基于Lon总线的BA实验设备集成方案

盐城工学院 段小汇 冯俊青

一、引言

智能楼宇的概念在20世纪80年代诞生于美国。随着社会的进步、科技的腾飞以及人类需求的提高，智能楼宇的需求量越来越大。目前它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志。为向社会输送大量的楼宇自动化技术人才，很多高校已开设了建筑电气智能化专业。作为构成智能楼宇的3A之一，BA即楼宇自动化设备占智能楼宇能源消耗量最大。为实现智能楼宇的安全、高效、便捷、舒适以及低能耗等目标，楼宇自动化设备集成是非常重要的。为了能让学生更好地掌握BA系统的集成技术，高校BA实验设备的集成是非常有必要的。

由于建筑电气智能化专业是新生专业，所以许多高校的相关实验设备还在筹建阶段。目前，我校的建筑电气智能化实验设备基本齐全，但处于分散控制状态，这样的状态存在弊端。首先，分散的设备不便于管理。如果设备出现故障需要逐个排查，设备的运行状态统计也很麻烦。其次，由于楼宇自动化系统有很多子系统，对应设备也很多，价格也很高，所以每个子系统设备一般只有一套。这样如果采用分散控制，做实验室往往需要多名同学共用一套系统，学生上手机会较少，不便于系统的学习。因此本文提出基于Lon总线的BA实验设备集成方案，在一定程度上能够解决这些弊端。

二、系统总体网络结构

我院BA实验室包含五大子系统，分别为定风量中央空调控制系统、中央空调空气处理系统、给排水控制系统、变频恒压供水系统以及供配电与照明控制系统。系统总体结构图如图1所示。

BA实验室结构上分为两间。一间是机房，放置学生电脑、教师电脑以及上位机管理设备，构成中央控制室（中央站）；另一间是设备间，放置五套子系统设备，构成DDC现场控制器（分站）。系统由两级网络（以太网和LonWorks现场总线）连接，既可以满足系统庞大的容量要求，又可以提供高速的通讯能力，使管理人员在中央控制室就可以全面了所有设备的运行状态数据，同时也可以让教师集中管理学生的实验过程。

系统一级网络是一个以太网的局域网或广域网，采用TCP/IP标准协议，传输速度为10/100M。现场DDC模块通过LonWorks总线连接到以太网时，通过专用的数据采集站Lon网络适配器（PCLTA-20）连接。工作站管理平台通过智能建筑集成管理系统将各实验室子系统的信息资源汇集到一个系统集成平台上，通过对资源的收集、分析、传递和处理，从而对整个设备系统进行最优化的控制和决策，达到高效、经济、节能、协调运行状态，使管理人员可以通过网络中的任何一个终端来控制或监测设施内的任一设备情况。管理平台设备主要包括UPS不间断电源、三层核心网络交换机、防火墙、服务器与管理中心机等。系统的二级网络采用LonWorks现场总线，LonWorks总线方式可实现DDC与DDC、DDC与中央控制站之间的点对点数据通信。在配置系统上，本方案充分体现集中管理、分散控制的集散式系统设计思想，所有DDC控制器均嵌入到各子系统内部，对现场电气设备进行实时监控，DDC可独立完成全部的监测、控制工作，并与其它DDC进行双向通信，当系统通信故障时，各DDC仍能完成正常监控功能。中央站监控系统系统以LonWorks总线连接各DDC模块至中央监控中心。在中央监控中心，我们可以查看到各种电气设备运行状态、相关参数，并控制电气设备启停。

三、下位机设备组态

要让系统正常运作，除了硬件连接还需要对下位机作设备组态。设备组态采用Echelon公司开发的LonMaker集成工具。该集成工具是用于设计、安装和维护开放式的、互可操作的LonWorks网络的软件包，它以LNS网络操作系统为基础。LonMaker集成工具把强大的客户/服务器体系结构和易于使用的Visio用户界面集成在一起，可用来设计和启动一个分布式控制网络，而又经济地可以用作一个网络操作和维护的工具。应用LonMaker软件可将各子系统中的现场控制器DDC以设备功能块的形式，将需要监控的传感器和执行器以输入输出功能块的形式，将系统控制逻辑通过大小状态机的真值表功能的形式，再通过在LonMaker里图形化和模块化的设置就能轻松实现程序的编写，因此大大缩短了开发时间，而且程序可读性和逻辑性强，便于网络开发人员修改和调试。按照控制流程和控制要求可对实验室楼宇设备系统进行网络配置，配置后的界面如图2所示。

在界面中，用到了设备模块、路由器、输入输出功能模块、模拟量比较模块，状态机模块和运行时间累加器模块等。不属于同一个设备模块下的功能模块相连时需要LonMaker基本图形库中拖出“Connector”到右侧编辑区对模块进行连接。同一个设备下的功能模块连接可以通过内部绑定，所以在界面上不是所有的功能模块都通过“Connector”相连。程序下载到DDC的过程是通过“commission”完成的。

