Building Automation System

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1 Building Automation System
楼宇自动化 Building Automation System 主讲 李炎锋 2009年9月 北京

2 第4章 楼宇自控系统典型产品及工程实例

3 主流楼控厂家网络架构概述 一般来讲，目前国内主流品牌BAS的网络架构形式受到不同公司所开发系统应用的网络传输协议的不同也存在各自的特色。在楼宇自动控制界没有出台统一标准的网络传输协议之前，各个楼宇自控设备厂商都在开发自己的私有网络传输协议。如霍尼韦尔公司的C-BUS协议等。各个公司发展私有协议的结果，在一定程度上限制了BAS系统向开放和通用的方向发展。为了改变这个局面，增加系统的开放性、通用性以及实现标准的统一，楼宇自控界，也做了大量的努力。于是也就形成了目前以LonWorks现场总线与BACNet协议为主，同时还有一些私有协议并存的局面。

4 就网络的物理层面来讲，每家厂商大都是以局域网技术和RS485工业总线为基础来构建网络，但由于系统之间的差异，各个厂家又有不同的网络拓扑结构。从软件和传输协议方面来说，每个公司也有每个公司不同的软件系统以及相关的网络协议。举例来说: 奥莱斯 美国奥莱斯公司ALC(AUTOMATED LOGIC CORPORATION)采用的是WebCTRL系统。同时其通讯协议是BACnet协议。ALC的系统是比较完全的BACnet系统，在其网络结构中的两层中，都支持BACnet协议。

5 艾顿 美国艾顿公司ALERTON。采用的是BACtalk系统。其通讯协议也采用了BACnet协议。在管理层即第一层，艾顿公司的BACtalk系统支持BACnet/IP协议。在控制器网层即第二层，支持MS/TP主从/令牌网络。 霍尼韦尔 美国霍尼韦尔公司HONEYWELL。霍尼韦尔公司采用的是Excel 5000系统。该系统在第一层网络的网络结构采用以太网，支持TCP/IP （Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议。在第二层网络中，支持私有协议（Proprietary Communication Protocols）的C-BUS总线，同时，在经过XCL5010拓展后同样可支持自由拓扑结构（LonWorks总线），或者在C-BUS上使用区域管理器Q7750与LonWorks总线相连。

6 江森自控 美国江森公司JOHNSON CONTROLS。江森自控公司目前的系统是Metasys系统。Metasys系统采用两级的网络结构，第一级为N1通信网络；第二级为支持私有N2协议的控制器层网络。两级网络之间通过网络控制器NCU实现相互通信。目前，江森自控公司也开发了适用于LonWorks总线的VE800系统，可以通过FTT10LonWorks总线扩展支持LonTalk协议的设备，另外具有支持第三方LonMark设备的能力。

7 美国奥莱斯公司 ALC的系统结构特点可以体现在以下两个层面 ALC系统的开放性 完全的BACnet协议

8 WebCRL系统典型的BACnet协议的网络架构 以网络结构来看WebCRL系统二层式的网络结构如下：
图 6-1 ALC公司WebCRL系统的网络架构示意图

9 管理层网 (BACnet/IP and Ethernet)
管理层网支持BACnet/IP及BACnet/Ethernet通讯协议，可运行于大楼局域网、校园网或是互联网上。可运行于10/100Mbyte的网络速度。 BACnet/IP通讯协议，允许BACnet数据以IP的形式在企业网内传输。如果将Ethernet看作是企业网的物理网络标准，则也可以认为IP是一种数据格式，数据被封装在IP包中在世界范围内的各种类型网络里进行传输。IP不仅仅应用于Internet，同时应用于在公司的企业网，万维网和虚拟网（VPNs）。以下是可运行于该层内具体设备。

