楼宇自动化控制网络技术的新发展

楼宇自动化控制网络技术的新发展

摘要：简要介绍了楼宇自动化系统，分

析了传统集散控制系统和新兴的现场总线

控制系统优缺点以及应用，并介绍了楼宇自

控领域中流行的4种现场总线。说明了以太

网技术的发展以及在楼宇自控领域中的最

新应用情况，对现场总线控制系统和以太网

进行了比较

关键词：楼宇自动化控制网络现场总线控制

系统以太网楼宇自动化系统

目前日益流行的智能建筑

(InteUigentBuidings)是建筑技术与计算

机信息技术相结合的产物，是信息社会的需

要，也是未来建筑发展的方向。智能建筑主

要由楼宇自动化系统

(BuidingAutomationsystem,缩写为BAS)、

通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统

(OAS)三大系统组成。其中，楼宇自动化系

统是智能建筑中最基本和最重要的组成部

分。楼宇自动化系统是利用计算机及其网络

技术、自动控制技术和通信技术构建的高度

自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部

各种设备连接到一个控制网络上，通过网络

对其进行综合的控制，这些设备包括空调、

照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。

它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境,

同时实现高效节能的要求。

2现场控制系统FCS的出现以及在楼宇自

控中的应用

上个世纪七八十年代，伴随着计算机可靠

性提高，价格大幅下降，出现了由多个计算

机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控

制系统(DistributedControlSystem,简称

DCS)0DCS是利用计算机技术对生产过程进

行集中监视、操作、管理和分散控制的一种

综合控制系统。它的测量变送仪表一般是模

拟仪表，因此它属于一种模拟数字混合控制

系统，这种系统较以前的各种控制系统有了

较大的进步。DCS在工业自动化控制领域获

得了广泛的应用，也开始应用到楼宇自动化

控制领域。但是DCS存在如下一些缺点：

⑴安装费用高。采用一台仪表、一对传输

线的接线方式，导致接线庞杂、工程周期长、

安装费用高、维护困难；

(2)可靠性差。模拟信号传输精度低，而且

抗干扰性差；

(3)系统封闭。各厂家的产品自成系统，系

统封闭、不开放，难以实现产品的互换与互

操作以及组成更大范围的网络系统。

上个世纪90年代以来，随着控制技术、

计算机技术、通信技术的发展，出现了基于

现场总线的控制系统(FCS),FCS克服了DCS

的缺点，它是一种全数字化的、全分散的、

全开放、可互操作和开放式互连的新一代控

制系统。目前，现场总线技术已经成为自动

化技术中的一个热点，备受国内外自动化设

备制造商与用户的关注。FCS极大地简化了

传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线

工作量，使其系统检测和控制单元的分布更

趋合理。与传统的DCS(分布式控制系统)相

比，FCS具有可靠性高、可维护性好、成本

低、实时性好、实现了控制管理一体化的结

点，但还是有一些不如人意的地方，最明显

的缺点：多种现场总线并存而互不兼容，导

致FCS的可互操作性只能在同一种现场总线

系统中实现。后面将对FCS的缺点做进一步

说明。

(1)LonWorks

美国Echelon公司1991年推出了

LON(LocalOpenationNetworks)技术，又称

Lonworks技术。它得到了众多计算机厂家、

系统集成商、仪器仪表以及软件公司的大力

支持，已经在楼宇自动化、工业自动化、电

力系统供配、消防监控、停车场管理等领域

获得广泛应用。具体地说LonWorks具有以

下优点：

①网络结构灵活、组网方便。它支持多种网

络拓扑形式，包括总线型、星型、树型、自

由拓扑型等，这样可适应复杂的现场环境,

方便现场布线；

②支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电

