1 樓宇自動(dòng)化系統綜述

    目前日益流行的智能建筑(IntelligentBuidings)是建筑技術(shù)與計算機信息技術(shù)相結合的產(chǎn)物，是信息社會(huì )的需要，也是未來(lái)建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動(dòng)化系統(BuidingAutomationSystem，縮寫(xiě)為BAS)、通信自動(dòng)化系統(CAS)和辦公自動(dòng)化系統(OAS)三大系統組成。其中，樓宇自動(dòng)化系統是智能建筑中最基本和最重要的組成部分。樓宇自動(dòng)化系統是利用計算機及其網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)構建的高度自動(dòng)化的綜合管理和控制系統，將大樓內部各種設備連接到一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對其進(jìn)行綜合的控制，這些設備包括空調、照明設備、電梯、消防設備、安防設備等等。它確保建筑物內的舒適和安全的辦公環(huán)境，同時(shí)實(shí)現高效節能的要求。

    2 現場(chǎng)控制系統FCS的出現以及在樓宇自控中的應用

    上個(gè)世紀七八十年代，伴隨著(zhù)計算機可靠性提高，價(jià)格大幅下降，出現了由多個(gè)計算機遞階構成的集中、分散相結合的分布式控制系統(Distributed Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS)。DCS是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統。它的測量變送儀表一般是模擬儀表，因此它屬于一種模擬數字混合控制系統，這種系統較以前的各種控制系統有了較大的進(jìn)步。DCS在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，也開(kāi)始應用到樓宇自動(dòng)化控制領(lǐng)域，但是DCS存在如下一些缺點(diǎn)：

    (1) 安裝費用高:采用一臺儀表、一對傳輸線(xiàn)的接線(xiàn)方式，導致接線(xiàn)龐雜、工程周期長(cháng)、安裝費用高、維護困難；

    (2) 可靠性差:模擬信號傳輸精度低，而且抗干擾性差；

    (3) 系統封閉:各廠(chǎng)家的產(chǎn)品自成系統，系統封閉、不開(kāi)放，難以實(shí)現產(chǎn)品的互換與互操作以及組成更大范圍的網(wǎng)絡(luò )系統。

    上個(gè)世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，出現了基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統(FCS)，FCS克服了DCS的缺點(diǎn)，它是一種全數字化的、全分散的、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式互連的新一代控制系統。目前，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)，備受?chē)鴥韧庾詣?dòng)化設備制造商與用戶(hù)的關(guān)注。FCS極大地簡(jiǎn)化了傳統控制系統繁瑣且技術(shù)含量較低的布線(xiàn)工作量，使其系統檢測和控制單元的分布更趨合理。與傳統的DCS(分布式控制系統)相比，FCS具有可靠性高、可維護性好、成本低、實(shí)時(shí)性好、實(shí)現了控制管理一體化的結構體系等優(yōu)點(diǎn)?，F場(chǎng)總線(xiàn)的出現，為工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)了一場(chǎng)深層次的革命，從而開(kāi)創(chuàng )了工業(yè)自動(dòng)控制的新紀元，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。鑒于FCS的許多優(yōu)點(diǎn)，控制專(zhuān)家們紛紛預言“FCS將取代DCS成為21世紀控制系統的主流?！爆F在，FCS已經(jīng)被應用到樓宇自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

    2.1 應用于樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)

    由于誘人的市場(chǎng)商機和不同的應用領(lǐng)域的存在，世界一些大公司或公司聯(lián)盟紛紛提出自己的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準。據不完全統計，目前國際上有40種宣稱(chēng)為開(kāi)放型的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。這些協(xié)議根據國際標準化組織(ISO)的計算機網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放式互連系統的OSI參考模型來(lái)制定的。大多數現場(chǎng)總線(xiàn)只是用其中的一、二和七層協(xié)議。于是現場(chǎng)總線(xiàn)呈現雜亂紛呈的局面。在這些現場(chǎng)總線(xiàn)中不乏優(yōu)異的現場(chǎng)總線(xiàn)，如CAN、Modbus、Profibus、Lonworks、BACnet、DeviceNet等等。其中Lonworks、BACnet、CAN、EIB等現場(chǎng)總線(xiàn)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了較廣泛的應用。盡管基于現場(chǎng)總線(xiàn)的FCS克服了DCS的許多缺點(diǎn)，但還是有一些不如人意的地方，最明顯的缺點(diǎn)：多種現場(chǎng)總線(xiàn)并存而互不兼容，導致FCS的可互操作性只能在同一種現場(chǎng)總線(xiàn)系統中實(shí)現。后面將對FCS的缺點(diǎn)做進(jìn)一步說(shuō)明。

