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EIB总线原理与实例分析

现有现场总线及其在智能建筑应用上的局限性

      现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的协议,是新一代智能仪表的通信标准。根据国际电工委员会(IEC)的标准和现场总线基金会(FF)的定义:“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展趋势,它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点,受到了全世界的普遍关注。  

      在20世纪80年代中期,德国、法国等欧洲国家的一些大公司相继推出自己的现场总线产品,同时也制定了自己相应的标准。自20世纪90年代以后,全世界发展起来的现场总线已达数十种。通过实际应用的优胜劣汰后,目前有几种现场总线技术已逐渐具有影响力并在一些特定的应用领域显示了自己的优势,比较有代表性的包括了FF,Lonworks,CAN,Profibus,WorldFIP,HART等等。现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化,并且使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性,使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。

      与工业自动化领域的应用比较,智能建筑领域对实时控制的时效性,精确性及通讯效率等方面要求较低,而且建筑领域的现场控制有其固有的要求,要求易于操作,同时还要有高度的经济性,灵活性与安全性。同时,普通的智能家居与一栋超高层写字楼的控制目标和功能要求又不尽一样。因此迫切需要在建筑领域有专门的现场总线技术标准。EIB进入中国市场以前,Lonworks总线在智能建筑领域得到了广泛的应用。Lonworks通过Lonmark工作任务组,完成了行业规范,覆盖了在建筑自动化中的暖通空调,照明,安保,电梯,网络工具等模式的定义与互操作规范,通过Lonmark认证的Lonworks产品,保证了开放互操作性。但Lonworks由于其协议是针对工业现场所制订,网络协议的应用层、用户层缺乏对家庭楼宇自动化的统一描述,容易产生各种彼此不兼容的控制总线(如现场总线、设备总线等)和子系统,形成各种控制网络“孤岛”。各个子系统之间通过网关与总线连接,增加安装费用的同时不能彻底解决网关的“瓶颈”问题,有其先天的局限性。

EIB系统介绍

      1990年5月8日,由110多个欧洲电气制造商联合成立了European Installation Bus Association, 总部设于比利时的布鲁塞尔,并制订了欧洲安装总线规范European Installation Bus。EIBA会员占据了欧洲楼宇、家庭自动化设备销售额的80%。自EIB于1992年第一次出现在德国汉诺威交易会以来,一场翻天覆地的电气安装革命已经悄悄地开始了。据统计,在德国的商业功能建筑和大型超市中,大约30%的楼宇都不同程度地安装了EIB系统,而在计划建造的楼宇中,这一比例则达到了60%。EIB系统在欧洲被称为European Installation Bus,即欧洲安装总线。在亚洲则是指Electrical Installation Bus,即电器安装总线。鉴于其优秀表现,该协议已被美国消费电子制造商协会(CEMA)吸收作为家庭网络EIA-776标准。经过十多年的发展,EIB不仅成为事实上的欧洲规范,并在2000年在IEC国际现场总线标准大会上提名为国际标准之一。

      EIB最大的特点是通过单一多芯电缆替代了传统分离的控制电缆和电力电缆,并确保各开关可以互传控制指令,因此总线电缆可以以线型、树型或星型铺设,方便扩容与改装。元件的智能化使其可以通过编程来改变功能,既可独立完成诸如开关、控制、监视等工作,也可根据要求进行不同的组合。与传统安装方式比较,EIB不增加元件数量而实现了功能倍增,从而具有了高度的灵活性。它的开放性更使得不同公司基于EIB协议开发的电气设备可以完全兼容,并为后续公司进入EIB市场提供可能。

      EIB系统既是一个面向使用者、体现个性的系统又是一个面向管理者的系统,使用者可根据个人的喜好任意修改系统的功能,达到自己所需要的效果,并可通过操作探测器(如按钮开关等)来控制系统的动作;另一方面, EIB系统还提供基于Windows的软件平台,管理者(如小区物业中心、大楼管理中心、车库管理处等)将安装此套软件的计算机连接至EIB系统即可对EIB系统进行控制并进行管理,从而达到集中管理的功能。

