楼宇智能化技术网络技术现状及发展趋势

收稿日期：2007-11-20作者简介：徐晓东（1980-），男，浙江兰溪人，硕士，助理工程师。楼宇智能化技术网络技术现状及发展趋势徐晓东（浙江广厦建设技术学院信息控制工程学院，浙江东阳322100）摘要：介绍楼宇自动化系统的概念，分析集散系统DCS、现场总线技术FCS、工业以太网等计算机网络技术在楼宇自动化系统中的应用、研究现状及优缺点。讨论几种现场总线在楼宇自动化系统中的应用现状，分析存在的问题。展望楼宇自控系统及其网络应用的研究方向和发展趋势，家居自动化有可能成为楼宇自动化系统集成的一个子系统，节能研究、新能源开发利用、无线网络等技术在智能楼宇领域的应用也将成为楼宇自动化系统的重要研究方向。关键词：楼宇自动化系统集散控制现场总线以太网OnNetwork’sStatusQuoandDevelopmentTendencyofBuildingIntelligenceTechnologyXuXiaodong(InformationandControlEngineeringSchool,GuangshaCollegeofAppliedConstructionTechnology,Dongyang322100,Zhejiang,)Abstract:Thispaperpresentstheconceptofbuildingautomationsystem,andanalyzestheapplicationandresearchstatesofDCS,FCSandEthernetnetworkinbuildingautomationsystem,aswellastheadvantagesanddisadvantages.ItdiscussesthecurrentapplicationsofsomekindofFCSinBAS,analyzestheexistentproblemsandgivesexpectationoftheresearchandapplicationtrendofthebuildingautomationsystemandnetworkapplication.DomesticautomationsystemwillbeasubsystemofBAS,whiletheapplicationoftechnologiessuchastheresearchofenergyconservation,thedevelopmentandusageofnewenergy,wirelessnetworkinthefieldofintelligentbuildingsystemintegrationwillbecomeanimportantresearchdirectionofBAS.Keywords:buildingautomationsystem;distributedcontrol;scenebus;Ethernetnetwork随着经济的发展，人们对生活环境的安全、高效、舒适提出了要求，应运而生的楼宇智能化技术目前在我国各类建筑中得到了广泛应用，它是集建筑技术、计算机技术、自动化技术、通信技术以及系统集成技术为一体的一个新兴但发展又十分迅猛的技术领域。网络技术发展更是突飞猛进，计算机网络技术已广泛应用于工业、商业、金融、科研、教育、农业及日常生活等方面，已经在影响并逐步改变人们的工作生活方式。1楼宇智能化技术概况智能建筑在国际上又称为3A建筑，它包括以下几个部分：BAS(BuildingAutomationSystem)为楼宇自动化系统、CAS(CommunicationAutomationSystem)为通信自动化系统、OAS(OficeAutomationSystem)为办公自动化系统，通过SCS(StructuredcablingSystem)结构化综合布线系统把上述三个系统有机结合起来。中国国家标准《智能建筑设计标准》(GB/T50314-2000)中智能建筑(IB)的定义是：它是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通讯网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，给人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。楼宇自动化系统是智能建筑中最基本2和最重要的组成部分，它利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。2楼宇智能化技术中网络技术的应用及研究智能建筑系统是将大楼内的若干个既相对独立又相互关联的系统组成具有一定规模的大系统。这其中计算机通信网络是智能建筑系统的神经系统，它把现有的分离设备、功能、信息组合到一个相互关联的、统一的、协调的系统之中，实现语音、数据、图像的综合传输、交换、处理和应用。楼宇自动化系统(BAS)是智能大厦的各智能化系统中发展历史最长的子系统，也是最核心的子系统。网络技术在楼宇智能化技术中的应用主要就体现在这一子系统中，因此，下面主要围绕楼宇自动化这一子系统展开探讨。2.1集散型控制系统（DCS）在楼宇自动化系统中的应用集散型计算机控制系统(DCCS)又名分布式计算机控制系统，简称集散型控制系统(DCS)。集散型控制系统的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。采用三级结构模式，即控制（工程师站）、操作（操作站）、现场仪表（仪表站）。DCS是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术相互发展和渗透而产生的。在楼宇自动化系统中，典型的产品有西门子公司的S600APOGEE楼宇自控系统，它是由中央工作站、各种DDC控制器及各类传感器、执行机构组成，能够完成多种控制及管理功能。传统的DCS系统存在的问题有：（1）其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表(比如变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态；（2）由于各厂家产品自成一体，系统相对封闭，产品互换性能差，系统扩展难。