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发信人: leonado (城市这边馋得流口水了), 信区: Control
标  题: 建筑物自动化的现场总线与网络技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月22日09:24:47 星期二), 转信

 建筑物自动化的现场总线与网络技术
回首页  现场总线 杨守权
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引言
    建筑物自动化近年来向着开放系统的迅速发展，引人注目。在实时控制领域方面，
实现可互相操作的现场总线LonWorks网络技术的通讯协议LonTalk，被美国标准ANSI/AS
HRAE135-1995（建筑物自动化控制网络）BACnet所采纳，为建筑物自动化中的传感器、
执行器和控制器之间的网络化操作奠立了基础。有着可互相操作性能的产品制造标准Lo
nMark Functional Files,在LonMark协会努力下，不断推出。有着LonMark 标志的建筑
物自动化产品纷纷面世。
    在管理信息域方面，美国BACnet（建筑物自动化控制网络）和德国FND（工厂中性数
据传输规则），为不同厂商生产的建筑物自动化系统集成为整体系统提出了方法，规定
了通讯协议。此外，随着网络技术的发展，越来越多的建筑物业主要求建筑物自动化系
统与高一级的企业管理信息系统 Management Information Sytem(MIS)加强联系，以提
高管理效率。所以，在工作站这一级别上，建筑物自动化系统越来越重视系统集成方法
，网络开发环境，数据库运作，网络管理等，以期不断采用最新网络技术来满足用户要
求。
    因此，无论在实时控制域，还是在管理信息域，建筑物自动化都面临开放系统这一
新技术。本文将简单介绍建筑物自动化开放系统技术发展的概况，并讨论建筑物自动化
与建筑物智能化的关系。
建筑物自动化系统范畴
    1993年，中国开始实施国家行业标准JGJ/T16-92（民用建筑电气设计规范），第26
章（建筑物自动化系统（BAS））规定BAS宜区分为两个子系统：
    1． 设备运行与管理子系统，包括：共热通风及空气调节（HVAC）系统；给水排水
系统，变配电与自备电源等电力供应系统；照明系统；其它一切需要纳入系统实现集中
监控的对象系统。凡已设置的独立系统，如电梯、广播、电缆电视等系统，宜根据需要
将工作状态监视及紧急状态下越级控制权赋予BAS的监控中心。
    2． 防火与保安子系统，包括：火灾报警与消防控制系统；人员出入监控系统；保
安巡更系统；防盗报警系统；其它一切需要保安监控的系统（如抗震、防冻等）。中国
标准把电梯、广播、电缆电视等系统视为独立系统，未纳入建筑物自动化系统中。美国
暖通空调工程师协会ASHRAE编制的美国标准ANSI/ASHRAE 135（建筑物自动化控制网络B
ACnet），这个Building Automation and Control Networks,规定了计算机程序之间传
送的格式和含义，用ISO的OSI 基本参考模型“分层”网络体系概念，详细规定了应用层
、网络层、数据链路层及物理层等第４层技术规范，它以控制器为基础，定义了各种输
入输出，报警与事件服务，文件访问，目标访问，控制器管理，虚拟终端，命令优先，
数据通讯编码单位，与多种建筑物自动化系统的连接以及网络安全性等。这是一份颇有
影响的建筑物自动化网络数据通讯协议，其１９９５年版本专用于暖通空调设备控制，
但在该版“序言”中，强调指出BACnet，也企图为建筑物照明系统、保安系统和火灾报
警系统的集成提供技术基础，这些系统可以不加修改地使用BACnet为暖通空调控制所规
定的各项数据和定义，实现把这些系统与暖通空调系统集成在一起。为此，于１９９６
年６月，ASHRAE又成立新的委员会，致力于把防火保安系统纳入BACnet的工作，１９９
７年版本，已把保安系统纳入BACnet中。　
    综上所述,从中国和美国两个标准来看,可知建筑物自动化系统包括暖通空调,水,电
设备控制和防火保安系统,两国标准是一致的.另外,美国标准的编写方式,主体是暖通空
调等设备控制,防火保安系统则与它集成在一起,共同构成建筑物自动化控制网络.
