（机械电子工程专业论文）基于三层结构的楼宇机电设备系统集成的研究与应用.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 智能建筑中大量机电设备系统的运行和维护非常复杂，导致其运行维护成本 居高不下。一种有效的解决方案是采用集成技术，通过集成将异构机电设备统一 到共同的平台下进行管理，达到优化机电设备运行以及提高机电设备运行效率的 目的。 论文结合智能建筑中机电设备系统控制管理的特点以及信息技术的发展现 状，分析了智能楼宇中机电设备系统集成的需求及可行性，根据机电设备系统集 成平台的功能需求，提出了一种基于三层结构的楼宇机电设备系统集成模式。应 用该模式开发的集成管理平台具有稳定、可靠及功能配置灵活等特点。该平台由 分布层、核心层和数据层构成。能够较好地解决楼宇异构机电设备系统的集成， 并能提供丰富的具有增值潜力的管理功能，如基于i n t e m e t 的远程设备监控、自动 轮询、联动控制、组合操作等。 为了开发上述集成管理平台，论文进行了相应关键技术的研究，包括：异 构机电设备系统集成技术的研究，即集成平台的三层体系架构、基于开放式协议 的设备接入技术、三层体系结构核心层组件技术的研究；集成管理平台三层结 构中核心层实现技术的研究，具体分析了自动轮询设备、监控设备、联动控制等 功能在核心层的实现技术：集成管理平台客户端接入技术的研究。 论文最后基于上述关键技术的研究成果，针对实际工程中的机电设备系统， 如电梯系统、高压配电系统、冷水机组系统、风冷热泵系统等，开发完成了一套 楼宇机电设备集成监控系统。该系统具备实时查询设备、实时控制设备、自动轮 询设备状态、组合操作、自动报警、联动控制等功能，已在重庆市某大型智能建 筑的机电设备管理中得到应用，并取得了良好的社会经济效益。 关键词：智能建筑，机电设备，三层结构，系统集成 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fl a r g eq u a n t i t i e so fe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t s y s t e m si ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa r ev e r yc o m p l i c a t e d ，a tt h es a m et i m et h ec o s t so f m a i n t e n a n c ea r ev e r yh i g ha sw e l l i n t e g r a t i o nc o n t r o lo ft h es y s t e m si so n eo ft h e e f f e c t i v es o l u t i o n s t h et e c h n o l o g yc a nt a k et h eh e t e r o g e n e o u se l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n t su n d e rt h ec o n t r o lo fas i n g l ep l a t f o r m t h ea i n l so ft h eo p t i m i z a t i o ni n o p e r a t i n gt h ee l e c t r o m e c h a n i c a ie q u i p m e n t sa n dt h ep r o m o t i o ni ne f f i c i e n c yc a l lb e a c h i e v e d c o m b i n i n gt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g e l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n ts y s t e m s w i t h d e v e l o p m e n t s t a t u so fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , t h ed e m a n d sa n df e a s i b i l i t y o fi n t e g r a t i o ni n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g e l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n ts y s t e m s a r ea n a l y z e d ，l a t e ra n e q u i p m e n ts y s t e m s i n t e g r a t i o nm o d eb a s e do n3 - t i e ra r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d t h ei n t e g r a t i o nm a n a g e m e n t p l a t f o r mt h a ti sd e v