    (1) LonWorks

    美國Wchelom公司1991年推出了EON(Local OperrationgNetworks)技術(shù)，又稱(chēng)Lonworks技術(shù)。它得到了眾多計算機廠(chǎng)家、系統集成商、儀器儀表以及軟件公司的大力支持，已經(jīng)在樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、電力系統供配、消防監控、停車(chē)場(chǎng)管理等領(lǐng)域獲得廣泛應用。具體地說(shuō)LonWorks具有以下優(yōu)點(diǎn)：
   
    ① 網(wǎng)絡(luò )結構靈活、組網(wǎng)方便。它支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲形式，包括總線(xiàn)型、星型、樹(shù)型、自由拓撲型等，這樣可適應復雜的現場(chǎng)環(huán)境，方便現場(chǎng)布線(xiàn)；

    ②支持多種傳輸介質(zhì)。包括雙絞線(xiàn)、同軸電纜、電力線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)射頻等；兩種傳輸速率：78bps和1.25Mbps，最大傳輸距離由網(wǎng)絡(luò )拓撲形式和傳輸介質(zhì)決定，一般可從500m到2700m?？山尤说墓濣c(diǎn)最多為32385個(gè)；

    ③完善的開(kāi)發(fā)工具。提供完善的系統開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用開(kāi)放的NEURONC語(yǔ)言，它是ANSIC語(yǔ)言的擴展；

    ④無(wú)主的網(wǎng)絡(luò )系統。LonWorks網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的地位相同，網(wǎng)絡(luò )管理可設在任一節點(diǎn)處，并可安裝多個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理器；

    ⑤開(kāi)發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)間較短，也易于維護。LonWorks采用的LonTMk協(xié)議固化在Echelon公司的Neuron芯片中，這樣可以節省開(kāi)發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)間，也方便維護。

    同其它現場(chǎng)總線(xiàn)一樣，LonWorks也有自身的缺點(diǎn)。首先，LonWorks的實(shí)時(shí)性、處理大量數據的能力有些欠缺；其次，由于LonWorks依賴(lài)于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全開(kāi)放性也受到一些質(zhì)疑。盡管LonWorks存在一些不足，但是LonWorks的FCS還在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。世界上有2萬(wàn)多家OEM廠(chǎng)商生產(chǎn)LonWorks相關(guān)產(chǎn)品，其中種類(lèi)已達3500多種。 目前世界上已安裝有500多萬(wàn)個(gè)LonWorks節點(diǎn)，LonTMk協(xié)議也被接納為歐洲CENTC247、CEN TC205的一部分。自1996年以來(lái)，LonWorks也開(kāi)始在國內獲得大量的應用。在建設部的支持下，國內一些研究所和企業(yè)開(kāi)始陸續開(kāi)發(fā)出基于LonWorks的樓宇自動(dòng)化控制系統，并在一些新建智能大廈和建設部智能化小區試點(diǎn)工程中得到應用。

    (2) BACnet

    BACnet是作為世界上第一個(gè)樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )的數據通信協(xié)議。它代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢。BACnet不是軟件或硬件，也不是固件，嚴格地說(shuō)，BACnet并不是現場(chǎng)總線(xiàn)，而是一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，即通信規則。為不同商家產(chǎn)品的系統之間進(jìn)行信息交流提供平臺和支持。BACnet詳細闡述了系統組成單元相互分享數據實(shí)現的途徑、使用的通信介質(zhì)、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規則。BACnet采用了Ethernet、ARCNET、MS／TP、PTP、LonTalk五種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行通信?？筛鶕到y通信是和通信速度選擇不同的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。相對其它現場(chǎng)總線(xiàn)，BACnet標準最大的優(yōu)點(diǎn)是可以與Ethernet、LonWorks等網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)縫集成。不過(guò)BACnet主要為解決不同廠(chǎng)家的樓宇自控系統相互間的通訊問(wèn)題設計，并不太適用于智能傳感器、執行器等末端設備。BACnet標準已在全球得到了廣泛的應用，全球生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)樓宇設備和樓宇自控設備的主要廠(chǎng)商均支持BACnet標準。BACnet在不到10年的時(shí)間內就從一個(gè)行業(yè)學(xué)會(huì )標準迅速成為樓宇自控領(lǐng)域中唯一的ISO標準。雖然我國是WTO和ISO成員國，但是BACnet在我國建筑領(lǐng)域中的應用范圍還是相對較小，而且在工程中采用的BACnet產(chǎn)品和技術(shù)也基本上全部是從國外引進(jìn)的，還沒(méi)有真正意義上的國產(chǎn)化BACnet相關(guān)產(chǎn)品。

