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BACnet协议与集成智能楼宇控制系统

摘要： 文章以西门子楼宇 科技 APOGEE顶峰系统为例，详细介绍了支持BACnet协议的无缝隙集成智能楼宇控制系统的特点及其优点。

关键词： 智能楼宇 集成控制系统 BACnet APOGEE顶峰系统 l BACnet协议产生的背景 随着信息技术的高度 发展 ，智能建筑内各种控制功能不断增强，以致于不同厂商生产的设备共存于一个建筑物内。基于市场独占的目的，各个厂商基本都致力开发自己专有的通信协议，但是这些各种各样的通信协议和设备不但给智能建筑的系统集成和管理带来诸多不便，也使用户受限于厂商而使造价和使用、维护费用居高不下，因此制定一个开放的、统一的通信协议标准，实现无缝隙的集成控制系统势在必行。为创建使不同厂家的暖通空调子系统相连接的标准 方法 ，美国供暖制冷及空调工程师协会(American Society 0f Heating Refrigeration and Air ConditioningEn舀neers-ASHRAE)制定了一种开放标准，被称为“楼宇自动化和控制 网络 ，即BACnet(Building Automationand Control NETwork)。它通过建立一种统一的数据通信标准，使得设备间可以相互操作。2　无缝隙集成系统的定义 所谓无缝隙的集成系统就是要通过制定统一的、标准的通信协议使系统具备开放性和互操作性，并且提供全面的、端到端的解决方案，这三个条件缺一不可。开放性具有两层含义：一是指通信协议不为任何公司所独有；任何制造商都可以利用该统一的通信协议标准开发自己的产品；产品不仅可以单独销售也可以作为整体方案的一部分提供给用户。二是指系统满足楼宇的功能需求，易于扩展，并且可以兼容不同厂商的同类产品，允许用户选择质量更佳、价格更具竞争力的产品进行更换。互操作性是指设备在子系统内使用点对点的通信方式来共享信息，在子系统间不需网关和协议转换器等附加设备就可以实现信息的交换，值得注意的是系统内的设备是可以来自不同厂商的最优结合。仅仅来自同一厂商的设备互操作性是非常有限的，也是与开放性原则相违背的。端到端的解决方案是指通信协议的 应用 还必须是全面的、系统的，它应该应用到所有子系统的从操作界面到附加产品的任何部分。3 BACnet协议是构成智能建筑无缝隙集成系统的一种理想选择 最具开放性——BACnet协议在1987年由美国供暖制冷及空调工程师协会ASHRAE提出；1995年发布BACnetl995版本，当年就得到ANSI美国国家标准局的批准成为一个开放性标准；在市场的推动和智能楼宇业界领袖西门子楼宇科技(Siemem Building Technologies)等公司的不断努力下，ASHRAE在2001年又推出了BACnet2001版，同时也成为ANSI美国国家标准局的标准；2003年BACnet协议最终成为IS016484—5标准。因此任何厂家都可以按照BACnet标准开发与BACnet兼容的控制器或接口，在这一标准协议下实现相互交换数据的目的。最具互操作性：BACnet采用面向对象技术，在BACnet中，对象就是在网络设备之间传输的一组数据结构，也是输入、输出、输入和／或输出功能组的逻辑代表，网络设备通过读取、修改封装在应用层协议数据单元(APDU)中的对象数据结构进行信息交换，实现互操作。BACnet 目前 定义了18个对象，每个对象都具有对象标志符、对象名称和对象类型。其中，对象标志符用来唯一标识对象。通过广播自身所包含的某个对象的对象名称，BACnet设备可以建立与所含相关对象的设备建立联系。因此BACnet协议要求每个设备都要包含“设备对象”，通过其属性的读取就可以让网络获得设备的全部信息。