楼宇自动化系统技术发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

在国外，智能建筑已获得巨大发展，开始人们只认识到大型公共建筑智能化的必要性，故出现智能型写字楼、办公楼与综合楼等，并广泛用于商业、工业、交通业、科研、政府办公与医院等场合。今日智能建筑以其强劲的生命力与突出的经济效率，迅速向纵横发展。在发达国家。俞来俞多的单身贵族与职业妇女置身竞争而无暇处理家务，为适应这种社会发展的需要，智能住宅应运而生。其主要特点是：

通过自动防火、门禁与防盗系统保证安全性；通过中央监控系统保证家庭环境的健康与舒适；通过计算机通信网络宽带技术，使通信、咨询与社会服务实现智能化；应用多媒体等高技术，提供了学习、娱乐与工作的良好环境并实现了自动管理家务。家务劳动完全自动化，自动烹调、水电煤气自动节能运行与自动计费、商品咨询与购物不出门。学习电脑，医护也靠电脑，自我空气对流、日照、气味、风雨声与鸟鸣，使人如置身于大自然中。

如何将楼宇自动控制系统的各个子系统进行有效、合理的集成呢？这就迫切需要有一个各厂商均认可并共同遵守的同一开放的通信协议。目前，在楼宇自动控制方面，被各厂商普遍认同并渐显主流成熟的标准有两个：

（1）BACnet和LONMARK标准。BACnet标准是信息管理域方面为实现不同的系统互联而制定的，上层通过以太网主干线，采用标准国际网协议，提供系统高速通信，用于解决数据传输量较大的系统间的集成。LONMARK标准是1991年由美国Echelon公司以Lon Works技术为基础推出的，Lon Works网络控制技术使得分散控制技术更趋成熟，用于解决数据传输量较小的现场控制器之间的集成。BACnet和LONMARK是两项标准，它们既有重叠的地方，又有不同的地方，在智能大厦楼宇自控系统中，两项标准互相补充，互为依托，一个理想的系统应同时兼容上述两个标准。

（2）集散型楼宇自动化系统的构成（实现）目前，技术上较成熟，同时兼容上述两项标准的集散型楼宇自动化系统的制造公司较多，比较著名的有美国Honeywell（EXCEL5000系统）、美国江森（METASYS系统）和美国希比公司（I/A系统）等。

在智能大厦中，采用开放的技术标准 规划 楼宇自动控制系统，既符合国际上的主流趋势，又较适合中国的国情，所以在国内的建筑市场中有着强大的生命力，它的发展为今后更大力度的推动智能大厦技术向更深层次的发展打下坚实的基础。

目前，智能大厦实现系统的设备集成和互操作，追求真正的开放性。所谓开放式标准即建筑自动化系统的所有部件均以公认的工业标准技术制造。系统符合公认的工业结构，因而不同的厂商的产品，可以组合从而实现互操作。它有两个特点：

1、系统的技术规范是所有厂商共同遵守的；

2、同样功能的部件虽由不同厂家生产，但可以互相替换，可以互操作。

目前，国际上有两种开放式标准：一种是LONMARK标准，另一种是BACnet标准。这两种标准也得到我国有关部门（标准制定管理）的推荐，如江苏省地方标准“建筑智能化系统工程设计标准”DB32/181-1998中建筑设备自动化系统（BAS）规定采用《BACnet》标准。下面分别介绍这两种标准。

（1）LONMARK标准

LONMARK标准是以Lon Works技术为基础的一套标准。Lon Works技术由美国Echelon公司90年代开发推出。Lon Works技术实际上是一种测控网技术，或者更确切一点说是一种工控网技术，也叫现场总线技术。它方便地实现现场的传感器、执行器、仪表等联网。

LonWorks技术支持多种通讯介质。包括双绞线、电力线、同轴电缆、光纤、无线射频、红外线等，甚至多种介质能在同一网络中混合使用；LONMARK协议分有暖通空调组、家用设备组、照明组、工业组、安全组、网络管理组、石油组、冷冻技术组、出入控制组。每个组都在制定一系列LONMARK标准，称为功能概述Functional Profile，详细地描述了应用层接口。包括网络变量、组态特点、缺省值以及网络节点、加电状态等，把产品功能标准化。

