【分析】楼宇自控系统(BAS)的主流技术

2022-05-12 10:40:54

一、关于现场控制总线

现场总线是自动控制领域的计算机局域网，应用在生产现场，在微机测控设备之间实现双向、串行、多节点数字通信，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

现场总线具有较高的测控能力指数

· 得益于仪表的微机化；

· 得益于设备的通信功能

现场总线的技术特点

1、采用智能现场设备，实现彻底的分散控制；

2、采用数字信号代替模拟信号，可实现一对线缆上传输多路信号；

3、开放性；

4、互可操作性与互用性；

5、现场设备的智能化与功能自治性；

6、系统结构的高度分散性；

7、能适应恶劣的现场环境。

现场总线的优越性

· 节省硬件数量与投资；

· 节省安装费用；

· 节省维护开销；

· 用户具有高度的系统集成主动权；

· 提高系统的准确性与可靠性。

现场控制总线在楼宇网络中的作用

现场控制总线是楼宇自控系统现场控制级的通讯网络，是实现底层控制设备之间数据共享与通信的基础。现场控制总线技术提高了系统的可靠性，缩短了响应时间，减小了上位机的运算负荷，是整个控制系统性能提高的保证。

二、关于LON总线

1、LON总线的基本概念

LON: 全称为Local Operating Networks，即局部操作网络。是由美国Echelon公司推出的，是目前最流行的现场总线之一。

LonWorks: 是Echelon公司为支持LON总线的设计而开发的一整套完整的开发平台。

LonTalk: 是LonWorks中使用的开放式通信协议，其最大特点是对ISO/OSI七层参考模型的完全支持。

LonMark: 是与Echelon公司无关的LonWorks用户标准化组织，按照LonMark设计规范设计的LonWorks产品均可非常容易地集成在一起。

2、神经元芯片（neuron chip）

神经元芯片（neuron chip）是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。

一个神经元芯片拥有三个单元处理器。一个用于链路层的控制（MAC处理器）；一个用于网络层的控制(网络处理器)；另一个用于用户的应用程序（应用处理器）。另外，还包括11个I/O口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能。

3、LonWorks技术的组成

· LonWorks节点和路由器

· LonTalk协议

· LonWorks收发器

· LonWorks网络和节点开发工具

4、LonWorks节点

LonWorks节点包括：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源

LonWorks两种节点的构成形式：

1）以神经元芯片为核心的控制节点：一个神经元芯片几乎包含了一个现场节点的大部分功能模块——应用CPU、I/O处理单元、通信处理器，因此，一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现场控制节点。

2）采用MIP（Host Base）结构的控制节点：对于一些复杂的控制，可将神经元芯片作为通信协处理器，用高级主机资源来完成复杂的测控功能，从而提高节点的运算、控制能力。

5、路由设备在LonWorks技术中的作用

正是由于路由设备的使用，使LON总线突破传统现场总线的限制——不受通信介质、通信距离、通信速率的限制。在LonWorks技术中，路由设备包括以下几种：中继器、桥接器、路由器。

6、LonWorks控制网络的基本要素

· Lon网络服务器——LNS

· NSS网络服务服务器

· NSI网络服务器接口

· LCA对象服务器

· LCA数据服务器

· 工作站通讯接口(PCLTA、SLTA等; LonMaker)

· 通讯通道

· 路由器

· 子网

· 节点

7、LonWorks技术特点包括

1）在一个神经元芯片上可以完成网络和控制的功能。

2）支持多种通信介质（双绞线、电力线、光纤、无线等），以及它们的互连。

3）LonTalk是支持ISO/OSI七层参考模型，提供了一个固化在神经元芯片内的网络操作系统。

4）提供给使用者一个完整的开发平台，这包括现场调试工具LonBuilder、协议分析工具、网络开发语言Nenron C等。

5）由于支持面向对象的编程（网络变量NV），从而很容易实现网络的互操作。

三、关于BACnet协议

· BACnet: 楼宇自动控制网络数据通讯协议（即: A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，简称《BACnet协议》）

· 由美国暖通、空调和制冷工程师协会(ASHRAE ) 组织的标准项目委员会135P (Stand Project Committee: SPC135P)历经八年半时间开发的。

· 协议是针对采暖、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时也为其他楼宇控制系统（例如照明、安保、消防等系统）的集成提供一个基本原则。

1、BACnet协议产生的背景

随着信息技术及整个信息产业的发展，楼宇自动化系统（BAS）正朝集成化、智能化和网络化方向迈进。

现场总线仅对楼宇自控系统的现场控制级网络进行了定义，而楼宇自控系统网络的标准化进程并不满足于现场控制级网络的公开化和标准化，而进一步追求整体通信解决方案的标准化。

长期以来，众多厂家各自不同的专有协议阻碍了BAS系统的发展。一个不具备开放性、不能实现互操作的系统给系统的运行、维护和升级改造带来不便。因此，用户期望不同厂家的产品能使用同一种标准通信语言，实现互操作和开放性。

受上世纪70年代能源危机的影响，在楼宇自控系统中，空调与冷热源系统（ HVAC&R）最先意识到开放性标准的重要性。

1987年，在美国纽约召开了由楼宇自控领域专家组成的关于“标准化能量管理系统协议”的圆桌会议，会议决定由ASHRAE资助制定一个标准楼宇自控网络数据通信协议。

2、BACnet基本目标

通过定义工作站级通讯网络的标准通信协议，以取消不同厂商工作站之间的专有网关，将不同厂商、不同功能的产品集成在一个系统中，并实现各厂商设备的互操作，从而实现整个楼宇控制系统的标准化和开放化。

