建筑自动化系统拓扑结构及其发展趋势分析.docx

建筑自动化系统拓扑结构 及其发展趋势分析 上 海 大 学赵 哲 身 摘 要目 前 活 跃 在 国 内 市 场 上 的 国 际 著 名 的 建 筑 自 动 化 （）系统品牌不下 十 余 种 ，其 系 统 拓 扑 结 构 可 分 为 四 类 ：以 网 关 连 接 现 场 层 和 管 理 层 、以 网 络 控 制 器 连 接 现 场 层 和 管 理层 、 直 接 经 连 接 管 理 层 以 及前三类的两两混合 。 结合具体的品牌对四类 系 统 的 拓 扑 结 构 进 行 了 剖 析 。介 绍 了 系统的三个主要发展 趋 势 ：工 业 控制领域的成果将 越 来 越 多 地 应 用 到 系统的传统控制策略的改进 ，通 讯 领 域 成 果 开 始 应 用 到 系 统 领 域 ， 领 域 成 果 正 在 向 系 统 领 域 渗 透 。认 为 目 前 出 现 的 空 调 子 系 统 机 电 一 体 化 的 倾 向 可 能 会 破 坏 系 统 的 全 局 性 和 整 体 性 。关 键 词 建 筑 自 动 化 系 统 拓 扑 结 构 应 用 特 点 发 展 趋 势 控 制 策 略 （）， ， ， ， ，引 言年 以 来 ，随 着 智能建筑在我国的兴起 ，建 筑 自 动 化 （，）系 统 （在 修 改 版 中 定 义 为 “建 筑 物 设 备 管 理 系 统 ”）得到了快速的发展 ，但 是 ， 迄 今 为 止 ，在 公 共 建筑领域仍然是国外品牌一统天下 。 其 原 因是国内自主知识产权的 系 统 在 技 术先进性和可靠 性上尚难以和国外著名品牌匹敌 。进 入中国市场的国外 系 统 从 最初的三大品牌 江 森 （ ）、霍 尼 韦 尔 （）、西 门 子（），已 演变到目前的大约 十 大 品 牌 ：美 国 的 系 统 、奥 莱 斯 （）系 统 ，英国爱尔兰的西朗 （）系 统 ，（）系 统 ，德 国 的 培 福 系 统 ，施 耐 德 兼 并 英 维 斯（）、安 德 沃 （）和 形 成 的 系 列 等 。最初的三大品牌 本身也发展衍生出多种系列 ：霍 尼 韦 尔 从 最 初 的 发 展 到 系 列 （德 国 生 产 ）， 研 发 了 系 列 （中 国 生 产 ），通过兼并拥有了美国的 艾 顿 （）系 统 、英 国 的 卓 林 （）系 统 ，扩 展 、拥 有 赵 哲 身 ，男 ，年 月 生 ，大 学 ，教 授 ，获国务院特殊津贴 上海市闸北区延长路 上海大学自动化系 （）：收 稿 日 期 ：加 拿 大 的 系 统 ，瑞 士 的 索 特 （）系 统 和 思 博（）赵 哲 身 ：建筑自动化系统拓扑结构及其发展趋势分析 了 系 统 等 ；江 森 从 系 统 演 变 为 系 统 ，近 几年 推 出 了 （墨 西 哥 生 产 ）系 统 ；西 门 子 从 最 初 的 系 列 、 系 列 演 化 到 （瑞 士 、美 国 生 产 ）系 列 等 。近 年 来 ，我国新建公共建筑出现了某种发展趋势 ，大 体 量 公 共 建 筑 和建筑群越来 越 多 地 涌 现 。 世 纪 初 ， 万 的建筑已经是很大的单体建筑 ，现在则频频出现 几 十 万 的 单 体 建 筑 ，如 上 海中心的建筑面积为 万 ，以 及万 乃 至 万 以 上 的 建 筑 群 ，如上海博览中心的建 筑 面 积 达 万 。