支持冗余和兼容設計的智能建筑綜合管理系統

朱玉堂，梅魯海

（浙江機電職業技術學院 電氣電子工程學院，浙江 杭州 310053）

城市智能建筑是將城市中的商業、辦公、居住、餐飲、旅店、會議、展覽、交通和文娛等城市生活空間的要素進行多方組合，并在各要素間形成一種相互助益和相互依存的有機關系，從而形成一個高效率和多功能的綜合體。城市智能建筑可以通過街區與外部空間和交通系統進行有效溝通，進而擴展城市的空間價值。城市智能建筑的綜合管理內容就是借助樓宇自動化系統完成建筑內的設備和環境的全面監控與管理，從而為建筑的居住和使用者營造一個安全、舒適、高效、經濟和便捷的生存環境，并通過進一步優化管理來降低建筑的運營成本。智能建筑的系統監控范圍包括建筑的電力、照明、通風、空調、安全、防災、給排水和車庫管理等設備和系統，是城市建筑智能化管理中設計任務量和工程施工量最大的子系統[1]。

近幾年來，我國在積極引入國外建筑智能化產品的同時，也在積極開發適合國內應用的先進智能化系統，例如國產的樓宇自控系統、停車引導系統、智能照明系統和能源管理系統等。但這些系統都存在智能化和節能管理系統分開運行、不能有效統一的問題，各廠家在建筑的不同系統中采用了相對獨立的子系統，但用戶更需要一套各子系統能統一協調、高度融合的綜合管理系統，從而提升城市智能建筑的綜合管理水平和管理能力。

本文在已有的樓宇控制、智能照明、停車引導和能源管理系統等開發成果的基礎上，提出了一種全新的支持冗余技術和兼容設計的城市智能建筑綜合管理系統。設計目的主要是通過綜合管理系統的軟硬件設計來實現集中和綜合監控與管理智能建筑中的樓宇控制設備、照明設備、停車狀況和能耗狀況，并系統地分析了總線冗余、設備兼容性和集成監控軟件等幾項需要解決的關鍵技術。

1 系統總體結構設計

系統的總體結構設計如圖1所示。系統內含為智能建筑的各個子系統開發的CPU通用控制器模塊，分別用作樓宇自控系統的控制器、智能照明系統的控制器、停車引導系統的控制器和通信網關控制器，最上層的集中控制器模塊將各個子系統控制器的數據采集上來后進行集中調度和控制，并負責跟上位VxSCADA綜合監控平臺軟件和HMI人機界面通信。

圖1 城市智能建筑綜合管理系統總體結構圖

各個子系統CPU控制器下面通過總線連接了帶能耗計量的大功率輸出模塊和各種信號輸入檢測模塊，將能源計量和控制整合到一個模塊，CPU控制器針對不同的子系統和現場環境設計不同的算法，以收集的能耗數據和集中控制單元下發的節能模式為依據，制定各個回路的節能控制方案，實現了子系統設備能耗數據采集、監測，節能監管，用能診斷的一體化和本地化。

通信網關模塊的功能是負責和第三方廠家的設備通信。因為體量的原因，大型智能建筑不可避免地存在多種廠家設備和子系統并存的情況。通信網關是具有豐富的硬件接口和軟件協議、具備高性能數據處理能力的控制器，同時能通過擴展的方式增加物理接口，包括以太網、RS-232/RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等現場總線接口以及Modbus、BacNet、IEC104、DL/T645等通信協議接口[2]。通信網關也可以通過現場編程和擴展通信卡的方式對一些非標準的接口進行定制開發，以滿足特殊場合的集成要求。

在現場實施架構上，本系統通過二層以太網架構將系統分為上位監控層、集中控制層和子系統控制層。通過系統分段可使最底層的各個子系統互不干擾，具備極強的獨立性和可靠性。子系統具有光電隔離的冗余CAN總線配置，一條總線出現故障不會影響整體系統的正常運行。子系統和上層集中控制模塊之間采用第一路以太網連接，集中控制模塊和上位監控系統主機之間采用第二路以太網連接。如果有某個子系統內部模塊或者CAN總線出現問題，子系統會向集中控制模塊發送報警，并傳遞給HMI上位機的監控軟件。

