基于BACnet協(xié)議的設(shè)備間互操作性研究

文｜同濟(jì)大學(xué)社區(qū)信息化與智能建筑研究中心 賈堅(jiān)萍

西門子樓宇科技公司 孫 浩

1 前言

BACnet協(xié) 議（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks）是ASHRAE于1987年研發(fā)制定的開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2003年，它正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 16484-5），是迄今為止在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域中唯一的ISO標(biāo)準(zhǔn)。BACnet協(xié)議產(chǎn)生的背景是一個(gè)系統(tǒng)中不同廠商的DDC產(chǎn)品不兼容，產(chǎn)品的升級(jí)與替換都受制于原來(lái)的廠商，損害系統(tǒng)使用者的利益。BACnet協(xié)議打破專有協(xié)議的約束，實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品之間的互操作和系統(tǒng)的集成。

由于控制目的和策略不同，一個(gè)BACnet設(shè)備并不需要實(shí)現(xiàn)BACnet標(biāo)準(zhǔn)的所有功能，因而形成各式各樣的BACnet設(shè)備，大大促進(jìn)對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。本文要討論的內(nèi)容是如何從各種BACnet設(shè)備中合理地選擇符合樓宇控制要求的設(shè)備。文章以Siemens APOGEE系統(tǒng)的PXC Modular和AIRTEK公司的DPC4442B為例，對(duì)它們的互操作性進(jìn)行分析。

2 PICS

BTL（BACnet Testing Laboratories，即BACnet測(cè)試實(shí)驗(yàn)室）是測(cè)試BACnet設(shè)備互操作性并認(rèn)證設(shè)備是否符合BACnet協(xié)議的組織。經(jīng)過(guò)BTL認(rèn)證的BACnet設(shè)備必須提供PICS文件，各廠商的PICS文件都必須在BTL網(wǎng)站上公開(kāi)。

PICS是BACnet Protocol Implementation Conformance Statement（ 即 BACnet協(xié) 議實(shí)現(xiàn)一致性聲明）的簡(jiǎn)稱，它描述BACnet設(shè)備的關(guān)鍵信息，具有特定的格式，是比較不同廠家的BACnet設(shè)備的功能和互操作性的高效有用的工具。理論上，制造商、客戶和咨詢工程師根據(jù)該文件可以確定給定設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的功能，并確定任意給定的BACnet設(shè)備間的互操作性。

盡管不同廠商的PICS文件的格式可能不盡相同，但PICS文件一般都包括以下幾個(gè)方面：產(chǎn)品名稱、版本號(hào)和描述，設(shè)備類型，支持的標(biāo)準(zhǔn)BACnet對(duì)象類型以及該對(duì)象是否可以用BACnet服務(wù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建或刪除，支持的BIBB，支持的非標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，支持的分段和窗口調(diào)節(jié)大小，支持的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

數(shù)據(jù)鏈路層是確定BACnet設(shè)備互操作性的前提，其互通容易判斷，在此不作介紹。設(shè)備類型、支持的標(biāo)準(zhǔn)BACnet對(duì)象類型和BIBB是確定BACnet設(shè)備互連后最終可以實(shí)現(xiàn)哪些功能的工具，下面將重點(diǎn)介紹這三項(xiàng)內(nèi)容。

2.1 BACnet標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備

BACnet標(biāo)準(zhǔn)定義了6類BACnet標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，分別為BACnet操作員工作站（B-OWS）、BACnet樓 宇 控 制 器（BBC）、BACnet高級(jí)應(yīng)用控制器（B-AAC）、BACnet專用控制器（B-ASC）、BACnet智能執(zhí)行器（B-SA）和BACnet智能傳感器（B-SS）。

B-OWS是操作員監(jiān)視管理BACnet系統(tǒng)的窗口。B-OWS在分層樓宇自控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通常不作為DDC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，其作用是監(jiān)視和管理BACnet系統(tǒng)及其設(shè)備。B-BC是一種通用現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器，用于各種樓宇自控任務(wù)。B-AAC是與應(yīng)用有關(guān)的高級(jí)控制器，雖然具有一定的可編程能力，但資源較少，功能不及B-BC。B-ASC是特定應(yīng)用的控制器，功能比B-AAC還少。B-SA是功能極為有限的簡(jiǎn)單控制器，B-SS是資源極為有限的傳感器設(shè)備。