面对如此大体量 的建筑和建筑群 ，如 此 缤 纷 的 国 外 品牌 ，每 个 建 筑 师 、咨 询 师 、 系统开发者和行业专家都面 临 着 下 列 问 题 ：）如何针对建筑物的需求选择最 合 适 、性 价 比 最 高 的 系 统 ？）专家如何在评标中对品牌有正确的评估 ？）国 内 系统开发商如何针对 系统的发展趋势 制定正确高效的技术路线 ，赶超世界先进水平 ？为 此 ，剖 析 世 界 主 流 系 统 的 拓 扑 结构和应用特点 ，正确评估其发展趋势就变得十分迫切和必要 。 系统分布式拓扑结构剖析 典 型 系统的拓扑结构 一 个 典 型 的 系 统 具 有 层 拓 扑 结 构 ，分 别 是 上 层 的中央监控管理层 ，中层的直接数字控制器 （），下 层 的 传感器和执行器 ，中 层 和 下 层统称为现场层 ，见 图 。 需 要 说 明 的 是 ，图 给出的不是一种实际的 系 统 拓 扑 机 构 ， 而 是 现 有 种 结 构 的 概 括 、抽 象 和 综 合 。浓度等模拟量信息 ，以 及 压 差 、水 流 开 关 、手 自 动 状 态 、运 行状态和故障状态等开关量信息 ；执行器用于执行 给 出 的 指 令 ，包括使调节水阀 、调 节 风 阀 、变频器达到一定 开 启 量的模拟信号和使开关阀门开闭的开关信号 。分 析 十 大 品 牌 的 系 统 拓 扑 结 构 ，大 致 可 以 分 成 类 ：）以网关连接现场层和管理层的系统 ；）以网络控制器连接现场层和管理层的系统 ；） 直 接 经 连接管理层的系统 ；）上 述 类的两两混合系统 。 第 一 类 ：现场层通过网关连接管理层网络的 系 统 这 种 系 统 以 霍 尼 韦 尔 的 为 代 表 ，见 图。图 以网关连接现场层和管理层网络的 系 统图 中 ，每 个 网 关 可 连 接 条 控 制 总 线 。每 条 可 连 接个 系 列 控 制 器 ，通 讯 点 限制 为点 ，通 讯 速 度 为。传 递 发 送 速 率 为 时 ，最 大 限 制 （）为 ，最 大 服 务 限 制 （）为 。 以 总 线 传 输 （速 率 为）时 ，最 大 限 制 为 ，最大服务限制为 。控 制 器 为 （）系 统 的 协 同 运 行 提 供 了 个 网 络 变 量 ，最 多 个 物 理 点 ，最 多 个 伪 点 ，总 共 最 多 个 节 点 。 控 制 器 的 每 个 输 入 量 占 用个 网 络 变 量 ，对应的每个输出量占用 个 网 络 变 量 。有 类似拓扑机构的 系统还有最近 进入中国市场的 爱 尔 兰 系 统 。 系 统 有 种 网 关 结 构 ，路 由 器 和 网 关 。） 网 关 上 游 经 连 接 管 理 层 ，下 游 经 现 场 总 线 连 接 。 它 还 可 以 经 和无线基站相连 ，实现和无线系统的互联 ，符 合 现 代通信技术渗透到 系统的发展趋势 。图 系 统 拓 扑 结 构中央监控管理层由服务器 、客 户 机 （操 作 站 ）、中 央 监 控管理系统软件和相应的通讯设备组成 ，通过管理网络层 （一 般 是 网 络 ）和 现 场 层 相 连 。 它不仅可以和以 为代表的现场层相连 ，也可以通过通信接口和机电一体化 的 系 统 相 连 ，如 冷 源 系 统 、智能照明系统等 。 中 层 由 组 成 ，有 的 系 统 配 置有网络控制器或网关 。 