【分析】樓宇自控系統(BAS)的主流技術

[導讀]本文簡要分析了樓宇自控系統（BAS）的幾種主流技術，希望對大家有所幫助。

　　一、關於現場控制總線

　　現場總線是自動控制領域的計算機區域網，應用在生產現場，在微機測控設備之間實現雙向、串行、多節點數字通信，是一種開放式、數位化、多點通信的底層控制網絡。

　　現場總線具有較高的測控能力指數

　　· 得益於儀表的微機化；

　　· 得益於設備的通信功能

　　現場總線的技術特點

　　1、採用智能現場設備，實現徹底的分散控制；

　　2、採用數位訊號代替模擬信號，可實現一對線纜上傳輸多路信號；

　　3、開放性；

　　4、互可操作性與互用性；

　　5、現場設備的智能化與功能自治性；

　　6、系統結構的高度分散性；

　　7、能適應惡劣的現場環境。

　　現場總線的優越性

　　· 節省硬體數量與投資；

　　· 節省安裝費用；

　　· 節省維護開銷；

　　· 用戶具有高度的系統集成主動權；

　　· 提高系統的準確性與可靠性。

　　現場控制總線在樓宇網絡中的作用

　　現場控制總線是樓宇自控系統現場控制級的通訊網絡，是實現底層控制設備之間數據共享與通信的基礎。現場控制總線技術提高了系統的可靠性，縮短了響應時間，減小了上位機的運算負荷，是整個控制系統性能提高的保證。

　　二、關於LON總線

　　1、LON總線的基本概念

　　LON: 全稱為Local Operating Networks，即局部操作網絡。是由美國Echelon公司推出的，是目前最流行的現場總線之一。

　　LonWorks: 是Echelon公司為支持LON總線的設計而開發的一整套完整的開發平臺。

　　LonTalk: 是LonWorks中使用的開放式通信協議，其最大特點是對ISO/OSI七層參考模型的完全支持。

　　LonMark: 是與Echelon公司無關的LonWorks用戶標準化組織，按照LonMark設計規範設計的LonWorks產品均可非常容易地集成在一起。

　　2、神經元晶片（neuron chip）

　　神經元晶片（neuron chip）是LonWorks技術的核心，它不僅是LON總線的通信處理器，同時也可作為採集和控制的通用處理器，LonWorks技術中所有關於網絡的操作實際上都是通過它來完成的。

　　一個神經元晶片擁有三個單元處理器。一個用於鏈路層的控制（MAC處理器）；一個用於網絡層的控制(網絡處理器)；另一個用於用戶的應用程式（應用處理器）。另外，還包括11個I/O口，這樣在一個神經元晶片上就能完成網絡和控制的功能。

　　3、LonWorks技術的組成

　　· LonWorks節點和路由器

　　· LonTalk協議

　　· LonWorks收發器

　　· LonWorks網絡和節點開發工具

　　4、LonWorks節點

　　LonWorks節點包括：應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發器和電源

　　LonWorks兩種節點的構成形式：

　　1）以神經元晶片為核心的控制節點：一個神經元晶片幾乎包含了一個現場節點的大部分功能模塊——應用CPU、I/O處理單元、通信處理器，因此，一個神經元晶片加上收發器便可構成一個典型的現場控制節點。

　　2）採用MIP（Host Base）結構的控制節點：對於一些複雜的控制，可將神經元晶片作為通信協處理器，用高級主機資源來完成複雜的測控功能，從而提高節點的運算、控制能力。

　　5、路由設備在LonWorks技術中的作用

　　正是由於路由設備的使用，使LON總線突破傳統現場總線的限制——不受通信介質、通信距離、通信速率的限制。在LonWorks技術中，路由設備包括以下幾種：中繼器、橋接器、路由器。

　　6、LonWorks控制網絡的基本要素

　　· Lon網絡伺服器——LNS

　　· NSS網絡服務伺服器

　　· NSI網絡伺服器接口

　　· LCA對象伺服器

　　· LCA數據伺服器

　　· 工作站通訊接口(PCLTA、SLTA等; LonMaker)

　　· 通訊通道

　　· 路由器

　　· 子網

　　· 節點

　　7、LonWorks技術特點包括

　　1）在一個神經元晶片上可以完成網絡和控制的功能。

　　2）支持多種通信介質（雙絞線、電力線、光纖、無線等），以及它們的互連。

　　3）LonTalk是支持ISO/OSI七層參考模型，提供了一個固化在神經元晶片內的網絡作業系統。

　　4）提供給使用者一個完整的開發平臺，這包括現場調試工具LonBuilder、協議分析工具、網絡開發語言Nenron C等。

　　5）由於支持面向對象的編程（網絡變量NV），從而很容易實現網絡的互操作。

　　三、關於BACnet協議

　　· BACnet: 樓宇自動控制網絡數據通訊協議（即: A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，簡稱《BACnet協議》）

