（CS20 德国倍福自动化有限公司）

1.概述

随着智能家居的迅猛发展，越来越多的家居开始引进智能化系统和设备。智能化系统涵盖的内容也从单纯的方式向多种方式相结合的方向发展。但较之于欧美发达国家，我国的智能家居系统起步稍晚，所以目前市场主流的产品还无法很好地解决产品本身与市场需求的矛盾，使得智能家居市场的坚冰还没有被完全打破，所以很大程度上阻碍了智能家居产业的发展。在此情形之下，从产品的技术角度上看什么才是解决这个难题的方法？据市场调研显示，只有智能家居交互平台才是最好的手段之一。而Beckhoff则为智能家居的交互提供了一个友好型平台。

智能家居交互平台是一个具有交互能力平台，通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息、内容、控制在不同的子系统中进行交互、交换。它具有如下特点：

1）每个子系统都可以脱离交互平台独立运行

智能家居交互平台中，各个子系统在脱离交互平台时都能够独立运行，如果楼寓对讲、家庭报警、各种电器控制、门禁、家庭娱乐等。个子系统在交互平台管理下运行，平台能采集各子系统的运行数据，系统的联动。

2）不同品牌的产品、不同的控制传输协议能通过这个平台进行交互

由于有了交互平台，不同子系统在交户平台的统一管理下，可以协同工作和运行数据额交换、共享，给用户最大限度的选择权，充分体现智能家居的个性化。同时，它还具有网关的功能，通过交互平台，能与广域网连接，实现远程控制、远程管理。具有多种主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同时可以扩充添加国内外流行的控制接口，如EIB、lonwork、M-bus、Canbus、EnOcean，以及无线网络如WiFi、GPRS、蓝牙等。根据客户及市场的变化不断增加各种总线、系统的驱动软件和硬件接口，丰富多样的通信、控制接口，为子系统的多样选择提供的基础保障，智能家居有最大限度的包容性，使用户有了更大的选择余地。

3）智能终端（触摸屏）仅作为各子系统的显示、操作界面

整个系统在平台的控制、管理下运行，智能终端（触摸屏）仅作为各子系统的显示、操作界面，多智能终端配置容易可行。同时，可以记录各子系统的运行数据、为系统运行优化、自学习提供依据。交互平台，平台可以记录存储各系统的运行数据，对系统的运行可以提供有效的历史数据，同时可以根据历史的运行数据，总结出主人的使用习惯和某种规律，让系统能够自学习。

4）控制软件可编程（DIY），提供信息服务

此系统方便用户改变控制逻辑、控制方式、操作界面，用户的控制逻辑、操作界面可以自定义、可以DIY。在现代的智能家居系统中，信息服务是非常重要的不可或缺的部分，有了信息服务，它给智能家居更多的“智慧”、给人们的生活提供更多的信息和资讯、给智能家居赋予更生动的生命，它是智能家居更高的境界。信息服务内容包括：健康、烹饪、交通信息、生活常识、婴幼儿哺育、儿童教育、日常购物、社区信息、家居控制专家等，智能家居已不仅仅是面向控制的系统而是信息服务与控制有机结合的系统。

5）多种控制手段

在日常家居生活中，为了使人们对家庭的控制系统能随时掌控、需要的信息随时获取，操作终端的形式非常重要，多种形式的智能操作终端是必不可少如：智能遥控器、移动触摸屏、计算机、手机、PDA等。

基于以上几点，不少工程商或用户提出了智能家居的概念，通过楼宇内的网络能够集中监控每个房间内设备的状态，并能实时的对设备进行控制。这些需要有高性能的控制器、相应的仪表测量设备和快速的现场总线。德国倍福自动化有限公司基于PC的控制技术，具有良好的开放性和灵活性，倍福系列产品包括工业PC、I/O、现场总线组件和TwinCAT自动化软件，高性能的PC和功能齐全的端子模块可为广大楼宇客户提供全面、优质的智能家居监控解决方案。

2.智能办公楼监控系统的实时网络

该方案是基于倍福系列产品的办公能源管理系统的网络方案（见图1）。

该方案是基于倍福的工业PC、EnOcean总线端子模块、DALI总线端子模块、电力测量端子模块、带以太网接口的TCP/IP控制器和实时的EtherCAT技术。倍福工业PC上运行专用的建筑管理平台，具有强大的房间各项参数的监控功能。该平台提供与单元房间控制接口，集中实时监控房间空调、照明、电力数据等。保证机房与各楼层主控制器相互协调运行，实现高效的智能家居运行和管理。无线无源的EnOcean通信技术以及数字调光技术DA-LI大大增强了智能家居的绿色性及舒适性。专用的电力测量端子模块监控房间用电状况（电压、频率、有功功率、无功功率等）。

