樓宇自動化控制系統(tǒng)的IP化發(fā)展分析

張雪峰（同方數(shù)字城市產(chǎn)業(yè)本部， 北京 100083）

1 系統(tǒng)概述

樓宇自動化控制系統(tǒng)（Building Automation System，以下簡稱：BAS）是智能建筑不可或缺的基本環(huán)節(jié)，系統(tǒng)對建筑物內(nèi)的各類機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集散式的監(jiān)視、控制，實(shí)現(xiàn)對建筑物的全面綜合管理；BAS也是建筑節(jié)能的重要組成部分，系統(tǒng)能夠檢測能耗狀態(tài)、負(fù)荷變動并能夠根據(jù)室外環(huán)境狀況和用戶需求，對建筑物內(nèi)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)冷、熱等能源的消耗量，可以有效減少能源消耗，提高能源的使用效率。

BAS的建立需利用成熟、實(shí)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將建筑內(nèi)部的各種機(jī)電設(shè)備連接到一個控制網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行綜合的控制管理。由于建筑智能化系統(tǒng)涉及的技術(shù)和產(chǎn)品非常龐雜以及互通性差等問題，這個控制網(wǎng)絡(luò)正隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的發(fā)展由嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓I(yè)總線向靈活自由的IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。同方股份公司率先提出了建筑智能化系統(tǒng)在IP網(wǎng)絡(luò)上統(tǒng)一可靠承載的解決方案，并與H3C公司合作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合試驗(yàn)，獲得了量化的測試數(shù)據(jù)。本文將就該主題從BAS的角度展開論述。

BAS是集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、現(xiàn)場控制設(shè)備（DDC）、現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備組成，其中現(xiàn)場控制設(shè)備DDC控制器是完成系統(tǒng)監(jiān)視和控制等主要功能的設(shè)備，它是一個不依賴網(wǎng)絡(luò)或其他控制器的獨(dú)立控制器，是BAS監(jiān)視控制功能的最基本單元。

BAS的運(yùn)行與監(jiān)控都必須依托于一個通信網(wǎng)絡(luò)，這個通信網(wǎng)絡(luò)一般由管理網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)的BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器掛在管理層網(wǎng)絡(luò)上，現(xiàn)場控制器則接入控制層網(wǎng)絡(luò)中，完 成DDC控制器與DDC控制器之間、DDC控制器與管理工作站之間的數(shù)據(jù)通信。在傳統(tǒng) 的BAS通信架構(gòu)中，管理 層 網(wǎng) 絡(luò) 主要為以太網(wǎng)；而控制層網(wǎng)絡(luò)一般為總線結(jié)構(gòu)，如Lonworks、BACnet、CAN 或其他廠家自主總線，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在圖1中，BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及管理分站（客戶端）構(gòu)成管理層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備安裝于管理服務(wù)器內(nèi)部的PCI插槽上，或在管理服務(wù)器外通過串口等端口聯(lián)接BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、并管理著基于RS485的各種通信總線或Lonworks通信總線。RS485屬于低速總線，為主從模式，通信協(xié)議包括：BACnet MS/TP、MODBUS、BLN（siemens專有）、C-Bus（honeywell專有）及N2（JOHNSON專有）。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新及網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備的更新?lián)Q代，BAS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如圖2。

在圖2中，網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備的功能得到了很大的提升，它直接接入以太網(wǎng)與BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及管理分站（客戶端）構(gòu)成管理層網(wǎng)絡(luò)，并管理著基于RS485的各種通信總線或Lonworks通信總線的控制層網(wǎng)絡(luò)。Lonworks為對等通信網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)地位均等、無主節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換采用點(diǎn)對點(diǎn)（peer to peer）方式，Lonworks網(wǎng)絡(luò)為是Echelon公司專利技術(shù)授權(quán)使用。如果控制層網(wǎng)絡(luò)采用的是Lonworks，那么管理層網(wǎng)絡(luò)則是建立一個基于IP-852封裝的透明通道，將LonWorks協(xié)議數(shù)據(jù)封裝在該通道內(nèi)，經(jīng)由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。當(dāng)今隨著建筑規(guī)模的擴(kuò)大，BAS控制的機(jī)電設(shè)備也越來越多，兩三條總線已經(jīng)不能滿足建筑智能化的需求。在BAS規(guī)劃中會按照被控設(shè)備的多寡及建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將建筑物（群）分為若干個功能區(qū)域，每個功能區(qū)域布設(shè)一條通信總線，并在功能區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)位置放置一臺網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)管理該功能區(qū)域內(nèi)的DDC控制器。