e l o p e dt h o u g ha p p l y i n gt h em o d eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n df u n c t i o nc o n f i g u r a t i o nf a c i l i t y t h ep l a t f o r mi sc o m p o s e do fd i s t r i b u t i o n l a y e r , c o r el a y e ra n dd a t al a y e r i tc a np r e f e r a b l ys o l v et h ei n t e g r a t i o np r o b l e m so ft h e h e t e r o g e n e o u se l e c t r o m e c h a n i c a ie q u i p m e n ts y s t e m s ，a n dp r o v i d ea b u n d a n tp o t e n t i a l m a n a g e m e n tf u n c t i o n , s u c ha sr e m o t ee q u i p m e n ts u p e r v i s o r yc o n t r o lb a s e do ni n t e m e t ， a u t or o l lp o l l i n ge q u i p m e n t ，l i n k a g ec o n t r o l ，c o m b i n a t i o no p e r a t i o n ，e t c i no r d e rt od e v e l o pt h ei n t e g r a t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r m i nt h e 也e s i sw es t u d yo n s e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e s ( a ) t h er e s e a r c h o fh e t e r o g e n e o u se l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n ts y s t e m si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e s ，n a m e l y , t h e3 - t i e ra r c h i t e c t u r et e c h n o l o g y o fi n t e g r a t i o np l a t f o r m ，t h ee q u i p m e n ta c c e s st e c h n o l o g yb a s e do no p e np r o t o c o la n d t h ec o r el a y e r c o m p o n e n tt e c h n o l o g yo f3 - t i e ra r c h i t e c t u r e ( b ) t h er e s e a r c ho f i m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec o r el a y e ro fi n t e g r a t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r mb a s e d o n3 - t i e ra r c h i t e c t u r e t h et h e s i sa n a l y z e sc o n c r e t e l yt h ec o r el a y e ri m p l e m e n t a t i o n t e c h n o l o g i e so fa u t or o l lp o l l i n ge q u i p m e n t , s u p e r v i s o r yc o n t r o le q u i p m e n t , l i n k a g e c o n t r o l ，e t c ( c ) t h er e s e a r c ho fa c c e s st e c h n o l o g yo fi n t e g r a t i o np l a t f o r mf o rt h ec l i e n t c o m p u t e r b a s e do nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h e k e yt e c h n o l o g l e s ，a i m i n g a tt h e e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ts y s t e m si np r a c t i c a lp r o j e c t , s u c ha se l e v a t o rs y s t e m , h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，r e f r i g e r a t i n gs y s t e m ，w i n d c o o l i n gr e f r i g e r a t i n gs y s t e m ， i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 e t c ，w eh a v ed e v e l o p e dab u i l d i n ge l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ti n t e g r a t i o ns u p e r v i s o r y s y s t e ms u c c e s s f u l l yt h es y s t e mh a st h ef i m c t i o n so ft h er e a lt i m eq u e r ye q u i p m e n t ， a u t or o l lp o l l i n ge q u i p m e n t , c o m b i n a t i o no p e r a t i o n , a u t oa l a r m ，l i n k a g ec o n t r o l ，e t e i t h a sb e e na p p l i e dt oal a r g ei n t e l l i g e n tb u i l d i n gi nc h o n g q i n g , a n do b t a i n e da p p m v e d s o c i o e c o n o m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t , 3 - t i e r a r c h i t e c t u r e ， s y s t e m si n t e g r a t i o n i 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的目的意义 当前越来越多的楼宇机电设备系统被应用到建筑之中，一般的智能建筑就可 能包含数十个机电设备或智能化管理系统，不断增加的机电设备系统加重了对其 运行和维护的负担，导致运营成本居高不下，为了集中管理分散异构的楼宇机电 设备系统、优化楼宇机电设备系统运行方式及提高楼宇机电设备系统运行效率， 国内外在此方面进行了许多的研究工作( 见参考文献) ，其中采用系统集成技术是 一种最有效的解决方案，集成后能将异构机电设备系统统一到共同的平台下进行 管理，因此论文提出了一种基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台，该平台 以降低楼宇机电设备总体运行维护成本为最终目的。 1 2 国内外相关研究现状 楼宇机电设备系统集成管理的发展历经简单监控、基于总线网络的集成、基 于i p 的二层体系结构集成、基于d 的多层体系结构集成四个阶段。基于i p 的多 层体系结构集成是当今先进的软件理论在楼字机电设备系统集成领域的应用，国 内外在这方面的研究工作都取得了不少成果。 1 - 2 1 国内研究现状 现在国内的楼宇机电设备系统集成管理研发大多处于第二和第三阶段，主要 产品有海湾科技公司的h w - b a 5 0 0 0 系统，德达公司的i d m s 2 0 0 0 系统等，这些 系统能够在统一平台下集成若干楼宇机电设备系统，支持对异构楼宇机电设备系 统进行集中配置和远程管理的功能，并具有一定的联动控制能力，但存在以下的 不足： 采用二层式软件体系或直接控制楼宇机电设备系统，在无缝集成、全功能 联动运行及对客户的需求做出快速反应方面较为困难。 基于总线式的传输网络，由于其传输速率较低，较难适应现代楼宇机电设 备系统的管理工作。 实现全功能联动控制功能较为困难。 只能够集成部分指定设备，集成功能较弱。 在基于i p 的多层体系结构集成方面，国内西安某公司开发的s y n c h r o b m s 系 统，是一种基于o p c 的楼宇机电设备管理系统，虽然其集成性、联动性、易用性、 开放性和接入性均比传统的集成模式有了一定程度的提高，解决了多个复杂系统 以及多种控制协议之间的互联性和互操作性问题，但存在以下不足： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 s y n c h r o b m s 楼宇机电设备管理系统没有建立在组件服务器与分布式计 算的基础上，由于没有组件服务器的支撑，不能提供组件、事务管理、 消息管理等服务，导致其在灵活性与稳定性方面存在不足 由于该系统只提供了对o p c 协议的支持，若要集成支持l o n w o r k s 、b a c n e t 等协议的机电设备系统，则必需进行协议转换，这样不但影响效率而且可 能导致集成数据丢失。1 7 1 综上所述，目前国内在第二和第三阶段的楼宇机电设备系统集成领域的研究 正在不断成熟：在第四阶段的基于口的多层体系结构集成的研究方面才刚刚起步， 西安协同数码的s y n c h r o b m s 系统是一次有益的尝试。 