樓宇自動化控制網絡技術的新發展

摘要：文章簡要介紹了樓宇自動化系統，分析了傳統集散控制系統和新興的現場總線控制系統優缺點以及應用，并介紹了樓宇自控領域中流行的4種現場總線，說明了以太網技術的發展以及在樓宇自控領域中的最新應用情況，對現場總線控制系統和以太網進行了比較。

1 樓宇自動化系統綜述
　　目前日益流行的智能建筑(IntelligentBuidings)是建筑技術與計算機信息技術相結合的產物，是信息社會的需要，也是未來建筑發展的方向。智能建筑主要由樓宇自動化系統(BuidingAutomationSystem，縮寫為BAS)、通信自動化系統(CAS)和辦公自動化系統(OAS)三大系統組成。其中，樓宇自動化系統是智能建筑中最基本和最重要的組成部分。樓宇自動化系統是利用計算機及其網絡技術、自動控制技術和通信技術構建的高度自動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控制網絡上，通過網絡對其進行綜合的控制，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境，同時實現高效節能的要求。

2 現場控制系統FCS的出現以及在樓宇自控中的應用
　　上個世紀七八十年代，伴隨著計算機可靠性提高，價格大幅下降，出現了由多個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，簡稱DCS)。DCS是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、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步。DCS在工業自動化控制領域獲得了廣泛的應用，也開始應用到樓宇自動化控制領域，但是DCS存在如下一些缺點：
　　 (1)安裝費用高。采用一臺儀表、一對傳輸線的接線方式，導致接線龐雜、工程周期長、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。各廠家的產品自成系統，系統封閉、不開放，難以實現產品的互換與互操作以及組成更大范圍的網絡系統。
　　上個世紀90年代以來，隨著控制技術、計算機技術、通信技術的發展，出現了基于現場總線的控制系統(FCS)，FCS克服了DCS的缺點，它是一種全數字化的、全分散的、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統。目前，現場總線技術已經成為自動化技術中的一個熱點，備受國內外自動化設備制造商與用戶的關注。FCS極大地簡化了傳統控制系統繁瑣且技術含量較低的布線工作量，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、實時性好、實現了控制管理一體化的結構體系等優點。現場總線的出現，為工業自動化帶來了一場深層次的革命，從而開創了工業自動控制的新紀元，被譽為自動化領域的計算機局域網。鑒于FCS的許多優點，控制專家們紛紛預言“FCS將取代DCS成為21世紀控制系統的主流。”現在，FCS已經被應用到樓宇自動化控制領域。　

2.1 應用于樓宇自動化領域的幾種現場總線
　　由于誘人的市場商機和不同的應用領域的存在，世界一些大公司或公司聯盟紛紛提出自己的現場總線協議標準。據不完全統計，目前國際上有40種宣稱為開放型的現場總線標準。這些協議根據國際標準化組織(ISO)的計算機網絡開放式互連系統的OSI參考模型來制定的。大多數現場總線只是用其中的一、二和七層協議。于是現場總線呈現雜亂紛呈的局面。在這些現場總線中不乏優異的現場總線，如CAN、Modbus、Profibus、Lonworks、BACnet、DeviceNet等等。其中Lonworks、BACnet、CAN、EIB等現場總線在樓宇自動化領域獲得了較廣泛的應用。盡管基于現場總線的FCS克服了DCS的許多缺點，但還是有一些不如人意的地方，最明顯的缺點：多種現場總線并存而互不兼容，導致FCS的可互操作性只能在同一種現場總線系統中實現。后面將對FCS的缺點做進一步說明。

　　(1)LonWorks 美國Wchelom公司1991年推出了EON(Local
OperrationgNetworks)技術，又稱Lonworks技術。它得到了眾多計算機廠家、系統集成商、儀器儀表以及軟件公司的大力支持，已經在樓宇自動化、工業自動化、電力系統供配、消防監控、停車場管理等領域獲得廣泛應用。具體地說LonWorks具有以下優點：
①網絡結構靈活、組網方便。它支持多種網絡拓撲形式，包括總線型、星型、樹型、自由拓撲型等，這樣可適應復雜的現場環境，方便現場布線；
②支持多種傳輸介質。包括雙絞線、同軸電纜、電力線、光纖、無線射頻等；兩種傳輸速率：78bps和1.25Mbps，最大傳輸距離由網絡拓撲形式和傳輸介質決定，一般可從500m到2700m。可接人的節點最多為32385個；
③完善的開發工具。提供完善的系統開發環境，采用開放的NEURONC語言，它是ANSIC語言的擴展；
④無主的網絡系統。LonWorks網絡中各節點的地位相同，網絡管理可設在任一節點處，并可安裝多個網絡管理器；
⑤開發LonWorks網絡節點的時間較短，也易于維護。LonWorks采用的LonTMk協議固化在Echelon公司的Neuron芯片中，這樣可以節省開發LonWorks網絡節點的時間，也方便維護。
同其它現場總線一樣，LonWorks也有自身的缺點。首先，LonWorks的實時性、處理大量數據的能力有些欠缺；其次，由于LonWorks依賴于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全開放性也受到一些質疑。盡管LonWorks存在一些不足，但是LonWorks的FCS還在樓宇自動化領域獲得了廣泛的應用。世界上有2萬多家OEM廠商生產LonWorks相關產品，其中種類已達3500多種。
　　目前世界上已安裝有500多萬個LonWorks節點，LonTMk協議也被接納為歐洲CENTC247、CEN TC205的一部分。
　　自1996年以來，LonWorks也開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開始陸續開發出基于LonWorks的樓宇自動化控制系統，并在一些新建智能大廈和建設部智能化小區試點工程中得到應用。