下 层 传 感 器 的 主 要 职能是从现场的空间 （）或 水 管 （）、风 管（）中 获 取 温 度 、湿 度 、压 力 、压 差 、流 量 、 浓 度 、 ，：暖 通 空 调 年 第 卷 第 期暖通空调自动控制 ）路 由 器 上 连 管 理 层 ，下 连 对 象 。） 网 关 上 连 管 理 层 ，下 经 总 线 和灯光控制系统相连 ，见 图 。图 系统的网关拓扑结构 从 系 统 的拓扑结构可以看出 ，其 产 品 的 推 出 时间 要 晚 于 霍 尼 韦 尔 的 ，因而能适应更多的对象 连 接 ，更 具 有 扩 展 性 。 系 统的独特优点是它的 ，是 完 全 通 用 的 ，即 ， 完 全 可 以 互 换 ，节 省 了 系 统 的 硬 件 投 入 。 它的另一个特点是具有可控硅无触点输 出 ，因 而 可 靠 性 高 。 第 二 类 ：网 络 控制器连接现场层和管 理 层 网 络 的 系 统这 种 系 统 以 江 森 为 代 表 ，类似的系统还有美国的 系 统 、霍 尼 韦 尔 的 系统和加拿大的 系 统 ， 这 个系统向上的连接都是采用 协 议 。江 森 的 系 统 以 作为网络控制引擎 ，本 身 带 处 理 器 ，针 对 不 同 大 小 的 系 统 分 别 配 置 ， ，到 的 网 络 控 制 器 （见 图 ）。 网 络控制器向下支持 总 线 、总 线 和 对象 ，有 的 还 能 支 持 内 置 。 内 嵌 ，支 持 个 或 多 个 功 能 。值 得 指 出 的 是 ，江 森 的 系 统 的 主 控 制 器 和 具 有 处 理 器 ，具有比例自适应控制 （）和模式识别自适应控制功能 ，集 成 商 在 现 场不必进行传统的 ， 参 数 调 试 ，控 制 回 路 会 自 动 整 定 这 些 参 数 ，达到几乎最优的控制策略 。图 为 以 网 络 控 制 器 连接现场层和管理层的 系 统 。 系 统 采 用网 络 控 制 器 。 ，图 网络控制器作为中间层连接 和管理层的江森系统 现 行 常 用 现 场 总 线 协 议 标 准 （如 ，等 ）。 该 系 统 采 用 了 开 发 平 台 技 术 ，其 网 络 控 制 器 下 连 条 总 线 或 条 总 线 。 只 要 是 在 一 个 控 制 器 下 ，就 认 为 是 同 一 个 域 ，可 以 方便地调用域下的任何参数 ；对 于 ，也 可 以 通 过 直 接 调 用 。 支 持 约 个 物 理 点 ；每 个 能 带 不 超 过 个 的 控 制 器 （）。 它 支 持 热 电 阻 的 通 用 输 入 ，量程大小较为合理 ，温 度 范 围 为 ，精 度 为 满 量 程 的 ，在 ， 时 精 度 较 差 ，在 ， （）， （），控 制 器 等 分 别包容不同数量的 （）赵 哲 身 ：建筑自动化系统拓扑结构及其发展趋势分析 图 直接连接管理层的 系 统对 点 （）的 通 讯 。 下 层 连 接 的 上 可 运 行 或 协 议 。， 和 系 列 的 都 是 的 ，都 可 以 通 过 扩 展 模 拟 量数字量模块设备来增加监控点 数 。， 系 列 支 持 条 干 线 与 总 共 个 设 备 通 讯 。 点 扩 展 模 块 的 配线总长度最大为 ，其 模 拟 数字信号分辨率 （模 拟 输 入 ）是 的 ，数 字模 拟 信 号 分 辨 率 （模 拟 输 出 ）是 的 。 系 列 控 制 器 内 嵌 ， 控 制 器 模块的组合通过一个总线 扩展模块可以接 条 网 络 （），每 条 可 以 带个 设 备 ，其 分 辨 率 （模 拟 输 入 ）是 的 ， 分 辨 率 （模 拟 输 出 ）是 的 。