在以APOGEE系統(tǒng)為代表的部分設(shè)備中，上述六類設(shè)備的連接方式通常如圖1所示。

不同類型的BACnet設(shè)備規(guī)定實(shí)現(xiàn)的BIBB（BACnet Interoperability Building Blocks，即BACnet樓宇互操作基本塊）也不同。如表1所示，B-SS只支持BIBBDataSharing-ReadPropertyMultiple-B，而B(niǎo)-BC支持五個(gè)互操作域內(nèi)的多個(gè)BIBB。設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)的服務(wù)和設(shè)備具備的對(duì)象主要取決于該設(shè)備的類型，因此，在PICS中必須注明該設(shè)備屬于BACnet標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的哪一類，以便選取設(shè)備。

2.2 標(biāo)準(zhǔn) BACnet對(duì)象

每個(gè)樓宇自控系統(tǒng)中的設(shè)備都能抽象為一組對(duì)象實(shí)例，并且每個(gè)設(shè)備都必須有且僅有一個(gè)Device對(duì)象實(shí)例。例如：一個(gè)智能溫度傳感器只需用1個(gè)設(shè)備對(duì)象和1個(gè)模擬量輸入對(duì)象表示。而一個(gè)樓宇控制器則需要用1個(gè)設(shè)備對(duì)象、多個(gè)模擬量輸入對(duì)象、多個(gè)二進(jìn)制輸入對(duì)象、多個(gè)二進(jìn)制輸出對(duì)象、多個(gè)時(shí)間安排對(duì)象等組合表示。

圖1 BACnet設(shè)備之間的相互關(guān)系圖

當(dāng)然，某個(gè)產(chǎn)品如果具有某個(gè)對(duì)象，其本身必須具有該對(duì)象表示的功能，才有意義。例如，一個(gè)設(shè)備不具備時(shí)間安排的功能，就不能寫(xiě)該BACnet設(shè)備具有時(shí)間安排對(duì)象。

屬性是對(duì)對(duì)象內(nèi)容的詳細(xì)描述，例如：一個(gè)模擬量輸入對(duì)象有工作極限、狀態(tài)等屬性。每個(gè)對(duì)象至少包含Object Identifier、Object Name和Object Type三個(gè)屬性，每個(gè)屬性都由屬性的名稱或標(biāo)識(shí)符以及屬性值兩部分組成。設(shè)備的屬性可以是只讀或讀/寫(xiě)的，其他BACnet設(shè)備可以讀取設(shè)備中的屬性或者重新賦值給該屬性。BACnet標(biāo)準(zhǔn)將某些屬性定義為必選屬性，而將另一些屬性定義為可選屬性。

PICS除了列出設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)BACnet對(duì)象之外，還要對(duì)每個(gè)對(duì)象作進(jìn)一步說(shuō)明，標(biāo)明其支持的可選屬性、可寫(xiě)屬性、是否可以用BACnet服務(wù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建或刪除，以及對(duì)該屬性取值范圍的要求。下面簡(jiǎn)要介紹各個(gè)對(duì)象的功能。

Analog Input/Output Object，即模擬量輸入/輸出對(duì)象，該對(duì)象用于描述輸入/輸出信號(hào)的大小。

Analog Value Object，即模擬量值對(duì)象，該對(duì)象用于表示控制系統(tǒng)中的一個(gè)參數(shù)值。

Binary Input/Output Object，即二進(jìn)制輸入/輸出對(duì)象，該對(duì)象用于描述輸入/輸出信號(hào)的開(kāi)關(guān)量。

Binary Value Object，即二進(jìn)制值對(duì)象，該對(duì)象與Analog Value對(duì)象一樣，用于表示控制系統(tǒng)中的一個(gè)參數(shù)值。

Calendar Object，即日期表對(duì)象，BACnet設(shè)備根據(jù)該對(duì)象（通常為特殊的日期）自動(dòng)執(zhí)行操作。

Schedule Object，即時(shí)間安排對(duì)象，該對(duì)象描述了一周內(nèi)的時(shí)間安排，用于周期性地控制一個(gè)或多個(gè)BACnet對(duì)象。

Command Object，即命令對(duì)象，該對(duì)象對(duì)具體的BACnet設(shè)備的一組對(duì)象屬性寫(xiě)入一組數(shù)值，可用作在其他設(shè)備中安排時(shí)間表。