10 ME-LGR、LGR及LGE 以上的设备属于路由控制器系列。LGE配有RJ45通讯接口支持10Mbyte的通讯速率，另支持一控制器层网络接口用于联接至控制器层网，负责其间路由功能。路由控制器LGR及ME-LGR具有LGE相同功能,但其具备10/100Mbyte自适应网络速度的网口。除此之外还具备通讯协议集成功能，可经由以太网、RS485或RS232接口和第三方设备进行通讯协议转换及集成。另外ME-LGR还配有扩展接口可连接带I/O点数的控制器扩展板，进行建筑物内的机电设备的监视及控制。 WebPRTL 为集成网关家族成员。配有RJ45通讯接口及10Mbyte的网络速度，具备通讯协议集成功能，可经由以太网、RS485或RS232接口和第三方设备进行通讯协议转换及集成。ALC针对工业通讯协议标准如Modbus、J-Bus、Lon等及各厂家私有通讯协议已开发完成各种不同型号的WebPRTL产品，有45种型号可供选择。

11 WebCTRL Server ALC提供的WebCTRL软件于安装及运行于服务器后，该服务器将支持BACnet/IP、BACnet/Ethernet的通讯协议可直接和系统其它控制器通讯，交换数据。而该服务器也同时将收到的相关系统数据转换成Web标准网页，以HTTP协议传送给支持浏览器操作(Client)的设备，如电脑、WAP、PDA、手机等。 网络服务器 WebCTRL Server 软件，负责和系统中各控制器及网络工作站通讯及资料交换。 Site Builder 系统数据库架构工具，快速建立系统结构。 Eikon 图形编译程序工具，用于编写各设备控制程序。 View Builder及外挂于MS Frontpage的绘图组件用于动态图面设计，执行控制及数据显示。

12 控制器层网 (BACnet/ARCnet)
网络工作站 支持网络浏览器的工作站，无需奥莱斯任何工作站软件。透过浏览器，提供全功能的图形操作接口，使用者管理，控制器记忆体下载，日程表管理，群组管理，趋势图，控制器管理，警报管理等等。 控制器层网 (BACnet/ARCnet) 在路由器下支持主控制器网使用BACnet/ARCnet/EIA485（Electronic Industries Association电子工业联合会）总线结构，支持BACnet/ARCnet以及BACnet/MS/TP通讯协议。ARCnet协议下网络速度为156Kbaud，MS/TP通讯协议下，网速为9600baud-76.8kbaud。可支持最多99台控制器。在这主控制器网上可支持以下三大类控制器以及现场操作显示器和各类现场传感器和执行器等。

13 路由控制器 LAC公司路由器的基本型具备以太网及现场控制网接口。以太网接口可联接至当今广泛使用的广域或区城网络即以太网(Ethernet and TCP/IP)，在此网络中可直接及自动地和其它近端或远程的路由控制器及服务器进行通讯。现场控制器网络接口支持现场控制器网络，为一总线式结构(Bus)，在此网络上可联接不同I/O点数的直接数字控制器(DDC)。二合一复合型路由器另备有第三方协议集成通讯口，用于第三方机电设备数字通讯集成。三合一复合型路由器具有现场控制器处理能力，可连接带I/O点数的控制器，进行建筑物内的机电设备的监视及控制，是高效能的以太网应用型现场控制器。

14 ME-Lines、M-Lines、MX-Lines及Mnx-Line
具多样不同I/O点数组合的多应用型主控制器，ME-Lines及M-Lines是可支持扩展模块的控制器，MnX-Lines是不支持扩展的。可扩展的主控制器可支持5(或6)块的扩展板即MX-Lines，可提供带不同I/O点数组合的扩展板。因此根据所需组合及不同应用可组合成各式带不同点数的控制箱体，从小点数至大点数都可组成。一般常应用于大点数设备如制泠/热主机系统组、电力监视、灯光回路控制、电梯、消防、供水系统及其它一般型应用。 控制器层网络接口支持开放通讯协议BACnet，可设置为156Kbps的ARCnet网络或 Kbps的MS/TP网络。 SE-Line 具固定I/O点数组合，适合应用于空调箱设备控制用，不论是预泠、等风量或变风量空调箱。 ZN-Line 提供各种具不同固定I/O点数的单元控制器，适合应用于各式末端小型设备控制及变风量箱用。

15 ALC网络系统设计及安装说明 网络系统设备要求 导线介质：镀锡铜线AWG22 绝缘介质：泡沫橡胶（氟化乙丙稀） 绞率：1绞/2英寸（平均5绞/英尺） 屏蔽介质：铝制AWG24屏蔽线/聚酯薄膜 电阻：15.2ohm/1000英尺 电容：12.5pF/英尺 特性电阻：100 ohm 重量：12磅/1000英尺 使用温度： 摄氏度 耐压：300VAC 认证：UL-NEC CL2P