　　· 由美國暖通、空調和製冷工程師協會(ASHRAE ) 組織的 標準項目委員會135P  (Stand Project Committee: SPC135P)歷經八年半時間開發的。

　　· 協議是針對採暖、通風、空調、製冷控制設備所設計的，同時也為其他樓宇控制系統（例如照明、安保、消防等系統）的集成提供一個基本原則。

　　1、BACnet協議產生的背景

　　隨著信息技術及整個信息產業的發展，樓宇自動化系統（BAS）正朝集成化、智能化和網絡化方向邁進。

　　現場總線僅對樓宇自控系統的現場控制級網絡進行了定義，而樓宇自控系統網絡的標準化進程並不滿足於現場控制級網絡的公開化和標準化，而進一步追求整體通信解決方案的標準化。

　　長期以來，眾多廠家各自不同的專有協議阻礙了BAS系統的發展。一個不具備開放性、不能實現互操作的系統給系統的運行、維護和升級改造帶來不便。因此，用戶期望不同廠家的產品能使用同一種標準通信語言，實現互操作和開放性。

　　受上世紀70年代能源危機的影響，在樓宇自控系統中，空調與冷熱源系統（ HVAC&R）最先意識到開放性標準的重要性。

　　1987年，在美國紐約召開了由樓宇自控領域專家組成的關於「標準化能量管理系統協議」的圓桌會議，會議決定由ASHRAE資助制定一個標準樓宇自控網絡數據通信協議。

　　2、BACnet基本目標

　　通過定義工作站級通訊網絡的標準通信協議，以取消不同廠商工作站之間的專有網關，將不同廠商、不同功能的產品集成在一個系統中，並實現各廠商設備的互操作，從而實現整個樓宇控制系統的標準化和開放化。

　　3、BACnet 發展過程

　　·1987.1  ASHRAE 發起成立SPC135p 委員會-Standard Project Committee 135p

　　·1991.8  第一個公開評審草案標準

　　·1994.3  第二個公開評審草案標準

　　·1995.3  第三個公開評審草案標準

　　·1995.6  正式成為 ASHRAE 標準

　　·1995.12  被批准為美國國家標準，並正式命名為ANSI/ASHRAE 135-1995標準

　　·2002.1  正式發布新版本 ANSI/ASHRAE 135-2001標準

　　·2003.1.18  成為 ISO 的正式標準 ISO16484-5

　　4、BACnet 的組織機構

　　BMA --- BACnet 製造商協會

　　非贏利性學術組織，致力於推進樓控系統的開放，通過互操作性試驗、教學媒體和獎勵活動，促進BACnet在樓宇自控系統中 的成功應用。

　　BTL --- BACnet 測試實驗室

　　負責檢驗產品是否符合 BTL 基於 ASHRAE 標準的要求， 符合 BTL 要求的產品才能進入BTL 列表， 並向行業發布符合 BACnet 標準的產品。

　　BACnet的一個相關標準  -- 「ASHRAE 135.1P BACnet 一致性測試方法」就是由該機構授權。

　　5、BACnet基本原理

　　BACnet是由多個樓宇自控系統產品供應商共同達成的應用於樓宇自控領域的一種數據通信協議標準。

　　BACnet協議提供了樓宇自控系統實現互操作的方法，詳細地闡述了樓宇自控網絡系統的功能，闡明了有關系統組成單元如何共享數據、可以使用何種的功能以及信息格式、通訊媒介等方面的全部規則。

　　6、BACnet的樓宇設備表示方法--「對象」

　　·對象是樓宇自控設備的模型化和抽象化的描述。

　　·BACnet對象為不同屬性（Property）組成的集合，實質上就是一個由數據項組成的數據結構。

　　·對象的屬性是樓宇自控設備互操作過程中所表現的外部特性的反映。

　　7、BACnet標準對象

　　標準對象是BACnet所定義的最常用的對象，是表示具體樓宇自控設備的基本元素。

　　實際具體的樓宇自控設備可以「映射」為不同的BACnet標準對象實例的組合。

　　BACnet在1995年的第一個正式版本中定義了18種標準對象。

　　8、BACnet標準對象類型及應用示例

　　9、BACnet體系結構圖

　　10、BACnet應用層服務「Service」

　　· 在樓宇自控網絡環境中， 「對象」作為一個抽象的互操作接口，樓宇設備間的互操作可以看作是BACnet對象之間的信息交換。

　　· 對BACnet對象的訪問必須定義操作的「命令」或「消息」，這種「命令」或「消息」就定義為「服務」。

　　· 通過「服務」 ，BACnet設備就可以讀/寫另一個設備的數據，或命令另一個設備執行某些操作。

　　11、BACnet應用層服務

　　BACnet在1995年的第一個正式版本中定義了35個「服務」，分為6個功能組：

　　（1）對象訪問服務組（Object Access Services ）；

　　（2）遠程設備管理服務組（Remote Device Management Services） ；

　　（3）文件訪問服務組（File Access Services） ；

　　（4）安全服務組（Safety Services）；

　　（5）報警和事件服務組（Alarm and Event Services）;