1 2 2 国外研究现状 国外在楼宇机电设备系统集成技术上发展较早，现在第二、第三阶段的集成 技术已相当成熟并得到广泛的应用，主要代表有西门子公司的顶峰i n s i g h t 2 0 0 0 系 统、霍利韦尔公司的e b i ( e n t e r p r i s eb u i l d i n g si n t e g r a t o r ) 系统等。 西门子公司的i n s i g h t 2 0 0 0 是西门子最新推出的一个智能建筑集成管理平台， 为用户提供监控、集成、增值和响应等服务，满足了控制层和网络层的需求。它 是由用户界面、对象服务器、驱动程序和物业管理程序四个部分组成。【7 0 1 西门子 i n s i g h t2 0 0 0 系统是一个功能完善的智能建筑集成管理平台，但其是一个相对封闭 的体系，缺少向上的开放能力，它与楼宇自动化( b a ) 系统合二为一，捆绑太紧， 一旦b a 系统发生故障出现停机，将会直接影响i n s i g h t2 0 0 0 集成管理系统，使之 失去正常工作能力，不能管理和监控其余正常工作的子系统，此外由于没有多层 体系结构应用服务器的支撑，它不能提供组件与事务管理服务。【1 4 】 霍利韦尔e b i 系统是一套针对楼宇机电设备系统进行自动控制的集成管理系 统。它包括三个可灵活组合并适应楼宇机电设备管理需求的部件：安保系统、楼 字自控系统和生命保障系统。e b i 系统具有使用简便、数据通讯高速、可靠及开放 等特点。但是与西门子i n s i g h t2 0 0 0 系统相同，该系统也是基于楼宇自动化( b a ) 系统构建，而不是专门为楼宇机电设备系统集成所设计，集成管理系统的正常运 行受b a 系统的影响很大；此外，由于该系统基于二层体系架构，只能提供c s 结构的客户端接入模式。 综上所述，通过对国内外楼宇机电设备系统集成研究现状的分析表明，在当 前的智能建筑内的异构机电设备系统集成的研究中，基于口的多层体系结构集成 已经成为一个热点研究方向，而国内外在这方面的研究都还处于起步阶段，说明 基于职的多层体系结构集成具有研究价值，本论文将在这个方向上进行深入研究。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 论文研究的主要内容及课题来源 论文围绕楼宇机电设备系统集成技术中的主要问题和难点，提出了一种基于 三层结构的楼字机电设备系统集成模式，该模式可用于指导开发功能完善、易于 管理的楼宇机电设备系统集成平台，通过远程统一管理机电设备而简化其操作与 维护，提供系统联动控制与组合控制等增值功能，最终提高楼宇机电设备系统总 体使用效率，降低系统运行和维护成本。论文最后以重庆市某建筑工程的机电设 各系统集成项目作为具体的实例进行了应用验证。论文研究的主要内容如下： 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的体系结构和运行模式研究 提出楼字机电设备系统集成平台应用三层体系结构，包括分布层、核心层、 数据层。楼宇机电设备系统集成平台采用该体系结构能够分离预定义逻辑，优化 资源占用，减少改变影响，提供异类数据源支持，实现在统一平台上灵活组态、 灵敏的可自定义配置的联动控制逻辑及扩展性支持等。【7 0 】 异构机电设备系统集成技术的研究 实现异构机电设备系统集成需研究以下四个方面技术的应用：三层体系结构 架构技术研究、开放式协议应用技术研究、核心层组件技术研究、以太网与t c p i p 协议在现场控制网络中应用技术的研究。提出的基于三层结构的异构机电设备系 统集成解决方案采用了当前信息领域的前沿技术，主要包括：多层体系结构架构 ( n t i e r 架构) ；组件服务器的应用( 如微软c o m + 组件服务器) ：开放式标准过 程控制协议的应用( o p c 协议、b a c n e t 协议、l o n w o r k s 协议等) 。 基于三层结构系统集成平台核心层技术的研究 核心层由组件服务器应用、w m d o w s 服务程序( 自动轮询) 、配置管理程序等 软件包组成，是实现平台功能的逻辑层。组件服务器提供组件服务和事务管理等 服务，所有逻辑功能都被封装在组件内，通过组件服务器提供的强大功能实现对 访问用户的服务：w m d o w s 服务程序运行“自动轮询”用例的控制逻辑，通过调 用应用服务器中的组件服务完成所有功能；配置管理程序实现集成管理平台的设 备配置、接口配置和参数配置等功能。 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成客户端实现模式的研究 开发基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台具有两种客户端实现模式， 分别是瘦客户端实现模式( 客户机安装w e b 浏览器) 和胖客户端实现模式( 客户 机安装专用软件) 。其中瘦客户端实现模式是指客户机不需进行大量的计算，而将 计算任务交给w e b 服务器与组件服务器完成，瘦客户端安装w e b 浏览器，主要 完成人机交互的功能，该实现模式为基于i n t e r a c t 的应用而设计，适用于基于 i n t e r a c t 的远程设备监视与控制；胖客户端实现模式是指客户端通过专用软件直接 与集成管理平台交互，客户端除完成人机交互功能外还需完成一定的计算任务， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 该实现模式一般应用在局域网内，需要较大的网络流量，但其操作与控制功能强， 适合于对集成管理平台的配置与管理工作。 