电子信息类论文：楼宇自控开放性协议的研究

摘要：楼宇自控系统的不断发展不仅表现在硬件上的不断升级，在通讯协议上也在发生着日新月异的变化，从最早的集中式到后来的集散式，在到今天的开放式，这些技术都在不停推动着楼宇自控这个行业。其中当今最流行开放协议为LonWorks和BACnet技术，本人详细分析了这两种协议的结构和特点。
　　关键词：控制系统开放协议LonWorksBACnet
　　一．    前言
　　楼宇自动控制技术是工业控制技术在民用领域的延伸。楼宇自控系统自问世以来经历几次产业革命。主要原因是楼宇自动控制是计算机控制系统的一部分，所以随着计算机技术的不断发展，给楼宇自动控制也带来不断发展。下面我们看看楼宇自动化控制都经历了那些变化。
　　第一代：CCMS中央监控系统（70年代）
　　从20世纪50年代末期开始，计算机技术引入控制领域，他出现了第一代计算机过程控制系统，既是集中式控制系统，主要特点是：由一台计算机完成整个被控对象的全部控制系统的所有监控与控制任务开始主要应用于工业控制。在70年代，集中式控制系统应用于楼宇自动控制系统但这种控制系统存在着大量的问题，需要敷设大量的管线到控制中心，同时所有的控制计算都集中在一台计算机上，可靠性非常差，一旦计算机出现问题会造成整个系统的瘫痪。90年代基本上被第二代控制系统取代。
　　第二代：DCS集散控制系统（80年代）
　　随着微处理器技术的发展和成本降低，楼宇自动控制系统与绝大多数工业控制系统一样，开始由原来的中央监控系统向着集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）发展。集散控制系统的主要特征是集中管理和分散控制。它有利于计算机技术对整个系统进行集中监视，操作，管理和分散控制。但是集散式控制系统也存在着不足，各设备厂家协议不同不开放，使得各家现场控制器不能互通。
　　第三代：开放式集散系统（90年代产品）
　　90年随着现成总线技术的发展，把接传感器、执行器、控制器都应用在同一网络上，让传感器和执行器更智能化，系统的配置更加灵活，同时具有开放的协议标准成为用户的迫切需求。这个网络的特点是二层网络结构：管理层（中央站）、现场网络层（现场控制器）国际标准化的开放的通讯协议有LonWorks，这些网络架构将是的综合自动化发展方向。
　　二.楼宇自控系统的现状
　　楼宇自控系统发展到21世界，其非常受工程商和实际应用关注的将不但是控制器的品质，而是更在意楼宇自控系统能够有一套开放的标准，供客户更好的了解系统和根据产品厂商的服务和产品品质随心所欲的更换合适的产品，不再是以往的霸权主义。所以，用户现在要求建筑自动化控制网络必须是一个开放系统。在目前智能建筑领域，应用较多的开放系统技术有BACnet标准和LonWorks技术等。在建筑自动化开放系统中，它们各自发挥着各自的长处，既为竞争对手，又是合作伙伴；它们各自扬长避短，共同促进着建筑自动化开放系统的集成技术的发展。下面我们主要来研究下这两种开放协议的特点和在实际中的应用。
　　在说这两种协议前，我们首先要弄清楚一个概念，那就是什么是开放的现场总线。开放技术是指那种能为任何制造商使用的设备开发、制造技术，设备可以是个别的开放技术产品，如一台控制器，也可以是作为开放系统解决方案的一部分，如一种通信接口软件。可互操作性在一个单独系统内(如：暖通空调系统)或者跨越多个系统(如：暖通空调系统和安全防范系统之问)，虽然不使用任何网关或翻译软件，但是所有设备只依靠点对点通信，就能实现信息共享。
　　三．LonWorks现场总线
　　LonWorks技术开始于1988年，美国Echelon公司提出的，开发此协议的目标是实现低成本，高效率的自控网络，并使基于该技术的不同厂家自控设备实现互操作功能。同时LON的网络是一个对等的网络结构，可以有效的降低网络结构风险。其整个的网络的组成主要有：
　　Lontalk通信协议-------ANSI/EIA709.1ControlNetworkingStandard(控制r,网络标准)；
　　专用硬件-------NeuronChip,Transceiver,i.Lon以及网络接口和路由器等；
