基于双绞线的时分复用技术研究与应用

龙海珊

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

近年来，随着计算机网络技术的发展，智能建筑如雨后春笋般涌现，成为智慧城市建设不可或缺的基础元素，建筑的智能化很大程度上依赖于建筑中机电设备的智能控制。 传统的建筑中，实现机电设备控制的供电和通信有以下两种解决方案：第一种方案是分别采用供电电缆和通信电缆，由于二者电压等级和技术标准不同，采用不同的穿线管敷设，此方案避免了供电功率大对通信线路信号传输的影响，目前在工程应用中较为普遍，但存在设计繁琐、施工及维护工程量大的缺点；第二种方案是采用电力载波技术，用一条电缆同时实现电力传输和双向通信，此方案虽然设计、施工及维护工作量大大减少，但数据传输速率低、通信信号干扰严重且传输功率小，故工程应用较少。

针对上述工程实践中存在的问题，本文探讨的核心技术是在双绞线上应用时分复用技术，实现建筑中机电设备的一体化智能监控，达到强电与弱电的有机兼容。 笔者作为科研课题“建筑设备电气一体化智能监控系统关键技术及研究”的主要完成人，结合课题研究成果，系统阐述基于双绞线的时分复用技术研究思路、系统工作原理以及该技术在建筑设备一体化监控系统中的应用。

1 基于双绞线的时分复用技术研究思路

基于双绞线的时分复用技术研究的总体思路是将采用时分复用技术的双绞线工作时间分为三种时间片，即通信时间片、供电时间片和状态缓冲时间片。 供电时间片和通信时间片交替切换，在二者相互切换时插入缓冲时间片，从而达到用一根双绞线既能供电、又能进行数据通信的目的，供电采用单向传输，数据通信采用双向传输。 在供电转向通信时产生的高频谐波通过缓冲时间片消除，从而大幅降低了电力传输对数据通信的干扰。 实验数据及工程实际运行数据表明，采用时分复用技术的双绞线平均供电电流可达16A，可以同时满足线缆在供电能力、通信质量、工程造价、安装维护等方面的需求，从而降低工程成本，提高总体经济效益。

2 基于双绞线的时分复用技术的系统工作原理

系统包括主设备和从设备，二者通过双绞线（总线）连接，网络拓扑图如图1 所示。 主设备可采用双机热备，增加系统可靠性。 下面笔者将从3 个方面就系统运行进行详细阐述。

图1 系统网络拓扑图

2.1 双绞线总线工作时间片设定

采用时分复用技术的双绞线的工作时间分成三种时间片，如图2 所示，通信时间片a、供电时间片b 和状态缓冲时间片c。

图2 系统功能及时序图

由图2 可见，通信时间片a 和供电时间片b 交替出现，在二者相互切换时插入缓冲时间片c。 前一时间片（a 或b）对线路的影响在缓冲时间片c 得到释放并逐渐消失。 供电时间片（b）前后的缓冲时间片（c）一般不同，一般通信状态向供电状态切换的缓冲时间片设置较短，供电状态向通信状态切换的缓冲时间片设置较长。 主设备控制三种时间片的时序排布，并负责在供电时间片时段内向从设备提供电力。

从图2 中还可以看到，在通信时间片a 时段内，系统主要实现主设备和从设备之间的双向通信，通信物理层逻辑可采用电压逻辑、电流逻辑、电压电流混合逻辑三种方式，具体分析如下。

（1）电压逻辑方式：利用U1和U2两种电平来分别表示0 逻辑与1 逻辑，采用固定压差dU（即U1－U2为固定值）的方式。 在课题研究中U1取36V、dU采用12V，则经计算U2应为24V。 当U1、U2较高时，系统总线的数据传输速率能得到有效提高。

（2）电流逻辑方式：利用双绞线（总线）上的两个电流Ia和Ie来分别表示0 逻辑与1 逻辑，图2 中Ie可以取0～10mA，在课题研究中Ie取10mA。

（3）电压、电流逻辑混合方式：主设备采用电压逻辑方式向从设备发送数据，从设备采用电流逻辑方式向主设备发送数据，反之亦可。 在缓冲时间片c 时段，线路的电压处于U1电平状态，电流处于无序、不确定的过渡状态。

