楼宇自动化控制系统的IP化发展分析

张雪峰（同方数字城市产业本部， 北京 100083）

1 系统概述

楼宇自动化控制系统（Building Automation System，以下简称：BAS）是智能建筑不可或缺的基本环节，系统对建筑物内的各类机电设备进行集散式的监视、控制，实现对建筑物的全面综合管理；BAS也是建筑节能的重要组成部分，系统能够检测能耗状态、负荷变动并能够根据室外环境状况和用户需求，对建筑物内机电设备进行控制，调节冷、热等能源的消耗量，可以有效减少能源消耗，提高能源的使用效率。

BAS的建立需利用成熟、实用的计算机技术、通信技术、自动控制技术和网络技术，将建筑内部的各种机电设备连接到一个控制网络上，进行综合的控制管理。由于建筑智能化系统涉及的技术和产品非常庞杂以及互通性差等问题，这个控制网络正随着通信技术、网络技术日新月异的发展由严谨的工业总线向灵活自由的IP网络发展。同方股份公司率先提出了建筑智能化系统在IP网络上统一可靠承载的解决方案，并与H3C公司合作进行网络融合试验，获得了量化的测试数据。本文将就该主题从BAS的角度展开论述。

BAS是集散控制系统，系统由BA数据管理服务器、现场控制设备（DDC）、现场传感器、执行器等设备组成，其中现场控制设备DDC控制器是完成系统监视和控制等主要功能的设备，它是一个不依赖网络或其他控制器的独立控制器，是BAS监视控制功能的最基本单元。

BAS的运行与监控都必须依托于一个通信网络，这个通信网络一般由管理网络和控制网络组成。系统的BA数据管理服务器挂在管理层网络上，现场控制器则接入控制层网络中，完 成DDC控制器与DDC控制器之间、DDC控制器与管理工作站之间的数据通信。在传统 的BAS通信架构中，管理 层 网 络 主要为以太网；而控制层网络一般为总线结构，如Lonworks、BACnet、CAN 或其他厂家自主总线，网络结构图如图1所示。

在图1中，BA数据管理服务器及管理分站（客户端）构成管理层网络，网络管理设备安装于管理服务器内部的PCI插槽上，或在管理服务器外通过串口等端口联接BA数据管理服务器、并管理着基于RS485的各种通信总线或Lonworks通信总线。RS485属于低速总线，为主从模式，通信协议包括：BACnet MS/TP、MODBUS、BLN（siemens专有）、C-Bus（honeywell专有）及N2（JOHNSON专有）。

随着网络技术的革新及网络管理设备的更新换代，BAS的网络结构发生了变化，如图2。

在图2中，网络管理设备的功能得到了很大的提升，它直接接入以太网与BA数据管理服务器及管理分站（客户端）构成管理层网络，并管理着基于RS485的各种通信总线或Lonworks通信总线的控制层网络。Lonworks为对等通信网络，各节点地位均等、无主节点，各节点之间的数据交换采用点对点（peer to peer）方式，Lonworks网络为是Echelon公司专利技术授权使用。如果控制层网络采用的是Lonworks，那么管理层网络则是建立一个基于IP-852封装的透明通道，将LonWorks协议数据封装在该通道内，经由TCP/IP网络传输。当今随着建筑规模的扩大，BAS控制的机电设备也越来越多，两三条总线已经不能满足建筑智能化的需求。在BAS规划中会按照被控设备的多寡及建筑结构特点将建筑物（群）分为若干个功能区域，每个功能区域布设一条通信总线，并在功能区域内的适当位置放置一台网络管理设备，接入TCP/IP网络管理该功能区域内的DDC控制器。

由于总线技术发展方向及商业利益等原因，控制层网络多种现场总线并存而互不兼容，导致系统的可互操作性只能在同一种现场总线系统中实现；同时双层通信网络环境较为复杂，且易产生通信的速率瓶颈，为了解决这些问题同时亦是为了使通信网络环境简约化，BAS将以太网引入控制层，如图3所示。

图3中DDC控制器直接接入以太网与BA数据管理服务器及管理分站（客户端）构成一个统一的IP网络结构。在全IP结构的BAS中，DDC控制器与BA数据管理服务器及管理分站（客户端）之间的通信一般采用BACnet/IP协议。BACnet采用的OSI模型为参考模型，这种精简的构架允许楼宇自动化行业采用较低成本、大规模生产的处理器。BACnet的数据链路层、物理层传输技术也有六种之多，以太网是其最主要的一种。其采用碰撞检测的模式来通信，不需要令牌，所以当链路上没有通信活动时节点就可以自由发送数据。

