基于智能化建筑电气中关键技术的分析
摘 要:在借鉴国内外新技术成功经验的基础上,系统分析适合我国国情的智能化建筑楼宇中信息采集与处理、PROFIBUS现场总线技术、智能断路器选用以及组态控制软件与系统布线等几个关键技术的特点,并提出其设计方法和相应的应用准则,目前这些技术在可靠性、方便性以及其市场份额方面较为理想,从而达到遥调、遥测、遥控、遥信的目的。同时又提出PROFIBUS-DP采用数字信号编码中的不归零编码方式(NRZ)的新理念,这为系统组态提供了高度的灵活性。
关键词:探测器;采集器;监控主机;系统布线;PROFIBUS-DP;NRZ
中图分类号:TM346 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)21-121-03
Analysis of Key Technology Based on Intelligent Building
LI Shibo
(School of Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,225009,China)
Abstract:With improvement of domestic and global intelligent building management,there are many new control techniques,including not only basic functions such as equipment monitoring,operation information feedback,but also information centralizing and sharing.Based on current domestic production and consumption economy,large investment without markets should be avoided.Using successful cases to analyze information collection and process,examine PROFIBUS,select intelligent circuit breakers,investigate applications of control software and wiring system,and propose designed method and application guidelines.Currently,the reliability,convenience,and consumer markets of these remotely regulated,measured,controlled and communicated techniques are adequate.This paper also indicates the concept of PROFIBUS-DP which uses a new form of binary code of NRZ (Non Return to Zero) resulting in a more flexible system.
Keywords:sensor;collector;central monitor;wiring system;PROFIBUS-DP;NRZ
0 引 言
随着楼宇智能化程度的提高,国内外涌现出许多新型控制技术,这些技术不但能实现对设备运行状况监视、操作、反馈等基本功能,还可以对各种设备进行信息集中管理与通信,实现信息共享。但根据我国目前的生产和消费的实际情况,应避免出现盲目投入大资金却没有足够市场份额支持的技术产品,造成不必要的浪费。
智能化安全防范系统的核心是信息采集与处理,其相关技术包括:现场总线、智能元器件、微机接口及其控制、系统调试等方面。其中入侵探测器是信息采集关键部件,采集后的传输有多种结构的,而在民宅安全防范系统中为了节省小区内的管理成本提高实用性,采用电话线路进行数据传输。另外国内外一些大型建筑物普遍设置了中央控制系统,特别是自动化程度较高的高层楼宇,增设了许多新的运行控制,因此选择国际上应用广泛、可靠,适合于低压配电系统使用的PROFIBUS-DP协议的现场总线技术,同时用PROFIBUS总线来实现低压配电柜的智能化。国内在中高压供配电系统上其他一些总线协议应用较多,用发展的眼光来看,有必要也有可能将所有配电都用一套监控系统来完成。
1 信息采集与处理
在智能建筑中,总线系统经常采用分层总线控制结构,系统可以根据楼宇分布和单元数量,进行组建和扩展,图1是一种典型的系统构成。
1.1 采集器
对各种探测器输出的信号进行采集、处理和判断,并据判断结果作出相应反应,同时将判断结果传送单元控制器。
采集器结构如图2所示,主要用于报警信息的采集、传输和存储。采集器从软件算法和硬件两方面防止住户非法拆卸和有意破坏。同时采用掉电保护和电池备用相结合,实现掉电24 h内系统正常运行。
1.2 处理
监控主机是整个监控系统的核心,也是单元控制器与报警管理接警主机沟通的桥梁,是报警管理接警主机对底层设备进行控制的通道。监控主机采用RS 232C总线接口,实现与报警管理接警主机的通信,通过RS 485总线接口,提供与多台单元控制器的外部接口扩展。同时,可实现110报警,控制电子模拟屏显示报警地点,单元控制器则用于进一步提供系统扩展接口能力,实现模块化设计,提高系统的工作速度和系统的可靠性。监控主机结构如图3所示。
该监控主机采用双CPU结构,均选用8XC251单片机,CPU(A)主要负责通过RS 232C串口与上位机(报警管理接警主机)通信,同时负责模拟屏的显示控制和通过拨号模块实现110报警;CPU(B)主要负责通过RS 485接口与单元控制器的通信。系统采用双CPU结构,共用一个数据区(RAM),实现数据共享。数据区分成三块,一块存放报警信息,一块存放已储备好的多表数据,另一块用于正在准备的多表数据。这样可以提高系统的功能和速度,同时实现报警信息的处理和多表数据的处理。双CPU通过经常判断对方的工作标志状态,识别对方是否正常工作,以提高系统可靠性。RS 485通讯接口模块留有8个外接端口,每个RS 485端口可以并联单元控制器32台,即系统总共可以外接单元控制器256套。
