一.引言
智能建筑是信息時代的必然產(chǎn)物，建筑物智能化程度隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而逐步提高。將4C技術(shù)(即Computer計算機(jī)技術(shù)、Control控制技術(shù)、Communication通信技術(shù)、CRT圖形顯示技術(shù))綜合應(yīng)用于建筑物之中，在建筑物內(nèi)建立一個計算機(jī)綜合網(wǎng)絡(luò)，使建筑物的設(shè)備智能化，結(jié)合現(xiàn)代化的服務(wù)與管理方式，給人們提供一個安全、 舒適的生活、學(xué)習(xí)與工作環(huán)境空間，是智能建筑追求的目標(biāo)。
電梯、供水、供電、防盜、防火、家庭水煤電用量監(jiān)測等設(shè)施是小區(qū)智能化的重要組成部分。采用計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，對商務(wù)或居住小區(qū)分散的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，是提高小區(qū)設(shè)備運(yùn)行可靠性的有效途徑。DeviceNet(設(shè)備網(wǎng))是低成本、高可靠性、基于連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，具有強(qiáng)大的通信功能，提供在多種應(yīng)用之間交換信息的路徑，可以在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間傳送I/O數(shù)據(jù)。
本文討論了采用DeviceNet主單元和PLC共同實現(xiàn)電梯控制，完成與上位機(jī)通信和信號傳輸(簡稱方案1)和小區(qū)建筑設(shè)施的控制與檢測都采用DeviceNet現(xiàn)場總線的解決方案(簡稱方案2)。這兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和目前通用的小區(qū)監(jiān)控方案相比，不僅可以節(jié)省遠(yuǎn)程控制器的I/O接點(diǎn)和大量電纜，而且，便于軟件設(shè)計和硬件的備用。文中討論了通過遠(yuǎn)程通信的冗余方式解決電梯運(yùn)行可靠性和安全性的問題。
二.小區(qū)監(jiān)控管理系統(tǒng)現(xiàn)狀
目前，小區(qū)建筑群的電梯和供水系統(tǒng)主要是用傳統(tǒng)的集中式可編程控制器。與其配套的小區(qū)計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)大多是采用分布式監(jiān)控的方案，例如，利用LonWorks、 ProfiBus、DeviceNet等現(xiàn)場總線技術(shù)，采集小區(qū)建筑群的電梯和供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及防盜、防火、家庭水煤電用量等信號。也就是說，小區(qū)建筑設(shè)施的控制與檢測是基于兩套相互完全獨(dú)立的系統(tǒng)。雖然這種方案不影響小區(qū)建筑設(shè)施的控制和檢測，但是，顯然它需要重復(fù)的I/O 接點(diǎn)和接線，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃。電梯是小區(qū)智能建筑的重要組成部分，電梯的運(yùn)行正常與否，直接影響到小區(qū)居民的日常生活。在小區(qū)建設(shè)中，為了確保居民生活的安全、高效、舒適便利，一般都采用雙梯或多梯運(yùn)行。同時，在線監(jiān)測電梯設(shè)備的運(yùn)行狀況，對突發(fā)情況做出實時處理。這種控制和監(jiān)測都利用PLC的方案，使得 PLC在小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中扮演了重要的角色。它的特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，系統(tǒng)各個檢測信號直接輸入PLC，便于PLC及時做出判斷和處理。但是，在這種情況下，系統(tǒng)的連線很多，占用較多的I/O點(diǎn)，安裝成本高，施工不便，工程量大，容易出錯，而且一旦出現(xiàn)故障，也難以排除。同時，PLC還要和上位機(jī)通信，進(jìn)行信息交換，以使監(jiān)控系統(tǒng)獲得控制系統(tǒng)的運(yùn)行信息，這樣對CPU的要求較高。而且，在同一個控制系統(tǒng)中，需要采用同一個廠商的相關(guān)產(chǎn)品，缺少多供貨商同類產(chǎn)品之間的兼容性和互換性。基于上述的問題，本文首先討論采用DeviceNet主單元和PLC共同實現(xiàn)電梯控制，完成和上位機(jī)的通信和信號傳輸。
三、DeviceNet單元和PLC的通信
