楼宇自控准则

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1、1BACnet 标准11BACnet 协议进入 80 年代以后，随着经济活动中心城市化，大都市的高层与超高层建筑如雨后春笋 般耸立起来。楼内的各种设备和系统逐渐增多，且日趋复杂，能量的消耗也大幅度上升。 如何规范运行，节能，延长设备寿命，确保大楼内工作、生活的安全、舒适、高效和楼内 外信息的处理、交换、传输，资源共享成为大楼(智能建筑)重要问题。可喜的是 80 年代以 来，电子、微电子、通讯与计算机、网络、自控技术的迅猛发展，支持与造就了智能建筑 各个子系统的诞生和完善。智能建筑贵在集成，要集成就需要相关的机电设备和子系统具有开放性和互操作性。 也就是说，这些设备和系统的数据通讯必须按同一标准

2、协议来进行。1987 年 l 月 ASHRAE(美国供热、制冷及空调工程师协会)组织了世界各地的 20 余名楼 宇自动控制工业部门，包括大学、控制器制造商、政府机构与咨询公司的志愿者组成了一 个名为“SPCl35P“的工作组。工作组的目标是制定一个关于楼宇能量管理与控制系统(EMCS)的 通讯协议。在长达 8 年多制定过程中，共收到来自 12 个国家 741 份的意见，经过 3 次公开 评审，最后于 1995 年 6 月 BACnet 协议获得通过，成为 ASHRAEl35-1995 标准。井于同年 12 月升为美国国家标准。自从 BACnet 协议作为美国国家标准发表以来，不但在美国本土引起

3、巨大的反响，同 时也引起了世界各国智能建筑业界的广泛注意。在发达国家，已纷纷成立了一些重要的组 织，其中最重要的如在北美成立了 BIG-NA(BACnetsInterest Group-North America)，在欧 洲成立了 BIG-Eu(BIG-Europe)，在澳大利亚和亚洲成立了 BIG-AA(BIG-AustraliaAsia)，这 些组织在本地区共同推进 BACnet 协议的实施。 早在 1998 年已被欧共体标准化委员会 CENTC247 采纳为预备标准(pre-standard)，目前， 正对其进一步进行评价，以决定是否为欧共体的正式标准。国际标准化组织(ISO)的 TC2

4、05 委员会也已于最近 2003/01/03 批准其为 ISO 正式标准。 标准号为 ISO16484-5。在 1999 年 12 月被韩国采纳为国家标准 KSX 6909。2000 年 8 月。日本电气安装工程师协会进行了研究，准备采纳 BACnet 为该协会协议 标准(protocolof the Institute of Electrical Installation Engineers of Japan IEIEJ/P)。如从 1999 年 9 月到 2000 年 4 月，华中理工大学刘贤德、惠晓实、石岩等同志在“CAD 与智能建筑”杂志上发表系列文章，详尽介绍了 BACnet 协议的

5、内容。在其它有关 智能建筑杂志上也有大量的文章在介绍和评价 BACnet 协议。在 1998 年，江苏省地方标准“建筑智能化系统工程设计标准(DB32/181-1998)”中，已 提出对于多个供应商不同系统之间的集成，建议采用 BACnet 标准。111BACnet 协议的体系结构国际标准化组织在制定计算机网络通讯协议标准时定义了一个模型，称为开放系统互 联参考模型(OSI)(ISO7498)。模型的目的是解决计算机与计算机之间普遍的通信问题。在 这个模型中，将计算机通信这样一个复杂的问题分解成 7 个小的、容易解决的子问题，每 个子问题只与某些通信功能相关，并且把这些子问题称为协议体系结构的

6、一层，整个模型 是一个七层的体系结构。在图 4 一 1 中给出这七层的体系结构图。对于某个层次来说，它使用下面各层所提供的服务，同时也向它上面的各层提供服务。 每一层可以想像成一个黑盒，黑盒的上面和下面都只有经过认真定义的接口。一个应用程 序通过与 OSI 应用层的相连，实现与另一个远程应用程序的通信。对于这种发生在两个应 用程序之间的通信，看起来两个程序似乎是通过各自的应用层接口直接相连。各层之间仅 仅需要了解其他层的很少的情况。通过类似的方式，协议的每一层利用下面各层的服务来 提供通信服务，与另一个系统的同等层建立起一个虚拟的对等层通信。而真正的通信只发 生在物理层。OSI 模型以高度概括