图 以网络控制器连接现场层和管理层的 系 统满 量 程 的 范围内不需要用户校正 。图 为 加 拿 大 系统的拓扑结构图 。系 统 是 一 种 纯 粹 的 系 统 ，同样通过网络控制器连接管理 层 和 现 场 。 其 系 统 控 制 器 为 的 ，下 挂 支 持 的 应 用 控 制 器 ，包 括 控 制 器 等 。 其 控 制器用于集成 管 理 控 制 设 备 ，如 和 灯 光 控 制 器 等 ，也 直 接 支 持 。 还有专用灯光 控制器用于控制 智 能 照 明 系 统 。 控制器的下层网络支持 或 。第 四 类 ：混 合 系 统混合系统主要是上述类拓扑结构的两两组合，主要有：）系 列 的 系 统 路由器和控制器直接上以 太 网 的 混 合 ；）系 统 路由器和网络控制器的混合 ；）系 统 控制器带网关型 。图 为 系 统的拓扑结构图 。 所 有 控 制 器 均 为 微 处 理 器 。 系 列 控 制 器 是 控 制 器（）；系 列 控制器直接连接 ，相当于西门子 结 构 ；路由器类似于 霍 尼 韦 尔 结构 ，把 总 线 连 接 到 一 台 的 口 ，图 以网络控制器连接现场层和管理层的加拿大 系 统则 通 过 插 槽 将 总 线 连 接 到 ； 通 用 控 制 器 用 于 暖 通 空 调 系 统 ； 和 控制器连接模块或现场设备 。专 用的联网控制器 （有 个 输 入 点 和 个 输 第 三 类 ： 直接连接以太网的系统 西 门 子 的 系 统 是 现 场数字控制器能直接连接以太 网管理层的系统 。控 制器能直接上连 以 太 网 ，下 连 ， 。 从 最 初 的 ，到 现 今 的 系统无不具有这一特点 ，见 图 。 这是一种最为简洁的 网络 拓 扑 结 构 ，特别适合于大型 建筑群和超高层建筑 。 采 用这 种 系统可以有较高的性价比和较快的响应速度 。同 样 值 得 指 出 的 是 ，西 门 子 的 系 统 的 也 具 有自适应控制策略 ，控制回路不需人工调试 ， 参 数 就能实现最优控制 。西 门 子 系 统 的 网 络 结 构 分 为 管 理 级 、自 控 级出 点 ）和 联 网 控 制 模 块可 连 接， 和 等 ，用 于 暖 通 空 调 （） （）， ， ， ， ，：， 和 楼 层 级 。 在 上控制器之间可以实现点 暖 通 空 调 年 第 卷 第 期暖通空调自动控制 发 的 系 统 的 中 采 用 了自适应控制算法 。 江 森 在其 新 开 发 的 系 统 中 也 在 每 个 控 制 器 中 移 植 了 这 一 技 术 。 两家主流公司的这 一应用成果标 志 着 系 统 接 受了这一新的发展趋势 。自 适应控制技术是工业控制领 域 在 世 纪 年 代 已 经 发展成熟的技术 ，使用这种技术后 ，工 程师不再需要对闭 环 控 制 回 路 的 ， 参数进行现场调试 ，系 统 会 通 过 学 习 自 动将这些参数整定到近似最优 。 由 于 行业内一直缺乏相 关 的 技 术 人 员 ，更由于市场上的低价中 标 现 状 ，没 有 能 力 和 时 间 调 试 ， 参数一直是困惑集成商的技术难关 。 自 适 应控制技术进入 系统很好地解决了这一难题 。可以预见，随着集成电路技术的快速发展和硬件成本的不 断下降，的字节长 度 已 经 从 ，发展到现今主流 的，今后将会有越来越多的现代控制技术和控制理论应 用到 系统之中，这将是不以人的意志为转移的趋势。 