2 现场总线PROFIBUS
PROFIBUS以国际标准为基础,协议结构是以ISO7498国际标准开放式互联网络(OSI)参考模型为基础的,OSI参考模型采用了分层结构化技术将整个网络的通讯功能分为7层,由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每个传输层精确地处理所定义的任务。第一层定义了物理传输技术特性;第二层定义了总线的存取协议及数据的可靠性、传输协议和报文处理等;第三层是通信子网与网络高层的界面,主要负责控制通信子网的操作,实现网络上不相邻的数据终端设备结点之间在穿过通信子网逻辑信道上的准确数据传输;第四层是资源子网与通信子网的界面与桥梁,完成资源子网中两结点之间的直接逻辑通信,实现通信子网中端到端的透明传输;第五层会话层利用传输层提供的端到端数据传输服务,具体实现两端主机之间的通信;第六层表示层完成通信双方之间的数据表示问题;第七层应用层是OSI模型的最高层,提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议。
PROFIBUS采用了该模型七层中的第一层(物理层)、第二层(数据链络层)和第七层(应用层),增加了用户的接口层。
3 智能框架断路器及塑壳断路器的选用
3.1 智能框架断路器(空气断路器、万能式断路器)
主要在配电网络中用于分配电能和保护线路及电流设备免受过载、欠压、断路、单相接地等故障的危害,可避免不必要的停电,提高供电的可靠性,产品具备协议通信接口,可实现遥测、遥控、遥信、摇调等“四摇”组网通信功能\。结构分为抽屉式和固定式;按分段能力分为标准型:50～65 kA,较高性能型:65～85 kA,高限流能力型:100～150 kA;配置有智能通信控制单元,用于元器件的组网。这类产品国产的有DW40,DW45,DW48等型号,国外有3WN1,3WN1,Masterpact M,MT等系列。
这类产品主要特点是:规格齐全;触头系统高分段能力;使用寿命长;无附加飞弧距离;多种接线方式;均具有数据传输功能。
3.2 智能型塑壳断路器
该产品是配电线路中应用极广的产品。目前我国众多企业开发的YSM1,YSM2,JXM3,HM3,HSM1,1SM1等智能型塑壳断路器,以及国外的富士、通用、ABB、三菱、梅兰日兰等公司推出的带有智能控制模块的塑壳断路器,都具有各种精确的选择保护功能和多种辅助功能,且具有通信接口,可实现“四遥”组网监控管理功能。
4 组态控制软件与系统布线
各种智能可信元件的开发应用为配电系统自动化组网监控提供了可能,在此基础上还需要组态监控软件。目前国际上如SIEMENS,SCHNEIDER等公司都提高相关的软件,国内的有YSS 2000等,其产品都可通过协议转换模块组网。上述软件除以多种风格实现“四遥”监控功能外,还可实现多种操作控制和管理功能。
对于双芯屏蔽电缆,屏蔽层主要是用来抗电磁干扰的,PROFIBUS系统中使用的电缆通常都是用编制网和导电泊来进行屏蔽的。当布置电缆层时,应特别小心将屏蔽层连接到接地卡上。
PROFIBUS数据线分为A,B。在总线设备上要求在整个系统中,同一种颜色的芯线必须连接到同一端点A或B上。
5 数据通讯
在数据通讯中主要有三类数据表示方式,即数字数据采用数字信号编码表示、数字数据用模拟信号表示和模拟数据用数字信号表示\。PROFIBUS-DP采用数字信号编码中的不归零编码方式即NRZ(Non Return to Zero),在位持续期间,二进制“0”或“1”不改变。没有数据发送时,空载电位为“1”,起动位使之变为“0”,详见图4。
中央空制器(主站)循环地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比中央控制器(PLC)的程序循环时间短。总线的循环时间只占全部时间的4%～3%,即无论是应用在传动自动化领域还是在配电自动化领域,PROFIBUS-DP都有着不可比拟快速的特征。
除了循环的用户数据传输外,PROFIBUS-DP还提供强有力的诊断和组态功能。PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统,这样为系统组态提供了高度的灵活性。系统组态描述包括:站数、站地址和输入/输出地址的分配、输入/输出数据的格式,诊断信息的格式以及所使用的总线参数。
系统的行为主要取决于DPM1的运行状态,这些状态由本地或总线的组态设备所控制。主要有以下三种状态:
(1) 停止:在这种状态下,DPM1和DP从站之间没有数据传输。
(2) 清除:在这种状态下,DPM1读取DP从站的输入信息并使信息保持在故障安全状态。
(3) 运行:在这种状态下,DPM1处于数据传输阶段,循环数据通信时,DPM1从DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息。
如果在DPM1的数据传输阶段中发生错误(如:DP从站有故障),系统将作出反应,它是由组态参数“自动清除”(AUTO-clean)确定的。如果此参数为真,DPM1将所有有关的DP从站的输出数据立即转入安全保护状态,而DP从站不再为用户传输数据。在这之后,DPM1转入清除状态,如果此参数为假,则DPM1即使在这个DP从站出错时仍停留在运行状态,然后由用户决定对系统作出什么反应。
6 结 语
当今楼宇智能化已离不开现场总线等技术,但是在应用中这些技术逐步地暴露出它的固有缺点,如:信息集成能力不强;系统是非开放式,可集成性差;可靠性不易保证;可维护性不强等,有待进一步改进。另外配电系统智能化不仅是提高供电可靠性能的保证,同时又承担着现场设备控制的任务,因此无论是自动化的配电方式还是现场的控制方式,他们以其自身独特的特点,将成为智能化楼宇中必不可少的关键技术。
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作者简介 李世博 男,1969年出生,吉林人,硕士,高级工程师。主要从事智能建筑电气的研究。