現場總線技術在樓宇自動化中的應用

鄧麗金

【摘要】隨著通信技術、計算機技術和控制技術的發展，其綜合運用而產生的自動化技術在不斷革新，應用也越來越廣泛?，F場總線技術的出現使得可編程控制器、集散控制系統和自動化儀表等的功能和結構都發生了巨大變化。本文將對現場總線的技術特點和現狀進行介紹，并對樓宇的自動化中現場總線技術的應用進行討論。

【關鍵詞】現場總線；樓宇；自動化

引言

現場總線技術在工業領域的應用范圍非常廣泛，幾乎涉及到了整個工業行業，如家庭自動化、制造加工自動化和過程自動化等，在樓宇的自動化中也有重要表現。隨著現場總線技術的發展，已經形成了幾種主要總線技術標準，各種標準在工業的不同領域里發揮著不同的作用[1]。下面本文將著重介紹樓宇自動化中涉及到的現場總線技術。

1.智能建筑中應用的現場總線技術

1.1 LonWorks總線技術

1991年美國Echelon公司研制出的一套總線標準-LonWorks技術，是一種開放分布式控制總線技術，這種技術標準被建筑物自動化、工業控制等領域廣泛采用，是普及程度最高的，最流行的總線技術之一[2]。

目前LonWorks技術已經被中國建設部智能建筑中心推薦使用，中國的智能建筑廣泛采用了這種控制網絡技術。據相關數據顯示，僅至2003年，就有286種空調控制器、24種門窗感應器、115種安保監控控制器、29種火災報警控制器以及64門禁控制器使用了LonWorks技術。經過10年的發展，這種技術的應用更為普及了。

LonWorks節點是由開發平臺、網絡接口、控制模塊、收發器和神經元芯片共同構成的。LonWorks節點的最關鍵之處是其內含的神經元芯片具有三個處理單元，這三個處理單元分別用于對應用程序、網絡層和數據鏈路層的控制。在LonWorks節點的神經元芯片上還同時安裝有11個I/O接口，這些接口可以便捷地連接外圍輸入輸出設備，所以在這個芯片上就能夠便捷地實現對控制功能和網絡的操作。ISO/OSI的全七層通信協議是這種神經元芯片通信使用的主要協議，除此之外，它還支持多種通信速率和傳輸介質。

LonWorks支持的傳輸介質包括：紅外、光線、電源線、電力線和雙絞線等。在使用過程中，依據現場環境的不同，可以對傳輸介質和收發器的種類進行選擇。LonWorks還支持面向對象的網絡編程技術，對網絡的互操作功能可以輕松實現。

由于推出LonWorks技術的公司Echelon在這項技術的產出中處于壟斷地位，所以其他廠商采用這種技術時，成本就會相對較高[3]，這一因素嚴重影響到LonWorks技術在成本較低的樓宇自動化中的使用。

1.2 BACnet總線技術

隸屬于美國冷暖工程師協會的標準項目委員會135P推出了BACnet標準，這項標準在推出的同一年通過了美國國家標準局ANSI的審批成為了美國國家標準，并且BACnet標準在2000年的八月份草擬成為了樓宇自控標準。

BACnet標準的最大亮點在于其強大的互操作性。BACnet采用的協議是面向對象類型的，其應用層中對服務和對象的定義是標準化的，這使得其應用功能可以得到較為完整的實現。因為BACnet擁有這樣統一、完善的交換技術和數據表示方法，在各設備之間的協調操作行為與交換信息是很容易完成的。開發商可以依據具體開發項目的不同，選擇不同的應用，并利用異構BACnet設備的優越的擴展性和重用性以及設備的互操作性以實現所需功能[4]，使用這種技術建構起的系統，其可擴展性和集成程度都較好。

BACnet的應用層、網絡層、數據鏈路層和物理層都有自己的定義。BACnet網絡層中，所謂的物理網段是一段物理介質，負責連接部分BACnet設備；多個物理網段共同構成一個網段，這是通過在物理層中與繼電器連接來實現的；再通過網橋連接，多個網段可以構成一個單獨的MAC地址域，這樣就構成了一個BACnet網；所謂的BACnet局域網就是使用BACnet路由器將多個BACnet網連接到一起構成的。

BACnet也存在缺陷，其對服務的對象的定義還不夠完善，還不能做到真正意義上的互操作。

1.3 CAN總線技術

有德國BOSCH公司推出的控制器局域網絡，主要用于汽車內部執行不見之間和數據測量的通信協議，其簡稱為CAN，即controller area network[5]。ISO國際標準化組織已經將這種總線協議定為了國際總線標準，其在離散控制領域中受到廣泛應用。