建筑物自动化的开放系统
    开放系统是指建筑物自动化系统所有部件均以公认的工业标准技术制造,系统符合公
认的工业标准结构.从而,开放系统各个部件能够用不同厂商的产品组合,实现互相操作.
开放系统对制造商和用户都是一次巨大的技术革命.它有两个特点,一是系统的确技术规
范是所有厂家共同遵守的,或者说,规范是中性的,中立的,与制造无关.另一个特点是同样
功能的部件,虽然由不同厂商生产,但可以互相替换.开放系统意味着自动化系统从不同制
造厂生产的各自孤立的系统,经过用网关Gateway互相连接,进而使用的通讯协议实现可互
相操作,直至完全可以互相代替.这种系统对用户有极大的好处,系统有更多的供应商可供
选择,减少对某个厂家的依赖,尤其在建筑物全楼龄使用中,降低了维修和管理费用,系统
重新配置和技术升级换代,变得更容易.
    可以把建筑物自动化开放系统分成为两部分考虑.一个是低速部分,实时控制域,主要
涉及传感器,执行器和控制所构成的时环境.另一部分是高速部份,工作站级及上位机组成
的管理信息域,主要涉及大量数据传送和蔼高级的确网络环境,如报警处理,命令优先安排
以及动态数据交换、开放数据连接等.
    从另一个角度讲,开放系统意味着建筑物自动化从集散系统DCS走向现场总线控制系
统FCS.
建筑物自动化实时控制域与LonWorks
    中国标准JGJ/T16-92对建筑物自动化实时控制域规定选用集散型系统,优先考虑采用
共享总线形的网络拓扑结构,集散系统由中央站、分站及数据通信信道组成,中央站与分
站必须共同连接在总线上,中央站与分站、分站与分站之间应实现直接数据通信.中国标
准只描述到分布式控制器(分站),没有考虑网络化传感器和执行器的全面应用,也就是说
,中国标准规定建筑物自动化限于集散系统DCS,没有涉及正在迅速发展的现场总线控制系
统FCS.
    1995年12月美国标准化学会批准的BACnet,则考虑了DCS和FCS.该标准第4章,明确规
定LonTalK与其它4种通讯方式并列为物理层数据链路层的基本结构,这使LonWorks现场总
线技术在建筑物自动化中的应用前景变得明朗.
    BACnet专辟有第11章<数据链路、物理层:LonTalk LAN>,详述了LonTalk网络介质访
问控制层通讯协议数据单元如何与LonTalk BACnet网络的网络层数据链路层数据单元相
对应.
    美国Echelon公司开发的LonWorks技术,始于1990年,提供了点对点双向通信的单层分
布式控制网络,单层一级构造,与中国标准JGJ/T16-92的建筑物自动化系统网络结构是相
同的,不过,中国标准没有考虑传感器执行器级的网络化应用.单层分布式网络结构,是控
制网络发展的主流方向.LonWorks网络中的节点,主要有传感器,执行器,控制器以及PC监
视器.中国标准中的单层网络,则只有控制器(分站)和PC监视器(中央站)两类节点,是用在
建筑物自动化领域.
    它追求网络的全面控制,从以二进制bit为单位的开关量传感器、执行器等简单设备
的逻辑冬控制,到中间档次的以8位字节byte为单位的模拟量传感器、执行器等一般设备
的过程控制,直至高端的以程序块block为单位的仪表、控制器LonWorks等复杂设备的高
级过程控制,都包含在技术中.这种涵盖三级水平全方位的单层分布式一级网络,包容了传
感器总线、设备总线和现场总线三层意义,因此,实用性更强.尤其在建筑物自动化领域,
是理想的实时控制网络,因而是众望所归的选择.
    LonWorks技术的核心是网络芯片3150或3120（商品名称是Neuron）以及通讯协议Lo
nTalk。芯片是由流水线作业的三个CPU组成，完全相同的三个8bitCPU各有分工，CPU-1
负责通讯媒体访问控制（物理层、数据链路层），CPU-2负责网络（网络层、传输层、会
话层、表示层），CPU-3负责与用户进程相接口的应用层。在网络芯片中装有固化软件L
onTalk通讯协议。
    LonWorks技术留给用户在应用时有较大的自由度,不同LonWorks的厂商虽然都按照L
onWorks技术制造产品,但还作不到可以互相操作.为了解决这个问题,180家重要厂商组成
了称为LonMark可互操作协会,编制一系列LonMark标准.这些厂商通过全面定义LonWorks
的实施方法,使每个技术细节都有标准化文件的严密规定.凡是产品按照这样的标准生产
,就实现了可互相操作.这样的产品就饰以LonMark标记.