Device Object，即設(shè)備對(duì)象，該對(duì)象用于描述該BACnet設(shè)備廠家及模型的信息。

Event Enrollment Object，即事件登錄對(duì)象，該對(duì)象用于定義事件類型和事件通告的接受者。

File Object，即文件對(duì)象，該對(duì)象涉及到控制器數(shù)據(jù)庫(kù)的上傳和下載。

Group Object，即組對(duì)象，該對(duì)象定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)象，其屬性能代表一組其他對(duì)象或一個(gè)或多個(gè)其他屬性，因而能夠簡(jiǎn)化BACnet設(shè)備之間信息的交換。

Loop Object，即控制環(huán)對(duì)象，該對(duì)象用于描述完整的反饋控制環(huán)。

Notification Class Object，即通告類對(duì)象，該對(duì)象包含了一張表，該表列出了當(dāng)數(shù)值達(dá)到通告閾值后要通告給哪些設(shè)備。

Program Object，即程序?qū)ο?，該?duì)象用于描述應(yīng)用程序。

Trend Log Object，即趨勢(shì)日志對(duì)象，該對(duì)象用于用于監(jiān)視對(duì)象的屬性。

2.3 BIBB

BACnet標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)“ASHRAE 13 DDC系統(tǒng)說(shuō)明和設(shè)計(jì)指南”定義了5個(gè)互操作域，也就是數(shù)據(jù)共享域（Data Sharing）、報(bào)警與事件管理域（Alarm and Event Management）、時(shí)間安排域（Scheduling）、趨勢(shì)域（Trending）和設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理域（Device and Network Management）。每個(gè)互操作域由多個(gè)BIBB組成，如表1所示。

表1 不同BACnet標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備必須具備的BIBB表

BIBB是一種BACnet應(yīng)用服務(wù)或多種BACnet應(yīng)用服務(wù)的集合。為了便于選擇設(shè)備，匹配兩設(shè)備的互操作性，BIBB分別用設(shè)備A和設(shè)備B來(lái)定義服務(wù)。一般情況下，設(shè)備A表示服務(wù)的請(qǐng)求方，設(shè)備B表示服務(wù)的響應(yīng)方。例如，BIBB-DSCOV-A是命令B設(shè)備向A設(shè)備提供COV信息，其中涉及到的BACnet應(yīng)用服務(wù)有SubscribeCOV、ConfirmedCOVNotification和UnconfirmedCOVNotification。SubscribeCOV服務(wù)用于COV請(qǐng)求方（A設(shè)備）向COV響應(yīng)方（B設(shè)備）預(yù)訂COV事 件。ConfirmedCOVNotification和UncomfirmedCOVNotification服務(wù)都是用于向COV預(yù)訂用戶通告對(duì)象的屬性值已經(jīng)發(fā)生變化，前者是證實(shí)服務(wù)，后者是非證實(shí)服務(wù)。

3 設(shè)備選擇

某項(xiàng)目已有AIRTEK公司的DPC4442B控制器，需要添加一臺(tái)功能更全的上層控制器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，業(yè)主想選用Siemens APOGEE系統(tǒng)的PXC Modular。下面我們就對(duì)這兩臺(tái)設(shè)備的互操作性進(jìn)行分析。

DPC4442B微電腦可編程控制器是一臺(tái)多功能高性能完全可程序化的邏輯控制器，可用于監(jiān)控樓宇機(jī)電設(shè)備、大型空調(diào)箱、潔凈室、排氣柜、大型終端設(shè)備或類似的設(shè)備控制場(chǎng)合，且是符合BACnet標(biāo)準(zhǔn)的控制器。

PXC Modular可編程控制器是一個(gè)高性能的DDC控制器，可以單機(jī)工作，也能夠聯(lián)網(wǎng)完成一些復(fù)雜的監(jiān)控和能量管理的工作。

BACnet設(shè)備選擇流程，如圖2所示。

首先，要在一個(gè)大范圍中初步選定設(shè)備，從BTL網(wǎng)站上獲得這些設(shè)備的PICS，查看兩臺(tái)設(shè)備支持的數(shù)據(jù)鏈路層表上是否有匹配的連接方式，如果沒(méi)有就要重新選擇。如表2所示，PXC Modular通過(guò)BACnet IP與上層連接，通過(guò)MS/TP與下層連接。如表3所示，DPC與上層的連接是通過(guò)MS/TP實(shí)現(xiàn)的。因此PXC Modular與DPC可以互連。如果將PXC Modular換成PXC Compact，與DPC的互連就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镻XC Compact只支持BACnet IP。

圖2 設(shè)備選擇流程圖

接下來(lái)要查看BACnet標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備類型，從設(shè)備的PICS文件的BACnet Standardized Device Profile中可以查到其類型，如表4、表5所示。