在供电时间片b 时段内，双绞线（总线）的两根双绞线间的电压U1由主设备决定，该总线上的电流Ib则根据从设备及负载单元的工作情况变化而变化。

2.2 系统主设备

图3 为系统主设备工作原理图。 主设备内含主设备电源、主设备处理器单元、主设备通信控制单元和时间片切换单元。 主设备处理器单元通过控制时间片切换单元实现对系统总线工作状态的控制，当总线切换至供电状态时连接到总线电源，当总线切换至通信状态时连接到主设备通信控制单元。

时间片切换单元负责将系统总线切换到通信时间片a、供电时间片b 或状态缓冲时间片c。 时间片切换单元的功率切换一般由功率电子器件来实现。

图3 系统主设备工作原理图

2.3 系统从设备

图4 为系统从设备工作原理图。 从设备内含极性变换单元、储能单元、负载控制单元、从设备电源、从设备通信控制单元和从设备处理器单元。 储能单元用于在供电时间片b 时段储能，并在通信时间片a 向从设备或负载供电，当负载和电流较大时，可增设储能单元。

从设备处理器单元通过负载控制单元驱动负载单元，极性变换单元将任意极性的双绞线变换为固定确定极性，使从设备能够无极性连接到系统总线上。 储能单元可采用直流电容储能或蓄电池储能。 负载控制单元的驱动部件可为继电器、接触器或功率晶体管。

图4 系统从设备工作原理图

3 时分复用技术的双绞线应用于建筑设备一体化监控系统

3.1 典型应用系统网络结构图

根据课题研究成果，“基于时分复用技术的双绞线总线”可应用于建筑设备一体化监控系统中，当系统控制设备和受控设备为直流供电时，其网络结构如图5 所示。

图5 建筑设备一体化监控系统网络结构图

由图5 可以看出，系统通过一条总线实现对控制设备及受控设备（如灯具、阀门、盘管等）的供电，同时可进行双向数据传输，其中“I”为输入信号，“O”为输出信号。 根据工程实际与产品性能，总线上的从设备可接多个受控设备，但每条回路从设备总数宜≤32 个，供电电流宜≤16A，每条回路的线路长度宜≤250m。

3.2 工程应用

笔者以某大型文化艺术场馆为例，对基于时分复用技术的双绞线总线在该项目照明系统中的应用作简单说明。 场馆总建筑面积约5 万m2，地上6 层，建筑定位为当地标志性建筑，内部功能分区复杂，光环境品质要求高。 该项目公共区域照明系统采用建筑设备一体化监控技术，选用北京某公司的ePower 系列产品，采用基于时分复用技术的双绞线总线及系列控制设备，实现了对大楼公共区域不同分区照明的精准控制。 系统网络结构图如图6 所示。

图6 照明控制系统网络结构图

由图6 可知，该项目系统主设备采用总线回路控制器M702，系统从设备采用总线调光模块S714V，每个从设备S714V 接4 个调光模块。 项目设置主设备M702 共81 个、从设备S714V 共423个。 该项目照明系统自竣工以来运行状况良好，完美地实现了建筑及业主对于照明灯具的控制要求。经估算，与传统强电供电与智能照明控制的方式相比较，该项目在照明控制子项中节约造价约320万元。

工程实践表明，采用时分复用技术的双绞线总线应用于建筑设备一体化监控系统有良好的实际应用价值，对于受控机电设备受控点多、分布分散、容量小的现代楼宇而言，具有传统工业总线不可比拟的优势。

4 结束语

综上所述，基于双绞线的时分复用技术创造性地将传统的设备数据通信与供电线路融合为一条总线，实现了供电与数据通信的有机兼容，为建筑设备一体化监控系统提供了关键技术支撑，在工程实际应用中获得了良好的经济、社会及环境效益，具有广阔的推广应用前景。 笔者也希望通过此文，给同行对于机电设备监控策略提供一种有效的解决方案。