    LonMark协会分有暖通空调组,家用设备组,照明组,工业组,本质安全组,网络管理组
,石油组,冷冻技术组,出入控制组.每个组都在制定一系列LonMark标准,称为功能概述Fu
nctinal Profile,详细地描述了应用层接口,包括网络变量,组态特点,缺省值以及网络节
点加电状态等,把产品功能加以标准化.某个产品可以按一个或多个Functional FilE组合
来设计制造.这些标准是很详尽的,而且还在不断补充.1996年3月,第一次公布的暖通空调
组编制的标准,包括有温度检测,相对湿度检测,二氧化碳检测,风门执行器,屋顶单元控制
,变风量控制.其后,又陆续编制恒温控制器,冷冻机,单元通风器,墙挂式检测器,阀门执行
器,报警及报警管理,数据记录及趋势分析等.
    根据这些LonMark标准,美国Honeywell公司继1995年应用LonWorks技术(当时还没有
LonMark标准)生产了50,000台变风量箱控制器以后,近期向市场投放了能够可互相操作的
暖通空调控制产品,例如按照LonMark标准No.8010VAV控制器Versin1.0生产的W7751变风
量箱控制器;按照LonMark标准No.8020 FCU控制器Version2.0生产的W7752风机盘管控制
器;以及其它多种具有LonMark标记的产品,其中也有直接连入网络的温度传感器T7780,数
显墙挂式智能检测器.这个系列产品应用现场总线技术,实现了不同厂商产品之间的可互
操作,把建筑物自动化实时控制域的开放成了现实.
    总之,实时控制域主要面对的社技术过程,Technical Process,是控制网络,信息量较
小,传送速度不要求很高,涉及传感器执行器和控制器,LonMark标准则是开放系统实现的
关键,保证了产品的可互相操作乃至可互相替代.
建筑物自动化管理信息域与BACnet和FND
    管理信息域面对的是组织过程,Orgaizational Process,解决各种管理需要,如设备
管理,装备计划,危险应对,信息处理等,是数据网络,信息量大,传送速度要求高,涉及工作
站及上位机数据库,网络通讯及网络管理.
    中国标准JGJ/T16-92指出“集散型系统的信号传输需作为BA系统的重要子系统- -数
据通信子系统加以规划，采用符合国际标准化组织（ISO）所提出的OSI基本参考模型的
分层网络体系结构和协议”，这是对管理信息域- -中央站与上位管理开发计算机联网的
数据通讯的原则要求，没有能进一步给出详细的规定。因为中国标准主要解决实时控制
，没有涉及不同系统之间的集成。
    信息管理的第一件工作是把目前存在的各种厂商的不同建筑物自动化系统，由于不
具备LonMark的标记，当它们在同一幢建筑物中，使其集成为一个整体系统，这样才能提
高管理效率并与MIS（管理信息系统）更好地沟通。
    券帙浩繁的BACnet所提出的数据通讯协议，是企图解决不同厂家的自动化系统如何
集成在一起的问题，专辟有第23章〈延伸BACnet以使适应厂商专用信息〉，用以处理现
存的各类不同建筑物自动化系统。各厂家可按BACnet标准去开发与BACnet兼容的控制器
或接口，达到不同厂家的控制器可在这一标准协议下相互交换数据的目的。厂家可以定
义专用的派生值供BACnet使用，厂家可以申请BACnet的私人传送服务Private Transfer
 Services,厂家可在标准的BACnet数据结构上增加专用的特征，厂家也可以定义新的专
用数据结构、等等，都是为了不同系统之间的集成。所以，BACnet很通宜在工作站级的
管理信息域应用。BACnet有比LonMark更为量大的数据通讯，运作高级复杂的大信息量，
表明BACnet有更强大的过程处理、组织处理能力，能适应与多个不同制造厂的BACnet设
备接口。可以认为，BACnet是致力于使用BACnet网管Gateway把多种建筑物自动化系统在
管理信息域集成为一个整体系统的通讯标准。
    实时控制的LonMark标准和信息管理的BACnet标准，尽管目标不尽一致，但在应用时
，却有交叉的地方。BACnet是以控制器为基础，致力于把不同的“自动化孤岛”联成为
一个整体的工作，用于设计低成本的智能式传感器或智能执行器比较困难，但确实包含