(2)BACnet
　　BACnet是作為世界上第一個樓宇自動控制網絡的數據通信協議。它代表了智能建筑發展的主流趨勢。BACnet不是軟件或硬件，也不是固件，嚴格地說，BACnet并不是現場總線，而是一種網絡協議，即通信規則。為不同商家產品的系統之間進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現的途徑、使用的通信介質、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五種網絡技術進行通信。可根據系統通信是和通信速度選擇不同的網絡技術。相對其它現場總線，BACnet標準最大的優點是可以與Ethernet、LonWorks等網絡進行無縫集成。不過BACnet主要為解決不同廠家的樓宇自控系統相互間的通訊問題設計，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，全球生產和經營樓宇設備和樓宇自控設備的主要廠商均支持BACnet標準。BACnet在不到10年的時間內就從一個行業學會標準迅速成為樓宇自控領域中唯一的ISO標準。雖然我國是WTO和ISO成員國，但是BACnet在我國建筑領域中的應用范圍還是相對較小，而且在工程中采用的BACnet產品和技術也基本上全部是從國外引進的，還沒有真正意義上的國產化BACnet相關產品。

(3)CAN
　　CAN總線最初是德國Bosch公司為汽車監控控制系統設計提出的，現在它已經成為一種國際標準，在電力、石化、空調、建筑等行業均有應用。CAN具有以下優點：
①采用8字節的短幀傳送，故傳輸時間短、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，節點會自動離線，避免影響總線上其它節點；
③采用無損壞的仲裁技術； ④CAN芯片不但價格低而且供應商多。
CAN缺點是：CAN總線上最多可掛接110個節點，這不完全能滿足整個智能建筑的需要。不過可以通過利用中繼器進行擴展，相對其它一些現場總線，CAN總線技術比較簡單，CAN相關產品的開發費用也遠遠低于其它現場總線技術產品的開發費用。因此，很早國內就有一些企業推出了基于CAN總線的樓宇自控的相關產品。如獅島、索龍集團開發出了S2000樓宇自控系統。

(4)EIB EIB是歐洲安裝總線(EuropeanlnstallationBus)的縮寫。
　　它在1990年被提出，經過十多年的發展，成為歐洲最有影響的建筑智能化現場總線標準，在歐洲得到了進300家廠商的支持。1999年EIB被引進中國的智能化建筑領域，并在上海同濟大學建立了EIB認證技術培訓中心。在短短的幾年里，國內的會展中心、博物館、辦公大樓、別墅等場所的燈光、窗簾、空調等控制和安防系統方面獲得了廣泛應用，如廈門國際會展中心、大連國貿中心、浙江人民大會堂等。國內的EIB項目基本上被ABB公司和SIMENS公司所壟斷。

3 以太網開始進入樓宇自控領域
　　以太網發展至今已有20年歷程，作為局域網組網的主要技術，以其簡單、價廉、高帶寬、維護方便以及不斷發展等優點一直在局域網領域中牢牢占據著統治地位。
　　近年來，以太網技術獲得了快速地發展。交換型和全雙功以太網的出現，克服了傳統以太網的共享公共傳輸媒體和半雙功傳輸的弱點，實現了站點獨占傳輸媒體并同時收發數據，也減少了網絡上的數據碰撞。以太網的標準不斷更新和擴展，目前的以太網不僅在物理層(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的傳統以太網標準有了很大的進步，以太網標準系列已擴展成20余個。現在已太網不但由局域網向著接入網和城域網領域發展，同時開始進入工業控制和樓宇自控領域。新發布的IEEE802.3af標準開始對以太網供電作出了規定，它消除了以太網技術進入現場控制領域的一個嚴重障礙。目前，3Com、華為、DLINK等公司開始提供符合IEEE802.3af標準的交換機產品。另外，一些現場總線的協會或組織也開<