16 控制器组网规则 1、网段概念 图6‑2网段示意图

17 2、穿越概念 图 6‑3 穿越示意图

18 3、三种网络模型 图表 6‑4 第一类网络模型

19 图表 6‑5 第二类网络模型

20 图表 6‑6 第三类网络模型 复合结构：使用REP485一端构建通讯总线，另一端进行网络分支发展

21 4、网络设计应用图表 图表 6‑7 网络设计应用图表

22 webctrl楼宇自控系统优势 ALC所生产的WEBCTRL系统是一套结构简单、有效、功能强大的产品，可以满足楼宇自动控制和系统集成的需要，使楼宇控制及管理变的更有效率。产品是按照严格的工业技术标准，系统具有如下特点。 结合IT技术，成就全功能互联网平台运做 在市场上常见需要使用两台服务器，其中一台为系统服务器，另一台为网页服务器（WEB SERVER）的系统，大多是以数据嫁接方式实现的系统，这样的系统对浏览器提供的功能是非常有限的。 主流开发语言JAVA，系统支持多操作系统软件及数据库格式 WEBCTRL是一个基于JAVA语言设计而成的系统，而并不是只采用某一特定公司如MICROSOFT或INTEL标准而设计的。

23 具同时多通讯协议支持 WebCTRL是一个用于楼宇自控，可在工作站运行的人机接口套装软件，它具有支持多种标准及私有通信协议的能力。 采用标准上位机资料共享接口 越来越多的案例显示，楼宇自控系统信息需要和其他“企业大型主机”或“被批准第三方”的信息系统实现信息分享。 开放标准的集成平台 ALC是促进标准开放协议BACnet的先驱之一，致力于BACnet标准的应用，实现了整个系统有底层至顶层全部符合BACnet标准，为目前市场上具备最完整的BACnet标准产品的厂商之一。 最佳化的能源管理

24 精确可靠的控制实现 舒适的空调环境在于精确而可靠的控制实现，而正确的控制程序编制是其成功的要件。ALC的图形编写程序工具-EIKON软件创造了一个环境把复杂的程序设计简化了，也避免了对复杂的计算机程序编码了解的过程。 结构性强便于管理 组织化的功能管理及显示 ALC的系统具备强大及完善的功能如操作者管理、结构化的警报设定及管理、结构化的日程管理、群组管理、趋势图管理、设备状态及控制参数的管理、图形化程序的动态显示及独特的热敏楼层平面图等。

25 ALC软件系统: ALC公司的软件系统由四个主要软件构成 ALC/WebCTRL的软件系统 数据库架构工具 SiteBuilder 图形化编程工具 EICON 图形界面设计工具 View Builder及外挂组件 操作系统 WebCTRL Server

26 图表 6‑8 WEBtalk 以 Web 形式发布 BACtalk 数据
美国艾顿公司 BACtalk BAS系统网络架构及组件的主要内容如下 管理层 1、Envision for BACtalk 服务器和客户端 2、WEBtalk 图表 6‑8 WEBtalk 以 Web 形式发布 BACtalk 数据

27 图表 6‑9 艾顿系统网络结构示意图

28 系统集成层 1、MS/TP 2、BACtalk模块化控制器 表格 6‑1艾顿网络控制器比较 设备名称 设备类型 可连接VLC数目
支持网络类型 网络传输速率 是否可扩展模块 BCM BCM-ETH 模块化设计的网络控制器 64 BACnet以太网、一条BACnet MS/TP网络 BACnet MS/TP kbps 否 BCM-MS/TP 一条BACnet MS/TP网络 BTI/BTI100 MS/TP LAN网络控制器 65 Internet、WAN、BACnet MS/TP,支持四条MS/TP网络 BACnet以太网 10/100Mbps、BACnet MS/TP kbps VLX 10 BACnet MS/TP网络 BACnet以太网 10/100Mbps 是。可扩展8个EXP模块，最多扩展176个I/O点 表格 6‑1艾顿网络控制器比较