LonWorks技术的通讯协议LonTalk协议1995年被美国国家标准ANSI／ASHRAE135-1995BACnet采纳为建筑物自动化中的传感器、执行器和控制器之间的网络化操作奠定了基础。LONMARK标准是在实时控制领域（简称控制域）中的一个开放系统标准。

（2）BACnet标准

BACnet网络通讯协议是由ASHRAE（美国暖通空调制冷工程师学会）发起制定并得到ANSI（美国国家标准局）的批准，由楼宇自动化系统的生产商、用户参与制定的一个开放性标准，由ASHRAE学会综合几个局域网LAN的协议而制定的，他们尽可能采用了LAN网络不同时期成熟的技术而制定的。因此厂家可以按照BACnet标准开发与BACnet兼容的控制器或接口，可在这一标准协议下实现相互交换数据的目的。BACnet比LONMARK有更为量大的数据通讯，运作高级复杂的大信息量，是可以实现不同厂家的楼宇自动化系统之间互连的通讯技术。BACnet和LONMARK是两项标准，这两个标准既有重叠的地方，又有不同的地方。两项标准互相补充，互为依托。BACnet用于多个供应商不同系统之间的集成。LONMARK是解决真正的开放的分布式控制的一种有效的方法。

（3）两种标准之间的关系

这两个标准均是开发性标准，两者互相渗透，交叉实时控制域的LONMARK标准和信息管理域的BACnet标准尽管目标不尽一致，但两套标准有重叠的地方。编写BACnet标准中的许多成员也是编写LONMARK标准的成员。所以，他们正在把两者重叠的部分想办法理顺和统一起来。

在实时控制域方面，尤其在设备级适于采用LONMARK标准，而在信息管理域方面、在上层网之间互联适用BACnet标准，这二者之间不是竞争而是互补。

第二节 产品工艺特点或流程

楼宇自动化控制系统的原理楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统（Distributed control systems简称DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置（DDC）完成被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。以下介绍与分布控制系统相关的几个概念。

1、直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统（Direct Digital Control简称DDC）。计算机通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。

（1）直接数字控制系统的组成直接数字控制系统主要由过程输入通道、过程控制计算机、过程输出通道三部分组成。过程输入通道由模拟量输入和数字量输入两部分组成。模拟量输入通道由变送器、采样开关、放大器、A／D转换器和接口电路组成。其中变送器的作用是将非电量信号变换成标准电信号，可将温度、压力、流量变换成0-10mA或4-20mA的直流电信号，它是通过A／D转换器来实现的。—数字量输入通道由开关触点、光电耦合器和接口电路组成，反映生产过程的通／断状态的触点信号，经过光电耦合器和接口电路变换成数字信号送给计算机。过程控制计算机直接承担运算和控制任务，首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，再根据预定的控制规律（如PID）进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。过程输出通道由模拟量输出和数字量输出两部分组成。前者把计算机输出的数字控制信号转换成模拟电压或电流信号，再经过放大器去驱动调节阀等执行器实现对生产过程的控制。这一部分由接口电路、D／A转换器，放大器和执行器组成。后者把计算机输出的开关信号，经放大器去驱动电磁阀和继电器执行器，它由接口电器、光电耦合器、放大器和执行器组成。

（2）直接数字控制系统的基本算法按照偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本规律，将PID控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用已积累的成熟技术，而且可以在被控对象的数学模型或参数不很清楚的情况下，经过在线整定达到满意的效果。因此，将模拟调节规律离散化的数字PID算法，已被工业过程计算机控制系统普遍采用，成为DDC系统的基本算法。

2、分布式控制系统的体系结构分布式控制系统（Distributed Control Systems简称DCS）20世纪于70年代中期出现并迅速发展起来，它将计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术汇集于一体，可对分散在现场的设备进行控制，又可方便地集中管理、操作，与以往的控制系统相比，既避免了单台计算机集中控制的不足，又克服了常规仪表人机交互困难的缺点。分布式控制系统的多台微型计算机取代了集中控制系统的单台计算机，从体系结构上分散了危险性，提高了可靠性。其基本结构功能主要有现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机和管理计算机通过数据通信网络被有机地结合起来，组成分级分布控制系统。