由于總線技術(shù)發(fā)展方向及商業(yè)利益等原因，控制層網(wǎng)絡(luò)多種現(xiàn)場總線并存而互不兼容，導(dǎo)致系統(tǒng)的可互操作性只能在同一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；同時雙層通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，且易產(chǎn)生通信的速率瓶頸，為了解決這些問題同時亦是為了使通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境簡約化，BAS將以太網(wǎng)引入控制層，如圖3所示。

圖3中DDC控制器直接接入以太網(wǎng)與BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及管理分站（客戶端）構(gòu)成一個統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)的BAS中，DDC控制器與BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及管理分站（客戶端）之間的通信一般采用BACnet/IP協(xié)議。BACnet采用的OSI模型為參考模型，這種精簡的構(gòu)架允許樓宇自動化行業(yè)采用較低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的處理器。BACnet的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層傳輸技術(shù)也有六種之多，以太網(wǎng)是其最主要的一種。其采用碰撞檢測的模式來通信，不需要令牌，所以當(dāng)鏈路上沒有通信活動時節(jié)點(diǎn)就可以自由發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3是全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)的BAS，通過管理層和控制層的融合，實(shí)現(xiàn)了從管理層到控制層的管理一致性，即實(shí)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(kuò)展起來也比較方便，與智能建筑中其他系統(tǒng)集成起來更加容易?？梢?，全I(xiàn)P通信結(jié)構(gòu)，是樓宇控制系統(tǒng)通信的未來發(fā)展方向。

3 樓宇自控系統(tǒng)IP融合實(shí)驗(yàn)分析

建筑內(nèi)部IP承載網(wǎng)絡(luò)的融合，是建筑智能化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。BAS作為建筑智能化的主要系統(tǒng)，在智能化各子系統(tǒng)通信平臺融合后如何被可靠承載，需要通過有效的實(shí)驗(yàn)測試，得到量化的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，才能為網(wǎng)絡(luò)策略的制定提供可靠的依據(jù)。

目前在智能建筑領(lǐng)域，BAS全I(xiàn)P化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尚未得到全面的普及，并且在采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時BAS廠商均建議針對BAS建立獨(dú)立的IP網(wǎng)絡(luò)，這與我們一直努力搭建“智能化系統(tǒng)一網(wǎng)到底”的期望有很大差距。BAS廠商之所以建議單獨(dú)組網(wǎng)，是因?yàn)樵谥悄艽髲B內(nèi)搭建的IP網(wǎng)絡(luò)一般為商用以太網(wǎng)，辦公環(huán)境中的商用以太網(wǎng)對響應(yīng)的實(shí)時性一般沒有特別的要求，而且IP網(wǎng)絡(luò)是“盡力而為”的服務(wù)模式，是個不確定性網(wǎng)絡(luò)，信息交互會出現(xiàn)時延和抖動現(xiàn)象。如果將這種商用以太網(wǎng)作為融合多個智能化子系統(tǒng)的通信平臺來使用，在不做任何網(wǎng)絡(luò)策略的保障下，很難滿足BAS系統(tǒng)對控制實(shí)時性與確定性的要求，這正是導(dǎo)致BAS系統(tǒng)廠商建議單獨(dú)組網(wǎng)的原因。

我們希望通過實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)BAS系統(tǒng)的IP通信特性，并依此找出保障融合承載平臺可靠通信的網(wǎng)絡(luò)策略。由于圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前BAS主流廠商均支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且圖3的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分析和測試相對圖2要容易得多，因?yàn)橹虚g不存在多協(xié)議數(shù)據(jù)包的二次封裝環(huán)節(jié)。另外，本網(wǎng)絡(luò)測試需要設(shè)備商對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度支持，而當(dāng)前歐美品牌的產(chǎn)品其核心技術(shù)人員在歐美，深度交流存在困難。故本次網(wǎng)絡(luò)融合試驗(yàn)我們選用同方泰德Techcon建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，其采用圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制層網(wǎng)絡(luò)選用Lonworks協(xié)議。系統(tǒng)中需要IP網(wǎng)絡(luò)承載的設(shè)備有BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、BA管理客戶端、網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備（通過Lonworks總線接入DDC）。

