BACnet協議與集成智能樓宇控制系統

摘要：文章以西門子樓宇科技APOGEE頂峰系統為例，詳細介紹了支持BACnet協議的無縫隙集成智能樓宇控制系統的特點及其優點。
關鍵詞：智能樓宇 集成控制系統 BACnet APOGEE頂峰系統 樣本內容
l BACnet協議產生的背景

　　隨著信息技術的高度發展，智能建筑內各種控制功能不斷增強，以致于不同廠商生產的設備共存于一個建筑物內?；谑袌霆氄嫉哪康?，各個廠商基本都致力開發自己專有的通信協議，但是這些各種各樣的通信協議和設備不但給智能建筑的系統集成和管理帶來諸多不便，也使用戶受限于廠商而使造價和使用、維護費用居高不下，因此制定一個開放的、統一的通信協議標準，實現無縫隙的集成控制系統勢在必行。

　　為創建使不同廠家的暖通空調子系統相連接的標準方法，美國供暖制冷及空調工程師協會(American Society 0f Heating Refrigeration and Air ConditioningEn舀neers-ASHRAE)制定了一種開放標準，被稱為“樓宇自動化和控制網絡，即BACnet(Building Automationand Control NETwork)。它通過建立一種統一的數據通信標準，使得設備間可以相互操作。

2　無縫隙集成系統的定義

　　所謂無縫隙的集成系統就是要通過制定統一的、標準的通信協議使系統具備開放性和互操作性，并且提供全面的、端到端的解決方案，這三個條件缺一不可。

　　開放性具有兩層含義：一是指通信協議不為任何公司所獨有；任何制造商都可以利用該統一的通信協議標準開發自己的產品；產品不僅可以單獨銷售也可以作為整體方案的一部分提供給用戶。二是指系統滿足樓宇的功能需求，易于擴展，并且可以兼容不同廠商的同類產品，允許用戶選擇質量更佳、價格更具競爭力的產品進行更換。

　　互操作性是指設備在子系統內使用點對點的通信方式來共享信息，在子系統間不需網關和協議轉換器等附加設備就可以實現信息的交換，值得注意的是系統內的設備是可以來自不同廠商的最優結合。僅僅來自同一廠商的設備互操作性是非常有限的，也是與開放性原則相違背的。

　　端到端的解決方案是指通信協議的應用還必須是全面的、系統的，它應該應用到所有子系統的從操作界面到附加產品的任何部分。

3 BACnet協議是構成智能建筑無縫隙集成系統的一種理想選擇

　　最具開放性——BACnet協議在1987年由美國供暖制冷及空調工程師協會ASHRAE提出；1995年發布BACnetl995版本，當年就得到ANSI美國國家標準局的批準成為一個開放性標準；在市場的推動和智能樓宇業界領袖西門子樓宇科技(Siemem Building Technologies)等公司的不斷努力下，ASHRAE在2001年又推出了BACnet2001版，同時也成為ANSI美國國家標準局的標準； 2003年BACnet協議最終成為IS016484—5標準。因此任何廠家都可以按照BACnet標準開發與BACnet兼容的控制器或接口，在這一標準協議下實現相互交換數據的目的。

　　最具互操作性：BACnet采用面向對象技術，在BACnet中，對象就是在網絡設備之間傳輸的一組數據結構，也是輸入、輸出、輸入和／或輸出功能組的邏輯代表，網絡設備通過讀取、修改封裝在應用層協議數據單元(APDU)中的對象數據結構進行信息交換，實現互操作。BACnet目前定義了18 個對象，每個對象都具有對象標志符、對象名稱和對象類型。其中，對象標志符用來唯一標識對象。通過廣播自身所包含的某個對象的對象名稱，BACnet設備可以建立與所含相關對象的設備建立聯系。因此BACnet協議要求每個設備都要包含“設備對象”，通過其屬性的讀取就可以讓網絡獲得設備的全部信息。同時為了幫助用戶和工程技術人員確定不同BACnet設備之間的互操作性，BACnet還提供了PICS文件(Protocol Implementation Statement)，它包括7項內容，即標識廠商和描述設備的基本信息；設備符合BACnet的級別；設備所支持的功能組；設備所支持的基于標準或專有的服務；設備啟動或響應服務請求的能力；設備所支持的基于標準或專有的對象類型及其屬性描述；設備支持的數據鏈路技術；設備支持的分段請求和響應。