　　专业软件工具------NeuronC,NodeBuilder,LonBuilder和LNS系统集成工具等；
　　LonMark互操作规范------LonMarkInteroperabilityGuidelines（LonMark互操作指南）
　　其中Lontalk通讯协议属于技术本身内容，是LonWorks技术的核心和基础，专用硬件和专用软件工具属于技术开发与应用的内容，LonMark互操作规范属于技术应用行业的规范和产品认证的内容。
　　Lontalk通信协议是LonWorks技术的核心，原为封闭专用标准，1996年以前是通过NeuronChip专利硬件芯片向外销售该协议的固件实现版本。现在该协议已开放在全球工程文档中心可以购买，但是要将该协议应用于商业活动还必须与Echelon公司签订“协议专利许可授权书”。以避免他人对协议的修改，从而保持公司对该协议的专利技术的绝对控制。Lontalk通信协议是对等自控网络协议。其组成内容分为文字说明和基于MotoralaMC68360处理器的C程序参考实现代码两部分。前者是协议的解释性说明，是非形式化的描述，后者为一种形式化的描述，是协议精确描述的参考。Lontalk通信协议是遵守ISO/OSI—RM模型的自控通信网络。具体对应为：
　　第一层物理层，物理层主要现实的是网络节点间的电器信号互联，以保证节点间位信息的正确传输。在LONWORKS网络中可以支持多种类型的通信介质，并可以将不同通讯介质按其传输性能划分为不同的信道类型，然后通过路由器把不同的网络连接起来。
　　第二层数据链路层主要是实现通信介质的访问控制（MAC）、帧结构处理以及帧错误检测等，其**质访问控制功能由数据链路层的MAC子层协议实现，其作用是充分利用通信介质的性能以提高信息传输速率。
　　第三层网络层是通过一些网络设备把不同通信介质组成的LONWORKS网络正常的连接起来，网络的系统中包括：域、子网、节点等。网络层最基本的功能是路由的选择。网络层分为三层基本的寻址方式,(Domain,Subnet,Node);(Domain,Subnet,Unique-Node-ID);(Domain,Group,Member)其中需要注意的是Unique-Node-ID地址在形式与ISO以太网中的MAC地址相同，但不同的是，以太网中MAC地址在第二层数据链路层，但在LONWORKS网络中Unique-Node-ID不在数据链路层，而在网络层，所以LONWORKS网络的物理层和数据链路层没有地址识别功能可以直接接收信道上所有的帧数据。网络层除了具有地址识别功能，还有一个主要的功能就是路由功能，路由器根据其路由表将报文从一个子网发到与之连接的另一个子网，当进行全局范围的广播时，路由器将报文转发给所有的目标子网。
　　第四层传输层在LONWORKS网络中可分为三个子层，事务控制层的功能主要是控制报文的传输顺序和重复报文的检测，认证子层是提供请求和相应的认证功能；传输层是为应用层提供可靠的报文传输。
　　第五层会话层在LONWORKS网络中只是利用传输层的事务控制子层以控制传输顺序和报文重复检测。
　　第六层表示层在LONWORKS网络中，主要提出的是“网络变量”的概念，简化了底层的工作，使设计和应用更容易。
　　第七层应用层中则可以进行网络变量报文传输服务，网络变量别名，通用应用报文传输服务允许应用层构造任意类型的报文。网络管理和诊断报文服务。
　　以上是LONWORKS网络对应ISOOSI标准七层结构所要执行的功能。而LONWORKS网络本身还有自己非常特别的特点是就NeuronChip芯片，他不仅是LON总线的通信处理器还是采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过NeuronChip芯片来完成的，这个芯片有三个单元处理器，一个用于链路层控制，一个用于网络层的控制，一个用于用户的应用程序，另外他还包括了11个IO口，这样在一个芯片上就能完成网络和控制的所有功能了。同时大部分LON的设备都含有NeuronChip芯片，这也是LONWORKS网络的一个标志。
