朱玉堂，梅魯海

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053）

城市智能建筑是將城市中的商業(yè)、辦公、居住、餐飲、旅店、會議、展覽、交通和文娛等城市生活空間的要素進(jìn)行多方組合，并在各要素間形成一種相互助益和相互依存的有機關(guān)系，從而形成一個高效率和多功能的綜合體。城市智能建筑可以通過街區(qū)與外部空間和交通系統(tǒng)進(jìn)行有效溝通，進(jìn)而擴展城市的空間價值。城市智能建筑的綜合管理內(nèi)容就是借助樓宇自動化系統(tǒng)完成建筑內(nèi)的設(shè)備和環(huán)境的全面監(jiān)控與管理，從而為建筑的居住和使用者營造一個安全、舒適、高效、經(jīng)濟和便捷的生存環(huán)境，并通過進(jìn)一步優(yōu)化管理來降低建筑的運營成本。智能建筑的系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括建筑的電力、照明、通風(fēng)、空調(diào)、安全、防災(zāi)、給排水和車庫管理等設(shè)備和系統(tǒng)，是城市建筑智能化管理中設(shè)計任務(wù)量和工程施工量最大的子系統(tǒng)[1]。

近幾年來，我國在積極引入國外建筑智能化產(chǎn)品的同時，也在積極開發(fā)適合國內(nèi)應(yīng)用的先進(jìn)智能化系統(tǒng)，例如國產(chǎn)的樓宇自控系統(tǒng)、停車引導(dǎo)系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)等。但這些系統(tǒng)都存在智能化和節(jié)能管理系統(tǒng)分開運行、不能有效統(tǒng)一的問題，各廠家在建筑的不同系統(tǒng)中采用了相對獨立的子系統(tǒng)，但用戶更需要一套各子系統(tǒng)能統(tǒng)一協(xié)調(diào)、高度融合的綜合管理系統(tǒng)，從而提升城市智能建筑的綜合管理水平和管理能力。

本文在已有的樓宇控制、智能照明、停車引導(dǎo)和能源管理系統(tǒng)等開發(fā)成果的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的支持冗余技術(shù)和兼容設(shè)計的城市智能建筑綜合管理系統(tǒng)。設(shè)計目的主要是通過綜合管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計來實現(xiàn)集中和綜合監(jiān)控與管理智能建筑中的樓宇控制設(shè)備、照明設(shè)備、停車狀況和能耗狀況，并系統(tǒng)地分析了總線冗余、設(shè)備兼容性和集成監(jiān)控軟件等幾項需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)內(nèi)含為智能建筑的各個子系統(tǒng)開發(fā)的CPU通用控制器模塊，分別用作樓宇自控系統(tǒng)的控制器、智能照明系統(tǒng)的控制器、停車引導(dǎo)系統(tǒng)的控制器和通信網(wǎng)關(guān)控制器，最上層的集中控制器模塊將各個子系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)采集上來后進(jìn)行集中調(diào)度和控制，并負(fù)責(zé)跟上位VxSCADA綜合監(jiān)控平臺軟件和HMI人機界面通信。

圖1 城市智能建筑綜合管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

各個子系統(tǒng)CPU控制器下面通過總線連接了帶能耗計量的大功率輸出模塊和各種信號輸入檢測模塊，將能源計量和控制整合到一個模塊，CPU控制器針對不同的子系統(tǒng)和現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計不同的算法，以收集的能耗數(shù)據(jù)和集中控制單元下發(fā)的節(jié)能模式為依據(jù)，制定各個回路的節(jié)能控制方案，實現(xiàn)了子系統(tǒng)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測，節(jié)能監(jiān)管，用能診斷的一體化和本地化。

通信網(wǎng)關(guān)模塊的功能是負(fù)責(zé)和第三方廠家的設(shè)備通信。因為體量的原因，大型智能建筑不可避免地存在多種廠家設(shè)備和子系統(tǒng)并存的情況。通信網(wǎng)關(guān)是具有豐富的硬件接口和軟件協(xié)議、具備高性能數(shù)據(jù)處理能力的控制器，同時能通過擴展的方式增加物理接口，包括以太網(wǎng)、RS-232/RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等現(xiàn)場總線接口以及Modbus、BacNet、IEC104、DL/T645等通信協(xié)議接口[2]。通信網(wǎng)關(guān)也可以通過現(xiàn)場編程和擴展通信卡的方式對一些非標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足特殊場合的集成要求。