同时为了帮助用户和工程技术人员确定不同BACnet设备之间的互操作性，BACnet还提供了PICS文件(Protocol Implementation Statement)，它包括7项内容，即标识厂商和描述设备的基本信息；设备符合BACnet的级别；设备所支持的功能组；设备所支持的基于标准或专有的服务；设备启动或响应服务请求的能力；设备所支持的基于标准或专有的对象类型及其属性描述；设备支持的数据链路技术；设备支持的分段请求和响应。提供全面的端对端服务：BACnet协议在人机界面(HMI)和现场设备间或不同系统的现场设备间可以直接进行信息传输而无需特别附加设备。与总线协议的相对优越性：BACnet和LonWorks是目前国内构建集成系统中最常采用的两种通信协议，两者都以满足开放性和互操作性为目的，虽然从目前的国内市场占有率上看LonWorks略占优势，但这并不能代表LonWorks优于BACnet，相反在智能楼宇系统集成方面，BACnet具有LonWorks不具备的优点：(1)高速率和高吞吐量：BACnet上层通过以太网主干线，采用标准国际网络协议，提供系统高速通信，用于解决数据传输量较大的系统间的集成。与商用控制系统厂商使用的通讯速率较低的总线形式相比，有着更为大量的数据通讯，可以运作高级复杂的大信息量，因而能够大大提高整个系统的性能。除此外以太网主干还能够在大型系统的网络活动高峰时间发挥特别重要的作用，如断电后系统自动重新启动。LonWorks主要用于解决数据传输量较小的现场控制器之间的集成，它实际上是一种工控网技术，它的优点在于方便现场仪器，如传感器、执行器等的联网，在于支持多种通讯介质的使用甚至是混合使用。总的说来LonWorks是适用在实时控制域，特别是在设备级的互联，而BACnet是适用于信息管理域，特别是在上层网之间的互联；(2)功能更强大上面提到BACnet目前已经定义了18个对象，其中包括模拟输入、模拟输出、命令、日历表等等，同时BACnet中还定义了35种服务，并划分了6个类别：报警和事件服务；文件访问服务；对象访问服务；远程设备管理服务；虚拟终端服务；网络安全服务。另外BACnet还定义了13种功能组包括时钟功能组、时间响应功能组、文件功能组、虚拟终端功能组、设备通信功能组等。为精简信息量，BACnet定义了6个一致性类别(设备类别)，一致性类别的分级编号由l一6级别依次升高，每个类别都规定了设备要实现的最小服务子集且包含低级别的所有服务；(3)互联网扩展更灵活：在BACnet拓扑中，设备之间只存在一条逻辑通路，无需广域网的最优路由算法；其次，BACnet具有单一的局部地址空间，所以BACnet参照OSI模型制定了简化的网络层协议，向应用层提供不确认无连接的数据单元传送服务。每个BACnet设备都被一个网络号码和一个MAC地址唯一确定。目前，BACnet标准使用两种技术实现与Internet的互联。第一种技术中称之为“隧道”技术，并将其设备称之为分组封装／拆装设备，简称PAD。其作用就像一个网关／路由器。第二种技术中称之为BACnet／IP，设备直接封装IP帧／包在BACnet网络和In~ternet上传输；(4)良好的伸缩性：BACnet标准没有限制BACnet系统中设备节点的数量，BACr~集成系统可以由几个设备节点构成一个极小的自控系统，也可以形成一个规模极大的超级大系统。如美国GAS集成的GEMnet系统，该系统具有11个楼宇自控系统，集成总建筑面积达180m2，横跨3个州。4　采用BACnet协议的智能楼字无缝隙集成系统的优点 从功能上讲，楼宇自控设备分为两部分，一部分专门处理设备的控制功能；另一部分专门处理设备的数据通信功能。BACn~协议通过建立统一的设备通信标准，将控制 网络 和信息网络集成于一体，并使设备问具备互操作性，将使系统具备以下几点优点：(1)实时性：现场监控信息与运营管理系统实时通信。