通讯成果开始应用到 系 统 领 域本 世 纪 前 年 ，霍 尼 韦 尔 、西 门 子 、江 森 先 后 加 入 了 协 会 。江森开发出了基于 网络的无线平台 ，其 中 包 括 系 列 无 线 现场 总 线 协 议 ，用于暖通空调 系 统 的 无 线 温 度 传 感 系 统 、多对一无线房间传 感 系 统 、一对一无线房间温 度 传 感 系 统 和 一对一无线房间温度传感系统等 。 无 线 通 信 技 术 进 入 系 统 ，使得其在受价格因素影 响布线困难或仅仅 是 为 了美观而不允许布线时 ，也 能 得 到 广 泛 应 用 。 如用户经常性地搬迁或墙面 采用坚硬的大理石 的 场 合 等 ，使 用 无线控制技术就是一个选择 。 采 用 的无线网络监控使用 协 议 的 暖 通 空 调 设 备 。采 用网格式的网络来加强可 靠 性 ，通 过 自 动 构建多路径的数据传输方法形成自 修复通信的能力 。 需 要 注 意 的 是 ，在自由空间内 传播的可靠性较高 ，穿 透 楼层和墙壁的能力则受到相当的限制 。目 前 ，基 于 ， 的 设 备通讯技术也已经在 系 统 和智能家居的控制 中 得 到 了 应 用 ，这一切都印证了通讯 技 术 向 系 统 渗 透 的 趋 势 ，值 得引起大家的注意 。 领 域 成 果 向 系 统 领 域 渗 透近 年 来 ，由 于 技 术 的 迅 速 发 展 ， 技术的成果越来 越 多 地 渗 透 到 智 能 建 筑 领 域 ，基 于 和 数 字 化 技 术 的城市安全防范系统变革了传统的模拟和 数字结合的安防 系统就是一个有力的证明 。同 样 ， 技术的新成果也开始进入 系 统 领 域 ，其 标 志 是 公司开发的基于 的 开 发 平 台 和 下 层 开 发 平 台 。和 是 开 源 的 、模 块图 系统的混合拓扑结构图 系 统 中 与 非 系 统 的 连 接 ，实 现 与 非 系 统 的 数据 交 换 。图 为 瑞 士 系统的拓扑结构图 。 其第一层为以太 网 ，在 第 二 层 直 连 以 太 网 。 除作为控制器外 ，还 作 为 网 关 和 路 由 器 ，支 持 个 信 道 的 ， ， ，通 讯 接 口 包 括 ，。 其 内 置 服 务 器 ，直 接 采 用 浏 览 。现 场 层 的 ，就 地 扩 展 箱 含 个 物 理 点 。图 系统的拓扑结构图 系统的发展趋势 从 上 面 对 国 外 主 要 系统品牌的拓扑结构和应用特 点 的 分 析 已 经 可 以 看 出 系统的发展历史和发展趋势 。 系 统 的 个 主 要 发 展 趋 势 是 ：工业控制领域的成果将越 来越 多 地 应 用 到 的 传 统 控 制 策 略 ，通讯领域成果开始应 用 到 系 统 领 域 ， 领域成果正在向 系 统 领 域 渗 透 。 工 业 控 制领域的成果应用到 系 统 的 传 统 控 制 策 略 的 改 进早 在 年 ，江 森率先在变风 量 空 调 系 统 的 控 制 器 中 使 用 了自适应控制技术 。 年 月 ，西 门子 紧 跟 而 上 ，通 过 购 买 （） ，自适应控制技 术专利掌握了这一技术 ，在 当 时 新 开（）赵 哲 身 ：建筑自动化系统拓扑结构及其发展趋势分析 化 的 、开 放 的 平 台 ，可 以 扩展连接当今市场上已有的成千 上 万 的 设 备 ，其集成和互操作的能力强大 ，非常适合多协议 系统的无缝连接 ，见 图 。 