本课题来源于重庆市某建筑工程的智能楼宇系统集成项目和重庆市科委的 c a d 项目。在前期的需求分析过程中，该工程的开发商要求在b s 体系结构上实 现远程楼宇机电设备系统集成管理，包括电梯系统、中央空调系统、高压配电系 统等楼宇机电设备系统的远程集中监控。为了实现对上述楼宇机电设备系统的监 控与管理功能，采用系统集成的方法将这些机电设备系统集成到统一的平台，在 统一的界面下进行管理，该方法是一种可行的方法。 4 重庆大学硕士学位论文 2 体系结构和运行模式研究 2 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的总体研究 2 1 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的提出 通过对当前国内外研究现状的分析表明，基于口的多层体系结构集成是一种 先进的集成模式。这种系统集成模式的核心思想是：将集成管理平台要实现的功 能按不同性质进行分类，并分别布置在不同的层面；集成管理平台通过核心调度 程序对各子系统实现统一管理、监控及信息交换，建立一个专用层面用于实现集 成管理平台的核心功能；建立集成管理平台接入网络将各子系统视为下层现场控 制网，并都以平等方式集成；各子系统的实时数据，通过开放的工业标准接口( 如 o p c 接口) 转换成统一的格式存储在系统集成实时数据库中。 在智能建筑的机电设备系统集成中，基于多层体系结构集成模式的思想，论 文提出了一种基于三层结构的楼宇机电设备系统集成模式，应用该模式开发的基 于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台，能够分离预定义逻辑，优化资源占用， 最小化改变影响，提供异类数据源支持，实现在统一平台上集成异构机电设备并 灵活组态，具有灵敏的可自定义配置的联动控制逻辑，并能提供强大的扩展性支 持。 集成管理平台的三层体系结构为：分布层、核心层和数据层。分布层以一种 基于子系统平等的方式接入各楼宇机电设备系统，主要完成数据传输的功能；核 心层包含若干可运行逻辑组件，是集成管理平台核心功能实现的根本；数据层对 集成管理平台运行中的数据进行管理。 2 2 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的体系结构研究 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的体系结构如图2 1 所示，整个平 台的体系结构以分布层、核心层、数据层三层布局，详细说明如下： 分布层 分布层为楼宇机电设备系统接入提供支持，它一般包括管理层网络和现场控 制层网络二部分。如图2 1 所示，在管理层网络上，可以将楼宇机电设备系统通过 兼容的协议进行接入，例如o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 协议、b a c n e t 协议、 l o n w o r k s 协议等。其中o p c 协议是一种分布式客户服务器体系，楼字机电设备系 统与集成管理平台能够通过o p c 协议实现无缝集成；l o n w o r k s 协议和b a c n e t 协 议以往主要应用在现场控制层网络中，随着这二种协议的不断完善和发展，现在 它们都能在e n t h e r n e t 网络与t c p i p 协议基础上实现。在现场控制层网络上， 除了可以应用传统的r s - 4 2 2 r s 一4 8 5 、c b u s 、l o n w o r k s 等总线技术外，性价比 重庆大学硕士学位论文 2 体系结构和遥符模式研究 不断撮商的以太瓣与t c p f f p 协议技术也将褥到广泛应用。 鎏2 1 基于三层续构瓣搂字辊电设器系绞集成鳇体系绩稳圈 f i g u r e 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo f t h eb u i l d i n ge l e c t r o m e e h a n i c a le q u i p m e n ts y s t e m si n t e g r a t i o np l a t f o r m 6 重庆大学硕士学位论文2 体系结构和运行模式研究 核心层 核心层为整个楼宇机电设备系统集成平台的核心，是楼宇机电设备系统集成 的监视、控制、配置、管理逻辑运行之地，核心层主要包括三部分：组件与事务 服务器及运行逻辑、w i n d o w s 服务程序、配置与管理程序。其中组件与事务服务 器及运行逻辑又细分为四个层次：机电设备系统接入层、逻辑组件层、远程过程 调用层、数据库连接层。机电设备系统接入层负责对机电系统接入协议进行处理， 定期扫描各机电设备系统，并将所获得的设备状态数据存入系统实时数据库，以 便被随时查询，此外上层发出的机电设备系统控制指令也通过该层处理并发出， 它屏蔽了分布层所接入的各个子系统的复杂性，使得分布层对于上层的管理与逻 辑组件来说是透明的，即上层无需明白分布层的具体实现细节就可方便地与设备 进行沟通，从而集成后的系统受接入的各楼宇机电设备系统变化的影响最小；逻 辑组件层集合集成管理平台各种逻辑与管理功能组件，如将设备状态查询( 设备 监视) 、设备状态设置( 设备控制) 、机电系统联动控制、机电系统组合控制等功 能分别封装在不同的组件里，当需要时供客户调用；远程过程调用层负责处理外 界( 客户机、w e b 服务器或其他集成平台) 对本平台的访问；数据库连接层负责平 台与关系型数据库的交互，采用了组件技术的数据库连接层，可以提供灵活、高 效的数据库连接。 