DeviceNet是一種低成本的通訊總線鏈接，具有開放現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和協(xié)議都是開放的。DeviceNet將控制和數(shù)據(jù)融合在一起，信息具有數(shù)據(jù)標(biāo)識區(qū)，網(wǎng)絡(luò)利用標(biāo)識區(qū)進(jìn)行優(yōu)先級仲裁，可以高效傳送I/O數(shù)據(jù)。DeviceNet有兩種不同類型的消息：I/O消息和顯式消息(Explicit Message)。顯式消息用于兩個設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)消息傳遞，是典型的請求/響應(yīng)方式，常用于設(shè)備主參數(shù)、節(jié)點(diǎn)的配置、故障診斷數(shù)據(jù)等。顯式消息可以在不同公司的設(shè)備間進(jìn)行通信，I/O消息適用于實時性要求較高和面向控制的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程I/O通信功能使得在從單元和安裝主單元的CPU之間能自動地傳送I/O數(shù)據(jù)，對于需要位數(shù)據(jù)又需要信息數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用，非常適合采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。其典型的應(yīng)用如圖1所示：
圖1 DeviceNet典型應(yīng)用圖示
主DeviceNet單元作為特殊I/O單元，和CPU的通信非常方便，比如，OMRON公司的C200HG和CJ系列的CPU和 OMRON公司的DeviceNet的主單元C200HW-DRM21-V1間的通信，只需利用PLC本身具有的豐富的數(shù)據(jù)傳送指令，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，而不需編寫特別的程序。本文以C200HW-DRM21-V1主單元與傳感器終端模塊DRT1-ND16S間的通信為例說明。
在組網(wǎng)時，首先通過主單元上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)設(shè)置主單元的單元號(即MACHINE NO.),通過DIP開關(guān)設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(即NODE NO.)，以及通信的波特率。波特率不同的單元間不能通信，否則系統(tǒng)會出錯，并給出提示。主單元的單元號可以設(shè)置為十六進(jìn)制的0～F。主單元和從單元的節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置為 0～63。主單元的DIP開關(guān)除了設(shè)置波特率外，還需設(shè)置通信出錯時通信是否停止。各單元設(shè)置好以后，在PLC的內(nèi)存區(qū)中有對應(yīng)的字(見表1和2)來實現(xiàn)對它的控制，不需要編程，在系統(tǒng)上電后各個單元會自動地被寫入掃描表，從而完成網(wǎng)絡(luò)連接。比如，設(shè)置主單元的單元號為1，則其對應(yīng)的軟件開關(guān)和狀態(tài)區(qū)分配的字為IR110～I(xiàn)R119和DM6034～6035。如果把主單元C200HW-DRM21-V1的節(jié)點(diǎn)號設(shè)置為8，則在CPU單元的I/O存儲區(qū)中為從單元分配字地址：輸出區(qū)為IR58，輸入?yún)^(qū)為IR358。不同的節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)于不同的字地址。這樣，CPU對各個單元的讀寫操作就是讀寫存儲區(qū)，可以直接利用PLC本身的指令系統(tǒng)。C200HG系列PLC的每個主單元可以有多個從單元，能控制相當(dāng)多的現(xiàn)場設(shè)備，可以方便地在PLC和從單元之間的遠(yuǎn)程 I/O進(jìn)行通信，也可以在OMRON PLC之間、OMRON PLC和從單元及其兼容產(chǎn)品之間進(jìn)行通信。在小區(qū)的監(jiān)控中，水煤電等儀表的信號也可以接入 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)讀取和工況監(jiān)測。相應(yīng)地，要求它們具有DeviceNet接口。
表1 從單元節(jié)點(diǎn)號和字地址的對應(yīng)關(guān)系
表2 主單元的軟件開關(guān)字、狀態(tài)區(qū)和單元號的對應(yīng)關(guān)系
四.DeviceNet在電梯控制上的應(yīng)用
采用DeviceNet控制電梯的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，網(wǎng)絡(luò)接線簡單，僅五根線，包括兩根電源線，兩根信號線和一根屏蔽線。而且電源分接頭可加在網(wǎng)絡(luò)的任何一點(diǎn)，可以實現(xiàn)多電源的冗余供電。網(wǎng)絡(luò)可有T型、菊花鏈型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以直接由總線供電，并通過同一根電纜進(jìn)行相互通信。主干電纜的最大距離為500米，分支電纜的最大長度為6米， 可以實現(xiàn)相距較遠(yuǎn)的設(shè)備互連。它可以將工業(yè)設(shè)備(比如：限位開關(guān)、變頻驅(qū)動器、操作員接口等)連接到網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省大量的設(shè)備連線，減少敷線的開銷，比傳統(tǒng)的I/O布線經(jīng)濟(jì)，可大大降低硬接線成本。