    (3) CAN

    CAN總線(xiàn)最初是德國B(niǎo)osch公司為汽車(chē)監控控制系統設計提出的，現在它已經(jīng)成為一種國際標準，在電力、石化、空調、建筑等行業(yè)均有應用。CAN具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    ①采用8字節的短幀傳送，故傳輸時(shí)間短、抗干擾性強；

    ②具有多種錯誤校驗方式，形成強大的差錯控制能力。而且在嚴重錯誤的情況下，節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)離線(xiàn)，避免影響總線(xiàn)上其它節點(diǎn)；

    ③采用無(wú)損壞的仲裁技術(shù)；

    ④CAN芯片不但價(jià)格低而且供應商多。

    CAN缺點(diǎn)是：CAN總線(xiàn)上最多可掛接110個(gè)節點(diǎn)，這不完全能滿(mǎn)足整個(gè)智能建筑的需要。不過(guò)可以通過(guò)利用中繼器進(jìn)行擴展，相對其它一些現場(chǎng)總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)技術(shù)比較簡(jiǎn)單，CAN相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費用也遠遠低于其它現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費用。因此，很早國內就有一些企業(yè)推出了基于CAN總線(xiàn)的樓宇自控的相關(guān)產(chǎn)品。如獅島、索龍集團開(kāi)發(fā)出了S2000樓宇自控系統。

    (4) EIB

    EIB是歐洲安裝總線(xiàn)(EuropeanlnstallationBus)的縮寫(xiě)。它在1990年被提出，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，成為歐洲最有影響的建筑智能化現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在歐洲得到了進(jìn)300家廠(chǎng)商的支持。1999年EIB被引進(jìn)中國的智能化建筑領(lǐng)域，并在上海同濟大學(xué)建立了EIB認證技術(shù)培訓中心。在短短的幾年里，國內的會(huì )展中心、博物館、辦公大樓、別墅等場(chǎng)所的燈光、窗簾、空調等控制和安防系統方面獲得了廣泛應用，如廈門(mén)國際會(huì )展中心、大連國貿中心、浙江人民大會(huì )堂等。國內的EIB項目基本上被ABB公司和SIMENS公司所壟斷。
 
    3 以太網(wǎng)開(kāi)始進(jìn)入樓宇自控領(lǐng)域

    以太網(wǎng)發(fā)展至今已有20年歷程，作為局域網(wǎng)組網(wǎng)的主要技術(shù)，以其簡(jiǎn)單、價(jià)廉、高帶寬、維護方便以及不斷發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)一直在局域網(wǎng)領(lǐng)域中牢牢占據著(zhù)統治地位。近年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)獲得了快速地發(fā)展。交換型和全雙功以太網(wǎng)的出現，克服了傳統以太網(wǎng)的共享公共傳輸媒體和半雙功傳輸的弱點(diǎn)，實(shí)現了站點(diǎn)獨占傳輸媒體并同時(shí)收發(fā)數據，也減少了網(wǎng)絡(luò )上的數據碰撞。以太網(wǎng)的標準不斷更新和擴展，目前的以太網(wǎng)不僅在物理層(包括拓撲結構、傳輸速率、傳輸媒體)，并且在數據鏈路層與原來(lái)的傳統以太網(wǎng)標準有了很大的進(jìn)步，以太網(wǎng)標準系列已擴展成20余個(gè)?，F在已太網(wǎng)不但由局域網(wǎng)向著(zhù)接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制和樓宇自控領(lǐng)域。新發(fā)布的IEEE802.3af標準開(kāi)始對以太網(wǎng)供電作出了規定，它消除了以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入現場(chǎng)控制領(lǐng)域的一個(gè)嚴重障礙。目前，3Com、華為、DLINK等公司開(kāi)始提供符合IEEE802.3af標準的交換機產(chǎn)品。另外，一些現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)會(huì )或組織也開(kāi)始提出基于其現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)放式以太網(wǎng)標準，即工業(yè)以太網(wǎng)標準，如ODVA(開(kāi)放DeviceNet供貨商協(xié)會(huì ))和CI (ContolNet國際組織)發(fā)布的EtherNet／IP標準、PP(現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì ))發(fā)布的HSE(HighSpeedEthernet，高速以太網(wǎng))、Profibus國際組織發(fā)布的ProfiNet。支持這些工業(yè)以太網(wǎng)標準的交換機、網(wǎng)卡等產(chǎn)品也開(kāi)始出現，如MOXA公司的EDS-508系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(支持EtherNet／IP)、北京航天華輝自動(dòng)化技術(shù)有限公司的AnyBus-S 10／100M(支持Ethemet／IP和Modbus／TCP)等。美國VDC(VentureDevelopmentCorp.)調查報告指出，Ethemet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應用將越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)占有率將從2000年的11％增加到2005年的23％。