2 系統設計

2.1 硬件設計

系統的硬件開發內容包括為樓宇控制、照明控制和停車引導控制設計的同一架構的CPU模塊，采用冗余技術和集中控制模塊，具備豐富接口的通信網關模塊，具有能源計量功能的I/O模塊和普通I/O模塊，超聲波檢測模塊，無線接收模塊及內部總線底板等，每個模塊的PCB板全部采用四層板設計，可以提高EMC和EMI性能，并達到EMC的3級指標[3]。

由于第三方系統設備具有接口多、數量不確定和相對獨立的特點，本方案設計了可擴展接口的通信網關模塊和嵌入式通信卡，組成一套通信網關系來實現與大多數第三方設備系統的兼容，圖2為通信網關的架構示意圖。

圖2 通信網關架構示意圖

本系統的通信網關模塊支持PCI接口的通信卡，可以通過底板的插槽和通信網關模塊連接。通過對通信卡進行驅動加載，可以實現擴展以太網、RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等常用通信總線。同時，本通信網關模塊系統軟件集成了BACnet、Modbus、DL/T645、IEC104等常用通信協議，實現對現有系統的兼容最大化。通信網關模塊也可以通過軟件的方式實現對總線的自由編程，支持某些非標準的第三方私有協議。

2.2 軟件設計

本系統的軟件開發包括CPU控制模塊、集中控制模塊、通信網關模塊和I/O模塊等的軟件開發與設計。

2.2.1 CPU控制模塊軟件設計

CPU控制模塊軟件設計支持IEC61131-3 OpenPLC國際標準，提供5種編程語言，包括指令表IL、結構化文本ST、梯形圖LD、順序功能塊圖SFC和功能塊圖FBD/CFC。CPU控制模塊軟件具有在線模擬、在線修改和斷點調試功能，并通過工業以太網直接編程與調試。針對不同子系統的特殊功能，CPU控制模塊在軟件設計時加入了如下特有的功能[4]：

1）空調、冷熱源、給排水節能控制算法

根據各種節能模式，對空調系統、給排水系統和冷源系統的各項能耗指標進行檢測，并且按照設備的緊急程度和能耗進行分級，當上層系統下發節能控制模式命令和能耗定額時，每個系統回路以能源比例進行分配，得到節能控制的預案。算法同時將當前節能能耗和歷史能耗進行對比，得到節能效果評估值。

2）智能照明節能控制算法

將CPU模塊下面的控制燈光輸出回路進行分級，得到閑置可關閉、節能可關閉、節能時調光、緊急常開等回路類型，當上層系統下發節能控制模式命令和能耗定額時，算法根據回路類型和回路能耗進行判斷，得到節能控制預案。本算法也將當前節能能耗和歷史能耗進行對比，得到節能效果評估值。

3）停車引導控制算法

停車引導算法根據整個停車場的體量進行區域劃分，并且對區域進行分級，同時統計每個區域的剩余車位和車輛進出信息。根據這些區域等級、剩余車位和進出車輛統計等作為算法條件，實時得到一個最優和最舒適的停車區域和路線，將這些信息通過LED情報板輸出，并告知將進入車庫的車主。

2.2.2 通信網關模塊軟件設計

為兼容第三方設備的通信協議，本網關模塊軟件整合了各類行業標準的通信協議，包括樓宇自控的BACnet協議、工業流程控制的Modbus協議、電力控制的IEC61870-5-101/104規約、能源計量的DL/T645協議等。這些協議通過功能庫的方式加載，并根據現場的要求進行配置，能滿足市場上大部分的第三方設備廠家通信要求。對于一些非標準化的設備接口類型，通信網關模塊軟件具有RS-485/RS-232、CAN和以太網等現場總線的自由編程庫，便于進行定制開發，以滿足特殊場合的集成要求[5]。

2.2.3 集中控制模塊軟件設計

集中控制模塊的軟件設計也符合IEC61131-3的國際標準，用于實現控制器的熱備份冗余功能。兩個控制器通過DB9通信線連接，內部數據通過100M以太網線實現同步。控制器上電后，通過表決來認定一臺集中控制器為主機，另一臺控制器為備機。主機有權對上層監控平臺通信，同時對下層子系統進行數據采集和監控。當主機出現運行死機或斷電等問題時，備機能在50 ms內頂替運行，保證集中控制的實時性和數據的可靠性。

