樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新發(fā)展
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1 樓宇自動化系統(tǒng)綜述
目前日益流行的智能建筑(IntelligentBuidings)是建筑技術(shù)與計算機信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是信息社會的需要，也是未來建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動化系統(tǒng)(BuidingAutomationSystem，縮寫為BAS)、通信自動化系統(tǒng)(CAS)和辦公自動化系統(tǒng)(OAS)三大系統(tǒng)組成。其中，樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑中最基本和最重要的組成部分。樓宇自動化系統(tǒng)是利用計算機及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)建的高度自動化的綜合管理和控制系統(tǒng)，將大樓內(nèi)部各種設(shè)備連接到一個控制網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)對其進行綜合的控制，這些設(shè)備包括空調(diào)、照明設(shè)備、電梯、消防設(shè)備、安防設(shè)備等等。它確保建筑物內(nèi)的舒適和安全的辦公環(huán)境，同時實現(xiàn)高效節(jié)能的要求。
2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)以及在樓宇自控中的應(yīng)用
上個世紀七八十年代，伴隨著計算機可靠性提高，價格大幅下降，出現(xiàn)了由多個計算機遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，簡稱DCS)。DCS是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統(tǒng)。它的測量變送儀表一般是模擬儀表，因此它屬于一種模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)較以前的各種控制系統(tǒng)有了較大的進步。DCS在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，也開始應(yīng)用到樓宇自動化控制領(lǐng)域，但是DCS存在如下一些缺點：
(1) 安裝費用高:采用一臺儀表、一對傳輸線的接線方式，導(dǎo)致接線龐雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難；
(2) 可靠性差:模擬信號傳輸精度低，而且抗干擾性差；
(3) 系統(tǒng)封閉:各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，系統(tǒng)封閉、不開放，難以實現(xiàn)產(chǎn)品的互換與互操作以及組成更大范圍的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
上個世紀90年代以來，隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)(FCS)，F(xiàn)CS克服了DCS的缺點，它是一種全數(shù)字化的、全分散的、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng)。目前，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)成為自動化技術(shù)中的一個熱點，備受國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶的關(guān)注。FCS極大地簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術(shù)含量較低的布線工作量，使其系統(tǒng)檢測和控制單元的分布更趨合理。與傳統(tǒng)的DCS(分布式控制系統(tǒng))相比，F(xiàn)CS具有可靠性高、可維護性好、成本低、實時性好、實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，為工業(yè)自動化帶來了一場深層次的革命，從而開創(chuàng)了工業(yè)自動控制的新紀元，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。鑒于FCS的許多優(yōu)點，控制專家們紛紛預(yù)言“FCS將取代DCS成為21世紀控制系統(tǒng)的主流?！爆F(xiàn)在，F(xiàn)CS已經(jīng)被應(yīng)用到樓宇自動化控制領(lǐng)域。
2.1 應(yīng)用于樓宇自動化領(lǐng)域的幾種現(xiàn)場總線