通过BACnet及局域网，得到授权的工作人员可以快速地通过统一的、友好的图形界面获得所需 内容 ，如对控制网络的工作状态进行远程监视与控制；(2)综合性：实现控制网络与信息网络的信息集成，使建立分布式的综合实时数据库成为可能，保证了数据的一致性、完整性和互操作能力；(3)高效性：实现控制网络与信息网络的信息集成，才能充分利用各种信息并结合专家系统等各种智能控制高级算法提供辅助决策，达到优化设备运行、提高物业管理效率、增强建筑物的利用与服务功能；(4)方便性：在Intranet内部或通过Internet就可以对控制网络进行远程诊断和维护以及进行新版软件的升级等等；(5)开放性和扩展性：服务功能的增加或改变，只需对系统进行模块级的调整，并且保证兼容性；(6) 经济 性：设备间的互操作的实现可使多个子系统共享一个传感器或控制设备，可大大减少系统中传感器和控制设备的数量，从而降低成本；设备间的互操作也使业主不再被厂商所限制，具有更大的选择空间，同时开放的市场竞争也势必带来成本的降低；在支持BACnet协议的智能楼宇控制系统中，西门子楼宇 科技 的APOGEE顶峰系统是佼佼者，其全面体现了集成系统的上述6大优点。APOGEE顶峰系统是西门子楼宇科技在其原有System600基础上，对控制器进行全面升级并将Insight监控软件移植到Windows2000／NT平台上推出的。它在管理级网络支持BACnet协议，提供包括客户及服务器选项的Insight BACnet功能模块，提供lnsight工作站监控其他BACnet设备信息点的能力。其中lnsight BACnet客户选项允许Insight操作者通过图形界面和控制命令来监控其他通过以太网方式接人的第三方BACnet设备，而Insight BACnet服务器选项允许第三方BACnet系统通过Insight软件来监控APOGEE系统内的点，接受APOGEE系统的报警信息。另外，系统还在楼层级网络上提供内嵌BACnet／IP协议的直接数字控制器，可在IO／IOOM以太网上运行。控制器可独立或联网完成复杂的控制、监视和能源管理工作，还可联接楼层级网络的设备并提供中央监控功能(系统架构如图所示)。利用Insight监控软件用户可以通过动态图形、趋势图等 应用 程序对APOGEE系统控制设备的运行状态实施监控，被控对象的控制效果进行实时和 历史 的监视；用户也可以通过控制命令、程序控制和日程表控制等应用程序控制楼宇自控设备的启停或调节；此外用户也可以对用户帐号、系统设备和程序上下载等进行管理，并通过系统活动记录、报表等应用程序了解APOGEE系统本身的状态。5 BACnet的前景展望 开放、兼容、灵活、获得广泛支持并且专门针对智能建筑的通信协议或现场总线已经成为智能建筑领域的一个 发展 方向。而BACnet协议正是这样一种具有开拓性的技术，并能使不同厂商的设备能够互联、互换和互操作，打造无缝连接的楼宇自动化系统。充分满足了业主、用户和集成商的需求并提供了多种网络互联和接人Internet的方案，为智能建筑内部各系统之间的集成提供了便利条件，使智能建筑搭乘信息高速公路变得轻而易举。BACnet标准是楼宇自控领域唯一的ISO标准，已在北美和欧洲等先进发达国家得到了全面的推广和应用。随着BACnet标准应用广度不断的扩展，该标准必将在全球范围内得到推广和应用。这是大势所趋，同时必将在全球范围内形成一个规模巨大的产业和市场。预言近几年内亚太地区将是BACnet标准产品需求增长最快的地区。因此在我国大力推广和应用BACnet标准是完全必要的，也是急需的。参考文献1董春桥．《智能楼宇BACnet原理与应用》北京 电子工业 出版社，2003；42深圳市可信自控有限公司卞立群．华中科技大学教授董春桥．BACnet标准及系统集成3郭锐．张玉．润张亮．《楼宇自动化控制网络数据通信协议BACnet》4 中国 航天工业总公司二院十七所．李辉．网络“融合”成就“智能”——智能大厦控制网络与信息网络的集成5南京工业大学智能建筑 研究 所夏抗初．楼宇自控系统标准协议、测试 方法 与工程实例6美国艾顿公司．楼宇自控系统的一场革命．《国际智能建筑》，2004；57 Michael K．Tennefoss．提供开放的、互操作的楼字控制系统8上海龙头张江信息产业有限公司，鲁许清．建筑自动化系统(BAS)，在智能建筑中的应用
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