在現(xiàn)場實施架構(gòu)上，本系統(tǒng)通過二層以太網(wǎng)架構(gòu)將系統(tǒng)分為上位監(jiān)控層、集中控制層和子系統(tǒng)控制層。通過系統(tǒng)分段可使最底層的各個子系統(tǒng)互不干擾，具備極強的獨立性和可靠性。子系統(tǒng)具有光電隔離的冗余CAN總線配置，一條總線出現(xiàn)故障不會影響整體系統(tǒng)的正常運行。子系統(tǒng)和上層集中控制模塊之間采用第一路以太網(wǎng)連接，集中控制模塊和上位監(jiān)控系統(tǒng)主機之間采用第二路以太網(wǎng)連接。如果有某個子系統(tǒng)內(nèi)部模塊或者CAN總線出現(xiàn)問題，子系統(tǒng)會向集中控制模塊發(fā)送報警，并傳遞給HMI上位機的監(jiān)控軟件。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件開發(fā)內(nèi)容包括為樓宇控制、照明控制和停車引導(dǎo)控制設(shè)計的同一架構(gòu)的CPU模塊，采用冗余技術(shù)和集中控制模塊，具備豐富接口的通信網(wǎng)關(guān)模塊，具有能源計量功能的I/O模塊和普通I/O模塊，超聲波檢測模塊，無線接收模塊及內(nèi)部總線底板等，每個模塊的PCB板全部采用四層板設(shè)計，可以提高EMC和EMI性能，并達(dá)到EMC的3級指標(biāo)[3]。

由于第三方系統(tǒng)設(shè)備具有接口多、數(shù)量不確定和相對獨立的特點，本方案設(shè)計了可擴展接口的通信網(wǎng)關(guān)模塊和嵌入式通信卡，組成一套通信網(wǎng)關(guān)系來實現(xiàn)與大多數(shù)第三方設(shè)備系統(tǒng)的兼容，圖2為通信網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)示意圖。

圖2 通信網(wǎng)關(guān)架構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)的通信網(wǎng)關(guān)模塊支持PCI接口的通信卡，可以通過底板的插槽和通信網(wǎng)關(guān)模塊連接。通過對通信卡進(jìn)行驅(qū)動加載，可以實現(xiàn)擴展以太網(wǎng)、RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等常用通信總線。同時，本通信網(wǎng)關(guān)模塊系統(tǒng)軟件集成了BACnet、Modbus、DL/T645、IEC104等常用通信協(xié)議，實現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容最大化。通信網(wǎng)關(guān)模塊也可以通過軟件的方式實現(xiàn)對總線的自由編程，支持某些非標(biāo)準(zhǔn)的第三方私有協(xié)議。

2.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括CPU控制模塊、集中控制模塊、通信網(wǎng)關(guān)模塊和I/O模塊等的軟件開發(fā)與設(shè)計。

2.2.1 CPU控制模塊軟件設(shè)計

CPU控制模塊軟件設(shè)計支持IEC61131-3 OpenPLC國際標(biāo)準(zhǔn)，提供5種編程語言，包括指令表IL、結(jié)構(gòu)化文本ST、梯形圖LD、順序功能塊圖SFC和功能塊圖FBD/CFC。CPU控制模塊軟件具有在線模擬、在線修改和斷點調(diào)試功能，并通過工業(yè)以太網(wǎng)直接編程與調(diào)試。針對不同子系統(tǒng)的特殊功能，CPU控制模塊在軟件設(shè)計時加入了如下特有的功能[4]：