数据层 应用关系型数据库为集成管理平台提供数据管理、数据查询、数据存贮、事 务管理、备份与恢复等功能。 2 3 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的运行模式研究 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的运行模式如图2 2 所示，在该图 中显示出楼字机电设备系统群、w e b 服务器群和胖客户端计算机群三个与集成管 理平台直接相交互的系统群，其中楼宇机电设备系统群是集成管理平台的监控与 管理对象，它们之间通过分布层网络相互通讯：w e b 服务器群与胖客户端计算机 群都是集成管理平台的服务对象，它们通过调用集成管理平台核心层相关接口与 之进行交互，同时w e b 服务器群能够通过i n t e m e t 向瘦客户端提供接入。 重庆大学硕士学位论文2 体系结构和运行模式研究 l ；i 巍l ，一”m 。”# r 翳鬈璺是型# ；：替落t ，麓舞t 、；：穗；黼 | _ 圈。圈 鬻 隰 一 睦登墼鲞、 r 、 鬟霪l 匡惑季慧麴隧萋篓：圈鬯璧鳖塑翻 搂字枕趣设备荔筑霸璧i 螽麓麓踅骥疆鬻l 鬻黎j 麓溺 图2 2 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台的运行模式图 f i g u r e 2 2t h eo p e r a t i o nm o d ec h a r to f t h eb u i l d i n ge l e c m n n e e h a n i c a le q u i p m e n ts y s t e m s i n t e g r a t i o np l a t f o r mb a s e d0 1 13 - t i e ra r c h i t e c t u r e 如图2 - 3 所示，以查询致冷系统的冷水机组设备当前工作状态为例说明基于三 层结构的楼宇机电设备系统集成平台的一种运行模式，其交互过程为： 集成管理平台接入层自动定时查询分布层中的机电设备系统，如对冷水机 组设备的查询，集成管理平台首先创建连接对象( 负责致冷系统连接的驱 动程序) ，然后调用其连接对象提供的获取设备状态数据的方法。 冷水机组设备连接对象向集成管理平台返回其当前状态参数，集成管理平 台获得冷水机组当前运行状态参数一 楼宇机电设备系统集成平台将该参数存入实时数据库中。 用户或系统管理员使用w e b 浏览器向w e b 服务器请求页面，要求获得 冷水机组设备当前工作状态参数。 w e b 服务器调用楼宇机电设备系统集成平台组件服务器中相关组件，要 求获得指定设备的某种参数。 楼宇机电设备系统集成平台组件查询实时数据库相关表。 实时数据库向楼宇机电设备系统集成平台返回查询结果，即冷水机组当前 运行状态参数。 楼宇机电设备系统集成平台向w e b 服务器返回查询结果，即冷水机组当 前运行状态参数。 w e b 服务器动态生成页面并返回给用户端的w e b 浏览器，用户获得“冷 重庆大学硕士学位论文2 体系结构和运行模式研究 水机组”瀵翦工作状态数据。 图2 3 基千三层结构的楼字机电设备系统集成平台的一种运行模式豳 f i g u r e 2 3o n eo f t h eo p e r a t i o nm o d e so f t h eb u i l d i n ge 1 拄i e c h 绷髓le q u i p m e n ts y s t e m s i n t e g r a t i o np l a t f o r mb a s e do n3 - t i e ra 加h i t e c t u r e 2 4 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平螽的特点 通过对基于三艨体系结构豹楼字辊电设备系统集藏平台体系结鞫帮运行模式 的分析，该平台具肖如下特点： 基于三层体系结构的集成管理平台稳定、可靠、配鼹灵活、安全性高。 支蒋广泛瓣开藏蛙按议。 可自由配鬣j | 矗控与联动控制逻辑，实现丰富的管理功能。 基于i n t e r n e t 的远程机电设备管理功熊。 l 够鞋瘦客户枕或胖客户壤二争 模式察现客户端游阚。 可被第三方系统集藏。 2 5 本章小结 零睾蓄毙壤述了基于三垂缝糖熬搂字戳壤设各系统繁皴管理平台，该平台应 用基于三层体系结构的子系统相飘平等的模式进行集成，并着重研究了该集成管 理平台的三层体系结构，如图2 1 所示，分别为分布层、核心层和数据层；然后研 究了集戏管理平台黪运行模式；簸后援出了蒸予三层结橡瓣楼宇辊电设器系统集 成平台的特点。 