图3是全IP结构的BAS，通过管理层和控制层的融合，实现了从管理层到控制层的管理一致性，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，与智能建筑中其他系统集成起来更加容易。可见，全IP通信结构，是楼宇控制系统通信的未来发展方向。

3 楼宇自控系统IP融合实验分析

建筑内部IP承载网络的融合，是建筑智能化系统发展的必然趋势。BAS作为建筑智能化的主要系统，在智能化各子系统通信平台融合后如何被可靠承载，需要通过有效的实验测试，得到量化的数据并进行分析，才能为网络策略的制定提供可靠的依据。

目前在智能建筑领域，BAS全IP化网络结构尚未得到全面的普及，并且在采用全IP网络结构时BAS厂商均建议针对BAS建立独立的IP网络，这与我们一直努力搭建“智能化系统一网到底”的期望有很大差距。BAS厂商之所以建议单独组网，是因为在智能大厦内搭建的IP网络一般为商用以太网，办公环境中的商用以太网对响应的实时性一般没有特别的要求，而且IP网络是“尽力而为”的服务模式，是个不确定性网络，信息交互会出现时延和抖动现象。如果将这种商用以太网作为融合多个智能化子系统的通信平台来使用，在不做任何网络策略的保障下，很难满足BAS系统对控制实时性与确定性的要求，这正是导致BAS系统厂商建议单独组网的原因。

我们希望通过实验测试，发现BAS系统的IP通信特性，并依此找出保障融合承载平台可靠通信的网络策略。由于图2的网络结构是当前BAS主流厂商均支持的网络结构，而且图3的全IP网络架构的分析和测试相对图2要容易得多，因为中间不存在多协议数据包的二次封装环节。另外，本网络测试需要设备商对实验进行深度支持，而当前欧美品牌的产品其核心技术人员在欧美，深度交流存在困难。故本次网络融合试验我们选用同方泰德Techcon建筑设备监控系统，其采用图2的网络结构，控制层网络选用Lonworks协议。系统中需要IP网络承载的设备有BA数据管理服务器、BA管理客户端、网络管理设备（通过Lonworks总线接入DDC）。

3.1 典型应用场景

根据项目规划首先选取典型应用场景，该建筑是一幢高156.1m、地下2层、地上35层的商用办公楼。系统被控机电设备包含：冷冻站、换热站、集水坑、送/排风机、生活水泵、生活水池、热风幕、直接蒸发式新风机组、吊装式空调机组、走道照明、空调/采暖膨胀水箱、空调/采暖换热、航空障碍照明和电梯。

BAS 监控点2 890点（DI：1 595点 ；AI：387点；DO：654点；AO：254点），其中主楼2 038点，地下室852点。BAS中控室设于1层BA设备监控主机房，设置BA数据管理服务器1台，BA管理客户端1台。

3.2 网络结构设置

网络融合试验BAS产品选用同方泰德公司的Techcon建筑设备监控系统。

BAS采用管理层和控制层两层网络结构，管理层由BA数据管理服务器、管理分站（客户端）及网络管理设备构成，采用建筑智能化网BINet；管理层网络除了将系统自身的管理设备连接起来外，还将建筑物中其他相关系统和独立的智能化系统连接起来，实现各系统之间的数据通信、信息共享以及其他厂商设备和系统的通信。控制层网络采用标准化现场总线LonWorks，所有控制器能通过控制层网络以LonWorks总线方式通信，通过网络管理设备以太网路由器将数据上传至中控室。

在系统的两层结构中，无论是管理层还是控制层，均具有同层资源共享功能。在系统主机发生故障时，所有控制模块之间仍保持通信和数据的交换，而倘若任何一个控制模块掉线，其余控制网络的全部现场控制器之间亦能保持点对点无主从的方式进行直接通信，从而保障系统不间断的可靠运行。

表1 业务流分类表

根据被控设备的物理分布，以及所选系统的特点，办公区共设计6条总线。其中主楼东、西两侧的高、低区各设计1条总线；地下1层、地下2层各设计一条总线。Techcon楼控系统主要由BA数据管理服务器、管理客户端、i.LON 600 LonWorks/IP路由器、MPR50路由器及Techcon控制器（DDC）组成，拓扑结构示意如图4。