3.1 典型應(yīng)用場景

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃首先選取典型應(yīng)用場景，該建筑是一幢高156.1m、地下2層、地上35層的商用辦公樓。系統(tǒng)被控機(jī)電設(shè)備包含：冷凍站、換熱站、集水坑、送/排風(fēng)機(jī)、生活水泵、生活水池、熱風(fēng)幕、直接蒸發(fā)式新風(fēng)機(jī)組、吊裝式空調(diào)機(jī)組、走道照明、空調(diào)/采暖膨脹水箱、空調(diào)/采暖換熱、航空障礙照明和電梯。

BAS 監(jiān)控點(diǎn)2 890點(diǎn)（DI：1 595點(diǎn) ；AI：387點(diǎn)；DO：654點(diǎn)；AO：254點(diǎn)），其中主樓2 038點(diǎn)，地下室852點(diǎn)。BAS中控室設(shè)于1層BA設(shè)備監(jiān)控主機(jī)房，設(shè)置BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器1臺，BA管理客戶端1臺。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)融合試驗(yàn)BAS產(chǎn)品選用同方泰德公司的Techcon建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

BAS采用管理層和控制層兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，管理層由BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、管理分站（客戶端）及網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備構(gòu)成，采用建筑智能化網(wǎng)BINet；管理層網(wǎng)絡(luò)除了將系統(tǒng)自身的管理設(shè)備連接起來外，還將建筑物中其他相關(guān)系統(tǒng)和獨(dú)立的智能化系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信、信息共享以及其他廠商設(shè)備和系統(tǒng)的通信?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線LonWorks，所有控制器能通過控制層網(wǎng)絡(luò)以LonWorks總線方式通信，通過網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備以太網(wǎng)路由器將數(shù)據(jù)上傳至中控室。

在系統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu)中，無論是管理層還是控制層，均具有同層資源共享功能。在系統(tǒng)主機(jī)發(fā)生故障時，所有控制模塊之間仍保持通信和數(shù)據(jù)的交換，而倘若任何一個控制模塊掉線，其余控制網(wǎng)絡(luò)的全部現(xiàn)場控制器之間亦能保持點(diǎn)對點(diǎn)無主從的方式進(jìn)行直接通信，從而保障系統(tǒng)不間斷的可靠運(yùn)行。

表1 業(yè)務(wù)流分類表

根據(jù)被控設(shè)備的物理分布，以及所選系統(tǒng)的特點(diǎn)，辦公區(qū)共設(shè)計(jì)6條總線。其中主樓東、西兩側(cè)的高、低區(qū)各設(shè)計(jì)1條總線；地下1層、地下2層各設(shè)計(jì)一條總線。Techcon樓控系統(tǒng)主要由BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、管理客戶端、i.LON 600 LonWorks/IP路由器、MPR50路由器及Techcon控制器（DDC）組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖4。

1）BA數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及管理客戶端（工作站）由主流電腦及Techcon新一代數(shù)據(jù)采集組態(tài)軟件Techvue組成。

2）網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備由i.LON 600 LonWorks/IP路由器及MPR50多端口路由器組成。i.LON 600 LonWorks/IP路由器能夠提供一個可靠的、安全的Internet通道，形成無縫的對等網(wǎng)絡(luò)，對所有應(yīng)用來說是透明的。本試驗(yàn)典型應(yīng)用場景BAS設(shè)置兩套網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，分別管理四條和兩條LonWork總線。

3）DDC控制器選用Techcon09系列高性能控制器，它是含有微處理器的可自由編程的控制器，內(nèi)置Echelon公司的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip），收發(fā)器FTT-10A通信速率為78.8Kbps，并通過LonMark認(rèn)證。

3.3 典型業(yè)務(wù)流量分析

本次試驗(yàn)采用的Techcon樓控系統(tǒng)，本質(zhì)上是基于LonWorks協(xié)議的工控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)所關(guān)注的各類典型業(yè)務(wù)產(chǎn)生的報文交互都是DDC與數(shù)據(jù)管理服務(wù)器之間通過LonWorks協(xié)議進(jìn)行的。而在以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腄DC與數(shù)據(jù)管理服務(wù)器之間的交互報文被加上了特定封裝統(tǒng)一傳輸，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無法根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容予以區(qū)分并分別保障。因此，只能將各類業(yè)務(wù)流按網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可區(qū)分的特征進(jìn)行歸類，并按歸類后的業(yè)務(wù)流進(jìn)行保障。歸類后的業(yè)務(wù)流如表1所示。