然后需比較兩設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象是否能滿足基本的控制要求。如表6所示，DPC與PXC Modular都支持File和Device對(duì)象，能完成對(duì)點(diǎn)輸入輸出和數(shù)值的數(shù)字量和模擬量的控制。

表2 PXC Modular支持的數(shù)據(jù)鏈路層表

表3 DPC支持的數(shù)據(jù)鏈路層表

表5 PXC Modular的BACnet標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備類型表

表6 DPC與PXC Modular支持的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象表

表7 DPC BIBB表

最后，要查看這兩臺(tái)設(shè)備中是否有B-OWS，或者是否都是B-BC。因?yàn)锽-AAC、B-ASC、B-SA和B-SS通常都是響應(yīng)方，不涉及到XX-XX-A之類的BIBB，所以只要查看上層設(shè)備的XX-XX-A BIBB和下層（同層）設(shè)備的XX-XX-B BIBB是否能成對(duì)匹配，就能確定兩者互連后能否實(shí)現(xiàn)該BIBB定義的功能。如果能成對(duì)匹配，則可以實(shí)現(xiàn)該BIBB定義的功能；如不能成對(duì)匹配，則還要查看上層設(shè)備的XX-XX-B BIBB和下層設(shè)備的XX-XX-A BIBB。例如，要想了解PXC Modular和DPC互連后支持的BIBB，只要考慮PXC Modular是否支持DPC XXXX-B對(duì)應(yīng)的XX-XX-A即可。如表7和表8所示（粗框中的是該類型BACnet設(shè)備支持的，除必備BIBB之外的BIBB），DPC支持DS-RP-B，PXC Modular支 持 DS-RP-A，這一對(duì)BIBB表明設(shè)備A能讀取設(shè)備B的屬性，而設(shè)備B能響應(yīng)設(shè)備A讀屬性的請(qǐng)求。作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器，DPC不需要讀取上層控制器的數(shù)據(jù)，因此DPC不支持DS-RP-A并不妨礙它與PXC Modular的互連；而即使

PXC Modular支持DS-RP-B，該功能也與DPC無(wú)關(guān)。

表8 PXC Modular BIBB表

從表7和表8中還能發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)設(shè)備都只能支持DM-DCC-B和DM-TS-B BIBB，這是因?yàn)橹挥蠦-OWS設(shè)備才具有DMDCC-A和DM-TS-A，通信以及同步時(shí)鐘一般都是由操作員工作站控制的。

因此，這樣的兩臺(tái)設(shè)備互連后能實(shí)現(xiàn)的功能有：讀取某個(gè)點(diǎn)的屬性、讀取多個(gè)點(diǎn)的屬性、寫(xiě)某個(gè)點(diǎn)的屬性、動(dòng)態(tài)綁定設(shè)備和動(dòng)態(tài)綁定對(duì)象。

4 測(cè)試驗(yàn)證

搭建測(cè)試環(huán)境對(duì)上述分析加以驗(yàn)證。通過(guò)Insight軟件可以看出DPC與PXC Modular成功互連，并且能在PXC Modular上完成對(duì)所有點(diǎn)輸入輸出和數(shù)值的操作。如圖3、圖4所示。

由 于DPC4442B不 具 備Schedule、Calendar和Trend Log對(duì)象，因此在PXC Modular上設(shè)定Schedule表對(duì)DPC4442B不會(huì)生效，這也是與分析的結(jié)果一致的。

圖3 系統(tǒng)概覽圖

圖4 DPC配置圖

5 結(jié)束語(yǔ)

BACnet是樓宇自控領(lǐng)域中的開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用正不斷得到拓展。PICS文件可以為BACnet設(shè)備間互操作性實(shí)現(xiàn)的分析提供依據(jù)，其可行性已經(jīng)在實(shí)踐中得到了證明。

1 ANSI/ASHRAE Standard 135.2001.BACnet-A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks[M].2001

2 程大章.智能建筑樓宇自控系統(tǒng).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.4

3 董春橋.智能樓宇BACnet原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2003.3

4 Siemens BACnet Information Guide.2005

5 Steven T.Bushby,H.Michael Newman,Martin A.Applebaum.GSA Guide to Specifying Interoperable Building Automation and Control Systems Using ANSI/ASHRAE Standard 135-1995,BACnet.1999

6 付保川，奚雪峰，王中杰，許維勝.BACnet網(wǎng)絡(luò)互操作模型及其應(yīng)用研究.制造業(yè)自動(dòng)化，2008（11）