了LonMark标准中一些应用，所以，两套标准还是有重叠的地方。
    因为编写BACnet标准中许多成员，也是编写LonMark标准的成员，所以他们正在把两
者标准重叠部分想办法理顺和统一起来。如果顺利的话，处理传感器执行器控制器的Lo
nMark标准和处理工作站的BACnet标准就会更加配合的好。
    在欧洲，为了解决不同厂商自动化系统的集成,由德国政府倡导的<工厂中性数据传
输规则>Factory Neutral Data transmission(FND),已在建筑物自动化中应用.FND为建
筑物自动化建立一个集成环境,不同厂商,共同遵守这个标准,就可以互相联系,协同运作
.它是以一个主体系统为核心进行身体集成.集成后的系统,在主系统的工作站上,有其它
系统点的信息显示,可完成所有系统点的命令操作,显示并确认全系统的报警信息.为此,
主系统增加以FND为基础的兼容接口设备,配置相应软件,就可完成FND式的系统集成.
    除了FND外,在欧洲,也考虑热和在建筑物自动化中应用德国的Profibus.不过,由于各
个制造商的分站级(控制器)产品结构存在巨大的差异,产生一个统一的技术规范是很困难
的,至少,是一个耗费时日的长期工作.
在解决了建筑物自动化系统集成以后,通过工作站,除了可以监控所有集成在一起的建筑
物自动化系统外,还需要通过工作站建立与上位管理计算机或管理信息系统的联系.
    为了作好与上位计算机的联系,建筑物自动化系统的工作站应该配置各种主流网络操
作系统,如UNIX,Windows NT;工作站应能够成标准的局域网- -以太网,使用TCP/IP网络通
讯协议等等,也就是说,建筑物自动化系统管理信息域应该具备良好的国际标准局域网体
系.
    以Honeynell 公司的Excel 5000建筑物自动化系统为例,通过网络服务器,可以实现
与上位机的动态数据交换,上位机可以访问建筑物自动化系统的实时数据库,读写各种数
据及文件,网络应用程序接口可在UNIX,Windows NT,Open VMS, HPUX等环境下运行,开放
数据库连接技术ODBC,Open Database Connectivity,已可在ACCESS,Oracle,Microsoft 
SQL等数据库中实现.
    总之,在建筑物自动化系统中，BACnet与LonMark两项标准互为补充,实现了实时控制
域和管理信息域的网络化运作.点对点双向通信,测控合一,相关数据库与实时数据库,产
品可互相操作,这些开放系统的特点已植入自动化之中.
建筑物自动化与建筑物智能化
     智能建筑通常可译成:Intelligent building,Smart Building,Integrated Build
ing.如果认为,智能建筑是把建筑物内所有设备,包括自动化系统、通讯网络和办公自动
化系统,全部集成为一个完整的协同工作的系统,有些不切实际.只考虑用一个无所不包的
智能通讯网络把所有或大部份设备集成起来,而不考虑这些设备千差万别,功能迥异,是否
必须互相通讯等因素,是不现实的.
    美国BACnet编者们提出了一种看法,有一定的参考价值.他们认为,智能建筑就是有集
成化的建筑物自动化系统的建筑.这个提法意味着建筑物自动化系统使得建筑物智能化.

    原文是这样:BACnet将会促进各种各样控制产品组合在一起,用以创造智能建筑.智能
建筑利用数字技术进行环境控制和安全防范,把火灾报警、消防控制系统和暖通空调控制
系统集成在一起,把保安出入控制系统和暖通空调控制系统集成在一起,建筑物控制系统
与公用事业之间的通讯连系也得到加强.(杨守权 供稿)
参考文献
1.JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范 中国计划出版社
2.ANSI/ASHRAE Standard 135-1995 ASHRAE


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看不到你,
看了一路风景又如何?

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