CAN的信號受到干擾的程度較低，傳輸所需時間較短，這一特點源于CAN傳輸信號時所使用的幀結構，它所使用的是短幀結構，每幀只含有八個有效字節。CAN采用的總線沖突機制是總線仲裁技術，在網絡上如果同時出現多個節點共同傳輸信息，那么通過仲裁技術調節，可以使低優先級節點暫時停止傳輸信息，為高優先級節點騰出空間繼續數據傳輸。采用的雙絞線可以使得CAN信號傳輸速率達到1Mbps，最遠傳輸路程可達10km，最多可掛接110個設備。

1.4 PROFIBUS現場總線技術

由德國西門子公司等十余家企業和研究所聯合推出的PROFIBUS現場總線，是符合歐洲標準和德國國家標準的現場總線技術。PROFIBUS現場總線包括三部分：PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMB、PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-FMB指的是現場總線報文規范，在包括低壓開關、可編程控制器和樓宇自動化等自動化過程中應用廣泛[6]。而PROFIBUS-DP指的是用戶規范，其主要作用是使用快速串行鏈接將智能設備、執行結構、傳感器、輸入/輸出設備與自動化系統連接起來。PROFIBUS-PA指的是過程自動化，其功能是將液面、壓力和溫度變送器等現場設備連接到過程控制和自動化系統中。

PROFIBUS現場總線技術在數據鏈路層和物理層的互聯模式上使用的是ISO/OSI開放系統，PROFIBUS標準的第一子集就是由這兩部分共同構成的。PROFIBUS-DP使用了擬合的直接數據鏈接替代第三到第七層，成為了用戶接口；PROFIBUS-FMS則使用應用層替代了第三到第六層，作為標準的第二部分；而PROFIBUS-PA可以取代4-20mA的模擬技術。

PROFIBUS采用的是雙絞線傳輸信號時，最遠傳輸距離為10km，信號傳輸的最高速率為12Mbps。

2.樓宇自動化中現場總線的應用

建設智能建筑的思路是，把建筑物作為自動化平臺，配以公共安全系統、建筑設備管理系統、信息化應用系統、信息設施系統等，以為人們提供健康、環保、節能、高效、安全的建筑環境為目標，將管理、服務、系統、結構與優化結合在一起?，F階段，智能建筑的主要構成成分包括辦公自動化系統、通信自動化系統和樓宇自動化系統。其中智能建筑的核心部分是樓宇自動化系統[7]。

通過各種網絡和電氣設備將樓宇中的設備連接起來構成的能夠實現對設備參數的控制和調節的網絡成為樓宇自動化系統，它能夠為人們提供節能環保、安全可靠和舒適便捷的建筑環境[8]。通過使用現場總線技術，可以將樓宇系統中個子系統連接在一起，使用通信協議實現個自動化子系統間的協調、配合，并將子系統中產生的參考數據和事件回傳給自動化系統，以實現整體系統高效、有序和安全的運行。

3.總結

本文對應用較為廣泛的幾種現場總線技術進行了介紹，并對系統總線技術在樓宇自動化建設中的應用進行了淺析。通過本文闡述，我們可以知道，實現樓宇自動化系統的建設能夠大大提高人們生活的舒適度、便捷和安全程度，而在樓宇自動化系統的實施中，現場總線技術的應用是必不可少的。在樓宇建設未來的發展進程中，現場總線技術在建筑上的應用將會越來越廣泛，智能建筑將會逐步普及。

參考文獻

[1]汪海杰.樓宇自動化控制系統的應用和設計[D].四川：電子科技大學，2012.

[2]何麗莉.LonWorks技術在樓宇自動化系統中的應用研究[J].河北能源資源技術學院學報，2012，3（15）：211-213.

[3]萬發勤.現場總線技術在電力系統自動化中的應用[J].電子世界，2011，11（15）：23-24.

[4]劉康.現場總線技術在樓宇自動化中的應用[J].微計算機信息，2010，10（5：）65-66.

[5]金湘力.現場總線技術在電力系統自動化中的應用[J].山西電力，2010，12（15）：54-57.

[6]劉太，董良師.現場總線技術在變電站綜合自動化中的應用探討[J].平頂山工學院學報，2010，9（15）：23-24.

[7]林君芳，陸兵.現場總線技術在電力系統自動化中的應用[J].科技傳播，2011，7（8）：112-114.

[8]向新圓.現場總線技術在電力自動化中的應用研究[J].科技致富向導，2013，10（25）：82-83.