缆、电力线、光纤、无线射频等；两种传输

速率:78bps和1.25Mbps,最大传输距离

由网络拓扑形式和传输介质决定，一般可从

500m到2700m。可接人的节点最多为32385

个；

③完善的珏发工具。提供完善的系统开发环

境，采用开放的NEUR0NC语言，它是ANSIC

语言的扩展；

④无主的网络系统。LonWorks网络中各节点

的地位相同，网络管理可设在任一节点处,

并可安装多个网络管理器；

⑤开发LonWorks网络节点的时间较短，也

易于维护。LonWorks采用的LonTalk协议固

化在Echelon公司的Neuron芯片中，这样

可以节省开发LonWorks网络节点的时间，

也方便维护。

同其它现场总线一样，LonWorks也有自

身的缺点。首先，LonWorks的实时性、处理

大量数据的能力有些欠缺；其次，由于

LonWorks依赖于Echelon公司的Neuron芯

片，所以它的完全开放性也受到一些质疑。

尽管LonWorks存在一些不足,但是LonWorks

的FCS还在楼宇自动化领域获得了广泛的应

用。世界上有2万多家OEM厂商生产

LonWorks相关产品，其中种类已达3500多

种。目前世界上已安装有500多万个

LonWorks节点，LonT〜k协议也被接纳为欧

洲CENTC247、CENTC205的一部分。自1996

年以来，LonWorks也开始在国内获得大量的

应用。在建设部的支持下，国内一些研究所

和企业开始陆续开发出基于LonWorks的楼

宇自动化控制系统，并在一些新建智能大厦

和建设部智能化小区试点工程中得到应用。

(2)BACnet

BACnet是作为世界上第一个楼宇自动

控制网络的数据通信协议。它代表了智能建

筑发展的主流趋势。BAcnet不是软件或硬件,

也不是固件，严格地说，BAcnet并不是现场

总线，而是一种网络协议，即通信规则。为

不同商家产品的系统之间进行信息交流提

供平台和支持。BACnet详细阐述了系统组成

单元相互分享数据实现的途径、使用的通信

介质、可以使用的功能以及信息如何翻译的

全部规则。BACnet采用了Erherent>ARCNET>

MS/TP、PTP.LonTalk五种网络技术进行通

信。可根据系统通信是和通信速度选择不同

的网络技术。相对其它现场总线，BACnet标

准最大的优点是可以与Etherent^LonWorks

等网络进行无缝集成。不过BACnet主要为

解决不同厂家的楼宇自控系统相互间的通

讯问题设计，并不太适用于智能传感器、执

行器等末端设备。BACnet标准已在全球得到

了广泛的应用，全球生产和经营楼宇设备和

楼宇自控设备的主要厂商均支持BACnet标

准。BACnet在不到10年的时间内就从一个

行业学会标准迅速成为楼宇自控领域中唯

一的ISO标准。虽然我国是WT0和ISO成员

国，但是BACnet在我国建筑领域中的应用

范围还是相对较小，而且在工程中采用的

BACnet产品和技术也基本上全部是从国外

引进的，还没有真正意义上的国产化BACnet

相关产品。

(3)CAN

CAN总线最初是德国Bosch公司为汽车

监控控制系统设计提出的，现在它已经成为

一种国际标准，在电力、石化、空调、建筑

等行业均有应用。CAN具有以下优点：

①采用8字节的短帧传送，故传输时间短、

抗干扰性强：

②具有多种错误校验方式，形成强大的差错

控制能力。而且在严重错误的情况下，节点

会自动离线，避免影响总线上其它节点；

③采用无损坏的仲裁技术；

4CAN芯片不但价格低而且供应商多。

CAN缺点是：CAN总线上最多可挂接110

个节点，这不完全能满足整个智能建筑的需

要。不过可以通过利用中继器进行扩展，相

对其它一些现场总线，CAN总线技术比较简

单，CAN相关产品的开发费用也远远低于其

它现场总线技术产品的开发费用。因此，很

早国内就有一些企业推出了基于CAN总线的

楼宇自控的相关产品。如狮岛、索龙集团开

发出了$2000楼宇自控系统。

(4)EIB

EIB是欧洲安装总线

(EuropeanlnstaHationBus)的缩写。它在

1990年被提出，经过十多年的发展，成为欧

洲最有影响的建筑智能化现场总线标准，在