由于誘人的市場商機和不同的應(yīng)用領(lǐng)域的存在，世界一些大公司或公司聯(lián)盟紛紛提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議標準。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國際上有40種宣稱為開放型的現(xiàn)場總線標準。這些協(xié)議根據(jù)國際標準化組織(ISO)的計算機網(wǎng)絡(luò)開放式互連系統(tǒng)的OSI參考模型來制定的。大多數(shù)現(xiàn)場總線只是用其中的一、二和七層協(xié)議。于是現(xiàn)場總線呈現(xiàn)雜亂紛呈的局面。在這些現(xiàn)場總線中不乏優(yōu)異的現(xiàn)場總線，如CAN、Modbus、Profibus、Lonworks、BACnet、DeviceNet等等。其中Lonworks、BACnet、CAN、EIB等現(xiàn)場總線在樓宇自動化領(lǐng)域獲得了較廣泛的應(yīng)用。盡管基于現(xiàn)場總線的FCS克服了DCS的許多缺點，但還是有一些不如人意的地方，最明顯的缺點：多種現(xiàn)場總線并存而互不兼容，導(dǎo)致FCS的可互操作性只能在同一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)中實現(xiàn)。后面將對FCS的缺點做進一步說明。
(1) LonWorks
美國Wchelom公司1991年推出了EON(Local OperrationgNetworks)技術(shù)，又稱Lonworks技術(shù)。它得到了眾多計算機廠家、系統(tǒng)集成商、儀器儀表以及軟件公司的大力支持，已經(jīng)在樓宇自動化、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)供配、消防監(jiān)控、停車場管理等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。具體地說LonWorks具有以下優(yōu)點：
① 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、組網(wǎng)方便。它支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲形式，包括總線型、星型、樹型、自由拓撲型等，這樣可適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，方便現(xiàn)場布線；
②支持多種傳輸介質(zhì)。包括雙絞線、同軸電纜、電力線、光纖、無線射頻等；兩種傳輸速率：78bps和1.25Mbps，最大傳輸距離由網(wǎng)絡(luò)拓撲形式和傳輸介質(zhì)決定，一般可從500m到2700m。可接人的節(jié)點最多為32385個；
③完善的開發(fā)工具。提供完善的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用開放的NEURONC語言，它是ANSIC語言的擴展；
④無主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的地位相同，網(wǎng)絡(luò)管理可設(shè)在任一節(jié)點處，并可安裝多個網(wǎng)絡(luò)管理器；
⑤開發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間較短，也易于維護。LonWorks采用的LonTMk協(xié)議固化在Echelon公司的Neuron芯片中，這樣可以節(jié)省開發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間，也方便維護。
同其它現(xiàn)場總線一樣，LonWorks也有自身的缺點。首先，LonWorks的實時性、處理大量數(shù)據(jù)的能力有些欠缺；其次，由于LonWorks依賴于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全開放性也受到一些質(zhì)疑。盡管LonWorks存在一些不足，但是LonWorks的FCS還在樓宇自動化領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。世界上有2萬多家OEM廠商生產(chǎn)LonWorks相關(guān)產(chǎn)品，其中種類已達3500多種。 目前世界上已安裝有500多萬個LonWorks節(jié)點，LonTMk協(xié)議也被接納為歐洲CENTC247、CEN TC205的一部分。自1996年以來，LonWorks也開始在國內(nèi)獲得大量的應(yīng)用。在建設(shè)部的支持下，國內(nèi)一些研究所和企業(yè)開始陸續(xù)開發(fā)出基于LonWorks的樓宇自動化控制系統(tǒng)，并在一些新建智能大廈和建設(shè)部智能化小區(qū)試點工程中得到應(yīng)用。
(2) BACnet
BACnet是作為世界上第一個樓宇自動控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢。BACnet不是軟件或硬件，也不是固件，嚴格地說，BACnet并不是現(xiàn)場總線，而是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即通信規(guī)則。為不同商家產(chǎn)品的系統(tǒng)之間進行信息交流提供平臺和支持。BACnet詳細闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實現(xiàn)的途徑、使用的通信介質(zhì)、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規(guī)則。BACnet采用了Ethernet、ARCNET、MS／TP、PTP、LonTalk五種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行通信?？