　　提供全面的端對端服務：BACnet協議在人機界面(HMI)和現場設備間或不同系統的現場設備間可以直接進行信息傳輸而無需特別附加設備。

　　與總線協議的相對優越性：BACnet和LonWorks是目前國內構建集成系統中最常采用的兩種通信協議，兩者都以滿足開放性和互操作性為目的，雖然從目前的國內市場占有率上看LonWorks略占優勢，但這并不能代表LonWorks優于BACnet，相反在智能樓宇系統集成方面， BACnet具有LonWorks不具備的優點：

(1)高速率和高吞吐量：BACnet上層通過以太網主干線，采用標準國際網絡協議，提供系統高速通信，用于解決數據傳輸量較大的系統間的集成。與商用控制系統廠商使用的通訊速率較低的總線形式相比，有著更為大量的數據通訊，可以運作高級復雜的大信息量，因而能夠大大提高整個系統的性能。除此外以太網主干還能夠在大型系統的網絡活動高峰時間發揮特別重要的作用，如斷電后系統自動重新啟動。LonWorks主要用于解決數據傳輸量較小的現場控制器之間的集成，它實際上是一種工控網技術，它的優點在于方便現場儀器，如傳感器、執行器等的聯網，在于支持多種通訊介質的使用甚至是混合使用?？偟恼f來 LonWorks是適用在實時控制域，特別是在設備級的互聯，而BACnet是適用于信息管理域，特別是在上層網之間的互聯；

(2)功能更強大上面提到BACnet目前已經定義了18個對象，其中包括模擬輸入、模擬輸出、命令、日歷表等等，同時BACnet中還定義了35 種服務，并劃分了6個類別：報警和事件服務；文件訪問服務；對象訪問服務；遠程設備管理服務；虛擬終端服務；網絡安全服務。另外BACnet還定義了13 種功能組包括時鐘功能組、時間響應功能組、文件功能組、虛擬終端功能組、設備通信功能組等。為精簡信息量，BACnet定義了6個一致性類別(設備類別)，一致性類別的分級編號由l一6級別依次升高，每個類別都規定了設備要實現的最小服務子集且包含低級別的所有服務；

(3)互聯網擴展更靈活：在BACnet拓撲中，設備之間只存在一條邏輯通路，無需廣域網的最優路由算法；其次，BACnet具有單一的局部地址空間，所以BACnet參照OSI模型制定了簡化的網絡層協議，向應用層提供不確認無連接的數據單元傳送服務。每個BACnet設備都被一個網絡號碼和一個 MAC地址唯一確定。目前，BACnet標準使用兩種技術實現與Internet的互聯。第一種技術中稱之為“隧道”技術，并將其設備稱之為分組封裝／拆裝設備，簡稱PAD。其作用就像一個網關／路由器。第二種技術中稱之為BACnet／IP，設備直接封裝IP幀／包在BACnet網絡和 In~ternet上傳輸；

(4)良好的伸縮性：BACnet標準沒有限制BACnet系統中設備節點的數量，BACr~集成系統可以由幾個設備節點構成一個極小的自控系統，也可以形成一個規模極大的超級大系統。如美國GAS集成的GEMnet系統，該系統具有11個樓宇自控系統，集成總建筑面積達180m2，橫跨3個州。

4　采用BACnet協議的智能樓字無縫隙集成系統的優點

　　從功能上講，樓宇自控設備分為兩部分，一部分專門處理設備的控制功能；另一部分專門處理設備的數據通信功能。BACn~協議通過建立統一的設備通信標準，將控制網絡和信息網絡集成于一體，并使設備問具備互操作性，將使系統具備以下幾點優點：

