樓宇自動化控制系統的IP化發展分析

張雪峰（同方數字城市產業本部， 北京 100083）

1 系統概述

樓宇自動化控制系統（Building Automation System，以下簡稱：BAS）是智能建筑不可或缺的基本環節，系統對建筑物內的各類機電設備進行集散式的監視、控制，實現對建筑物的全面綜合管理；BAS也是建筑節能的重要組成部分，系統能夠檢測能耗狀態、負荷變動并能夠根據室外環境狀況和用戶需求，對建筑物內機電設備進行控制，調節冷、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、實用的計算機技術、通信技術、自動控制技術和網絡技術，將建筑內部的各種機電設備連接到一個控制網絡上，進行綜合的控制管理。由于建筑智能化系統涉及的技術和產品非常龐雜以及互通性差等問題，這個控制網絡正隨著通信技術、網絡技術日新月異的發展由嚴謹的工業總線向靈活自由的IP網絡發展。同方股份公司率先提出了建筑智能化系統在IP網絡上統一可靠承載的解決方案，并與H3C公司合作進行網絡融合試驗，獲得了量化的測試數據。本文將就該主題從BAS的角度展開論述。

BAS是集散控制系統，系統由BA數據管理服務器、現場控制設備（DDC）、現場傳感器、執行器等設備組成，其中現場控制設備DDC控制器是完成系統監視和控制等主要功能的設備，它是一個不依賴網絡或其他控制器的獨立控制器，是BAS監視控制功能的最基本單元。

BAS的運行與監控都必須依托于一個通信網絡，這個通信網絡一般由管理網絡和控制網絡組成。系統的BA數據管理服務器掛在管理層網絡上，現場控制器則接入控制層網絡中，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據通信。在傳統 的BAS通信架構中，管理 層 網 絡 主要為以太網；而控制層網絡一般為總線結構，如Lonworks、BACnet、CAN 或其他廠家自主總線，網絡結構圖如圖1所示。

在圖1中，BA數據管理服務器及管理分站（客戶端）構成管理層網絡，網絡管理設備安裝于管理服務器內部的PCI插槽上，或在管理服務器外通過串口等端口聯接BA數據管理服務器、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，通信協議包括：BACnet MS/TP、MODBUS、BLN（siemens專有）、C-Bus（honeywell專有）及N2（JOHNSON專有）。

隨著網絡技術的革新及網絡管理設備的更新換代，BAS的網絡結構發生了變化，如圖2。

在圖2中，網絡管理設備的功能得到了很大的提升，它直接接入以太網與BA數據管理服務器及管理分站（客戶端）構成管理層網絡，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絡。Lonworks為對等通信網絡，各節點地位均等、無主節點，各節點之間的數據交換采用點對點（peer to peer）方式，Lonworks網絡為是Echelon公司專利技術授權使用。如果控制層網絡采用的是Lonworks，那么管理層網絡則是建立一個基于IP-852封裝的透明通道，將LonWorks協議數據封裝在該通道內，經由TCP/IP網絡傳輸。當今隨著建筑規模的擴大，BAS控制的機電設備也越來越多，兩三條總線已經不能滿足建筑智能化的需求。在BAS規劃中會按照被控設備的多寡及建筑結構特點將建筑物（群）分為若干個功能區域，每個功能區域布設一條通信總線，并在功能區域內的適當位置放置一臺網絡管理設備，接入TCP/IP網絡管理該功能區域內的DDC控制器。

由于總線技術發展方向及商業利益等原因，控制層網絡多種現場總線并存而互不兼容，導致系統的可互操作性只能在同一種現場總線系統中實現；同時雙層通信網絡環境較為復雜，且易產生通信的速率瓶頸，為了解決這些問題同時亦是為了使通信網絡環境簡約化，BAS將以太網引入控制層，如圖3所示。

圖3中DDC控制器直接接入以太網與BA數據管理服務器及管理分站（客戶端）構成一個統一的IP網絡結構。在全IP結構的BAS中，DDC控制器與BA數據管理服務器及管理分站（客戶端）之間的通信一般采用BACnet/IP協議。BACnet采用的OSI模型為參考模型，這種精簡的構架允許樓宇自動化行業采用較低成本、大規模生產的處理器。BACnet的數據鏈路層、物理層傳輸技術也有六種之多，以太網是其最主要的一種。其采用碰撞檢測的模式來通信，不需要令牌，所以當鏈路上沒有通信活動時節點就可以自由發送數據。