智能办公能源管理系统实时网络方案分为以下两部分。

1）房间设备集中管理及电力监控（见图2）

该方案采用了倍福嵌入式工业PCCX1010控制器作为单个楼层的主控制器，主控制程序基于TwinCAT软件，运用倍福自主开发完善、高效、成熟的楼宇专用功能库，集成先进的控制算法，很好的协调控制照明和子系统的运行。根据当前的光照度及温湿度，控制照明的光源、百叶帘的角度、幕墙及空调等，这样一来，在确保自然光源的利用和节能的同时，大大提高了人的舒适性。

图1 办公能源管理系统实时网络

图2 楼层主控设备监控

控制器自带的以太网接口可连接到交换机，可以通过ADS、OPC、ModbusTCP等通信协议与机房内的SCADA系统进行数据交换。操作人员可通过SCADA软件，实时对整个楼宇的实时控制。

KL3403模块可直接监测单个房间内的电压、电流、频率、有功功率、无功功率，以及21次以内的谐波等。主控系统通过采集的电力数据监测每个房间电力使用状况、相关的数据可通过楼宇网络传送到机房中控室的能量管理平台和SCADA系统，以便做相关的统计及记录。

2）本地房间设备控制（见图3）

图3 单元内设备监控

随着房间控制器BC9191-0100的推出，Beckhoff进一步将其针对楼宇自动化的紧凑型设备向更大型的应用程序拓展，并通过总线系统简化与其他单元的通信。控制器集成了一个房间自动化所需的PLC和传感器/执行器接口。因此，BC9191-0100可被用作一个独立控制器或现场控制器。此外，控制器还集成了一个RS485接口，以便进行串行通信，如ModbusR-TU、EnOcean等，可用于连接房间控制单元、气象站或电子门或电动开门器。并且它还支持模块的扩展，如在房间中需要用到的DALI通信协议网关，KL2761调光模块等，这些可根据用户的需求进行扩展，大大增强了结构的灵活性及实用性。

3.通信架构

1）办公能源管理系统实时网络为树型连接方式，使用以太网通过TCP/IP总线和相应的耦合器BC9191把每个房间组成树型网络。建筑中的每个楼层的主控制器CX1010可通过以太网交换机接入建筑网络，最后连入机房进行统一管理。

2）EtherCAT采用开放的实时以太网通信协议，是一种高速以太网现场总线，由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，分布于100个节点的1000个开关量刷新时间仅为30μs，同时它还明显降低了现场总线成本。EtherCAT的特点还包括分布式时钟，可选线缆冗余和功能性安全协议（SIL3）。采用XFC（极速控制）技术后，利用时间戳可获得小于100ns的时间分辨率。

4.技术亮点

1）EnOcean技术：EnOcean技术已经在欧洲得到了广泛的认可。相对于传统面板而言，EnOcean最大的优势就是在于其无线无源的特点，并且其具有抗干扰能力强的特点，传输距离在室内可达30m。这样一来，不但可以大大简化布线的复杂性及成本，也迎合了绿色家居的需求。

2）DALI调光技术：DALI是一种数字地址调光技术，可以实现对荧光灯的无极调光。相对于传统的0～10V调光技术而言，DALI调光技术是通过一条总线实现对每一盏灯调光控制，并且可以预设场景及分组，这样的话就用户可以根据自己的喜好来设置的场景灯光亮度，在提高用户舒适度的同时，也起到了节能的作用。

3）IPAD技术：IPAD、IPhone已经渐渐的成为人们生活的一部分。与时俱进的智能家居也将其作为一种控制手段，只要IPAD连接到房间的无线网络及可实现对照明、幕墙、电视等设备的控制。

5.关键设备(www.daowen.com)

1）CX1010

CX10x0系列是符合标准DIN导轨安装方式、无源冷却型、宽温型的嵌入式控制器，CX10x0采用Pentium®MMX低功耗处理器，CPU主频可达500MHz。带有一个独立的百兆以太网端口，可以通过DVI接口与倍福控制面板或标准DVI显示器相连。根据需要，也可添加两个串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或从站功能的现场总线接口。位于盖板后面并可从外部拆装的可互换的CF卡作为引导和存储介质。