　　LONWORKS网络除了有自己的专用硬件给用户提供开放的协议外，还为客户提供专用的软件工具，为各种应用的开发提供了实用统一的操作平台供所有的LON设备接入LONWORKS网络系统。同时拥有LNS设备Plug-in工具，Plug-in工具可以为每个新设备节点节省大量的开发时间。
　　下面是一般LONWORKS对等的网络结构：
　　
　　LONWORKS网络在2002年的统计中，已安装的LON的设备有1800万件，有超过240多种连接LONWORKS网络的应用程序和LNS，世界有上千家的设备制造商。共有924种LONWORKS产品。除了应用在暖通空调控制外，还提供门禁、能源管理、火灾报警及防排烟控制，电动机控制，照明等控制还可以提供数据采集控制器，提供时间表程序，趋势记录器程序等。所有LON的设备都可以直接连接到一个网络中，不需要网关转换器。根据笔者的经验和学习，认为LONWORKS网络的最大好处就是有非常标准的网络架构，就Lontalk一种协议，对于使用者来说非常容易把握。很容易在底层就可以实现系统的集成不需要开发网关或接口。此外LONWORKS网络是一套对等的网络系统，对主从系统比较可以降低了网络故障给整个系统带了危害性。因为整个网络是统一的开放协议，一般设备都固定的NeuronChip芯片，因此LONWORKS网络可以很容易的实现设备的随意选择性，不受厂家限制。同时LONWORKS网络在未来还可以把一些现场的设备做的更加智能，比如：LONWORKS的温度传感器等。这些都说明LONWORKS是一套非常成型的网络，也将是有非常好的发展前景的开放网络。
　　四．BACnet数据通讯协议
　　BACnet数据通讯协议，现场总线是对楼宇自控系统的现场控制级网络进行了定义，而楼宇自控系统网络结构的标准化并不限于现场控制级网络，而BACnet数据通讯协议是由多家楼宇自控系统厂家与建筑厂商共同达成的楼宇自控领域数据通信协议的标准，它是由美国供热、制冷和空调工程师协会研究制定的，规定了在不同厂商产品的不同协议之间现实数据通讯的标准。BACnet的全称是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetworks即楼宇自动化网络数据通信协议，它的目的是提供楼宇自控系统现实互操作的方法。BACnet协议阐述了楼宇自控网络系统的功能和有关系统组成单元如何共享数据，使用何种通信介质，如何实现功能服务的信息格式，协议如何转化等方面的全部规则。BACnet使得系统集成不考虑设备生产厂家，各种兼容系统在不依赖任何专用芯片的情况下实现相互开放的通信成为可能。但BACnet网络是属于分层的网络结构，所以存在的风险性就大一些，同时BACnet网络的扩充不是很灵活。
　　BACnet标准作为自控通信协议的一种同时是一种非盈利的组织建立的，所以BACnet标准即考虑技术的先进性和可扩展性而且还要平衡业界各方的经济利益，因而BACnet吸取了其他现场总线的经验上，确定了BACnet标准的原则。采用4层结构，BACnet应用层是标准的BACnet程序语言；BACnet网络层规定了标准的BACnet/IP，这也是BACnet网络的标志，在数据层和网络层支持现在主流的4种通讯协议分别是ISO8802-2Type1;MS/TP;PTP;LONTALK等几种现场总线协议。
　　根据BACnet体系结构，应用层属于互操作信息处理层，主要功能是对互操作信息的语义进行定义和翻译，并执行相应的互操作处理过程，所以应用层的功能主要有两个，一个是定义楼宇自控设备的信息模型，另一个是定义面向应用的通信服务。这是BACnet控制系统进行自控根据的根本。