圖3是全IP結構的BAS，通過管理層和控制層的融合，實現了從管理層到控制層的管理一致性，即實現人們期望的通信協議的兼容和統一。這樣系統擴展起來也比較方便，與智能建筑中其他系統集成起來更加容易。可見，全IP通信結構，是樓宇控制系統通信的未來發展方向。

3 樓宇自控系統IP融合實驗分析

建筑內部IP承載網絡的融合，是建筑智能化系統發展的必然趨勢。BAS作為建筑智能化的主要系統，在智能化各子系統通信平臺融合后如何被可靠承載，需要通過有效的實驗測試，得到量化的數據并進行分析，才能為網絡策略的制定提供可靠的依據。

目前在智能建筑領域，BAS全IP化網絡結構尚未得到全面的普及，并且在采用全IP網絡結構時BAS廠商均建議針對BAS建立獨立的IP網絡，這與我們一直努力搭建“智能化系統一網到底”的期望有很大差距。BAS廠商之所以建議單獨組網，是因為在智能大廈內搭建的IP網絡一般為商用以太網，辦公環境中的商用以太網對響應的實時性一般沒有特別的要求，而且IP網絡是“盡力而為”的服務模式，是個不確定性網絡，信息交互會出現時延和抖動現象。如果將這種商用以太網作為融合多個智能化子系統的通信平臺來使用，在不做任何網絡策略的保障下，很難滿足BAS系統對控制實時性與確定性的要求，這正是導致BAS系統廠商建議單獨組網的原因。

我們希望通過實驗測試，發現BAS系統的IP通信特性，并依此找出保障融合承載平臺可靠通信的網絡策略。由于圖2的網絡結構是當前BAS主流廠商均支持的網絡結構，而且圖3的全IP網絡架構的分析和測試相對圖2要容易得多，因為中間不存在多協議數據包的二次封裝環節。另外，本網絡測試需要設備商對實驗進行深度支持，而當前歐美品牌的產品其核心技術人員在歐美，深度交流存在困難。故本次網絡融合試驗我們選用同方泰德Techcon建筑設備監控系統，其采用圖2的網絡結構，控制層網絡選用Lonworks協議。系統中需要IP網絡承載的設備有BA數據管理服務器、BA管理客戶端、網絡管理設備（通過Lonworks總線接入DDC）。

3.1 典型應用場景

根據項目規劃首先選取典型應用場景，該建筑是一幢高156.1m、地下2層、地上35層的商用辦公樓。系統被控機電設備包含：冷凍站、換熱站、集水坑、送/排風機、生活水泵、生活水池、熱風幕、直接蒸發式新風機組、吊裝式空調機組、走道照明、空調/采暖膨脹水箱、空調/采暖換熱、航空障礙照明和電梯。

BAS 監控點2 890點（DI：1 595點 ；AI：387點；DO：654點；AO：254點），其中主樓2 038點，地下室852點。BAS中控室設于1層BA設備監控主機房，設置BA數據管理服務器1臺，BA管理客戶端1臺。

3.2 網絡結構設置

網絡融合試驗BAS產品選用同方泰德公司的Techcon建筑設備監控系統。

BAS采用管理層和控制層兩層網絡結構，管理層由BA數據管理服務器、管理分站（客戶端）及網絡管理設備構成，采用建筑智能化網BINet；管理層網絡除了將系統自身的管理設備連接起來外，還將建筑物中其他相關系統和獨立的智能化系統連接起來，實現各系統之間的數據通信、信息共享以及其他廠商設備和系統的通信。控制層網絡采用標準化現場總線LonWorks，所有控制器能通過控制層網絡以LonWorks總線方式通信，通過網絡管理設備以太網路由器將數據上傳至中控室。

在系統的兩層結構中，無論是管理層還是控制層，均具有同層資源共享功能。在系統主機發生故障時，所有控制模塊之間仍保持通信和數據的交換，而倘若任何一個控制模塊掉線，其余控制網絡的全部現場控制器之間亦能保持點對點無主從的方式進行直接通信，從而保障系統不間斷的可靠運行。

表1 業務流分類表

根據被控設備的物理分布，以及所選系統的特點，辦公區共設計6條總線。其中主樓東、西兩側的高、低區各設計1條總線；地下1層、地下2層各設計一條總線。Techcon樓控系統主要由BA數據管理服務器、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，拓撲結構示意如圖4。