筛鶕?jù)系統(tǒng)通信是和通信速度選擇不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對其它現(xiàn)場總線，BACnet標準最大的優(yōu)點是可以與Ethernet、LonWorks等網(wǎng)絡(luò)進行無縫集成。不過BACnet主要為解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問題設(shè)計，并不太適用于智能傳感器、執(zhí)行器等末端設(shè)備。BACnet標準已在全球得到了廣泛的應(yīng)用，全球生產(chǎn)和經(jīng)營樓宇設(shè)備和樓宇自控設(shè)備的主要廠商均支持BACnet標準。BACnet在不到10年的時間內(nèi)就從一個行業(yè)學(xué)會標準迅速成為樓宇自控領(lǐng)域中唯一的ISO標準。雖然我國是WTO和ISO成員國，但是BACnet在我國建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍還是相對較小，而且在工程中采用的BACnet產(chǎn)品和技術(shù)也基本上全部是從國外引進的，還沒有真正意義上的國產(chǎn)化BACnet相關(guān)產(chǎn)品。
(3) CAN
CAN總線最初是德國Bosch公司為汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)計提出的，現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國際標準，在電力、石化、空調(diào)、建筑等行業(yè)均有應(yīng)用。CAN具有以下優(yōu)點：
①采用8字節(jié)的短幀傳送，故傳輸時間短、抗干擾性強；
②具有多種錯誤校驗方式，形成強大的差錯控制能力。而且在嚴重錯誤的情況下，節(jié)點會自動離線，避免影響總線上其它節(jié)點；
③采用無損壞的仲裁技術(shù)；
④CAN芯片不但價格低而且供應(yīng)商多。
CAN缺點是：CAN總線上最多可掛接110個節(jié)點，這不完全能滿足整個智能建筑的需要。不過可以通過利用中繼器進行擴展，相對其它一些現(xiàn)場總線，CAN總線技術(shù)比較簡單，CAN相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)費用也遠遠低于其它現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)費用。因此，很早國內(nèi)就有一些企業(yè)推出了基于CAN總線的樓宇自控的相關(guān)產(chǎn)品。如獅島、索龍集團開發(fā)出了S2000樓宇自控系統(tǒng)。
(4) EIB
EIB是歐洲安裝總線(EuropeanlnstallationBus)的縮寫。它在1990年被提出，經(jīng)過十多年的發(fā)展，成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場總線標準，在歐洲得到了進300家廠商的支持。1999年EIB被引進中國的智能化建筑領(lǐng)域，并在上海同濟大學(xué)建立了EIB認證技術(shù)培訓(xùn)中心。在短短的幾年里，國內(nèi)的會展中心、博物館、辦公大樓、別墅等場所的燈光、窗簾、空調(diào)等控制和安防系統(tǒng)方面獲得了廣泛應(yīng)用，如廈門國際會展中心、大連國貿(mào)中心、浙江人民大會堂等。國內(nèi)的EIB項目基本上被ABB公司和SIMENS公司所壟斷。
3 以太網(wǎng)開始進入樓宇自控領(lǐng)域
以太網(wǎng)發(fā)展至今已有20年歷程，作為局域網(wǎng)組網(wǎng)的主要技術(shù)，以其簡單、價廉、高帶寬、維護方便以及不斷發(fā)展等優(yōu)點一直在局域網(wǎng)領(lǐng)域中牢牢占據(jù)著統(tǒng)治地位。近年來，以太網(wǎng)技術(shù)獲得了快速地發(fā)展。交換型和全雙功以太網(wǎng)的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的共享公共傳輸媒體和半雙功傳輸?shù)娜觞c，實現(xiàn)了站點獨占傳輸媒體并同時收發(fā)數(shù)據(jù)，也減少了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)碰撞。以太網(wǎng)的標準不斷更新和擴展，目前的以太網(wǎng)不僅在物理層(包括拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸速率、傳輸媒體)，并且在數(shù)據(jù)鏈路層與原來的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準有了很大的進步，以太網(wǎng)標準系列已擴展成20余個?，F(xiàn)在已太網(wǎng)不但由局域網(wǎng)向著接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展，同時開始進入工業(yè)控制和樓宇自控領(lǐng)域。新發(fā)布的IEEE802.3af標準開始對以太網(wǎng)供電作出了規(guī)定，它消除了以太網(wǎng)技術(shù)進入現(xiàn)場控制領(lǐng)域的一個嚴重障礙。目前，3Com、華為、DLINK等公司開始提供符合IEEE802.3af標準的交換機產(chǎn)品。