(1)實時性：現場監控信息與運營管理系統實時通信。通過BACnet及局域網，得到授權的工作人員可以快速地通過統一的、友好的圖形界面獲得所需內容，如對控制網絡的工作狀態進行遠程監視與控制；

(2)綜合性：實現控制網絡與信息網絡的信息集成，使建立分布式的綜合實時數據庫成為可能，保證了數據的一致性、完整性和互操作能力；

(3)高效性：實現控制網絡與信息網絡的信息集成，才能充分利用各種信息并結合專家系統等各種智能控制高級算法提供輔助決策，達到優化設備運行、提高物業管理效率、增強建筑物的利用與服務功能；

(4)方便性：在Intranet內部或通過Internet就可以對控制網絡進行遠程診斷和維護以及進行新版軟件的升級等等；

(5)開放性和擴展性：服務功能的增加或改變，只需對系統進行模塊級的調整，并且保證兼容性；

(6)經濟性：設備間的互操作的實現可使多個子系統共享一個傳感器或控制設備，可大大減少系統中傳感器和控制設備的數量，從而降低成本；設備間的互操作也使業主不再被廠商所限制，具有更大的選擇空間，同時開放的市場競爭也勢必帶來成本的降低；

　　在支持BACnet協議的智能樓宇控制系統中，西門子樓宇科技的APOGEE頂峰系統是佼佼者，其全面體現了集成系統的上述6大優點。

　　APOGEE頂峰系統是西門子樓宇科技在其原有System600基礎上，對控制器進行全面升級并將Insight監控軟件移植到 Windows2000／NT平臺上推出的。它在管理級網絡支持BACnet協議，提供包括客戶及服務器選項的Insight BACnet功能模塊，提供lnsight工作站監控其他BACnet設備信息點的能力。其中lnsight BACnet客戶選項允許Insight操作者通過圖形界面和控制命令來監控其他通過以太網方式接人的第三方BACnet設備，而Insight BACnet服務器選項允許第三方BACnet系統通過Insight軟件來監控APOGEE系統內的點，接受APOGEE系統的報警信息。另外，系統還在樓層級網絡上提供內嵌BACnet／IP協議的直接數字控制器，可在IO／IOOM以太網上運行?？刂破骺瑟毩⒒蚵摼W完成復雜的控制、監視和能源管理工作，還可聯接樓層級網絡的設備并提供中央監控功能。
　　利用Insight監控軟件用戶可以通過動態圖形、趨勢圖等應用程序對APOGEE系統控制設備的運行狀態實施監控，被控對象的控制效果進行實時和歷史的監視；用戶也可以通過控制命令、程序控制和日程表控制等應用程序控制樓宇自控設備的啟?；蛘{節；此外用戶也可以對用戶帳號、系統設備和程序上下載等進行管理，并通過系統活動記錄、報表等應用程序了解APOGEE系統本身的狀態。

5 BACnet的前景展望

　　開放、兼容、靈活、獲得廣泛支持并且專門針對智能建筑的通信協議或現場總線已經成為智能建筑領域的一個發展方向。而BACnet協議正是這樣一種具有開拓性的技術，并能使不同廠商的設備能夠互聯、互換和互操作，打造無縫連接的樓宇自動化系統。充分滿足了業主、用戶和集成商的需求并提供了多種網絡互聯和接人Internet的方案，為智能建筑內部各系統之間的集成提供了便利條件，使智能建筑搭乘信息高速公路變得輕而易舉。

　　BACnet標準是樓宇自控領域唯一的ISO標準，已在北美和歐洲等先進發達國家得到了全面的推廣和應用。隨著BACnet標準應用廣度不斷的擴展，該標準必將在全球范圍內得到推廣和應用。這是大勢所趨，同時必將在全球范圍內形成一個規模巨大的產業和市場。預言近幾年內亞太地區將是BACnet 標準產品需求增長最快的地區。因此在我國大力推廣和應用BACnet標準是完全必要的，也是急需的。

參考文獻

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