7、的观点来分析计算机与计算机的通信，用来解决在全世界范围内 的、巨大而复杂的计算机网络的通信问题。在这种情况下，互相通信的单个计算机之间可 能相距很远，因此报文要通过一系列中间点才能到达。而这些中间点相应地可能需要实现 路由选择功能、某种解析功能，以及复杂的同步和差错恢复功能。实现 OSI 模型协议所需的费用较高，在绝大部分楼宇自动控制系统中，并不需要实现 OSI 模型的所有内容。不过只从 OSI 的功能性方面来考虑，经过简化，OSI 模型仍然是楼 宇自动控制协议的一个很好的参考。如果只选择 OSI 模型中需要的层次，形成一个简化的 模型，作为楼宇自动控制系统的协议体系结构，就可以减少报文的长度

8、，降低通信处理的 开销，并且也满足楼宇自动控制系统的需要。这个简化的体系结构降低了楼宇自动控制工 业的生产成本，同时处理器的大批量生产、局域网技术的发展，也为过程控制和办公自动 化工业的发展起到了推动作用。另一方面，可以充分利用现有的、易用的、应用广泛的局 域网技术，如以太网、ARCNET 和 LonTalk。这样不但可以降低成本，而且也有利于提高 性能，为系统集成开辟新的途径。112BACnet 简化的体系结构BACnet 建立在包含四个层次的简化分层体系结构上，这四层相当于 OSI 模型中的物 理层、数据链路层、网络层和应用层。BACnet 标准定义了自己的应用层和简单的网络层， 对于其数

9、据链路层和物理层，提供了以下五种选择方案。第一种选择是 ISO8802-2 类型 l 定义的逻辑链路控制(LLC)协议，加上 ISO 8802-3 介质 访问控制 (MAC)协议和物理层协议。ISO 8802-2 类型 l 提供了无连接 (Connectionlesss)不 确认(Unackowledged)的服务，ISO 8802-3 则是著名的以太网协议的国际标准。第二种选择是 lSO8802-2 类型 l 定义的逻辑链路控制协议，加上 ARCNET(ATA/ANSI 878.1)。第三种选择是主从/令牌传递(MS/TP)协议加上 EIA-485 协议。MS/TP 协议是专门针对 楼宇自动

10、控制设备设计的，同 ISO8802-2 类型 1 一样，它通过控制 ElA-485 的物理层，向 网络层提供接口。第四种选择是点对点(PTT)协议加上 EIA-232 协议，为拨号串行异步通信提供了通信机 制。第五种选择是 LonTalk 协议。这些选择都支持主/从 MAC、确定性令牌传递 MAC、高速争用 MAC 以及拨号访问。 拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑。物理介质上，支持双绞线、同轴电缆、光缆。这五 种选项将在 7 节到 11 节中深入论述。简化的四层 BACnet 体系结构，是在仔细考虑了 BACnet 网络的独特特征和要求，以 及尽可能少的协议开销原则后得出的。在下面的分析里，将

11、讨论 BACnet 体系结构只包括 物理层、数据链路层、网络层和应用层的原因。BACnet 完成其固有的操作到底需要哪些层次呢?仔细分析 BACnet 网络的特征后，可 以得到以下两点:首先，BACnet 是一种局域网。即便在某些应用中，楼宇里没备间的远距离通信必不可 少时，BACnet 仍然是一种局域网。因为这种远距离的通信功能，由电信网来实现。通信中 要完成的路由、中继、可靠的传输等问题都由电信网来处理，电信网可看成是 BACnet 外 部的部分。其次，BACnet 设备是静态的(static)，即在空间上，它们不会经常被移来移去。在要完 成的功能上，从某种意义上说也是不变的，即不会今天生