擘 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 3 基于三层结构的楼宇机电设备系统集成平台关键技术研究 3 1 异构机电设备系统集成技术的研究 3 1 1 异构机电设备系统集成的概述 图3 1 主要的楼宇机电设各系统 f i g u r e 3 1t h ep r i m a r yb u i l d i n ge l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ts y s t e m s 大型商用楼宇中有多种机电设备系统，如空气调节系统、冷水机组系统、通 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 风系统、排风系统、供配电系统、电梯系统、照明系统、供水系统、排水系统、 排污系统、消防系统等，如图3 1 所示。机电设备系统集成要将各种不同的机电系 统和及其所包含的机电设备集成起来。这些被集成的机电设备系统的控制网络或 通讯协议不一致，用“异构”性进行描述。 楼宇机电设备系统的异构性主要体现在以下二个方面： 机电设备系统控制器与控制网络的“异构” 对机电设备系统的监控一般是通过在现场安装数据采集器与控制器完成的， 楼宇机电设备监控流行的做法是采用“现场控制，集中管理”，即整个监控网络被 分为至少二层管理层网络和现场控制层网络，在现场控制层网络各设备或子 系统都使用现场控制器就地控制，为了能够互相通讯，各现场控制器通过控制网 络( 现场总线) 连接起来。实现控制器之间的集成( 可互操作) 必需确保在整个 控制网络上采用统一的现场总线协议，现在已有l o n w o r k s 、c a n 、p r o f i b u s 、f f 、 h a r t 等八种被纳入国际标准的现场总线技术，此外世界上还有正在使用的其余 3 0 多种现场总线技术，各种技术之间因为接口、协议、底层通讯网络的不同而不 能互相进行通讯，从而导致机电设备控制系统的异构，如表3 1 所示。【1 1 】 表3 15 种主要的现场总线特性对照【倒 现场总线类型 特性 f fp r o f i b u sh a r tc a nl o n w o r k s 实现o s i 网络 1 2 3 81 2 71 2 71 2 71 7 层次 通讯介质 双绞线、电 双绞线、光纤电源信号线双绞线、光纤双绞线、电力 缆、光纤、无线、电缆、光 线等纤、无线 介质访问方式令牌、主从令牌、主从令牌、查询位仲裁 p p c s m a 纠错方式c r cc r cc r c c r c c r c 通讯速率 2 5 m 1 2 m1 2 m 1 m1 2 5 m 晟大节点数 3 21 2 8 1 5 1 1 0 2 4 8 与管理层网络的接口及通讯协议的“异构” 管理层网络为各楼宇机电设备系统网关提供通讯通道，该网络处理集成管理 平台与各楼宇机电设备系统间的通讯。管理层网络的异构性体现在：不同管理层 所提供的通讯接口不尽相同，它们所使用的通讯协议也不相同。现在楼宇机电设 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 备系统集成主要的管理层网络技术包括e n t h e r n e t ( 以太网) 、a r c n e t 等，主 要的通讯协议有t c p i p 、o p c 、b a c n e t 、l o n w o r k s 等。 通过上述二点关于楼宇机电设备系统“异构”、性分析可以明白，当前的楼宇 机电设备系统从控制器到控制网络到通讯接口与协议都可能是异构的，各个异构 系统互相独立，形成了“信息孤岛”，在集成性的研究过程中如何将这些“异构” 的机电设备系统集成到统一的平台将是重要的研究课题。 在分析了楼宇机电设备系统异构性问题之后，要实现异构机电设备的顺利集 成考虑采用以下关键技术开发集成平台：首先考虑采用如2 2 节所述的三层体系结 构，通过在二层体系结构的中间加上核心层( 中间件层) ，使分布层只负责各机电 设备系统的接入，分布层再以统一的接口和数据格式与上层通讯，为上层屏蔽各 机电设备系统通讯的异构性，这样的架构使平台受机电设备接口改变的影响最小， 确保系统的健壮性( r o b u s 阶m s s ) ，详细内容见3 1 ：2 小节；现在大多数楼宇机 电设备系统都提供诸如o p c 、b a c n e t 、l o n w o r k s 等标准通讯协议接口，在集成管 理平台上只需要提供相应通讯协议客户端软件或驱动程序便可实现互操作，这为 异构机电设备系统集成提供了通用的通讯标准，详见3 1 3 小节。此外集成管理平 台采用三层体系结构，其分布层、核心层、数据层的实现均应用了当前最前沿的 计算机软硬件技术，如核心层应用组件技术以及分布层的现场控制网络应用以太 网与t c p i p 协议技术等，以满足对楼宇异构机电设各系统的集成，这些关键技术 的研究详见3 1 4 小节和3 1 5 小节。 3 1 2 异构机电设备系统集成的总体设计 对楼宇机电设备系统集成平台的功能需求分析： 1 2 】 实时监控 实时数据采集；实时设备控制；对智能与非智能设备进行统一监控。 主动报警 对设备故障和异常数据信息主动报警；记录报警信息；设置报警级别；可以选 择采用声、光等报警形式，并打印报警结果；灵活的报警组态功能；综合抗干扰 技术，防误告报警。 数据管理 历史数据入库，统计分析，提供查询功能；根据用户需求生成并打印报表；统 计数据，绘制运行曲线。 系统管理 自由配置集成管理软件、设备网关、数据采集设备、监控通道、系统功能、操 作人员等；人员的账号、权限、交接班管理：对系统状态、操作记录形成日志。 其它功能需求 重庆大学硕士学位论文 3 关键技术研究 系统故障自诊断、门禁与灯光联动、在线帮助、远程维护与操作。 