29 图表 6‑10 BCMs模块化控制器支持以太网连接；MS/TP网络连接，每条MS/TP网络支持64个现场控制器；TUX网络连接，每条TUX网络支持64个TUX设备；通过BCM-MDM模块点对点连接

30 图表 6‑11 VLCs，可编程控制器，具有Stand-alone能 力，具有I/O点连接外部设备，位于MS/TP网络上。
现场控制层 1、VLCs 图表 6‑11 VLCs，可编程控制器，具有Stand-alone能 力，具有I/O点连接外部设备，位于MS/TP网络上。

31 图表 6‑12 Viewport 可与VLCs一起工作
2、Viewports 图表 6‑12 Viewport 可与VLCs一起工作

32 图表 6‑13 MS/TP repeater应用示例
传感器/执行器层 位于该层的设备是传感器/执行器，包括可以提供现场服务的设备（智能传感器）。Alerton的Microset就是这种类型的智能传感器。 通过网络延伸器配置MS/TP网络 图表 6‑13 MS/TP repeater应用示例

33 美国霍尼韦尔公司 霍尼维尔Excel5000 EBI系统 EBI的兼容性 EBI系统提供系统的数据接口方式有ODBC、NETAPI、标准的SQL接口，并且支持BACNet、OPC、LonWorks,Advanced DDE,MODIBUS等工业标准协议。 Excel 5000控制器界面 Excel5000系统的网络拓扑结构 中央通讯总线 C-BUS

34 Excel5000网络结构 图表 6‑14 Excel5000的网络结构示意图

35 小型可编程HVAC控制器 霍尼维尔支持C-BUS协议的控制器如Excel20、Excel50、Excel100就可以连接在这一级C-BUS网络上。控制器再通过其自身的I/O接口与现场的传感器与执行器进行通讯。 可编程通用型HVAC控制器 Excel 500/600 可编程通用型HVAC控制器也可以挂在这一级C-BUS网上。Excel 500/600不但可以通过自身的I/O接口连接现场传感器与执行器，并通过自身的控制模块实现对HVAC设备的控制。 Q7750区域管理器 Q9200路由器

36 图表 6‑16 通过总线延伸器XD509扩展网络成总线型C-BUS
Excel5000网络拓扑结构示意图 1、C-BUS上的网络结构和设备连接 图表 6‑15 C-BUS上的设备连接 2、通过总线延伸器XD509扩展网络 图表 6‑16 通过总线延伸器XD509扩展网络成总线型C-BUS

37 图表 6‑17 通过总线延伸器XD509扩展网络成星型C-BUS

38 3、通过Modem延长C-BUS 4、XPC500通讯卡 图表 6‑18通过Modem延长C-BUS的网络连接方式
图表 6‑19 通过应用XPC500通讯卡将一段C-BUS一分为二成两网段

39 图表 6‑20 在C-BUS上扩展LON-BUS的结构图
5、对于LonWorks系统总线的扩展 图表 6‑20 在C-BUS上扩展LON-BUS的结构图

40 图表 6‑22 总线型拓扑结构 图表 6‑23 星型拓扑结构

41 美国江森公司 图表 6‑24 江森Metasys系统网络结构

42 N2系统 N2系统为二级网络结构。 网络自动管理设备NAE 图表 6‑25 NAE网络结构示意图

43 网络集成设备NIE 图表 6‑26 NIE连接结构示意图 图表 6‑27 NAE与NIE系统之间的连接示意

44 VE800系统 在该系统总线下，控制器之间可以实现通信，这样就避免了类似于霍尼韦尔Excel5000系统的三层网络结构。 主流品牌BAS网络架构设计比较及结论 主流品牌网络系统比较 支持BACnet协议的系统 支持BACnet协议的BAS网络架构一般来讲，可以大体上分为两级网络。 第一级网络一般都是建立在局域网或广域网系统上的，同时也就支持局域网和广域网的通信传输协议。 第二级网络即是具体的控制层，这一层一般支持BACnet和ARCnet网络。这一级网络一般采用的是标准总线方式。 两级网络之间通过路由器或网络控制模块实现互通。