DeviceNet使設(shè)備之間以一根電纜互相連接和通訊，其直接互連性簡化了設(shè)備間的通訊，并提供了非常重要的設(shè)備級診斷功能，可以通過主單元的指示燈和數(shù)碼管對常見的設(shè)備故障給出提示，線路的故障和通信電源的故障，也可以由主單元自動的進(jìn)行檢測，并且會給出提示或報警，從而可以判斷故障，進(jìn)行及時處理。通過傳統(tǒng)的I/O硬接線是難以實現(xiàn)這種功能的。在電梯運(yùn)行的井道內(nèi)，可以把各層的轎廂選層信號，廳外召喚信號、停層位置信號、消防按鈕等信號，通過DeviceNet從單元的I/O口連接到PLC的主單元，這樣，可以節(jié)省多條從樓層到PLC機(jī)房的硬接線;PLC和小區(qū)監(jiān)控中心的通信，只需通過一根通訊電纜，采用總線方式來實現(xiàn)。接線的減少，大大降低的安裝施工的難度和成本。
其次，它提供了多個復(fù)雜設(shè)備間的互連性及不同供貨商的同類部件間的可互換性：來自不同的廠家設(shè)備，只要按照DeviceNet的標(biāo)準(zhǔn)，即可進(jìn)行互換，使用戶不必局限于同一個供貨商的產(chǎn)品，給用戶帶來了更多的靈活性，同時減少了配線和安裝自動化設(shè)備的成本和時間。一般系統(tǒng)用到的I/O單元有限，所以采用DeviceNet單元，有很大的擴(kuò)展空間，新增加的單元只需和網(wǎng)絡(luò)電纜連接，通過系統(tǒng)的重新上電即可加入網(wǎng)絡(luò)，對程序稍做擴(kuò)展就可實現(xiàn)控制。同時，DeviceNet支持設(shè)備的熱插拔，可在線修改網(wǎng)絡(luò)配置， DeviceNet作為開放的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，將全面地提高效率，用戶只需做一些選擇設(shè)置即可實現(xiàn)控制。通信時它傳輸0～8個字節(jié)的短幀信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。
在小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中，電梯的監(jiān)控部分信號量雖然很多，但是，由于電梯的各個控制信號有一定的規(guī)律性，不同樓層的信號之間有時間差，采用 DeviceNet能夠滿足實時性要求。在必要時，可以根據(jù)電梯運(yùn)行的要求，選擇具有較高速度的PLC和DeviceNet單元，以滿足控制需要。當(dāng)然，采用DeviceNet也存在不足。 DeviceNet不是把檢測信號直接送到PLC的I/O口，而是轉(zhuǎn)換為串行總線信號來傳輸。這樣就可能出現(xiàn)關(guān)鍵信號的丟失，由于電梯控制安全可靠性要求高，需要系統(tǒng)對各個信號實時反應(yīng)，特別是系統(tǒng)的監(jiān)測信號(即反饋信號)有更為嚴(yán)格的要求。PLC有一定的掃描循環(huán)周期，例如，對梯速為2m/s的電梯來說，如果循環(huán)周期為250ms，這樣將有0.5m距離可能是失控的，即某層廳外召喚信號若要令電梯順向停車，則這個召喚信號必須在預(yù)置減速距離前0.5m處發(fā)出并自保持。否則，會造成運(yùn)行不可靠。
另外，限位信號，在電梯的運(yùn)行中是至關(guān)重要的，如果丟失，導(dǎo)致電梯沖頂或撞地，這可能造成極具破壞性的嚴(yán)重后果。對這類關(guān)鍵信號，需要設(shè)置兩個檢測點(diǎn)，以產(chǎn)生冗余信號，確保檢測信號的產(chǎn)生。在程序?qū)崿F(xiàn)時，可利用“或”指令OR對兩個檢測點(diǎn)的檢測信號進(jìn)行或處理，只要一個有效，即可產(chǎn)生控制信號。對于模擬量可以做類似的處理，從而提高電梯運(yùn)行的安全可靠性。對于更復(fù)雜的情況，在程序中還要做具體的考慮。
五.結(jié)論
在現(xiàn)場總線這個領(lǐng)域，OMRON和Rockwell等二百多家廠商支持的DeviceNet，已于2002年10月8日被國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)為首個國家標(biāo)準(zhǔn)。雖然DeviceNet在小區(qū)監(jiān)控方面的應(yīng)用尚不成熟，但是這是一個有益的嘗試。
通信技術(shù)的成本近幾年已經(jīng)明顯降低，將簡單設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)上的成本變得更經(jīng)濟(jì)。DeviceNet在允許多個復(fù)雜設(shè)備互連的同時，具有同類設(shè)備的兼容性。除了讀取設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)外，DeviceNet還可以讀取或者輸出模擬信息，它的廣泛應(yīng)用可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。隨著 DeviceNet技術(shù)的日益成熟和推廣，有可能完全采用DeviceNet來實現(xiàn)小區(qū)監(jiān)控(即上述方案2)。鑒于DeviceNet的特點(diǎn)，它的應(yīng)用會更加普遍，將具有廣闊的應(yīng)用前景。