四、上位机系统集成

上位机集成软件采用智能建筑集成管理系统iiBS3.0，它是针对智能建筑系统集成业务设计的上位机管理软件系统，它提供了智能建筑系统集成中各子系统及各类常用设备的设计模版和集成方案，内置了楼宇控制系统、小区智能化系统及火灾报警系统等的解决方案。系统提供了OPC、LonWorks、DDE等软件接口，同时提供MODBUS、232/485等硬件接口，为实现楼宇自控系统功能及系统集成提供了有力工具，使系统集成工程变得更容易、更规范、更可靠。能够方便地实现楼宇设备自动化系统的无缝集成。iiBS智能建筑监控组态开发平台提供了可视化的流程图组态功能，易学易用，操作方便，内嵌丰富的图形库，对典型子系统内嵌了工程模板，并支持VBScript脚本语言，能够表达丰富的逻辑。系统采用基于XML技术的监控应用描述语言，并提供第三方组件的安全运行容器，支持ActiveX控件的嵌入编程；系统提供了丰富的面向领域的应用组件来简化系统的开发，支持大型实时监控系统的组合开发；面向对象的可扩展的VBScript编程语言，支持用户定制对象与组件的嵌入编程。系统运行采用B/S结构，组态的流程页面能够发布到Web服务器，在iiBS智能建筑综合监控运行平台支持下能够在Intranet/Internet上的进行浏览，实现监视与控制。结合供配电与照明控制系统集成界面如图3所示，其主要由供配电实验台、自动空气开关、模拟负载、无功补偿器、备自投转换开关、办公楼照明模拟实验架、各类灯具与开关等设备组成，可以实现双段母线的一用一备和互为备用的模拟实验，可模拟过载、短路等危险情况下的系统响应，可实现各种场景下的照明状态切换。

中央空调以冷热水源及定风量控制系统集成界面如图4和图5所示。其中定风量中央空调控制系统主要由冷却水塔、压缩机、控制柜、热水器、送风机、送风管道、水箱、分水器与集水器等设备组成。可以实现冬季和夏季两种工况下的模拟运行与程序控制。中央空调空气处理系统是定风量中央空调控制系统的浓缩版本，组成及功能与定风量中央空调控制系统相似，但在空气处理环节增加了温、湿度传感器器和风阀门的控制。给排水控制系统界面如图6所示，系统主要由用户终端、水池、三相水泵、单相水泵、压力变送器、气压罐与控制柜等组成。可以实现多种途径的给水排水监测与控制。变频恒压供水系统是给排水系统中的一部分功能的放大。能够实现工频与变频的自动切换、定时启停给水泵等功能。

图3 变配电控制系统集成界面

图4 冷热水源集成界面

图5 中央空调定风量控制系统集成界面

图6 给排水控制系统集成界面

在本文所述的方案中，学生可以针对上述任意一台设备完成其相应的单个模块组态试验、系统整体组态运行实验、设备集成联动控制实验以及设备的连接等实训内容。实验室的有机玻璃幕墙，可以将实验设备与学生实验操作间分割开来。这样做的目的有两个：一是要保护设备。因楼宇自动化实验设备结点众多，任何碰线、断线都可能系统不能正常工作，所以在基础实验环节应尽v可能地避免学生对设备的直接接触；二是还原真实系统。在真实的楼宇自动化系统中有远程监控站与现场控制站之分。我们的实验系统中可以将学生实验操作间作为远程监控端，而将教师机作为现场控制机。但有所区别的是教师机还可以管理控制学生机。教师机的作用是利用集成软件对一方面作为服务器将设备数据传输到管理平台，另一方面可以将部份数据共享给学生机，能够设罝与分配实验题目并能对学生机提交的实验结果自动批改生成实验报告并打印。

在学生机端学生能访问教师机中的共享数据，从而在自己制作的组态画面中创建动画链接。学生如果需要对某个设备环节做控制操作时，则需先将控制信号发送到教师机，由教师机选择将控制信号传送到现场设备的时间和顺序。这样做是因为在做基础实验时一般每个实验室每批学生将近20人，而每个实验室面积有限，设备数量在6台左右。这样必然会出现多名学生对同一台设备作控制操作的情况，如不有效地管理，则可能造成系统的崩溃。所以在这种情况下，教师机起到了很关键的作用。而在课程设计与毕业设计环节中可考虑几名学生针对同一系统共同完成一个课题设计，所以就不存在这种竞争现象了。

五、结束语

本文介绍的基于Lon总线的BA实验设备集成系统系统采用了典型的集散型控制系统结构，实现了分散控制、集中管理。该系统包含了智能楼宇中的楼宇设备自动化系统与通讯自动化系统，各子系统设备齐全，且均为真实产品，能实现真实系统的主要功能，能够使学生充分理解智能楼宇的概念，掌握系统工作原理。系统采用局域网技术实现系统信息的共享，可以同时供几十名同学同时访问所有子系统，并作组态监控。该系统为智能楼宇的设计和运行管理提供了一个全面的实训环境。它既可以针对校内学生开设基础实验、课程设计与毕业设计等相关教学环节，也可对外开放，作为企业员工的培训基地。

[1]智能建筑设计标准GB/T50314-2000,中华人民共和国建设部,2000.

[2]陈龙.智能建筑楼宇控制与系统集成技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.12.93-214.

[3]陈志新,张少军.楼宇自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2009,3:154-169.

[4]赵乃卓,张明健.智能楼宇自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2009.179-129.