樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

張宇暉

（中央電視臺(tái)臺(tái)辦中心保衛(wèi)處消防監(jiān)控中心，中國 北京100022）

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，近些年來我國的樓宇自動(dòng)化控制技術(shù)得到了長足的提升。所謂樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)是一種基于科學(xué)技術(shù)進(jìn)行高度自動(dòng)化管理和控制的系統(tǒng)機(jī)制，通過這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對樓宇內(nèi)各種設(shè)備的一鍵管理。這里的科學(xué)技術(shù)包含了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，能夠統(tǒng)一管理的設(shè)備則包括空調(diào)系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、電梯、消防系統(tǒng)、照明設(shè)備等等。樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以大大減輕管理難度和人工成本，具有高效率性和環(huán)保節(jié)能性?？梢哉f自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展在一定程度上決定了智能樓宇未來的發(fā)展方向。

1 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.1 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展歷程

樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)緊握科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展潮流，在三四十余年時(shí)間里一共經(jīng)歷了四個(gè)階段的發(fā)展歷程。第一階段是始于1970年代的CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)。其原理為通過設(shè)置信息采集站于建筑物各處，然后將總線與中央站連接起來，創(chuàng)建CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的樞紐是中央計(jì)算機(jī)，通過接收處理信息采集站的信息，做出相應(yīng)的決策并發(fā)出命令，調(diào)節(jié)樓宇內(nèi)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。第二階段是1980年代的DCS集散控制系統(tǒng)。其實(shí)年代的信息采集器進(jìn)化成了80年代的科技產(chǎn)物：數(shù)字控制器。通過為每一個(gè)數(shù)字控制器配置集散式控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，每一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字控制器都可以顯示、處理采集到的信息，只需要在其上布設(shè)一個(gè)起到監(jiān)視作用的中央電腦，就可以實(shí)現(xiàn)分站完全自主處理信息的功能。第三階段是1990年代的開放式集散系統(tǒng)。通過應(yīng)用ON現(xiàn)場總線，布設(shè)三層結(jié)構(gòu)的BAS控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成中央站、DDC分站、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層的輸入輸出結(jié)構(gòu)，這就使得整個(gè)系統(tǒng)更加具有開放性，對于系統(tǒng)的配置和管理也更加靈活。第四階段是進(jìn)入21世紀(jì)之后的網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有一個(gè)中央主控站，將子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組合，諸如消防、安全、照明、溫度等，然后統(tǒng)一集成管理，更加方便快捷。

在跨越四十年的發(fā)展歷程中，樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)最大的變化就是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）取代了分布式控制系統(tǒng)（DCS）。雖然DCS擁有較好的模擬、操作和管理性能，但是費(fèi)用高、可靠性差、系統(tǒng)開放性差是制約其發(fā)展的瓶頸。而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起，其上烙印了典型的現(xiàn)代科技，具有更高更強(qiáng)的可控性和科學(xué)性。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是簡單了系統(tǒng)布線方法，提高了操作性和維護(hù)性，優(yōu)化了實(shí)時(shí)性，并且降低了成本。

1.2 以太網(wǎng)開始進(jìn)入樓宇自控領(lǐng)域

以太網(wǎng)一直都是局域網(wǎng)構(gòu)建中的核心技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，而隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，以太網(wǎng)中的站點(diǎn)完成了單獨(dú)收發(fā)數(shù)據(jù)信息的進(jìn)化，這就減少了物理層數(shù)據(jù)的碰撞、擁塞和緩存，為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的思路。而在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，基于以太網(wǎng)的工業(yè)交換機(jī)產(chǎn)品大幅增加，基于現(xiàn)場總線的開放式以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也紛紛涌現(xiàn)。比如ODVA、CI、HSE、Profinet等。以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)合，彌補(bǔ)了各方的缺點(diǎn)，使得工業(yè)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逐漸成形，而其在工業(yè)控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用直接促成了其在樓宇控制系統(tǒng)中的快速發(fā)展，從最初的信息層道控制層，以太網(wǎng)被越來越多的應(yīng)用。

太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，那就是實(shí)現(xiàn)了從信息網(wǎng)到控制層的完美過渡，實(shí)現(xiàn)了各層統(tǒng)一，對這樣系統(tǒng)的開發(fā)和管理也就更加便捷，也實(shí)現(xiàn)了和智能樓宇中其他系統(tǒng)的快速完美融合。但是同時(shí)需要認(rèn)識(shí)到時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成研究還處于起步階段，因?yàn)榭蒲谐杀据^高，產(chǎn)品較少，就會(huì)導(dǎo)致用戶選擇不多同時(shí)推廣性也會(huì)受到阻礙，還有就是以太網(wǎng)的維護(hù)性、實(shí)時(shí)性還需要時(shí)間的考證。