欧洲得到了进300家厂商的支持。1999年

EIB被引进中国的智能化建筑领域，并在上

海同济大学建立了EIB认证技术培训中心。

在短短的几年里，国内的会展中心、博物馆、

办公大楼、别墅等场所的灯光、窗帘、空调

等控制和安防系统方面获得了广泛应用，如

厦门国际会展中心、大连国贸中心、浙江人

民大会堂等。国内的EIB项目基本上被ABB

公司和SIMENS公司所垄断。

3以太网开始进入楼宇自控领域

以太网发展至今已有20年历程，作为

局域网组网的主要技术，以其简单、价廉、

高带宽、维护方便以及不断发展等优点一直

在局域网领域中牢牢占据着统治地位。近年

来，以太网技术获得了快速地发展。交换型

和全双功以太网的出现，克服了传统以太网

的共享公共传输媒体和半双功传输的弱点,

实现了站点独占传输媒体并同时收发数据,

也减少了网络上的数据碰撞。以太网的标准

不断更新和扩展，目前的以太网不仅在物理

层（包括拓扑结构、传输速率、传输媒体），

并且在数据链路层与原来的传统以太网标

准有了很大的进步，以太网标准系列已扩展

成20余个。现在已太网不但由局域网向着

接入网和城域网领域发展，同时开始进入工

业控制和楼宇自控领域。新发布的

IEEE802.3af标准开始对以太网供电作出了

规定，它消除了以太网技术进入现场控制领

域的一个严重障碍。目前，3Com、华为、DLINK

等公司开始提供符合IEEE802.3af标准的

交换机产品。另外，一些现场总线的协会或

组织也开始提出基于其现场总线的开放式

以太网标准，即工业以太网标准，如ODVA（开

放DeviceNet供货商协会）和CI（ContolNet

国际组织）发布的EtherNet/IP标准、FF（现

场总线基金会）发布的HSE（Hig}1Speed

Ethernet,高速以太网）、Profibus国际组织

发布的ProfiNeto支持这些工业以太网标准

的交换机、网卡等产品也开始出现，如MOXA

公司的EDS-508系列工业以太网交换机（支

持EtherNet/IP）、北京航天华辉自动化技

术有限公司的AnyBus-SI0/100M（支持

Ethernet/IP和Modbus/TCP）等。美国

VDC（VentureDevelopmentCorp.）调查报

告指出，Ethernet在工业控制领域中的应用

将越来越广泛，市场占有率将从2000年的

11%增力口至IJ2005年的23%。

伴随着以太网技术在工业控制领域的

成功应用，以太网技术也必将越来越多地渗

透到楼宇自控领域。目前，以太网多用于基

于现场总线的楼宇自控网络集成到智能建

筑中的信息网（如图1所示），在一些新开发

的楼宇自控系统中，以太网直接进入了控制

层，如北京楼宇自动化中心开发的基于以太

网的ENC-2001IP智能建筑测控系统。

ENC-2001iP控制系统的结构如图2所示。一

般的空调、照明等系统通过ENC参量控制模

块集成到以太网上；带有RS232或RS485接

口的系统通过网关转换模块集成到以太网

上；IP电话以及IP摄像机直接连接到以太

网上。

在楼宇自控网络中采用基于现场总线的FCS

的优点是

①可靠性、实时性好。现场总线为工业控制

设计

图1楼宇自控网络集成到信息网的，有屏蔽、

接地与防爆等措施，同时其实时性也比采用

CSMA/CD的以太网的时实性好；

②用户的投资成本低。现在，开放的现场总

线技术已经比较成熟，有很多公司提供的相

关产品可供选择。其缺点是：实现现场总线

无缝接人以太网复杂，当多种现场总线共存

在一个系统中时，集成起来更复杂，系统的

扩展性差。

在楼宇自控网络中采用以太网的优点

是：实现了从管理层（信息网）到现场设备控

制层（控制网）的“一网到底”，即实现人们

期望的通信协议的兼容和统一；这样系统扩

展起来也比较方便；与智能建筑中其它系统

（信息网通信自动化系统和办公自动化系统）

集成起来更加容易。其缺点是：首先，目前

开发基于以太网的控制系统产品的难度较

大，开发费用和成本相对还是较高，用户可

以选择的厂商也很有限，垄断利润较高，研

发成本还没有被消化，这些都导致产品价格

过高。其次，以太网的实时性、可靠性等方

面还有待进一步完善。

4结束语

就目前而言，不管是应用在楼宇自控网

络中的基于现场总线