1）空調(diào)、冷熱源、給排水節(jié)能控制算法

根據(jù)各種節(jié)能模式，對空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)的各項能耗指標(biāo)進(jìn)行檢測，并且按照設(shè)備的緊急程度和能耗進(jìn)行分級，當(dāng)上層系統(tǒng)下發(fā)節(jié)能控制模式命令和能耗定額時，每個系統(tǒng)回路以能源比例進(jìn)行分配，得到節(jié)能控制的預(yù)案。算法同時將當(dāng)前節(jié)能能耗和歷史能耗進(jìn)行對比，得到節(jié)能效果評估值。

2）智能照明節(jié)能控制算法

將CPU模塊下面的控制燈光輸出回路進(jìn)行分級，得到閑置可關(guān)閉、節(jié)能可關(guān)閉、節(jié)能時調(diào)光、緊急常開等回路類型，當(dāng)上層系統(tǒng)下發(fā)節(jié)能控制模式命令和能耗定額時，算法根據(jù)回路類型和回路能耗進(jìn)行判斷，得到節(jié)能控制預(yù)案。本算法也將當(dāng)前節(jié)能能耗和歷史能耗進(jìn)行對比，得到節(jié)能效果評估值。

3）停車引導(dǎo)控制算法

停車引導(dǎo)算法根據(jù)整個停車場的體量進(jìn)行區(qū)域劃分，并且對區(qū)域進(jìn)行分級，同時統(tǒng)計每個區(qū)域的剩余車位和車輛進(jìn)出信息。根據(jù)這些區(qū)域等級、剩余車位和進(jìn)出車輛統(tǒng)計等作為算法條件，實時得到一個最優(yōu)和最舒適的停車區(qū)域和路線，將這些信息通過LED情報板輸出，并告知將進(jìn)入車庫的車主。

2.2.2 通信網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計

為兼容第三方設(shè)備的通信協(xié)議，本網(wǎng)關(guān)模塊軟件整合了各類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，包括樓宇自控的BACnet協(xié)議、工業(yè)流程控制的Modbus協(xié)議、電力控制的IEC61870-5-101/104規(guī)約、能源計量的DL/T645協(xié)議等。這些協(xié)議通過功能庫的方式加載，并根據(jù)現(xiàn)場的要求進(jìn)行配置，能滿足市場上大部分的第三方設(shè)備廠家通信要求。對于一些非標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備接口類型，通信網(wǎng)關(guān)模塊軟件具有RS-485/RS-232、CAN和以太網(wǎng)等現(xiàn)場總線的自由編程庫，便于進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足特殊場合的集成要求[5]。

2.2.3 集中控制模塊軟件設(shè)計

集中控制模塊的軟件設(shè)計也符合IEC61131-3的國際標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)控制器的熱備份冗余功能。兩個控制器通過DB9通信線連接，內(nèi)部數(shù)據(jù)通過100M以太網(wǎng)線實現(xiàn)同步?？刂破魃想姾?，通過表決來認(rèn)定一臺集中控制器為主機，另一臺控制器為備機。主機有權(quán)對上層監(jiān)控平臺通信，同時對下層子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。當(dāng)主機出現(xiàn)運行死機或斷電等問題時，備機能在50 ms內(nèi)頂替運行，保證集中控制的實時性和數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.4 I/O模塊軟件設(shè)計

I/O模塊軟件支持CAN總線和CANopen2.0通信協(xié)議，完成將現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)和控制命令上傳和下發(fā)。根據(jù)I/O模塊帶計量和不帶計量的功能特點，分別創(chuàng)建不同的CANopen對象字典，并合理設(shè)計PDO實時數(shù)據(jù)格式，使得I/O模塊每個通道數(shù)據(jù)都能快速高效地上傳到CPU模塊。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

城市智能建筑的大體量和多系統(tǒng)特點對控制系統(tǒng)的兼容性、可靠性、安全性以及整體監(jiān)測控制軟件平臺的設(shè)計要求很高，目前國內(nèi)大型智能建筑控制系統(tǒng)多采用西門子和霍尼韋爾等國外品牌，每個品牌都有自己的總線和接口。為解決實際應(yīng)用中接口的多樣性、兼容性和維護復(fù)雜等問題，本系統(tǒng)需攻關(guān)和解決以下幾項關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 總線冗余技術(shù)