2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能

2.1 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成

樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常包括空調(diào)、消防、供電、電梯、安全管理、給排水等子系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^以太網(wǎng)技術(shù)，建立通訊網(wǎng)絡(luò)，集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，建立控制層、管理層和設(shè)備層，實(shí)現(xiàn)操作站和網(wǎng)絡(luò)控制單元之間的連接。采用傳送控制協(xié)議/協(xié)議，建立用戶數(shù)據(jù)協(xié)議，構(gòu)建OPC服務(wù)器，既集中完成控制端對所有設(shè)備的管理，也可以實(shí)現(xiàn)用戶對客戶端的自由訪問，而避免了親自查看設(shè)備的繁冗過程。通過增加網(wǎng)絡(luò)控制單元可以實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)每一個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控、共享和管理，通過相應(yīng)的多種統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能，可以在一定的情況下可以代替操作站功能，完成手提式應(yīng)急信息處理和指令控制。

2.2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的功能

樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本功能有以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)對眾多子系統(tǒng)啟動(dòng)和停止的控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

（2）收集設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，完成設(shè)備一生運(yùn)行的技術(shù)性數(shù)據(jù)分析；

（3）根據(jù)外界環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；

（4）監(jiān)視樓宇各系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障及突發(fā)事件，并配置一整套處理方案；

（5）實(shí)現(xiàn)對水電、煤氣等科學(xué)管理，節(jié)能高效自動(dòng)；

（6）針對各子系統(tǒng)中的設(shè)備，保存一份包含運(yùn)行檔案、歷史、維修情況的設(shè)備管理報(bào)表，以供參閱。

3 樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的最主要功能還是實(shí)現(xiàn)對樓宇內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，對比分析運(yùn)算，保證在任何情況下設(shè)備都能正常運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)快捷簡單的遠(yuǎn)程監(jiān)控。最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是大大減少了事故發(fā)生的概率，也就相應(yīng)地延長了設(shè)備的使用壽命。通過這樣集約化的控制和管理，實(shí)現(xiàn)對各子系統(tǒng)統(tǒng)一而有序的管理，使其健康運(yùn)行，充分發(fā)揮各個(gè)系統(tǒng)的功能，為智能樓宇的建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這里以最具有代表性的高層、現(xiàn)代化智能大樓作為設(shè)計(jì)對象，就自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的創(chuàng)設(shè)關(guān)鍵技術(shù)作簡要闡述。

如同前文所述，樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)必須要首先保證子系統(tǒng)的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)有序運(yùn)轉(zhuǎn)和靈活自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而減輕人員管理，節(jié)約勞動(dòng)力資源和資金成本。這里設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是基于一般業(yè)主的要求和極高的性價(jià)比，采用最優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)出一套可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)集中管理和分散管理的自控系統(tǒng)。比如著名的BACTalk樓宇管理系統(tǒng)，它是一種基于BMS的自控系統(tǒng)，可以將消防系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯等集中在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行控制，并且具有先進(jìn)的現(xiàn)場控制器以及和其他系統(tǒng)設(shè)備的開放性接口。根據(jù)現(xiàn)代高層大樓的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一下需要主要監(jiān)控的子系統(tǒng)：電梯系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、照明共點(diǎn)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。

3.2 樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和依據(jù)

在設(shè)計(jì)一個(gè)樓宇自動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，必須遵循以下的原則。首先是可靠性?？煽啃允菣z驗(yàn)一個(gè)自控系統(tǒng)是否合格的第一標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先采用分布式的控制系統(tǒng)，將自動(dòng)控制的任務(wù)交給很多現(xiàn)場處理器完成，這樣可以避免因?yàn)閱为?dú)的處理器出現(xiàn)故障而影響整個(gè)系統(tǒng)健康運(yùn)行的情況?？煽啃缘牧硪粋€(gè)表現(xiàn)就是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和記錄的準(zhǔn)確性，不能誤報(bào)，也不能有故障而不報(bào)，所以對于系統(tǒng)硬件和軟件的要求極為嚴(yán)格。其次是靈活擴(kuò)展性。樓宇自動(dòng)系統(tǒng)和其他的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣，都會(huì)伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)行進(jìn)化和升級。我們在建立了初始系統(tǒng)之后，應(yīng)該考慮到伴隨著科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展，原始系統(tǒng)勢必要進(jìn)行優(yōu)化和升級，所以這對系統(tǒng)的可擴(kuò)展性提出了一個(gè)新的要求。當(dāng)然靈活性也很重要，主要表現(xiàn)在現(xiàn)場控制器的增減不能影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的組成和功能應(yīng)用都必須具備靈活性，便于隨著外界環(huán)境的改變而改變系統(tǒng)。第三是實(shí)用性。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總歸是要應(yīng)用的，這要求設(shè)計(jì)人員從高深的科學(xué)信息技術(shù)中提取出便于應(yīng)用的普通知識(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)樓宇的多功能性實(shí)現(xiàn)不同需求的給予和完成。是否方便快捷是實(shí)用性是否合格的另一個(gè)標(biāo)志。管理方式是否合理簡約是檢驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)是否成熟的重要標(biāo)志，一個(gè)好的樓宇控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)樓宇各子系統(tǒng)資料內(nèi)容的完美綜合，并且統(tǒng)一呈現(xiàn)在中央層，減小了管理難度。最后是經(jīng)濟(jì)性。我們要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取最為精準(zhǔn)和尖端的技術(shù)，但是也要考慮到實(shí)際需求高度。采用現(xiàn)場處理器應(yīng)該可以滿足相當(dāng)長時(shí)間之內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以要合理規(guī)劃，切不可盲目投資。

樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要以相應(yīng)的電氣圖紙和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為基礎(chǔ)，然后需要滿足國家及其他國際標(biāo)準(zhǔn)。比如建設(shè)設(shè)計(jì)防火系統(tǒng)、照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、電梯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、空調(diào)安裝及采風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工民建供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等等，對于需要設(shè)計(jì)的每一個(gè)子系統(tǒng)都應(yīng)該按照國家相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以此來實(shí)現(xiàn)各總線的集成。包含網(wǎng)絡(luò)層、控制層和設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)。其中設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依托CAN總線和Lonworks等，用以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)管理層和控制層之間的通信。

依據(jù)前文所述，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）更加開放、集散，同時(shí)便于維護(hù)、成本低，所以更加適合樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，輔以以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化控制。詳細(xì)設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 以太網(wǎng)構(gòu)成的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)簡圖

3.3.1 自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括管理層、控制層和設(shè)備層?，F(xiàn)場控制器之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信構(gòu)成的智能監(jiān)控區(qū)域?qū)泳褪强刂茖?，CAN總線、Lonworks總線上都布設(shè)有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)；管理層則包括中央主控機(jī)和分系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建管理層，管理層中的操作站可以控制中央計(jì)算機(jī)，對各子系統(tǒng)進(jìn)行集成統(tǒng)一指令管理，并對系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；設(shè)備層就是樓宇內(nèi)的各機(jī)電設(shè)備，在控制層的管理下按照預(yù)設(shè)程序運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3.2 自控系統(tǒng)集成技術(shù)

OPC技術(shù)可以標(biāo)準(zhǔn)化控制層和管理層之間的設(shè)備數(shù)據(jù)信息交換，并且加快數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，同時(shí)降低成本。在樓宇自動(dòng)系統(tǒng)中選擇OPC，需要根據(jù)不同的子系統(tǒng)以及需要實(shí)現(xiàn)的功能來開發(fā)相應(yīng)的OPC服務(wù)器，完成設(shè)備層的獨(dú)立數(shù)據(jù)采集。

一個(gè)完整的OPC服務(wù)器包括標(biāo)準(zhǔn)接口和用于通訊的接口兩部分。利用ASP.NET2005對兩個(gè)接口進(jìn)行開發(fā)，也就實(shí)現(xiàn)了OPC服務(wù)器的開發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)接口的開發(fā)因?yàn)閿?shù)據(jù)庫而變得簡單，用于通訊的接口開發(fā)需要特定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)采集模式來編寫特定的動(dòng)態(tài)鏈接庫。以此來構(gòu)建的OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 OPC服務(wù)器總體結(jié)構(gòu)簡圖

通過該結(jié)構(gòu)調(diào)用API函數(shù)，記錄、注銷服務(wù)器數(shù)據(jù)信息，并且按照特定的接口模塊，讀寫交換數(shù)據(jù)，隨即封裝讀寫的信息來滿足客戶端的需求。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是函數(shù)的調(diào)用來建立動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過ASP.NET2005的DLL調(diào)用來構(gòu)建API函數(shù)原型。常用的通信協(xié)議一般為TCP/IP協(xié)議，通過通信接口來讀寫封裝的信息可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)端和客戶端的數(shù)據(jù)共同訪問，操作者在進(jìn)行數(shù)據(jù)管理控制的時(shí)候不需要到每一個(gè)硬件設(shè)備中進(jìn)行采集，只需要查看子系統(tǒng)相應(yīng)的OPC服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自主收集。有了這些數(shù)據(jù)也就有了自控各子系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料，通過一定的分析和處理，就可以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)一呈現(xiàn)，極大方便了后續(xù)的自動(dòng)化控制管理。這就是一個(gè)完整的樓宇自動(dòng)控制過程。

4 結(jié)論

智能建筑正在成為未來建筑的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備系統(tǒng)的集中有序管理是實(shí)現(xiàn)社會(huì)節(jié)能理念和勞動(dòng)力節(jié)約的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？茖W(xué)信息技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)一個(gè)可靠實(shí)時(shí)成本低的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了可能。利用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本著可靠靈活使用的目標(biāo)，以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，集成CAN和Lonworks總線技術(shù)，利用OPC技術(shù)創(chuàng)設(shè)服務(wù)器，可以快速且準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)諸如消防、照明、電梯、空調(diào)、溫度、供電等系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)集成，同時(shí)也可以集散控制樓宇中的子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整故障，減少人員管理成本，保證樓宇健康安全高效運(yùn)行。在建筑面積越來越大、高度越來越高的現(xiàn)代社會(huì)，自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必定可以大大完善樓宇內(nèi)部功能，提供安全舒適的生活工作環(huán)境。

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