（1）分布式控制系统的数据通信网络数据通信网络是分布式控制系统的支柱。整个分布式控制系统的结构，实质上是一个网络结构，现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机等都是这个网络上的“节点”，都含有CPU和网络接口，它们都有自己特定的网络地址（节点号），可以通过网络发送和接收数据，网络中的各节点处于平等地位，既能共享资源，又不相互依赖，形成既有统一指挥，又使危险分散的功能结构，网络的架构区具有极大的伸缩性，可扩性很强，可以满足分布式控制系统扩充与升级的需要，十分灵活、方便。

①控制网络特点分布式控制系统的通信网络不同于通用计算机网络，与一般的通信网络比较，它有如下特殊要求：有高可靠性和安全性，要求传递的信息绝对准确、可靠，为此常采用冗余技术、后备措施和自诊断功能。如：控制站采用双CPU板，双I／0板等。具有良好的实时性。对环境适应性强。

②网络拓扑结构建筑设备自动化系统常用的有总线网和环网，在两种结构中任意两节点通信可直接通过网络进行，各节点处于平等地位。

③网络通信协议组成建筑设备自动化系统，必须有一种大家都能接受并且共同遵守的工作语言来实现相互之间的对话，这就是数据通信协议标准。用于建筑自动化控制网络的BACnet协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成，或相当于开放系统互联参考模型（OSI）的第一、二、三、七层协议。其中：ARCnet为令牌总线网，数据传输速率为2.5-20bit／s，有良好的实时性。MS／TP是一种主／从令牌传递数据链路层技术，允许使用EIA-485硬件。BACnet实现了不同生产厂家自控系统之间进行通信的技术，即从一个“岛”到另一个“岛”之间进行相互联系的技术。

（2）现场总线技术的应用——分布式控制系统的进一步分散化

①现场总线概况现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。不同的现场总线遵循的协议不同，接口标准不同，各具特色。现场总线技术具有如下一些特点：第一、以数字信号取代4-20mA的模拟信号，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，因此现场总线具有很高的性能价格比。第二、现场总线把处于设备现场的智能仪表（智能传感器、智能执行器）连成网络，使控制、报警、趋势 分析 等功能分散到现场仪表，使控制结构进一步分散化，导致控制系统体系结构的变化。第三、符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操作，不同标准通过网关或路由器也可互联，现场总线控制系统是一个开放式系统。

②LonWorks技术LonWorks是一种完全分布式控制的局部操作网（Local Operating Network—LON）技术。LonWorks网络节点由神经元芯片、收发器、固件和I／O接口电路组成。神经元芯片（Neuron chip）是这种智能节点的核心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有控制功能。芯片附有固件，该固件实现LonTalk通信协议和所有的任务调度。LonTalk协议遵循世界标准组织ISO提出的开放式互联参考模型OSI，具有完整的7层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突／检测回避算法，控制物理／电气的连接等。Neuron芯片除了具有控制功能外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理器，LonTalk协议固化在芯片的ROM中，使得LonWorks的微型节点无需中心结构的完全分布式控制模式，将控制功能分散到了现场级仪表。LonWorks网络，可以采用多种通信媒体，如双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并且提供与上述多种媒体相适应的收发器，这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。LonMark是为了避免众多制造商以不同的含义来解释LonWorks技术，保证不同的产品能够方便地集成一起，以便构成一个真正开放的系统，而制定的一个 行业 标准。

③分布式控制系统的进一步分散化传统的分布式控制系统在现场控制站这一级依然是一个集中式结构，而现在的分布式控制系统是在原有分布式控制系统的基础上，采用LonWorks现场总线的建筑设备自动化系统发展起来的新系统。标准LAN为原有的分布式控制系统，使用BACnet协议，以利于实现多种供应商的不同类型的子系统之间的通信信息交换，把具有控制功能的各个岛连成一个整体。新增的LonWorks现场总线使用LonTalk协议，把控制功能进一步分散到现场级仪表，标准LAN与现场总线之间的路由器相联。这样BACnet和LonMark两项标准互相补充，互为依托，构成一个完全分散的、真正开放的建筑设备自动化系统。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