1）BA數據管理服務器及管理客戶端（工作站）由主流電腦及Techcon新一代數據采集組態軟件Techvue組成。

2）網絡管理設備由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，形成無縫的對等網絡，對所有應用來說是透明的。本試驗典型應用場景BAS設置兩套網絡管理設備，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，內置Echelon公司的神經元芯片（Neuron Chip），收發器FTT-10A通信速率為78.8Kbps，并通過LonMark認證。

3.3 典型業務流量分析

本次試驗采用的Techcon樓控系統，本質上是基于LonWorks協議的工控系統，實驗所關注的各類典型業務產生的報文交互都是DDC與數據管理服務器之間通過LonWorks協議進行的。而在以太網絡傳輸的DDC與數據管理服務器之間的交互報文被加上了特定封裝統一傳輸，使網絡設備無法根據業務內容予以區分并分別保障。因此，只能將各類業務流按網絡設備可區分的特征進行歸類，并按歸類后的業務流進行保障。歸類后的業務流如表1所示。

1）管理工作站訪問數據管理服務器的TCP數據流，該數據流用于實現監控數據顯示及指令下發等業務功能，具有突發流量相對較大，對網絡時延、抖動和丟包不敏感的特征。

2）數據管理服務器發起的IP-852隧道維護報文流，用于在TCP/IP網絡上建立、維護及終結IP-852隧道，隧道維護報文基于UDP協議，對網絡時延有要求（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）數據管理服務器與DDC之間的報文交互數據流，是數據管理服務器發起的數據查詢報文、指令下發報文、狀態輪詢報文，DDC發出的告警報文及他們的應答報文，全部基于LonWorks協 議，封 裝 于IP-852隧道中。

4 驗證實驗

根據Techcon系統的結構特點及通信流量特性，我們將所有設備位于同一個VLAN內。手動設置各設備IP地址、用戶權限等以保證BAS的正常工作。

表2 Techcon樓控系統主要業務流的傳輸測試表

由于BAS系統基于工業控制而設計，DDC控制器內具有針對通信的保證機制，系統數據包小而多。系統的三種數據流對通信網絡的延遲有一定的容忍度，而對丟包卻比較敏感，故網絡系統通過QoS等策略保證了BAS在網絡上的可靠傳輸。

對Techcon樓控系統主要業務流的傳輸測試如表2所示。

由以上測試結果可以看出，Techcon樓控系統主要業務流在承載網絡上的傳輸指標完全滿足樓控系統正常運行的需求，其運行情況良好，系統可在測試承載網絡上穩定可靠運行。

5 實驗意義、價值與發現

本次實驗僅選取了Techcon樓控系統，采用了IP網絡管理設備、LonWorks總線型網絡結構（圖2）進行測試，通過實驗我們取得了有價值的成果：

1）本次試驗提出了BAS系統IP通信特性的分析方法，如BAS網絡通信的業務傳輸類別、數據流大小、數據流方向及數據端口區分等，并向siemens、honeywell產品商發放了《IP通信需求調研文檔》，進一步了解各廠家DDC控制器的IP通信業務需求。

2）BAS是一套分布式控制系統，系統的控制運算及控制邏輯主要是在各個DDC控制器中進行，IP網絡只是一個承載網絡，且系統數據包較小對網絡需求小，故IP融合承載的風險相對較小。

3）基于測試結果分析得知，BA業務產生的報文交互都是DDC與數據管理服務器之間、DDC與DDC之間進行交互的，以太網僅僅作為一個承載介質存在。只要通過合理的網絡配置、流量管理手段，BAS的業務流對通信中時延、抖動、丟包的影響都能控制在合理的范圍內。

4）將以太網技術直接應用于智能化系統通信網絡，實現管理層至控制層的通信協議統一，從而實現了建筑智能化網絡與樓宇控制網絡的無縫集成，這也是智能建筑全面集成的一個基礎。

5）對于智能建筑集成商而言，采用IP網絡融合方式，通信網絡由建筑智能化網統一布設，簡化了BAS通信網絡、降低了BAS系統設備投資，降低了維護保養難度。

[1]張少軍. 以太網技術在樓宇自控系統中的應用研究[M]. 北京：.機械工業出版社, 2011.