基于DeviceNet的小区监控解决方案

    一.引言

    智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。将4C技术（即Computer计算机技术、Control控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）综合应用于建筑物之中，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使建筑物的设备智能化，结合现代化的服务与管理方式，给人们提供一个安全、 舒适的生活、学习与工作环境空间，是智能建筑追求的目标。

    电梯、供水、供电、防盗、防火、家庭水煤电用量监测等设施是小区智能化的重要组成部分。采用计算机监控管理系统，对商务或居住小区分散的设备进行监控和管理，是提高小区设备运行可靠性的有效途径。DeviceNet（设备网）是低成本、高可靠性、基于连接的数据网络，具有强大的通信功能，提供在多种应用之间交换信息的路径，可以在网络中的设备之间传送I/O数据。

    本文讨论了采用DeviceNet主单元和PLC共同实现电梯控制，完成与上位机通信和信号传输（简称方案1）和小区建筑设施的控制与检测都采用DeviceNet现场总线的解决方案（简称方案2）。这两种系统结构和目前通用的小区监控方案相比，不仅可以节省远程控制器的I/O接点和大量电缆，而且，便于软件设计和硬件的备用。文中讨论了通过远程通信的冗余方式解决电梯运行可靠性和安全性的问题。

    二.小区监控管理系统现状

    目前，小区建筑群的电梯和供水系统主要是用传统的集中式可编程控制器。与其配套的小区计算机监控管理系统大多是采用分布式监控的方案，例如，利用LonWorks、 ProfiBus、DeviceNet等现场总线技术，采集小区建筑群的电梯和供水系统、供电系统以及防盗、防火、家庭水煤电用量等信号。也就是说，小区建筑设施的控制与检测是基于两套相互完全独立的系统。虽然这种方案不影响小区建筑设施的控制和检测，但是，显然它需要重复的I/O接点和接线，缺乏统一的规划。电梯是小区智能建筑的重要组成部分，电梯的运行正常与否，直接影响到小区居民的日常生活。在小区建设中，为了确保居民生活的安全、高效、舒适便利，一般都采用双梯或多梯运行。同时，在线监测电梯设备的运行状况，对突发情况做出实时处理。这种控制和监测都利用PLC的方案，使得PLC在小区监控系统中扮演了重要的角色。它的特点是系统运行安全可靠，系统各个检测信号直接输入PLC，便于PLC及时做出判断和处理。但是，在这种情况下，系统的连线很多，占用较多的I/O点，安装成本高，施工不便，工程量大，容易出错，而且一旦出现故障，也难以排除。同时，PLC还要和上位机通信，进行信息交换，以使监控系统获得控制系统的运行信息，这样对CPU的要求较高。而且，在同一个控制系统中，需要采用同一个厂商的相关产品，缺少多供货商同类产品之间的兼容性和互换性。基于上述的问题，本文首先讨论采用DeviceNet主单元和PLC共同实现电梯控制，完成和上位机的通信和信号传输。

    三、DeviceNet单元和PLC的通信

    DeviceNet是一种低成本的通讯总线链接，具有开放现场网络标准，规范和协议都是开放的。DeviceNet将控制和数据融合在一起，信息具有数据标识区，网络利用标识区进行优先级仲裁，可以高效传送I/O数据。DeviceNet有两种不同类型的消息：I/O消息和显式消息（Explicit Message）。显式消息用于两个设备间点对点消息传递，是典型的请求/响应方式，常用于设备主参数、节点的配置、故障诊断数据等。显式消息可以在不同公司的设备间进行通信，I/O消息适用于实时性要求较高和面向控制的数据。远程I/O通信功能使得在从单元和安装主单元的CPU之间能自动地传送I/O数据，对于需要位数据又需要信息数据交换的应用，非常适合采用DeviceNet网络。其典型的应用如图1所示： 

    主DeviceNet单元作为特殊I/O单元，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的主单元C200HW-DRM21-V1间的通信，只需利用PLC本身具有的丰富的数据传送指令，即可对数据进行读写，而不需编写特别的程序。本文以C200HW-DRM21-V1主单元与传感器终端模块DRT1-ND16S间的通信为例说明。 

    在组网时，首先通过主单元上的旋转开关设置主单元的单元号（即MACHINE NO.）,通过DIP开关设置节点号（即NODE NO.），以及通信的波特率。波特率不同的单元间不能通信，否则系统会出错，并给出提示。主单元的单元号可以设置为十六进制的0～F。主单元和从单元的节点可以设置为0～63。主单元的DIP开关除了设置波特率外，还需设置通信出错时通信是否停止。各单元设置好以后，在PLC的内存区中有对应的字（见表1和2）来实现对它的控制，不需要编程，在系统上电后各个单元会自动地被写入扫描表，从而完成网络连接。比如，设置主单元的单元号为1，则其对应的软件开关和状态区分配的字为IR110～IR119和DM6034～6035。如果把主单元C200HW-DRM21-V1的节点号设置为8，则在CPU单元的I/O存储区中为从单元分配字地址：输出区为IR58，输入区为IR358。不同的节点，对应于不同的字地址。这样，CPU对各个单元的读写操作就是读写存储区，可以直接利用PLC本身的指令系统。C200HG系列PLC的每个主单元可以有多个从单元，能控制相当多的现场设备，可以方便地在PLC和从单元之间的远程I/O进行通信，也可以在OMRON PLC之间、OMRON PLC和从单元及其兼容产品之间进行通信。在小区的监控中，水煤电等仪表的信号也可以接入DeviceNet网络，实现远程的数据读取和工况监测。相应地，要求它们具有DeviceNet接口。 