2.2现场总线技术在楼宇自动化系统中的应用及研究现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。现场总线控制系统技术上具有的特点是：（1）系统开放性，即通信协议公开，各厂家的设备之间可互联为系统并实现信息交换。（2）可互操作性与可互用性，不同厂家类似产品可实现互换。（3）现场设备的智能化与功能自治性，即现场设备本身就能完成自动控制的基本功能，并随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构高度分散，根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散系统框架，提高了可靠性和对现场环境的适应性。为克服DCS系统的不足，楼宇自动化系统引入了现场总线技术，目前，常用在楼宇自动化系统中常用的现场总线有LonWorks现场总线、EIB现场总线等。针对楼宇自动化系统的特点推出的楼宇自动控制网络通信协议BACent的应用也十分流行。2．2．1LonWorks现场总线LonWorks现场总线是目前楼宇自动化系统中应用较多的现场总线技术。它是美国Wchelom公司于1991年推出的EON(LocalOperrationgNetworks)技术，又称Lonworks技术。LonTalk网络协议和神经元芯片是LonWorks的核心技术。目前，多种楼宇自动化控制系统都支持LonWorks技术，如霍尼伟尔公司的EBI系统、西门子公司的APOGEE系统、江森公司的METASYS系统等。LonWorks技术的缺点是其所需要神经元芯片的工作温度范围较窄、操作复杂、价格昂贵。2．2．2EIB现场总线EIB是欧洲安装总线(EuropeanInstallationBus)的缩写。它在1990年被提出，经过十多年的发展，成为欧洲最有影响的建筑智能化现场总线标准，在欧洲得到了进300家厂商的支持。它主要通过电力电缆3传输信号，避免了重复布线带来的诸多麻烦，如ABBi-busEIB系统。在国内智能楼宇中EIB技术也得到广泛应用。2．2．3其他现场总线CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络，主要用于过程检测及控制[4]。80年代初由德国BOSCH公司提出的一种串行通信协议。现已成为国际标准，在工业过程中得到了广泛应用。在楼宇自动化化系统中也得到应用，如S2000楼宇自控系统。CAN总线的特点是：开发费用低，技术相对其他现场总线简单，但总线上挂的接点过少，满足不了楼宇系统的要求。Profibus现场总线，它是唯一全集成过程和工厂自动化的现场总线解决方案，是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准，在智能楼宇中也得到了应用，其存在的问题是与高层的广域网络的连接比较复杂，因而应用受到限制。2．2．4楼宇自动控制网络通信协议BACent由于各国及各大公司为维护自身利益，长期以来现场总线标准没有得到统一。楼宇自动化控制系统也同样面临类似的境况，楼宇自动化系统较为庞大，它包括供配电子系统、照明子系统、空调与冷热源子系统、给排水子系统、电梯自控子系统以及安防子系统、消防子系统等，各子系统甚至可以再细分。而各个厂家则根据自身优势针对某个或某几个子系统推出了自己的产品。因此，在实际工程应用中，楼宇自动化系统工程实际上是一项系统集成的工作，各子系统一般都选用不同厂家的产品，这就存在不同的现场总线协议在整个系统中相互兼容的问题。这样一个背景下，楼宇自动控制网络通信协议BACent应运而生。智能建筑控制网络协议发展至今，BACnet标准以其先进的技术、完善的体系结构和开放的理念正式成为建筑智能化系统领域中的唯一ISO标准（ISO16484-5）。严格地说，BACnet并不是现场总线，而是一种网络协议，即通信规则，它为不同商家产品的系统之间进行信息交流提供平台和支持。参照OSI标准模型，BACnet包含了应用层、网络层、几种数据链路层和物理层共四层协议。BACnet采用五种网络技术(Ethernet,Arcnet,MS/TP,PTP,LonTalK)进行通信。选择多种网络技术的优点是可根据不同系统的要求采用不同的通信速率和通信量的网络技术。其中，PTP(POINTTOPOINT)是BACnet独有的，由BACnet制定的通信协议，它提供了通过Modem和电话线的联网通信,采用现代Modem协议，也支持EIA-RS232标准直接用电缆连接。MS/TP也是BAC-net独有的，使用EIA2485标准，这是一个屏蔽双绞线局域网。BACnet在我国建筑领域中的应用范围还是相对较小，而且在工程中采用的BACnet产品和技术也基本上全部是从国外引进的，还没有真正意义上的国产化BACnet相关产品。但BACnet应是楼宇智能化发展趋势。目前，楼宇自动化集成也在这方面开展研究工作。2.3FCS和DCS综合技术在楼宇自动化系统中的应用FCS采用的是全分布式控制，上位机需要采用巡检的方式采集各个智能节点上的数据，因此在上位管理机和节点间属于多对一通讯，容易引起网络的阻塞，且一旦发生网络阻塞，网络上的数据传输效率将显著降低。DCS系统通过弥补自身不足发展到了第四代，硬件结构也得到丰富，由工程师站、操作站、现场控制站、通信控制站、打印服务站、系统服务器、管理网络、系统网络、控制网络等组成。这一代DCS系统充分体现了信息化、集成化的特点，系统体系结构开放，其现场控制层支持多种现场总线标准。实际的智能楼宇工程系统庞大、复杂，DDC控制器在很多楼宇系统中仍在广泛应用。因此，仔细分析目前楼宇自动化系统实质上是现场总线技术和DCS系统的综合。该结构分为三层：管理层，采用某种网络协议进行通信,这种开放性使得管理信息集成更加容易；自动化层，采用基于控制总线楼宇自动化系统数据通信协议的DDC分站控制器，该层具有以DCS为基础的经验，各种控制功能、应用软件比较完