使 用 这 两 个 平 台 ， 系 统 的 研 发成本将大大降低 ，也 将 更 为 开 放 。 因 此 ，这两项技术得到 了 霍 尼 韦 尔 、江 森 、西 门 子 、 和 等 公 司 的 认 同 。略 ，而其控制策略一 般 没 有 经 过 优 化 ，更 不 是 最 优 的 （从 目前工程实施情况及我国空调子系统运行水 平与国际水平的 差 距 可 得 出 这 一 结 论 ）。 由 于 系 统只能对它们实施监 视 而 无 法 控 制 ，空调子系统就永远失去了优化运行的机会 。）由于是独立的子系统 ，其 本 身 不 会关心和采集系统 之 外 的 全 局 参 数 ，如室外气温和湿度 、建 筑物内人的瞬间流 量 等 。 而 这 些 全 局 参 数 恰 恰 是 系统用来优化控制 、提 高 能 效 的 关 键 。） 系统要想和子系 统联动必须通过通信方式 ， 系统集成商必须对 子 系 统提出通信协议 、数据帧格式和上 传 参 数 的 要 求 ；空 调 子 系 统供应商从商业合同起就必须全 程 配 合 ，增 加 了 技 术 难 度 、商业开销和工程实施的协调成 本 。）这 么 多 的 子 系统通过总线通信 ，会 增 加 系 统 总 线 上 的 负 担 ，通信的可靠性也会有问题 。 当 然 ，对 于 冷 热 源 群控系统等特别专 业 化 的 重 大 系 统 ，笔者一贯主张由冷热 源 供应商实施控制 。 虽然他们目前的群 控水平远没有达到 优化和节能的程度 ，但 由 于他们对产品特性的掌握远胜于 一 般 的 系 统 集 成 商 ，所以由他们在 专家参与下改进和 优化控制是最佳的选择 。图 框 架 的 开 放 性一个需要避免的不良发展倾向 除 了上述三个重要的发展趋势外 ， 系 统 市 场 也 出 现 了 一 个 严 重 影 响 系统质量的不良 倾 向 ，需 要 提 高 认 识 和 避 免 。近 年 来 ，空 调 子 系统厂家纷纷推出机电一体化的控制 系 统 ，如 集 水 井 排 水 系 统 、新风机电一体化系统 、空 调 机 电 一 体 化 系 统 等 。 这 些 系 统 内 含 控 制 器 ，形 成 对 子 系 统 本 身 的 控 制 ， 系 统 只能与这些系统通 过 通 信 互 联 ，而 不 能 对 其 直 接 控 制 。 由于这些产品借助了 机电一体化和智能 控 制 箱 的 称 号 ，颇吸引技术人员的关注 ，并已经有所应用 。 从市场发展的 规 律 上 看 ，这是厂家的经济利益驱使所 致 ，是 正 常 的 现 象 。 但是这种倾向带来 了 严 重 的 问 题 ，令 人 担 忧 。 主 要 原 因 如 下 ：）出于 商 业 保 密 ，厂商一般不公开子系统的控制策 结 语本文分析了中国市场上 的 主 要 国 外 系 统 品 牌 的 拓 扑 结 构 的 特 点 ，在此基础上作了分类 ，主 要可以分为以网关 连接现场层和管理 层 的 结 构 、以网络控制器连接现场层和 管理层的结构和 直接上管理层的结构 。 同 时 介 绍 了 各 类 系 统 的 应 用 特 点 ，可 供 业 主 和 专家从建筑物需求 出 发 选 择 系 统 品 牌 参 考 ；分 析 了 系统的三大发展趋 势 ，供 国 产 系 统 研 发 技 术 路 线 借 鉴 。 最后指出目前出 现的空调子系统机电一体 化