    四.DeviceNet在电梯控制上的应用

    采用DeviceNet控制电梯的优点很多。首先，网络接线简单，仅五根线，包括两根电源线，两根信号线和一根屏蔽线。而且电源分接头可加在网络的任何一点，可以实现多电源的冗余供电。网络可有T型、菊花链型等多种拓扑结构，网络上的设备可以直接由总线供电，并通过同一根电缆进行相互通信。主干电缆的最大距离为500米，分支电缆的最大长度为6米， 可以实现相距较远的设备互连。它可以将工业设备（比如：限位开关、变频驱动器、操作员接口等）连接到网络，节省大量的设备连线，减少敷线的开销，比传统的I/O布线经济，可大大降低硬接线成本。DeviceNet使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，其直接互连性简化了设备间的通讯，并提供了非常重要的设备级诊断功能，可以通过主单元的指示灯和数码管对常见的设备故障给出提示，线路的故障和通信电源的故障，也可以由主单元自动的进行检测，并且会给出提示或报警，从而可以判断故障，进行及时处理。通过传统的I/O硬接线是难以实现这种功能的。在电梯运行的井道内，可以把各层的轿厢选层信号，厅外召唤信号、停层位置信号、消防按钮等信号，通过DeviceNet从单元的I/O口连接到PLC的主单元，这样，可以节省多条从楼层到PLC机房的硬接线;PLC和小区监控中心的通信，只需通过一根通讯电缆，采用总线方式来实现。接线的减少，大大降低的安装施工的难度和成本。

    其次，它提供了多个复杂设备间的互连性及不同供货商的同类部件间的可互换性：来自不同的厂家设备，只要按照DeviceNet的标准，即可进行互换，使用户不必局限于同一个供货商的产品，给用户带来了更多的灵活性，同时减少了配线和安装自动化设备的成本和时间。一般系统用到的I/O单元有限，所以采用DeviceNet单元，有很大的扩展空间，新增加的单元只需和网络电缆连接，通过系统的重新上电即可加入网络，对程序稍做扩展就可实现控制。同时，DeviceNet支持设备的热插拔，可在线修改网络配置， DeviceNet作为开放的设备网络标准，将全面地提高效率，用户只需做一些选择设置即可实现控制。通信时它传输0～8个字节的短帧信息，提高了数据传输的抗干扰性能。

    在小区监控系统中，电梯的监控部分信号量虽然很多，但是，由于电梯的各个控制信号有一定的规律性，不同楼层的信号之间有时间差，采用DeviceNet能够满足实时性要求。在必要时，可以根据电梯运行的要求，选择具有较高速度的PLC和DeviceNet单元，以满足控制需要。当然，采用DeviceNet也存在不足。 DeviceNet不是把检测信号直接送到PLC的I/O口，而是转换为串行总线信号来传输。这样就可能出现关键信号的丢失，由于电梯控制安全可靠性要求高，需要系统对各个信号实时反应，特别是系统的监测信号（即反馈信号）有更为严格的要求。PLC有一定的扫描循环周期，例如，对梯速为2m/s的电梯来说，如果循环周期为250ms，这样将有0.5m距离可能是失控的，即某层厅外召唤信号若要令电梯顺向停车，则这个召唤信号必须在预置减速距离前0.5m处发出并自保持。否则，会造成运行不可靠。

    另外，限位信号，在电梯的运行中是至关重要的，如果丢失，导致电梯冲顶或撞地，这可能造成极具破坏性的严重后果。对这类关键信号，需要设置两个检测点，以产生冗余信号，确保检测信号的产生。在程序实现时，可利用“或”指令OR对两个检测点的检测信号进行或处理，只要一个有效，即可产生控制信号。对于模拟量可以做类似的处理，从而提高电梯运行的安全可靠性。对于更复杂的情况，在程序中还要做具体的考虑。

    五.结论

    在现场总线这个领域，OMRON和Rockwell等二百多家厂商支持的DeviceNet，已于2002年10月8日被国家标准化管理委员会批准为首个国家标准。虽然DeviceNet在小区监控方面的应用尚不成熟，但是这是一个有益的尝试。

    通信技术的成本近几年已经明显降低，将简单设备直接连接到网络上的成本变得更经济。DeviceNet在允许多个复杂设备互连的同时，具有同类设备的兼容性。除了读取设备的开关状态外，DeviceNet还可以读取或者输出模拟信息，它的广泛应用可以大大降低系统的复杂性和成本。随着DeviceNet技术的日益成熟和推广，有可能完全采用DeviceNet来实现小区监控（即上述方案2）。鉴于DeviceNet的特点，它的应用会更加普遍，将具有广阔的应用前景。