總線冗余技術(shù)方式如下：

1）本系統(tǒng)的總線冗余采用雙以太網(wǎng)的備份方式。子系統(tǒng)的CPU模塊采用TCP/IP協(xié)議棧的硬件芯片構(gòu)成兩路以太網(wǎng)方式的通信接口，建立子系統(tǒng)CPU模塊與集中控制器、監(jiān)控設(shè)備間的兩路以太網(wǎng)的冗余通信方式，可在其中一條以太網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下保證系統(tǒng)的可靠運行。

2）子系統(tǒng)I/O總線采用雙CAN的冗余總線方式。I/O通信模塊采用高性能的AMR7主控芯片，并帶有雙路CAN總線接口，可在其中一條CAN總線出現(xiàn)故障的情況下保證I/O模塊與CPU模塊之間的正常通信，提高PLC系統(tǒng)工作的可靠性，并采用DC/DC電源隔離和磁耦合技術(shù)，完成CAN總線的電氣隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性[6]。

3）子系統(tǒng)CPU模塊和I/O模塊均采用冗余雙電源電路設(shè)計，可在其中一路電源出現(xiàn)故障的情況下保障系統(tǒng)的正常運行。

4）集中控制模塊CCU采用了雙模塊雙電源的熱備冗余，即兩臺CCU模塊同時運作，通過100M以太網(wǎng)總線進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的同步。CCU在上電后首先進(jìn)行主備表決，結(jié)果是只有一臺CCU是主機中的控制模塊，擁有對子系統(tǒng)CPU和總線的控制權(quán)，另外一臺CCU備用。當(dāng)主CCU斷電或出現(xiàn)其他故障，則切換為備用CCU運行，通過這種熱備冗余可以將總線和CCU的相關(guān)通信協(xié)議都采取冗余技術(shù)處理[7]。

3.2 系統(tǒng)兼容性技術(shù)

本系統(tǒng)的子系統(tǒng)CPU模塊和I/O模塊采用CAN總線和CANopen通信協(xié)議，任何第三方設(shè)備只要支持CANO-pen DS401標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，均可以跟子系統(tǒng)進(jìn)行兼容。

通信網(wǎng)絡(luò)模塊具備RS-232/RS-485和以太網(wǎng)接口，集成Modbus RTU，Modbus TCP，BACnet，IEC104通信協(xié)議，通過擴展通信卡增加CAN，EtherCAT，Profibus，RS-232/RS-485等現(xiàn)場總線。同時，模塊在軟件上支持可編程串口和可編程以太網(wǎng)，兼容各個廠家的私有通信協(xié)議。

3.3 集成系統(tǒng)監(jiān)控軟件技術(shù)

本城市智能建筑綜合管理系統(tǒng)的集成監(jiān)控軟件的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)有：

1）監(jiān)控系統(tǒng)分域技術(shù)

集成監(jiān)控軟件對監(jiān)控信息網(wǎng)進(jìn)行分域管理和數(shù)據(jù)的分流管理。監(jiān)控信息網(wǎng)上的站點在邏輯上可以劃分成多個操作域，每個操作域可以同時監(jiān)控多個控制系統(tǒng)。域內(nèi)的操作站可以通過其他域的數(shù)據(jù)服務(wù)器以O(shè)PC的方式訪問實時數(shù)據(jù)，但只能訪問本域的數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)，在每次操作域中，只能有一對冗余的服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的管理。

2）通透安全的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)

為了降低工業(yè)以太網(wǎng)的通信負(fù)荷，采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信的方式來屏蔽固有的CSMA/CD機制，采用千兆高速以太網(wǎng)技術(shù)來提高通信帶寬；對實時控制數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)區(qū)別對待，按不同的優(yōu)先級通透地在現(xiàn)場和過程信息網(wǎng)間流通，保證了工業(yè)控制的實時性和確定性。

3）大規(guī)模管控一體化技術(shù)

