基本要素是建筑設備自動化系統(BAS) 、通信網絡系統(CNS) 和辦公自動化系統(OAS) 。其中的BAS 系統包括:供配電子系統、有線電視及安防子系統、火災報警及聯動控制子系統、電梯子系統、照明子系統、電話子系統、暖通子系統、給排水子系統等。

智能建筑借助中央計算機網絡系統及結構化綜合布線系統技術,將建筑物內相對獨立的、分散的、功能各異的BAS、CNS、OAS 等,在物理上、邏輯上、功能上連接在一起,構筑成一個相互關聯的、統一的、協調的有機整體,組成具有一定規模的大系統。

本文采用奧地利貝加萊(B&R) 公司的B&R 2000 PCC(Programmable Computer Controller) 控制系統,結合CAN(Control Area Network) 現場總線技術,設計出樓宇智能控制系統。

B&R 2000 PCC集成了可編程控制器標準控制功能和工業計算機的分時多任務操作系統的功能。它能方便地處理各類傳感器輸入的開關量、模擬量信號,并能通過現場總線網絡,對各種驅動機構進行實時控制和調節,從而組成一個離散分布式控制系統。

B&R 2000 PCC提供的最有效的智能部分是開放式通信技術。采用PCC 2000 構成智能建筑的信息平臺,利用系統總線與I/O 總線分離,可使系統組成獲得多樣性組合與擴展,可以組成不同層次的網絡,同時還使不同廠家滿足模擬標準信號的產品實現互連。由于PCC 2000 具有靈活的配置、標準化接口、模塊化的設計,從而使得設計的系統極具開放式和兼容性。另外,利用PCC 2000 自控系統控制網的模塊化結構,使得網絡的擴展可按需進行,為用戶的多樣性選擇、按需投資、適時擴展提供了極大的便利。

B&R 2000 PCC的編程語言可在LAD (梯形圖) 、STL (指令表) 及高級編程語言PL2000 之間相互調用和轉換；B&R PROVIT作為圖文顯示終端與IBM 完全兼容,能使用多種標準軟件,實時顯示和修改控制過程、控制數據并進行快速通信。利用PCC 2000 可以很方便地設計一個集通信、控制、顯示為一體的中央監控系統。

控制局域網CAN屬于現場總線的范疇,它是一種在自動化領域廣泛使用的多線路協議和有效的支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。

CAN以多主方式工作,網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送消息,而不分主從,通信方式靈活,且無需站地址等節點信息,利用這一特點可方便地構成多機備份系統。CAN 采用非破壞性總線仲裁技術,當多個節點同時向總線發送消息時,優先級較低的節點會主動地退出發送,而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據,從而大大地節省了總線沖突仲裁時間。

CAN通信采用短幀結構,傳輸時間短,受干擾概率低,具有極好的檢錯效果,其每幀信息都有CRC 校驗及其它檢錯措施,保證數據出錯率極低。另外, CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其它節點的操作不受影響, CAN的通信介質選擇靈活,可為雙絞線、同軸電纜或光纖。

B&R 2000 PCC帶有CAN口,既可以利用CAN實現I/O 通信,又可以進行聯網通信。

在智能樓宇中,需要監測。控制的設備系統繁多,而它們又分布在樓宇各個部位,故一般控制模式采用集中管理與分散控制相結合的集散型控制系統。具體地說控制系統主要由樓宇自控系統的中央控制機、現場控制器和通信網絡所組成。本系統中,現場控制器直接與現場設備相連,控制器選用B&R 2000 PCC ,現場控制器與中央控制機采用CAN總線相連,從而完成中央控制機從現場設備中獲取數據,完成各種控制、運行參數的監測、報警和實時處理等功能。

本系統中的現場設備包括:電梯、照明、供配電、火災報警與聯動控制、暖通空調、給水排水、安全技術防范和有線電視等八個子系統,每個子系統的設備都由現場控制器對其進行獨立控制,構成單個子系統。同時,利用CAN總線將八個子系統與中央控制機相連,進行信息交換。系統運行時,中央控制機對八個子系統中的各機電設備進行統一的工作參數監視、設備起停控制和能耗管理,從而實現對建筑設備自動化系統的實時監控。樓宇智能控制系統網絡拓撲結構如圖1 所示。

圖1 　樓宇智能控制系統網絡拓撲結構圖

要實現中央控制機對各子系統中的設備進行監視與控制,需要解決的關鍵問題是使中央控制機能對現場PCC中的各種控制變量進行讀寫操作,這就需要利用PL2000 語言分別編寫中央控制機和現場PCC的通信模塊程序,通信過程需分兩步進行。首先把現場PCC 中的各種控制變量讀入中央控制機,然后利用B&R 公司提供的PVI 通信編程模塊在VB 環境下編程,實現對現場PCC 中的各種控制變量進行處理,并將處理結果反饋到現場PCC ,以實現中央控制機在可視化環境下對各個子系統中的設備進行實時控制。其控制過程如圖2 所示。

圖2 　實時監控系統流程圖

本系統采用開放式通信技術,成功地構建了智能樓宇的信息平臺,為能源管理、辦公自動化系統以及實現與Internet 的連接和實現遠程控制創造了條件,并可最終實現中央管理系統。