　　BACnet用具有属性的标准对象表示建设设备和控制过程有关的逻辑实体的功能。BACnet网络把系统中的每个物理点和软件点都定义为一个“对象”，每个对象都有与之相关的属性，如当前值、描述、状态等等，对象是在设备之间传输的一组数据结构，数据结构中的信息就是属性。BACnet对象是一个由数据项组成的数据结构，我们可以根据需要建立合理的设备对象属性值。通过这种控制设备的抽象表示方法，使通信协议的服务只直接作用于对象的属性值，并不直接作用于控制设备或不直接改变控制设备的状态和功能。服务的行为，只是“读、写”对象的属性，而是控制设备随后根据对象属性值产生的行为。不是通信协议服务直接作用的结果，而是控制设备根据对象属性值产生的建筑功能行为。因此通信协议可以只规定与通信功能有关的行为规约，不规定控制设备的建筑功能行为规约，只把控制设备的建筑功能看成是通信协议过程的间接行为。这是BACnet网络与其他控制网络完全不同的地方。
　　在BACnet网络中，对于常规自控系统中常用的“命令”不是通过直接控制操作对象。而是可以通过“取、存”方式或“读、写”方式访问对象属性，间接现实对被操作对象的操作，这种模式就是间接操作模式。直接操作模式虽然直观，但不能成为通用互操作模式，因为不同的控制领域有不同的操作命令和操作参数类型。间接操作模式以统一的方式实现互操作，把被操作或被管理的实体，抽象为标准“对象”，用以屏蔽不同结构或不同功能的实体。在BACnet网络中，两种模式是都被采用的，间接模式用于控制设备的控制过程，直接模式控制与设备管理过程有关，混合模式实用充分发挥各自的有点，对于没有管理需求的控制设备间接模式是最好的互操作模式，对于要求管理的控制设备直接模式是最好的控制模式如：工作站就是两种模式混合进行控制。
　　BACnet把“命令”或“消息”应用到访问对象的操作定义为通信协议的“服务”。通过“服务”，BACnet设备可以查询另一个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操作，或其设备主动声明或通告发生的事件或报警。
　　BACnet还可以在internet上传输，传输的方式有两种一种是常见的PAD技术即异构网互联通过对BACnet通信协议包封装/拆装现实。这种技术也叫“隧道”技术。这种技术很成熟但缺点是灵活性差，一旦网络配置改变或增加BACnet设备时，所有的PAD设备的路由信息均要修改，给网路的运行带来很大的困难。另一种方式是领用IP技术建立BACnet/IP网络，是通过直接支持基于IP协议的BACnet设备组成的，这也是BACnet系统网络上的一个发展方向。
　　下面是一般BACnet主从的网络结构：
　　
　　BACnet网络到2000年的统计，已安装了82个国家，19054套系统，2410个网关，超过l2O个BACnet产品供应商，有63种BACnet产品。但BACnet网络除暖通空调控制外，只能提供门禁和照明控制，完成所有设备的监视，通常要使用多种通信协网关。在BACnet网络中，它的出发点就是在上层进行系统的集成和互通。在上层主要通过软件技术对下面系统链接，通过设备对象化实现间接的控制，所以要求上位机的性能要求稳定。BACnet网络是以主从式的网络结构为代表，因此系统的网络风险就会高点。BACnet网络的下两层通讯协议有依赖其他家的通讯协议，所以在组建网络时，没有统计的组网工具，由各家自己有自己的版本，这些是BACnet网络的不足，因为下两层各家都有各自的技术特点，所以在产品选择上不能进行底层的互通，一旦相对来说选择了谁家的产品某种角度上还是要继续应用该家的设备，不能很轻松的换成其他家同功能的产品。所以要扩展网络再次进行集成相对比较麻烦。这是BACnet网络的一些现状。
　　五．结束语
　　本篇主要讲解了有关楼宇自控领域通讯协议发展的一些情况，主要分析了以开放协议为代表的LonWorks网络和BACnet网络各自的特点。开放协议是目前楼宇自控领域最为关注的一点，同时这些开放的协议标准不仅为相关从业人员带了方便的学习，也为客户在产品和系统选择上提供了有利的条件。
　　参考文献：
　　《智能楼宇自动化技术》赵乃卓中国电力出版社
　　《楼宇设备自动控制》马少华中国水利水电出版社
　　《智能楼宇控制系统的设计与实施技术》黎连业清华大学出版社
　　《智能建筑楼宇自控系统》程大章中国建筑工业出版社
　　《智能建筑自控网络》董春桥清华大学出版社

转载请注明来自：http://www.yueqikan.com/guangbodianshilw/4608.html