基于Web技術(shù)的服務(wù)器/瀏覽器結(jié)構(gòu)是在集成控制系統(tǒng)中的應(yīng)用模型，可以解決過程檢測與控制實時數(shù)據(jù)和現(xiàn)場儀表的管理數(shù)據(jù)并行傳輸、記錄、動態(tài)顯示等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程目標(biāo)工作站的遠(yuǎn)程軟件配置、軟件安裝、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程文件傳輸、遠(yuǎn)程專家會診指導(dǎo)、軟件維護修復(fù)等，從而完成一體化管理和控制。在建立城市智能建筑各設(shè)備統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，研究該數(shù)據(jù)平臺與現(xiàn)有多種現(xiàn)場總線間的集成通信中間件技術(shù)，通過該中間件的軟硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同廠商不同設(shè)備在數(shù)字平臺基礎(chǔ)上的互聯(lián)互通[8]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)的樓控系統(tǒng)主要是對各層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段、網(wǎng)關(guān)、總線數(shù)量及每條總線的監(jiān)控范圍進(jìn)行設(shè)計。每條總線所能支持的控制器數(shù)量及傳輸距離都是有限的，系統(tǒng)還需要對現(xiàn)場控制器的分布位置、監(jiān)控對象及所采用的控制器型號進(jìn)行設(shè)計。因為本系統(tǒng)需要和冷水機組等大型設(shè)備的專用控制器進(jìn)行通信，整個樓控系統(tǒng)可能包括多家廠商的產(chǎn)品，因此也需要設(shè)置各廠商產(chǎn)品之間的通信接口?，F(xiàn)場控制器監(jiān)控范圍設(shè)計的合理性直接影響到控制器編程的復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)的通信量以及控制器網(wǎng)絡(luò)通信故障時的影響范圍等。確定現(xiàn)場控制器監(jiān)控范圍時，應(yīng)遵循同一組設(shè)備的輸入輸出信號接入同一個現(xiàn)場控制器的原則，這樣不僅能減少網(wǎng)絡(luò)通信流量，降低總線的阻塞情況，并能加快系統(tǒng)的實時響應(yīng)，更重要的是在樓控系統(tǒng)的通信裝置發(fā)生故障時，現(xiàn)場控制器的獨立工作能力仍能保證所監(jiān)控設(shè)備的正常運行。

現(xiàn)場控制器把建筑設(shè)備的各種狀態(tài)信號采集到樓控系統(tǒng)后，根據(jù)預(yù)定的管理和控制目標(biāo)，向建筑設(shè)備發(fā)出控制命令來調(diào)整建筑設(shè)備的運行狀態(tài)。現(xiàn)場控制器需要采集和控制各種設(shè)備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)，采集和控制工作可以通過檢測器或執(zhí)行器完成標(biāo)準(zhǔn)輸人輸出電量信號與現(xiàn)場設(shè)備非標(biāo)準(zhǔn)電氣或非電量監(jiān)控信號之間的轉(zhuǎn)換，從而直接實現(xiàn)監(jiān)控功能。現(xiàn)場控制器也可以通過通信接口與其他專用控制器相連和進(jìn)行通信，然后由專用控制器完成對這些運行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)控功能。

5 結(jié)語

城市智能建筑不同于城市中心密集的一般建筑群體，它將是未來城市的建設(shè)主流，也是建筑群體向城市空間巨型化、城市功能集約化和城市價值復(fù)合化轉(zhuǎn)化的一種人文與科技高度融合的產(chǎn)物，并具備典型的城市街區(qū)的特征。針對已有智能建筑中存在不同階段的子系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜和難以統(tǒng)一的問題，本系統(tǒng)提出的城市智能建筑綜合管理系統(tǒng)設(shè)計方案采用基于嵌入式硬件系統(tǒng)的通信網(wǎng)關(guān)模塊、冗余的集中控制模塊以及通用的CPU控制模塊，開發(fā)了節(jié)能算法、停車引導(dǎo)控制算法和集成監(jiān)控管理軟件，系統(tǒng)冗余技術(shù)可靠，兼容性強，可以大大提升城市智能建筑的智能化和節(jié)能管理水平。

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