最近几年，新楼宇的兴建已经将各种各样的智能设备于 规划 之初就已设计整体楼宇网络数字化，整体的楼宇数字化概念已不是一个空谈，经楼宇自动控制厂商的不断研发更新，已经出现在建筑当中。这些厂商不但提供智能设备、楼宇自控子系统如门禁、闭路电视、电梯、空调暖通、安防、周界报警和消防等智能产品，也因为建筑业主集成度的要求越来越高，用以净化环境，陶冶情趣的数字化景观系统自动控制也加入楼宇自动控制的一环。

虽然这许许多多的智能产品正在导致楼宇子系统的逐渐更新，但真正的整体的楼宇数字化系统仍然少见。而评估楼宇数字化除了从系统集成来看，也可从监控软件的友善操作、子系统集成度来看外,亦可从远程监控及被控设备的智能程度来评估数字化的程度

1、监控软件数字化

监控软件数字化指针，可从软件设计的友善操作程度及系统集成的灵活程度评估楼宇自动控制已经数字符化的程度。在软件设计的友善操作程度，许多厂商开发图像式的操作接口，使系统操作更方便更简便了，例如JINCH TECH的BA智能化图形控制系统(即MACS)采用友善的人机接口整合了完整监控软件，以电子地图，动态图标等各种图像式操作取代文字式的操作方式，应用包括有大楼监控系统、空调控制系统、门禁防盗系统、停车管制系统、影像监控系统、电力管制系统及其它系统,也可应用在各种楼宇的智能办公、大楼监控、智能通讯传输、智能消防、智能安保、门禁考勤、远程监控等。

在系统集成的灵活程度方面，MACS则采用前端资料收集器设置和修改控制程序，以分布式管理方式支持多个管理端，各管理端亦可以权限安全管理设定控制各个不同的子系统，透过各管理端控制各系统间的联动，联动的设计则可自行编辑事件联动的条件让系统自动执行联动不需要人工操作，并且可设定定时条件自动执行固定时间的联动事件。

2、远程监控数字化

基于网际网络的楼宇设备远程监控方式采用Internet来实现信息交互、综合与共享，真正做到局域和远程信息的实时监控，除了资料资源的综合共享也发展各式影像远程监控，将全局事件快速的处理和一体化作业。将传统的楼宇自动系统延伸到网际网络上，管理监控人员即可在千里之外也可以完成他的职责。因此远程监控数字化在楼宇自动化的发展中是当前必备的功能之一，不但可以完成监控职责，而且更增添了更多的便利性，例如采用MACS的物业管理人员可以通过网际网络可以持续了解楼宇的运转情况、可控制电力灯光设备、远程影像可实时了解安保状况，立即采取措施避免事故发生，更可达到节能节约减少运行管理费用。因此远程监控数字化代表着楼宇自动化的发展方向。

3、被控设备数字化

楼宇自动化随即影响着所控制设备的智能化，楼宇自动控制的设备，若未能相对的具备智能化功能，楼宇自动控制的机能则发挥的有限，因此智能化设备因应而生，与楼宇自动控制系统结合，发展出更高效能的楼宇自动控制机能。例如:如照明、电梯等透过特别设计，除了可透过系统控制节约外，被控的照明与电梯等采用先进的节电技术，亦可获得良好的节电节能效果，可以大比例地减少楼宇的能耗。

智能建筑的发展是科学技术和经济水平的综合体现，它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一。在我国步入信息社会和国内外在加速建筑信息高速公路的今天，智能建筑变成为城市中的“信息岛”或“信息单元”，它是信息社会最重要的基本设施之一。

在我国，目前各级政府亦高度重视，在科研、资金和政策等方面积极地进行支持和引导，使智能建筑的发展朝着系统集成化、综合化管理以及智能城市化方向，健康而规范化的方向发展。


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