　　（6）虛擬終端服務組（ Virtual Terminal Services）。

　　12、BACnet網絡層

　　BACnet網絡層位於多種區域網技術之上，其作用是屏蔽不同區域網的差異，並向應用層提供統一的「視圖」。

　　BACnet 網絡層的互聯設備包括BACnet路由器和半路由器，其作用是連接BACnet網絡，形成BACnet網際網路。

　　13、BACnet區域網

　　· BACnet區域網的作用是傳輸BACnet服務數據單元。

　　· BACnet標準根據性能價格比定義了四種區域網和一種遠程連接技術。

　　14、BACnet支持多種數據鏈路層協議

　　15、BACnet標準的概括

　　綜上所述， BACnet標準可概括為如下等式：

　　BACnet標準＝對象模型＋應用層服務＋網絡層＋多種區域網

　　16、BACnet的特點

　　· 專用於樓宇自控網絡

　　· 完全開放，技術先進

　　· 被許多標準組織接收為標準，具有廣泛的權威性

　　· 不依賴於現有的區域網或廣域網技術，具有良好的互連特性

　　· 具有良好的伸縮性

　　· 具有良好的擴展性

　　四、KNX總線標準

　　· EIB (European installation bus) 作為第一個專門應用於電氣安裝、房屋自動化和安全系統等領域的開放性標準，近年來在國內外場館照明、智能家居、大範圍電氣控制等功能型建築應用中獲得巨大成功。但EIB作為一個標準在普通民用建築、暖通空調和安全技術等領域的推廣並不成功。

　　· KNX總線標準以EIB標準為基礎，並融合了歐洲另外兩個著名總線標準BatiBUS和EHS在配置機制和物理媒介方面的部分內容而形成。

　　1、KNX結構模型

　　2、KNX與LON、BACnet、乙太網的關係

　　五、網關技術

　　·從一般通訊原理的角度，網關又稱為網間連接器或協議轉換器，是實現不同協議網絡互聯的首要手段。

　　·在樓宇自控系統中，我們將一切實現不同協議系統的互連設備或標準統稱為網關（底層設備網關、管理層集成網關等）。

　　六、OPC 標準

　　· OPC是英文OLE for Process Control的縮寫，意為過程控制中的對象嵌入技術，是一項工業技術規範與標準。

　　· OPC標準是開發者在Windows的對象連結嵌入（OLE, Object Linking and Embedding）、部件對象模塊（COM, Component Object Model）、分布部件對象模塊（DCOM, Distributed Component Object Model）技術的基礎上進行開發而得的。

　　OPC為解決系統集成問題提供了便捷的解決方案。在這種解決方案中，包括OPC伺服器與OPC客戶。OPC伺服器一般並不知道它的客戶，由OPC客戶根據需要接通或斷開與OPC伺服器的連結。OPC的作用就是為伺服器/客戶的連結提供統一、標準的接口規範。按照這種統一規範，各伺服器/客戶之間可組成如圖 (b)中所示的連結方式。各客戶/伺服器間形成即插即用的簡單、規範的連結關係。與(a)中的情形相比，顯然簡化了許多。

　　1、OPC模式連結示意

　　2、OPC的作用

　　· 硬體廠商只需要編寫一套驅動程序就可以滿足不同用戶的需要。

　　· 應用程式開發者只需編寫一個接口便可以連接不同的設備。

　　· 軟體開發商無需重複寫大量的設備驅動程序。

　　· 工程人員在設備選型上有了更多的選擇。

　　3、C/S結構與B/S結構

　　C/S (Client/Server)即客戶機/伺服器結構。在這種結構中，客戶端需要安裝專用的客戶端軟體。

　　B/S (Browser/Server)即瀏覽器/伺服器結構。這種結構是隨著Internet技術興起所產生的一種新型結構，是對C/S結構的一種改進。

　　4、C/S與B/S結構比較

　　服務範圍：C/S適用於小型區域網、B/S適用於Intranet或Internet。

　　客戶端：C/S需安裝客戶端軟體、B/S無需。

　　安全性：C/S較強、B/S較弱。

　　程序構架：C/S相對封閉、B/S開放。

　　軟體重用性：C/S較差、B/S較強。

　　系統維護：C/S困難、B/S簡單。