EIB协议与原理分析

      EIB是一种标准的总线控制系统,控制方式为对等控制方式,不同于传统的主从控制方式,总线采用四芯屏蔽双绞线,其中两芯为总线使用,另外两芯备用。所有元件均采用24VDC工作电压,24VDC供电与电信号复用总线。

      EIB的元器件均为模块化元件,主要分为驱动器和探测器两类,驱动器为标准模数化的元件,采用标准DIN导轨的安装方式,探测器采用标准86盒齐平安装方式。驱动器和探测器可分散安装在建筑物的不同区域,然后使用总线将所有的元件连接起来。每个元件内均有内置的微处理器与存储器,故这些元器件可分别独立工作,任何一个元件的损坏都不会影响系统其他部分的独立工作,因此具有高度的安全性。

      EIB通讯协议遵循OSI(开放式系统互联参考模型)模型,提供了OSI模型所定义的全部七层服务。由于开关信号的随机性,EIB采用了CSMA/CD(具有冲突检测的载波监听多路访问),通过这种总线访问技术,使得在多个总线元件同时发送信号时不会发生信号丢失并且EIB有自己的优先权定义以保证信号按照一定的次序传送。 EIB系统的基本结构是支线(Line),一条支线可以接64个元件,通过线路耦合器(Line Coupler)最多可以15条支线连接为一个区域(Area),而通过干线耦合器(Backbone Line Coupler)可以将15个区域连接成一个最大的系统。因此EIB系统最大可以容纳高达14400的元件,而可控制的用电设备点数更是惊人。[3]事实上,如果某一条线路需要连接更多的元件的话,还可以通过连接线路中继器(Line Repeater)的方式再多连接192个总线元件。根据EIB标准,一条总线的最大长度为1000米。

      EIB协议引入了两种类型的地址:物理地址和组地址。在EIB系统中对于每一个总线元件都分配了唯一的物理地址。它包括了域,线和元件三部分。在三个部分之间用一个点来分开:例如:0.3.53 或者15.15.62。组地址通过电信号用于多个接受元件之间的通信,这些接受元件构成了一个组。组地址是一个用功能连接的地址,并且不同的级用一个斜线分隔开来。在ETS 1(EIB工具软件)中,它一般分成了两级,主群组和子群组。在ETS 2中,组地址可以分成两级或者三级,主群组,中间组和子群组,例如:14/6/206。最大的组地址为15/2047或者15/7/255。为了更加清楚的描述一个系统,组地址通常分成三级。这种地址结构使得区别不同的结构区域,比如大楼的不同部分,不同楼层,区别不同的功能区域,比如中央控制,照明,窗帘,供暖,监控或者特殊功能等等变得可能。主地址0是系统保留的。

EIB功能与实例分析

EIB可以实现的功能如下:

  1. 场景控制 Scene control
    依个人偏好可设定不同的灯光模式,之后便可按照设定的灯光场景进行切换。从提供小孩看电视所需要的明亮区域,到主人饭后品尝咖啡所需的柔和角落,只要轻触按钮或遥控器即可达成。

  2. 日光控制Daylight control
    许多办公大楼即使在天气晴朗的日子,仍然把电灯全部打开。现在,EIB依照所接收到阳光的多寡而调整办公室内的电灯亮度高低。当室外很亮时,这个灯光控制系统就会将是室内的灯转暗;而最靠近窗户的灯光将会是最微弱的,以便整个房间的亮度都一致。

  3. 定时开关Timed switching
    商业大楼的楼梯间和公共走道的电灯,通常在非上班时间仍然是开着的,这种不必要的能源浪费是可以避免的。电灯可以在预先设定的时间(段),譬如在下班时间,自动变暗或关闭。

  4. 移动探测器Motion detector
    当访客搭电梯到达时,电灯才会被启动;并且在没有任何动静时,灯光会自动转暗。这个探测器也可针对可疑行动或非法之侵入行为产生警戒措施方案。当探测到有物体移动时,它会发出警报,并且显示入侵者的位置。并可通报安全部门,或传送警告信息到屋主的移动电话。