1）管理工作站訪問數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的TCP數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示及指令下發(fā)等業(yè)務(wù)功能，具有突發(fā)流量相對較大，對網(wǎng)絡(luò)時延、抖動和丟包不敏感的特征。

2）數(shù)據(jù)管理服務(wù)器發(fā)起的IP-852隧道維護(hù)報文流，用于在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上建立、維護(hù)及終結(jié)IP-852隧道，隧道維護(hù)報文基于UDP協(xié)議，對網(wǎng)絡(luò)時延有要求（缺省要求小于50ms，可以在建隧道時手動更改），對抖動和丟包不敏感。

3）數(shù)據(jù)管理服務(wù)器與DDC之間的報文交互數(shù)據(jù)流，是數(shù)據(jù)管理服務(wù)器發(fā)起的數(shù)據(jù)查詢報文、指令下發(fā)報文、狀態(tài)輪詢報文，DDC發(fā)出的告警報文及他們的應(yīng)答報文，全部基于LonWorks協(xié) 議，封 裝 于IP-852隧道中。

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Techcon系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及通信流量特性，我們將所有設(shè)備位于同一個VLAN內(nèi)。手動設(shè)置各設(shè)備IP地址、用戶權(quán)限等以保證BAS的正常工作。

表2 Techcon樓控系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流的傳輸測試表

由于BAS系統(tǒng)基于工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，DDC控制器內(nèi)具有針對通信的保證機(jī)制，系統(tǒng)數(shù)據(jù)包小而多。系統(tǒng)的三種數(shù)據(jù)流對通信網(wǎng)絡(luò)的延遲有一定的容忍度，而對丟包卻比較敏感，故網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過QoS等策略保證了BAS在網(wǎng)絡(luò)上的可靠傳輸。

對Techcon樓控系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流的傳輸測試如表2所示。

由以上測試結(jié)果可以看出，Techcon樓控系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流在承載網(wǎng)絡(luò)上的傳輸指標(biāo)完全滿足樓控系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求，其運(yùn)行情況良好，系統(tǒng)可在測試承載網(wǎng)絡(luò)上穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)意義、價值與發(fā)現(xiàn)

本次實(shí)驗(yàn)僅選取了Techcon樓控系統(tǒng)，采用了IP網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、LonWorks總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖2）進(jìn)行測試，通過實(shí)驗(yàn)我們?nèi)〉昧擞袃r值的成果：

1）本次試驗(yàn)提出了BAS系統(tǒng)IP通信特性的分析方法，如BAS網(wǎng)絡(luò)通信的業(yè)務(wù)傳輸類別、數(shù)據(jù)流大小、數(shù)據(jù)流方向及數(shù)據(jù)端口區(qū)分等，并向siemens、honeywell產(chǎn)品商發(fā)放了《IP通信需求調(diào)研文檔》，進(jìn)一步了解各廠家DDC控制器的IP通信業(yè)務(wù)需求。

2）BAS是一套分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制運(yùn)算及控制邏輯主要是在各個DDC控制器中進(jìn)行，IP網(wǎng)絡(luò)只是一個承載網(wǎng)絡(luò)，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)包較小對網(wǎng)絡(luò)需求小，故IP融合承載的風(fēng)險相對較小。

3）基于測試結(jié)果分析得知，BA業(yè)務(wù)產(chǎn)生的報文交互都是DDC與數(shù)據(jù)管理服務(wù)器之間、DDC與DDC之間進(jìn)行交互的，以太網(wǎng)僅僅作為一個承載介質(zhì)存在。只要通過合理的網(wǎng)絡(luò)配置、流量管理手段，BAS的業(yè)務(wù)流對通信中時延、抖動、丟包的影響都能控制在合理的范圍內(nèi)。

4）將以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于智能化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管理層至控制層的通信協(xié)議統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)了建筑智能化網(wǎng)絡(luò)與樓宇控制網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，這也是智能建筑全面集成的一個基礎(chǔ)。

5）對于智能建筑集成商而言，采用IP網(wǎng)絡(luò)融合方式，通信網(wǎng)絡(luò)由建筑智能化網(wǎng)統(tǒng)一布設(shè)，簡化了BAS通信網(wǎng)絡(luò)、降低了BAS系統(tǒng)設(shè)備投資，降低了維護(hù)保養(yǎng)難度。

[1]張少軍. 以太網(wǎng)技術(shù)在樓宇自控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[M]. 北京：.機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.