45 霍尼维尔的Excel 5000系统主要应用的是霍尼维尔公司自己研发的私有协议C-BUS。
支持其他协议的系统 霍尼维尔的Excel 5000系统主要应用的是霍尼维尔公司自己研发的私有协议C-BUS。 几种总线的网络拓扑结构比较 品牌 奥莱斯 江森 霍尼韦尔 艾顿 网络扩展的方式 网络可以通过中继器Repeater来提升网络传输距离和增加网段。每个网段长度不超过600米。通过M系列控制器扩展最多6块扩展板 可以直接从N1网络下扩展Lonworks网络。 通过总线延伸器XD509延伸网络，最多时用5个，网络延伸7200米。另外可通过Modem延长C-BUS 通过MS/TP Repeater对网络进行延长但网络上的VLCs的数量不能超过64个，两个设备之间可应用不超过3个中继器，网络长度不超过4300米 支持的网络拓扑结构 通过中继器实现总线结构、分支结构及混合型结构。同时Repeater纳入网络节点计算，占用一个网络节点。 系统可以实现星型、总线型和混合性网络结构。 C-BUS级利用总线延伸器支持菊花链总线型和星型结构。应用XPC500通信卡可将一条C-BUS一份为二成两段。LonWorks级支持自由拓扑结构 总线结构，当时用网络转发器时可成为星型结构，另外还可以通过BTI同时扩展4条MS/TP网络，以及应用VLX扩展现场I/O点数 表格 6‑2 四种总线网络拓扑结构比较

46 主流品牌系统的网络比较 表格 6‑3楼宇自控网络系统技术对比表 楼宇自控网络系统技术对比表 厂牌 ALC Johnson Honeywell
ALERTON 中文名称 奥莱斯 江森 霍尼韦尔 艾顿 系统 WebCTRL METASYS Excel 5000 BACTalk 管理级通讯协议 BACnet/IP 私有协议/IP 通讯速率 10/100M 10M 现场级通讯协议 BACnet/ARCnet/EIA485 私有协议N2/EIA485 私有协议C-BUS/EIA485 BACnet/MS/TP/EIA485 156Kbps 9.6Kbps 76.8Kbps 管理级与现场级连接设备 路由控制器系列，ME-LGR、 LGR及LGE BAS监控站 NAE NIE 中央站计算机EBI Stadons BCM系列控制器、BTI、VLX 网络分级结构 标准的BACnet网络两级结构。即管理层网和控制器层网。 二级网络结构，一级N1LAN为管理级。二级N2LAN为控制器级，另外二级网也可支持LON总线。 三层结构，第一层是管理层，运行在以太网上。二、三级为控制器层网。控制器层网的主干网为C-BUS网络。第三级可支持LonWorks总线 BACnet网络，但网络结构分为四层，即管理层、系统集成层、现场控制层、传感器/执行器层 表格 6‑3楼宇自控网络系统技术对比表

47 续表格 6‑3楼宇自控网络系统技术对比表 BAS网络规模
每一个网关所带的控制网络DDC数目不超过98个。但一个系统所支持的网关数目未做具体限制。 其容量可连接50个NCM或30个N30网关 系统容量可连接696个C-BUS型控制器或约80000点 按照设备主或从的分类，网络最大可连接主设备128个或者最大可连接255个主和从设备 网段长度 距离不超过600米 1200米 1071米 网段上可支持DDC数目 网络节点数目不超过32个 29 32个负载设备 支持LonWorks情况 通过BACnet支持LonTalk协议 支持 不支持 PTP(端到端通讯） 扩展模块扩展方式 通过M系列控制器扩展模块，最多可扩展6块MX控制器。控制器通过主板上的I/O口扩展。或者通过中继器扩展网络 可由DDC扩展相应的扩展模块 可在C-bUS下扩展LonWorks总线。通过Q7750区域管理器扩展控制器。通过Excel500/600扩展分布式I/O模块 通过VLX可扩展8个EXP模块，最多扩展176个I/O点。可使用网络转发器延长网络长度 扩展模块／网络地址 不占用 占用 支持的网络拓扑结构 总线结构、分支结构及混合型结构 星型总线型等 C-BUS级支持菊花链总线型和星型结构。LonWorks级支持自由拓扑结构 总线结构，当时用网络转发器时可成为星型结构 续表格 6‑3楼宇自控网络系统技术对比表