    伴隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的成功應用，以太網(wǎng)技術(shù)也必將越來(lái)越多地滲透到樓宇自控領(lǐng)域。目前，以太網(wǎng)多用于基于現場(chǎng)總線(xiàn)的樓宇自控網(wǎng)絡(luò )集成到智能建筑中的信息網(wǎng)(如圖1所示)，在一些新開(kāi)發(fā)的樓宇自控系統中，以太網(wǎng)直接進(jìn)入了控制層，如北京樓宇自動(dòng)化中心開(kāi)發(fā)的基于以太網(wǎng)的ENC-20011P智能建筑測控系統。ENC-20011P控制系統的結構如圖2所示。一般的空調、照明等系統通過(guò)ENC參量控制模塊集成到以太網(wǎng)上；帶有RS232或RS485接口的系統通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉換模塊集成到以太網(wǎng)上；IP電話(huà)以及IP攝像機直接連接到以太網(wǎng)上。

圖1 樓宇自控網(wǎng)絡(luò )集成信息網(wǎng)

圖2 ENC-2001IP系統結構框圖

    在樓宇自控網(wǎng)絡(luò )中采用基于現場(chǎng)總線(xiàn)的FCS的優(yōu)點(diǎn)是：

    ①可靠性、實(shí)時(shí)性好?，F場(chǎng)總線(xiàn)為工業(yè)控制設計的，有屏蔽、接地與防爆等措施，同時(shí)其實(shí)時(shí)性也比采用CSMA／CD的以太網(wǎng)的時(shí)實(shí)性好；
    ②用戶(hù)的投資成本低?，F在，開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，有很多公司提供的相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。其缺點(diǎn)是：實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)無(wú)縫接人以太網(wǎng)復雜，當多種現場(chǎng)總線(xiàn)共存在一個(gè)系統中時(shí)，集成起來(lái)更復雜，系統的擴展性差。

    在樓宇自控網(wǎng)絡(luò )中采用以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現了從管理層(信息網(wǎng))到現場(chǎng)設備控制層(控制網(wǎng))的“一網(wǎng)到底”，即實(shí)現人們期望的通信協(xié)議的兼容和統一；這樣系統擴展起來(lái)也比較方便；與智能建筑中其它系統(信息網(wǎng)通信自動(dòng)化系統和辦公自動(dòng)化系統)集成起來(lái)更加容易。其缺點(diǎn)是：首先，目前開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的控制系統產(chǎn)品的難度較大，開(kāi)發(fā)費用和成本相對還是較高，用戶(hù)可以選擇的廠(chǎng)商也很有限，壟斷利潤較高，研發(fā)成本還沒(méi)有被消化，這些都導致產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高。其次，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等方面還有待進(jìn)一步完善。

    4 結束語(yǔ)

    就目前而言，不管是應用在樓宇自控網(wǎng)絡(luò )中的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的FCS還是以太網(wǎng)，都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，它們也必將會(huì )被進(jìn)一步完善。據統計，我國目前有從事樓宇自動(dòng)化業(yè)務(wù)的企業(yè)3000家以上，產(chǎn)品供應商約3000家。另外，隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑和社區的數字化建設正在興起，FCS和以太網(wǎng)都必將在樓宇自控領(lǐng)域中獲得更廣泛的應用，在今后相當長(cháng)的時(shí)間內，兩者在競爭的同時(shí)也將繼續并存。

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