1）BA数据管理服务器及管理客户端（工作站）由主流电脑及Techcon新一代数据采集组态软件Techvue组成。

2）网络管理设备由i.LON 600 LonWorks/IP路由器及MPR50多端口路由器组成。i.LON 600 LonWorks/IP路由器能够提供一个可靠的、安全的Internet通道，形成无缝的对等网络，对所有应用来说是透明的。本试验典型应用场景BAS设置两套网络管理设备，分别管理四条和两条LonWork总线。

3）DDC控制器选用Techcon09系列高性能控制器，它是含有微处理器的可自由编程的控制器，内置Echelon公司的神经元芯片（Neuron Chip），收发器FTT-10A通信速率为78.8Kbps，并通过LonMark认证。

3.3 典型业务流量分析

本次试验采用的Techcon楼控系统，本质上是基于LonWorks协议的工控系统，实验所关注的各类典型业务产生的报文交互都是DDC与数据管理服务器之间通过LonWorks协议进行的。而在以太网络传输的DDC与数据管理服务器之间的交互报文被加上了特定封装统一传输，使网络设备无法根据业务内容予以区分并分别保障。因此，只能将各类业务流按网络设备可区分的特征进行归类，并按归类后的业务流进行保障。归类后的业务流如表1所示。

1）管理工作站访问数据管理服务器的TCP数据流，该数据流用于实现监控数据显示及指令下发等业务功能，具有突发流量相对较大，对网络时延、抖动和丢包不敏感的特征。

2）数据管理服务器发起的IP-852隧道维护报文流，用于在TCP/IP网络上建立、维护及终结IP-852隧道，隧道维护报文基于UDP协议，对网络时延有要求（缺省要求小于50ms，可以在建隧道时手动更改），对抖动和丢包不敏感。

3）数据管理服务器与DDC之间的报文交互数据流，是数据管理服务器发起的数据查询报文、指令下发报文、状态轮询报文，DDC发出的告警报文及他们的应答报文，全部基于LonWorks协 议，封 装 于IP-852隧道中。

4 验证实验

根据Techcon系统的结构特点及通信流量特性，我们将所有设备位于同一个VLAN内。手动设置各设备IP地址、用户权限等以保证BAS的正常工作。

表2 Techcon楼控系统主要业务流的传输测试表

由于BAS系统基于工业控制而设计，DDC控制器内具有针对通信的保证机制，系统数据包小而多。系统的三种数据流对通信网络的延迟有一定的容忍度，而对丢包却比较敏感，故网络系统通过QoS等策略保证了BAS在网络上的可靠传输。

对Techcon楼控系统主要业务流的传输测试如表2所示。

由以上测试结果可以看出，Techcon楼控系统主要业务流在承载网络上的传输指标完全满足楼控系统正常运行的需求，其运行情况良好，系统可在测试承载网络上稳定可靠运行。

5 实验意义、价值与发现

本次实验仅选取了Techcon楼控系统，采用了IP网络管理设备、LonWorks总线型网络结构（图2）进行测试，通过实验我们取得了有价值的成果：

1）本次试验提出了BAS系统IP通信特性的分析方法，如BAS网络通信的业务传输类别、数据流大小、数据流方向及数据端口区分等，并向siemens、honeywell产品商发放了《IP通信需求调研文档》，进一步了解各厂家DDC控制器的IP通信业务需求。

2）BAS是一套分布式控制系统，系统的控制运算及控制逻辑主要是在各个DDC控制器中进行，IP网络只是一个承载网络，且系统数据包较小对网络需求小，故IP融合承载的风险相对较小。

3）基于测试结果分析得知，BA业务产生的报文交互都是DDC与数据管理服务器之间、DDC与DDC之间进行交互的，以太网仅仅作为一个承载介质存在。只要通过合理的网络配置、流量管理手段，BAS的业务流对通信中时延、抖动、丢包的影响都能控制在合理的范围内。

4）将以太网技术直接应用于智能化系统通信网络，实现管理层至控制层的通信协议统一，从而实现了建筑智能化网络与楼宇控制网络的无缝集成，这也是智能建筑全面集成的一个基础。

5）对于智能建筑集成商而言，采用IP网络融合方式，通信网络由建筑智能化网统一布设，简化了BAS通信网络、降低了BAS系统设备投资，降低了维护保养难度。

[1]张少军. 以太网技术在楼宇自控系统中的应用研究[M]. 北京：.机械工业出版社, 2011.