2.2.4 I/O模塊軟件設計

I/O模塊軟件支持CAN總線和CANopen2.0通信協議，完成將現場的過程數據和控制命令上傳和下發。根據I/O模塊帶計量和不帶計量的功能特點，分別創建不同的CANopen對象字典，并合理設計PDO實時數據格式，使得I/O模塊每個通道數據都能快速高效地上傳到CPU模塊。

3 系統關鍵技術

城市智能建筑的大體量和多系統特點對控制系統的兼容性、可靠性、安全性以及整體監測控制軟件平臺的設計要求很高，目前國內大型智能建筑控制系統多采用西門子和霍尼韋爾等國外品牌，每個品牌都有自己的總線和接口。為解決實際應用中接口的多樣性、兼容性和維護復雜等問題，本系統需攻關和解決以下幾項關鍵技術。

3.1 總線冗余技術

總線冗余技術方式如下：

1）本系統的總線冗余采用雙以太網的備份方式。子系統的CPU模塊采用TCP/IP協議棧的硬件芯片構成兩路以太網方式的通信接口，建立子系統CPU模塊與集中控制器、監控設備間的兩路以太網的冗余通信方式，可在其中一條以太網出現故障的情況下保證系統的可靠運行。

2）子系統I/O總線采用雙CAN的冗余總線方式。I/O通信模塊采用高性能的AMR7主控芯片，并帶有雙路CAN總線接口，可在其中一條CAN總線出現故障的情況下保證I/O模塊與CPU模塊之間的正常通信，提高PLC系統工作的可靠性，并采用DC/DC電源隔離和磁耦合技術，完成CAN總線的電氣隔離，提高系統的抗干擾性[6]。

3）子系統CPU模塊和I/O模塊均采用冗余雙電源電路設計，可在其中一路電源出現故障的情況下保障系統的正常運行。

4）集中控制模塊CCU采用了雙模塊雙電源的熱備冗余，即兩臺CCU模塊同時運作，通過100M以太網總線進行實時數據的同步。CCU在上電后首先進行主備表決，結果是只有一臺CCU是主機中的控制模塊，擁有對子系統CPU和總線的控制權，另外一臺CCU備用。當主CCU斷電或出現其他故障，則切換為備用CCU運行，通過這種熱備冗余可以將總線和CCU的相關通信協議都采取冗余技術處理[7]。

3.2 系統兼容性技術

本系統的子系統CPU模塊和I/O模塊采用CAN總線和CANopen通信協議，任何第三方設備只要支持CANO-pen DS401標準的通信協議，均可以跟子系統進行兼容。

通信網絡模塊具備RS-232/RS-485和以太網接口，集成Modbus RTU，Modbus TCP，BACnet，IEC104通信協議，通過擴展通信卡增加CAN，EtherCAT，Profibus，RS-232/RS-485等現場總線。同時，模塊在軟件上支持可編程串口和可編程以太網，兼容各個廠家的私有通信協議。

3.3 集成系統監控軟件技術

本城市智能建筑綜合管理系統的集成監控軟件的關鍵設計技術有：

1）監控系統分域技術

集成監控軟件對監控信息網進行分域管理和數據的分流管理。監控信息網上的站點在邏輯上可以劃分成多個操作域，每個操作域可以同時監控多個控制系統。域內的操作站可以通過其他域的數據服務器以OPC的方式訪問實時數據，但只能訪問本域的數據服務器數據，在每次操作域中，只能有一對冗余的服務器完成數據的管理。

2）通透安全的網絡協議技術

為了降低工業以太網的通信負荷，采用交換式以太網和全雙工通信的方式來屏蔽固有的CSMA/CD機制，采用千兆高速以太網技術來提高通信帶寬；對實時控制數據和管理數據區別對待，按不同的優先級通透地在現場和過程信息網間流通，保證了工業控制的實時性和確定性。