3、BACnet 发展过程

♦1987.1 ASHRAE 发起成立SPC135p 委员会-Standard Project Committee 135p

♦1991.8 第一个公开评审草案标准

♦1994.3 第二个公开评审草案标准

♦1995.3 第三个公开评审草案标准

♦1995.6 正式成为 ASHRAE 标准

♦1995.12 被批准为美国国家标准，并正式命名为ANSI/ASHRAE 135-1995标准

♦2002.1 正式发布新版本 ANSI/ASHRAE 135-2001标准

♦2003.1.18 成为 ISO 的正式标准 ISO16484-5

4、BACnet 的组织机构

BMA --- BACnet 制造商协会

非赢利性学术组织，致力于推进楼控系统的开放，通过互操作性试验、教学媒体和奖励活动，促进BACnet在楼宇自控系统中的成功应用。

BTL --- BACnet 测试实验室

负责检验产品是否符合 BTL 基于 ASHRAE 标准的要求，符合 BTL 要求的产品才能进入BTL 列表，并向行业发布符合 BACnet 标准的产品。

BACnet的一个相关标准 -- “ASHRAE 135.1P BACnet 一致性测试方法”就是由该机构授权。

5、BACnet基本原理

BACnet是由多个楼宇自控系统产品供应商共同达成的应用于楼宇自控领域的一种数据通信协议标准。

BACnet协议提供了楼宇自控系统实现互操作的方法，详细地阐述了楼宇自控网络系统的功能，阐明了有关系统组成单元如何共享数据、可以使用何种的功能以及信息格式、通讯媒介等方面的全部规则。

6、BACnet的楼宇设备表示方法--“对象”

·对象是楼宇自控设备的模型化和抽象化的描述。

·BACnet对象为不同属性（Property）组成的集合，实质上就是一个由数据项组成的数据结构。

·对象的属性是楼宇自控设备互操作过程中所表现的外部特性的反映。

7、BACnet标准对象

标准对象是BACnet所定义的最常用的对象，是表示具体楼宇自控设备的基本元素。

实际具体的楼宇自控设备可以“映射”为不同的BACnet标准对象实例的组合。

BACnet在1995年的第一个正式版本中定义了18种标准对象。

8、BACnet标准对象类型及应用示例

9、BACnet体系结构图

10、BACnet应用层服务“Service”

· 在楼宇自控网络环境中， “对象”作为一个抽象的互操作接口，楼宇设备间的互操作可以看作是BACnet对象之间的信息交换。

· 对BACnet对象的访问必须定义操作的“命令”或“消息”，这种“命令”或“消息”就定义为“服务”。

· 通过“服务” ，BACnet设备就可以读/写另一个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操作。

11、BACnet应用层服务

BACnet在1995年的第一个正式版本中定义了35个“服务”，分为6个功能组：

（1）对象访问服务组（Object Access Services ）；

（2）远程设备管理服务组（Remote Device Management Services）；

（3）文件访问服务组（File Access Services）；

（4）安全服务组（Safety Services）；

（5）报警和事件服务组（Alarm and Event Services）;

（6）虚拟终端服务组（ Virtual Terminal Services）。

12、BACnet网络层

BACnet网络层位于多种局域网技术之上，其作用是屏蔽不同局域网的差异，并向应用层提供统一的“视图”。

BACnet 网络层的互联设备包括BACnet路由器和半路由器，其作用是连接BACnet网络，形成BACnet互联网络。

13、BACnet局域网

· BACnet局域网的作用是传输BACnet服务数据单元。

· BACnet标准根据性能价格比定义了四种局域网和一种远程连接技术。

14、BACnet支持多种数据链路层协议

15、BACnet标准的概括

综上所述， BACnet标准可概括为如下等式：

BACnet标准＝对象模型＋应用层服务＋网络层＋多种局域网

16、BACnet的特点

· 专用于楼宇自控网络

· 完全开放，技术先进

· 被许多标准组织接收为标准，具有广泛的权威性

· 不依赖于现有的局域网或广域网技术，具有良好的互连特性

· 具有良好的伸缩性

· 具有良好的扩展性

四、KNX总线标准

· EIB (European installation bus) 作为第一个专门应用于电气安装、房屋自动化和安全系统等领域的开放性标准，近年来在国内外场馆照明、智能家居、大范围电气控制等功能型建筑应用中获得巨大成功。但EIB作为一个标准在普通民用建筑、暖通空调和安全技术等领域的推广并不成功。

· KNX总线标准以EIB标准为基础，并融合了欧洲另外两个著名总线标准BatiBUS和EHS在配置机制和物理媒介方面的部分内容而形成。

1、KNX结构模型

2、KNX与LON、BACnet、以太网的关系

五、网关技术

·从一般通讯原理的角度，网关又称为网间连接器或协议转换器，是实现不同协议网络互联的首要手段。

·在楼宇自控系统中，我们将一切实现不同协议系统的互连设备或标准统称为网关（底层设备网关、管理层集成网关等）。

六、OPC 标准

· OPC是英文OLE for Process Control的缩写，意为过程控制中的对象嵌入技术，是一项工业技术规范与标准。

· OPC标准是开发者在Windows的对象链接嵌入（OLE, Object Linking and Embedding）、部件对象模块（COM, Component Object Model）、分布部件对象模块（DCOM, Distributed Component Object Model）技术的基础上进行开发而得的。

OPC为解决系统集成问题提供了便捷的解决方案。在这种解决方案中，包括OPC服务器与OPC客户。OPC服务器一般并不知道它的客户，由OPC客户根据需要接通或断开与OPC服务器的链接。OPC的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各服务器/客户之间可组成如图 (b)中所示的链接方式。各客户/服务器间形成即插即用的简单、规范的链接关系。与(a)中的情形相比，显然简化了许多。