12、产的设备时功能是这样，明天就 完全不同了。在充分了解 BACnet 网络的特征后，就可讨论 OSI 模型的各层在 BACnet 网络中的适 用性了。物理层提供了链接设备和传输数据载波信号的方式，显然在 BAcnet 协议中，物理层 是必不可少的。数据链路层负责将数据组织成帧(frame)或分组(packet)、管理通讯介质的访问、寻址， 以及完成一些差错校正和流量控制的任务，这些都是 BACnet 协议所需要的，因此数据链 路层也是必不可少的。网络层的功能包括:将全局地址解析为局部地址、在一个或多个网络中进行报文的路由、 协调不同类型网络的差异(如不同网络所允许的最大报文长度)、序列控制、流量

13、控制，差 错控制以及多路复用。由于 BACnet 网络的拓扑特点，在各个设备之间只存在一条逻辑通 路，这样便不需要最优路由的算法。其次，BACnet 网络是由中继器或者网桥互联起来的一个或者多个网段所组成的网络，它具有单一的局部地址空间。在这样一种单一网络中，许 多 OSI 网络层的功能也变得多余，或者与数据链路层相重复。但是在 BACnet 网络系统中， 网络层又是必不可少的。例如，在一个 BACnet 的互联网*（internet）中，当两个或者多个 网络使用了不同的 MAC 层时，便需要区别局部地址和全局地址，这样才能将报文路由到 正确的网络中去。在 BACnet 协议中，通过定义了一个

14、包含必要的寻径和控制信息的网络 层头部，来完成这种简化了的网络层功能.传输层主要是负责提供可靠的端到端的报文传输、报文分段、序列控制、流量控制， 以及差错校正。传输层的许多功能与数据链路层相似，只是在作用范围上有所不同。传输 层提供的是端到端的服务，而数据链路层则提供的是单一网络上点到点的服务。由于 BACnet 支持多种网络的配置，因此协议必须提供传输层端到端的服务。而可靠的端到端传 输和差错校正功能，在 BACnet 协议中由 BACnet 的应用层利用报文超时重传方式来完成。 其次，考虑到缓冲区和处理器资源的管理，报文分段和端到端的流量控制也是必要的。这 是因为即使一个简单的 BACne

15、t 请求，都可能会导致大量的信息回传。同样，这些功能也 是由 BACnet 的应用层完成的。最后，为了实现报文的正确重组，序列控制也是必须的。 这也是由 BACnet 的应用层中的分段过程实现的。总的来说，由于 BACnet 是建立在无连 接的通信模型基础上的，因此所需的服务大大减少，并且可以被高层来实现，这样便省去 了一个单独传输层所会增加的通信开销。在 BACnet 协议中，不设单独的传输层，所需的 功能由应用层实现。会话层的功能是在通信双方之间建立和管理长时间对话，其中的一个重要功能是建立 同步标志点，用来在发生差错时回复到前一个标志点，以避免对话重新开始。但是在一个 BACnet 网络

16、中，绝大部分的通信都是很简短的，比如读写一个值或者一些值，通知(notify)某 个没备有某个警报或事件(event)发生，或者更改某个设定值。当然长时间的信息交换偶然 也会发生的，比如上载或下载某个设备参数。由于绝大部分事务处理都是简短的，会话层 的服务极少用到，再考虑到设置单独的会话层所带来的开销，所以 BACnet 标准中不包括 单独的会话层。表示层为通信双方提供了屏蔽下层传送语法的服务。这种传送语法是用来将应用层中 抽象的用户数据视图，作成适合下层传输的字节序列。但当只存在一种传送语法时，表示 层的功能便减少到对应用程序的数据进行编码。由于在 BACnet 应用层中定义了一个固定 的编码方案，因此一个独立的表示层也变得不再需要。协议的应用层为应用程序提供了完成各自功能所需的通信服务。在此基础上，应用程 序可以监控 HVAC 和其他楼宇自动控制系统。显然应用层是本协议所必须的。1.1.3BACnet 网络的拓扑结构为了适应各种应用，BACnet 并没有规定严格的网络拓扑结构。BACnet 设备可以直接 连接到四种局域网（LANs)中的一种网络上，也可以通过专线或拨