3）大規模管控一體化技術

基于Web技術的服務器/瀏覽器結構是在集成控制系統中的應用模型，可以解決過程檢測與控制實時數據和現場儀表的管理數據并行傳輸、記錄、動態顯示等關鍵技術，實現對遠程目標工作站的遠程軟件配置、軟件安裝、遠程控制、遠程診斷、遠程文件傳輸、遠程專家會診指導、軟件維護修復等，從而完成一體化管理和控制。在建立城市智能建筑各設備統一數據平臺的基礎上，研究該數據平臺與現有多種現場總線間的集成通信中間件技術，通過該中間件的軟硬件協議轉換，實現不同廠商不同設備在數字平臺基礎上的互聯互通[8]。

4 系統應用

本系統的樓控系統主要是對各層網絡的網段、網關、總線數量及每條總線的監控范圍進行設計。每條總線所能支持的控制器數量及傳輸距離都是有限的，系統還需要對現場控制器的分布位置、監控對象及所采用的控制器型號進行設計。因為本系統需要和冷水機組等大型設備的專用控制器進行通信，整個樓控系統可能包括多家廠商的產品，因此也需要設置各廠商產品之間的通信接口。現場控制器監控范圍設計的合理性直接影響到控制器編程的復雜性、網絡的通信量以及控制器網絡通信故障時的影響范圍等。確定現場控制器監控范圍時，應遵循同一組設備的輸入輸出信號接入同一個現場控制器的原則，這樣不僅能減少網絡通信流量，降低總線的阻塞情況，并能加快系統的實時響應，更重要的是在樓控系統的通信裝置發生故障時，現場控制器的獨立工作能力仍能保證所監控設備的正常運行。

現場控制器把建筑設備的各種狀態信號采集到樓控系統后，根據預定的管理和控制目標，向建筑設備發出控制命令來調整建筑設備的運行狀態。現場控制器需要采集和控制各種設備的運行狀態及運行參數，采集和控制工作可以通過檢測器或執行器完成標準輸人輸出電量信號與現場設備非標準電氣或非電量監控信號之間的轉換，從而直接實現監控功能。現場控制器也可以通過通信接口與其他專用控制器相連和進行通信，然后由專用控制器完成對這些運行狀態及參數的監控功能。

5 結語

城市智能建筑不同于城市中心密集的一般建筑群體，它將是未來城市的建設主流，也是建筑群體向城市空間巨型化、城市功能集約化和城市價值復合化轉化的一種人文與科技高度融合的產物，并具備典型的城市街區的特征。針對已有智能建筑中存在不同階段的子系統設備復雜和難以統一的問題，本系統提出的城市智能建筑綜合管理系統設計方案采用基于嵌入式硬件系統的通信網關模塊、冗余的集中控制模塊以及通用的CPU控制模塊，開發了節能算法、停車引導控制算法和集成監控管理軟件，系統冗余技術可靠，兼容性強，可以大大提升城市智能建筑的智能化和節能管理水平。

[1] 許毅平，周曼麗.智能樓宇綜合管理系統的設計[J].計算機應用研究，2003，32（6）：52-55.

[2] 揚志，郭兵，李曉林，等.建筑智能化系統的結構與集成[J].重慶大學學報：自然科學版，2000（6）：28-30.

[3] 蘇瑋.基于OPC的智能建筑系統集成軟件接口技術及其應用[J].低壓電器，2008，18（12）：66-67.

[4] 王鳴.樓宇自動化系統智能節點的設計[J].自動化儀表，2008，22（2）：42-45.

[5] 梅魯海.一種遠程監控的家庭智能化系統設計[J].電視技術，2008，32（8）：85-87.

[6] 王芳，梅魯海，倪勇.視頻會議技術存在的問題及對策分析[J].電視技術，2006，30（9）：93-96.

[7]HASEGAWA M，HIGASHIJIMA A，NAKAMURA K，et al.A Webbased integrated data processing system for the TRIAM-1M[J].Fusion Engineering and Design，2008，83（4）：588-593.

[8]ROCHE P L，MILNE M.Effects of window size and thermal mass on building comfort using an intelligent ventilation controller[J].Solar Energy，2004，77（4）：421-434.