2）BC9191-0100

BC9191-0100是Beckhoff将其针对楼宇自动化的设备向更大型的应用程序拓展，并通过总线系统简化与其他单元的通信。控制器集成了一个房间自动化所需的PLC和传感器/执行器接口。因此，BC9191-0100可被用作一个独立控制器或现场控制器。此外，控制器还集成了一个RS485接口，以便进行串行通信，如ModbusRTU、EnOcean等，可用于连接房间控制单元、气象站或电子门或电动开门器。并且它还支持模块的扩展，如在房间中需要用到的EnOcean，DALI通信协议网关等，这些可根据用户的需求进行扩展，大大增强了结构的灵活性及实用性。

3）KL6021-0023+KL6023

专为楼宇自动化设计的总线端子模块，KL6023无线适配器采用EnOcean技术，可接收无线无源供电传感器信号。这些信号通过无线适配器转换为RS485信号，直接可由KL6021-0023系列总线端子模块做进一步处理。适用于30m以上的无线电信号传输，可大大简化楼宇布线。

无线适配器的状态灯可协助技术人员调试。LED指示所接受的所有报文是否有错误。接收器和总线端子模块之间的距离最长可达300m，因此接收器可放置在楼宇中的任何位置，以便于接收无线信号。系统对每个接收单元可以带25～100个发射器。

4）KL6811

通过KL6811可以连接最多64个DALI/DSI从站。采用KS2000软件，可以通过PC进行简单的配置，PC可通过RS232接口或现场总线与耦合器直接连接。集成的电源模块可提供电气隔离的DC 24V输出电压。无需为DALI从站提供其他元器件。KL6811也是独立于现场总线的。

5）KL2761

调光器总线端子模块KL2761是专为直接连接不同的照明设备而设计的。能对诸如白炽灯、电感镇流器和电子镇流器灯典型照明设备并以合适的方式进行侦测与控制。照明系统所需的灯光强度可以通过过程数据进行调节。KL2761计算出正确的相位角值，然后进行调光。KL2761输出端具有短路保护和过载保护功能，KL2761能与所有现场总线连接，其负载状态也是可读的。

6）KL2722

KL2722输出端子模块采用电源开关控制AC 12～230V的主电压。开关元件是双向晶闸管元件，连接到电源触点电位，作为一种半导体开关，具有经久耐用的优点。数字量输出的稳定负载容量最大可达1A。KL2722有2个互锁输出，很适合连接需要反转的电动机。

7）KL3403

KL3403总线端子模块可以测量电网中所有相关的电器数据。电压可以通过直接连接L1、L2、L3和N线进行测量。三相电流（L1、L2和L3）通过点单的电流互感器馈入。所有测量后所得的电流和电压数据以均方根值形式提供。通过KL3403还可以计算每相的有功功率和能量消耗。通过和电压U、电流I和有功功率P等有效值的运算关系，还可获得所有其他相关的数据，如视在功率S、功率因数cosφ等。KL3403提供了完整的电网分析和能源管理功能，可应用到各种现场总线系统中。

6.倍福楼宇功能库为楼宇主控开发带来极大的便利

集合倍福多年楼宇主控系统应用的经验，为高效成熟的楼宇功能库。倍福楼宇功能库以模块化的形式组成，且源代码完全开放，帮助技术人员深入理解智能家居的控制。使用这些功能库能够显著缩短主控制程序的开发时间，也可对现有程序的主控制架构、控制代码和逻辑进行优化。其主要软件模块如下：

1）Library TcBABasic（楼宇基本功能库）；

2）Library TcDALIV2（DALI总线通信功能库）；

3）Library TcEnOcean（EnOcean总线通信功能库）；

4）Library COMLibV2（串口通信功能库）；

5）Library Scene（楼宇场景切换功能库）；

6）TCPServer.exe（IPAD与控制器通信工具）。

7.倍福TwinCAT3软件

倍福公司早在1986年就创立了基于PC控制技术的自动化全球标准，在软件方面，以TwinCAT（TheWindowsControlandAutomationTechnology）自动化组件作为控制系统的核心软件，TwinCAT软件将任意一个基于PC的系统变成一个多PLC、NC、CNC或机器人的实时控制系统。TwinCAT3是倍福在TwinCAT2软件基础上更深入的系统性研究开发的成果，以下列举了TwinCAT3的一些特点，图4为TwinCAT3系统界面图。

1）编程和配置只需要一个软件；

2）集成Visual Studio；

3）选择编程语言更加灵活；

4）支持面向对象的IEC61131-3；

5）使用C/C++作为实时应用编程工具；

6）支持Matlab/Simulink；

7）支持多核和64位系统；

8）可将TwinCAT2的方案直接移植到TwinCAT3。

图4 TwinCAT3系统界面图