另外，一些現(xiàn)場總線的協(xié)會或組織也開始提出基于其現(xiàn)場總線的開放式以太網(wǎng)標準，即工業(yè)以太網(wǎng)標準，如ODVA(開放DeviceNet供貨商協(xié)會)和CI (ContolNet國際組織)發(fā)布的EtherNet／IP標準、PP(現(xiàn)場總線基金會)發(fā)布的HSE(HighSpeedEthernet，高速以太網(wǎng))、Profibus國際組織發(fā)布的ProfiNet。支持這些工業(yè)以太網(wǎng)標準的交換機、網(wǎng)卡等產(chǎn)品也開始出現(xiàn)，如MOXA公司的EDS-508系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(支持EtherNet／IP)、北京航天華輝自動化技術(shù)有限公司的AnyBus-S 10／100M(支持Ethemet／IP和Modbus／TCP)等。美國VDC(VentureDevelopmentCorp.)調(diào)查報告指出，Ethemet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，市場占有率將從2000年的11％增加到2005年的23％。
伴隨著以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)也必將越來越多地滲透到樓宇自控領(lǐng)域。目前，以太網(wǎng)多用于基于現(xiàn)場總線的樓宇自控網(wǎng)絡(luò)集成到智能建筑中的信息網(wǎng)(如圖1所示)，在一些新開發(fā)的樓宇自控系統(tǒng)中，以太網(wǎng)直接進入了控制層，如北京樓宇自動化中心開發(fā)的基于以太網(wǎng)的ENC-20011P智能建筑測控系統(tǒng)。ENC-20011P控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般的空調(diào)、照明等系統(tǒng)通過ENC參量控制模塊集成到以太網(wǎng)上；帶有RS232或RS485接口的系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊集成到以太網(wǎng)上；IP電話以及IP攝像機直接連接到以太網(wǎng)上。
圖1 樓宇自控網(wǎng)絡(luò)集成信息網(wǎng)
圖2 ENC-2001IP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中采用基于現(xiàn)場總線的FCS的優(yōu)點是：
①可靠性、實時性好。現(xiàn)場總線為工業(yè)控制設(shè)計的，有屏蔽、接地與防爆等措施，同時其實時性也比采用CSMA／CD的以太網(wǎng)的時實性好；
②用戶的投資成本低?，F(xiàn)在，開放的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)比較成熟，有很多公司提供的相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。其缺點是：實現(xiàn)現(xiàn)場總線無縫接人以太網(wǎng)復(fù)雜，當(dāng)多種現(xiàn)場總線共存在一個系統(tǒng)中時，集成起來更復(fù)雜，系統(tǒng)的擴展性差。
在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)的優(yōu)點是：實現(xiàn)了從管理層(信息網(wǎng))到現(xiàn)場設(shè)備控制層(控制網(wǎng))的“一網(wǎng)到底”，即實現(xiàn)人們期望的通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一；這樣系統(tǒng)擴展起來也比較方便；與智能建筑中其它系統(tǒng)(信息網(wǎng)通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng))集成起來更加容易。其缺點是：首先，目前開發(fā)基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)產(chǎn)品的難度較大，開發(fā)費用和成本相對還是較高，用戶可以選擇的廠商也很有限，壟斷利潤較高，研發(fā)成本還沒有被消化，這些都導(dǎo)致產(chǎn)品價格過高。其次，以太網(wǎng)的實時性、可靠性等方面還有待進一步完善。
4 結(jié)束語
就目前而言，不管是應(yīng)用在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中的基于現(xiàn)場總線的FCS還是以太網(wǎng)，都有其優(yōu)點和缺點。隨著時間的推移和技術(shù)的進步，它們也必將會被進一步完善。據(jù)統(tǒng)計，我國目前有從事樓宇自動化業(yè)務(wù)的企業(yè)3000家以上，產(chǎn)品供應(yīng)商約3000家。另外，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑和社區(qū)的數(shù)字化建設(shè)正在興起，F(xiàn)CS和以太網(wǎng)都必將在樓宇自控領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，兩者在競爭的同時也將繼續(xù)并存。
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