  5. 感烟探测器 Smoke detector
    当火灾一发生时,感烟探测器立刻启动火警警报器并通知安全部门,且屋主也可以由行动电话接到通知。除此之外,系统也可以关闭瓦斯炉,以防止可能的爆炸;并且打开必要的警示,以对应快速疏散的需要。

  6. 水位探测器 Water sensor
    你可以一回到家,浴缸内就已有热水等着你,只要经由移动电话送出指令,就可打开水龙头开始放热水;当水位上升到探测器的位置,水龙头就会关掉

  7. 紧急按钮 Panic button
    对于病人、老人和残障者,只要将任一按钮设定为紧急按钮,这样,当需要协助,就能即时得到协助。

  8. 集中监控 Central monitoring
    从一个地方即可控制与监视所有在家里或办公室的电器设备。你可以设定室外的电灯,在日落时打开,日出时关闭;或是让花园的喷灌设备每隔一天洒水一小时。为了能完全掌控,你可以在卧室、客厅或靠近前门的地方放置一个迷你的液晶显示板(LCD),让你一眼就可以知道高达14项关于你的公寓状况的报告。

    下面以一家商业公司的照明控制来进行EIB的实例分析。商业建筑的照明主要是根据日光强度来控制。在工作时间以外,自动装置应当能够手动切除。通过实施智能化的灯光管理系统,可以减少运营费用。

    阳光通过单面倾斜的屋顶进入建筑,并且均匀入射,对大厅照明而言,并不需要使用一整套灯光系统。使用一个经矫正过的照度探测器(只考虑可见光)对自然阳光进行测量。根据测得的矫正后的照度值,看它是否低于或者高于预设定的阈值,然后把所有的灯分成三组,照度控制开关根据需要进行开关操作。三个开关组由三个驱动器分别操作。当建筑不使用时,通过在主控制室中的开关能够切除这种控制,主控制室也在维修时可以对所有的照明器进行中心控制。

    大厅的入射光线被平均的分散了,如果没有,那在进行照明分组时就应当考虑到这种特殊情况。照明器必须根据三个驱动器来分组,从而一个照明组被关掉了,灯光分配依然能保持足够均匀。当照明组开关时,灯具本身必须与它们的自身特性相适应,比如它是电子荧光灯管,还是附带具有热启动特性电子起辉器的感应荧光灯管,总之,必须确保开关过程不会减少灯泡的寿命。

    通过一个外部亮度感应器,照明控制开关测量日光的使用比例。亮度感应器被安装在大厅之中对入射日光进行测量。这种布置确保了即便是窗户上的任何灰尘都被纳入考虑并且控制不受大厅中的反射光影响。当照度低于或者高于预设定的阈值时,照明控制开关将产生开关电信号,分别控制已分配的开关驱动器的开/关。

    照明驱动器可以进行表面和齐平安装,或者DIN轨道安装。照明驱动器安装在DIN轨道上,并且在配电盘上分散排列,并且作为照明带的电源。照明控制开关同样也可以安装DIN轨道上。

    使用的组地址: 
    0/1/1 自动灯光控制开/关
    0/1/2 维修功能,自动关,照明中央控制开/自动开
    0/1/3 自动释放开/关(PIR 信号)
    1/1/1 通过灯光控制照明组 1 ON/OFF
    1/1/2 通过灯光控制照明组 2 ON/OFF
    1/1/3 通过灯光控制照明组 3 ON/OFF
前景展望

      现在中国市场上,ABB公司推出了ABB i-bus EIB系统。由于EIB系统的开放性特点,现在国内厂家也在探询将互联网通讯技术和信息处理技术对EIB进行扩展,以实现互联网远程监控,短信和电话监控等功能。在信息家电时代,EIB系统更可实现家用电器与电气设备的整合,具有广阔的空间和发展潜力。
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