在楼宇机电设备系统集成中采用三层体系结构( 参见图2 1 “基于三层结构的 楼宇机电设备系统集成平台的体系结构图”) ，通过分布层提供机电设备系统接入 并与机电设备系统交互的功能，其他专用功能逻辑都封装在核心层的组件中，由 核心层事务服务器提供统一管理，数据层提供运行数据管理功能，这样可以满足 上述功能需求的分析，所以应用三层体系结构的楼宇机电设备系统集成是可行的。 基于三层体系的楼宇机电设备系统集成平台具有系统集成、功能集成、网络集 成和软件界面集成等特点，对楼宇内部设施实现了楼宇自动化系统( b a ) 、消防自 动化系统( f a ) 、安保自动化系统( s a ) 和停车场自动化( c p ) 的一体化集成， 在整个楼字内采用统一的电脑操作系统和用户操作界面，实现了集中监视和统一 管理的功能。三层结构的楼宇机电设备系统集成平台能够提高楼宇机电设备系统 的管理和服务效率，降低了其运营成本。它的主要特点如下：f 7 0 】 w e b 结构 集成管理平台采用b r o w s e r s e r v e r 和i n t r a n e t 相结合的模式，并以w e bs e r v e r 为中心对楼字内各机电设备系统进行集中管理，在平台上层软件无须修改的情况 下，可连接多种机电设备系统。集成管理平台的管理层基于i n t r a n e t 网络及t c p ，d 通讯协议，终端在通用浏览器上( 如m i c r o s o f ti n t e m e te x p l o r e r ) 即可对系统进行 访问，而无需安装客户软件，并且支持多用户访问。也可通过i n t e m e t ，实现楼宇 机电设备系统的远程访问及控制。 集中管理 集成管理平台设计高性能图形用户界面，加入网络管理、数据记录、统计、报 表以及系统管理等功能，直观方便地对各楼宇机电设备系统进行监测控制。集成 管理平台针对楼字内空调、给排水、发电机、电梯、照明、机房、消防、安保、 门禁、停车库等楼宇机电设备系统进行统一管理，采用w e b 技术使用户在一个简 明的浏览器界面上，实现整体系统的集成，通过集中管理提高了管理效率和综合 服务的能力，同时降低了运营成本。 多机协同 良好的联动功能，使子系统能够协同工作，对异常情况能够及时有效地处理。 操作简洁，控制方便 不论是胖客户端还是瘦客户端均基于w i n d o w s 平台，操作人员可通过形象的 图形和文字菜单及联机帮助，用鼠标或键盘进入子系统进行监控。集成管理平台 具有全局事件响应功能，以动态图形和声音报警提示系统设备的异常。 安全可靠 根据工作职能赋予不同操作员以不同的权限，使其只能使用系统的相关功能， 重庆大学硕士学位论文 3 关键技术研究 避免越权操作；集成管理平台设置密码保护，防止非法用户的入侵：对于重要数 据的修改，只能由授权的用户进行重复确认后才能完成；集成管理平台的所有操 作均自动存入日志文件中，日志文件的查阅权限与集成管理平台操作权限分开， 用于考查操作人员的工作及辅助进行事故原因的调查及处理。 历史数据 历史数据采用大型关系数据库存储( 如o r a c l e 或m ss q ls e r v e r 等) ，由于采 用t c p i p 通讯协议、o d b c 数据库接1 ：3 、s q l 数据库语言和c o m d c o m 技术， 使数据库易于扩展，数据的备份可自动进行。同时可以与不同类型的数据库或操 作系统进行连接，如s y b a s e 数据库，u n i x 操作系统。 物业管理 物业管理提供了完善的业务功能，包括固定资产，设备维修和综合服务等功能 模块，对内部各机电设备建立设备档案，包括设备名称、型号、产地、厂家、安 装地点、运行时间等参数，自动产生设备维护保养报告；通过集成管理平台提供 与大厦办公自动化系统的c o m j d c o m 接口，这样集成管理平台可为大厦有关工 作人员提供实时设备运行信息，并可通过该平台进行调度安排和管理控制。 3 1 2 1 三层体系结构分布层的研究 分布层负责各楼宇机电设备系统接入到集成管理平台的工作。通过分布层的 网络联接，实现上层集成管理平台对下层楼宇机电设备系统的管理。如图3 2 所示， 分布层负责楼宇机电设备系统的接入，其主要包括二部分，一部分为机电系统接 入端的现场控制网络与协议处理器，其上运行各种开放或专用通讯协议；另一部 分为集成管理软件端，主要是开放式通讯协议客户端软件和专用通讯协议驱动程 序。在分布层的机电系统接入端，主要包括现场控制层网络与管理层网络二部分， 其中现场控制层网络主要的标准协议有b a c n e tl o n w o r k s 、i ：f 、p r o f i b u s 、 d e v i c e n e t 、c a n 、m o d b u s 等；管理层网络主要基于e n t h e r n e t ( 以太网) 与 t c p i p 协议，其应用层封装o p c 、l o n w o r k s 、b a c n e t 、p r o f i b u s 、m o d b u s 等协议 数据包。 如图3 2 所示，表现出应用b a c n e t 协议、l o n w o r k s 协议、o p c 协议和非标 准的专用协议等的现场控制网络，现场控制层网络的这些不同的通讯协议体现了 楼宇机电设备系统的异构性：首先在物理层上采用的通讯介质不同，可以采用双 绞线、电力线、电缆、光