楼宇自动化 Building Automation System 主讲 李炎锋 2009年 9月 北京
第 4章 楼宇自控系统典型产品及 程实例
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CBUS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Lon. Works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。
就网络的物理层面来讲，每家厂商大都是以 局域网技术和RS 485 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Web. CTRL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。
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XCL 5010拓展后同样可支持自由拓扑结构（Lon. Works总 线），或者在C-BUS上使用区域管理器Q 7750与Lon. Works总线相 连。
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N 1通信网络； 第二级为支持私有N 2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Lon. Works 总线的VE 800系统，可以通过FTT 10 Lon. Works总 线扩展支持Lon. Talk协议的设备，另外具有支 持第三方Lon. Mark设备的能力。
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 l. ALC系统的开放性 l完全的BACnet协议
Web. CRL系统典型的BACnet协议的网络架构 以网络结构来看Web. CRL系统二层式的网络结构如下 图 6 -1 ALC公司Web. CRL系统的网络架构示意图
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 10/100 Mbyte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。
ME-LGR、LGR及LGE 以上的设备属于路由控制器系列。LGE配有RJ 45通讯接口支 持10 Mbyte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10/100 Mbyte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、RS 485或RS 232 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。 Web. PRTL 为集成网关家族成员。配有RJ 45通讯接口及10 Mbyte的网络 速度，具备通讯协议集成功能，可经由以太网、RS 485或RS 232 接口和第三方设备进行通讯协议转换及集成。ALC针对 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Web. PRTL产品，有45种型号可供选择。
Web. CTRL Server ALC提供的Web. CTRL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 Web. CTRL Server 软件，负责和系统中各控制器及网络 作站通讯及资料交换。 Site Builder 系统数据库架构 具，快速建立系统结构。 Eikon 图形编译程序 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。
网络 作站 支持网络浏览器的 作站，无需奥莱斯任何 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/EIA 485（ Electronic Industries Association电子 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 156 Kbaud，MS/TP通讯协议下，网速为 9600 baud 76. 8 kbaud。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。
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。
ME-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，Mn. X-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MXLines，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 156 Kbps的ARCnet网络或 9600 -76. 8 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。
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AWG 22 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AWG 24屏蔽线/聚酯薄膜 电阻： 15. 2 ohm/1000英尺 电容： 12. 5 p. F/英尺 特性电阻： 100 ohm 重量： 12磅/1000英尺 使用温度：-40 ---150摄氏度 耐压： 300 VAC 认证：UL-NEC CL 2 P
控制器组网规则 1、网段概念 图 6‑ 2网段示意图
2、穿越概念 图 6‑ 3 穿越示意图
3、三种网络模型 图表 6‑ 4 第一类网络模型
图表 6‑ 5 第二类网络模型
图表 6‑ 6 第三类网络模型 复合结构：使用REP 485一端构建通讯总线，另一端进行网 络分支发展
4、网络设计应用图表 图表 6‑ 7 网络设计应用图表
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 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。
具同时多通讯协议支持 Web. CTRL是一个用于楼宇自控，可在 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
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 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。
ALC软件系统: ALC公司的软件系统由四个主要软件构成 ALC/Web. CTRL的软件系统 数据库架构 具 Site. Builder 图形化编程 具 EICON 图形界面设计 具 View Builder及外挂组件 操作系统 Web. CTRL Server
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
图表 6‑ 9 艾顿系统网络结构示意图
系统集成层 1、MS/TP 2、BACtalk模块化控制器 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-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 9. 676. 8 kbps 否 BCM-MS/TP 模块化设计的网络控 制器 64 一条BACnet MS/TP网络 BACnet MS/TP 9. 676. 8 kbps 否 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 10/100 Mbps、BACnet MS/TP 9. 6 -76. 8 kbps 否 BCM BTI/BTI 100 VLX MS/TP LAN网络控制 器 10 BACnet MS/TP网络 表格 6‑ 1艾顿网络控制器比较 BACnet以太网 10/100 Mbps 是。可扩展 8个EXP 模块，最多扩展 176 个I/O点
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
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。
2、Viewports 图表 6‑ 12 Viewport 可与VLCs一起 作
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
美国霍尼韦尔公司 霍尼维尔Excel 5000 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、Lon. Works, Advanced DDE, MODIBUS 等 业标准协议。 Excel 5000控制器界面 Excel 5000系统的网络拓扑结构 中央通讯总线 C-BUS
Excel 5000网络结构 图表 6‑ 14 Excel 5000的网络结构示意图
小型可编程HVAC控制器 霍尼维尔支持C-BUS协议的控制器如Excel 20、Excel 50、 Excel 100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。 Q 7750区域管理器 Q 9200路由器
Excel 5000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XD 509扩展网络 图表 6‑ 16 通过总线延伸器XD 509扩展网络成总线型C-BUS
图表 6‑ 17 通过总线延伸器XD 509扩展网络成星型C-BUS
3、通过Modem延长C-BUS 图表 6‑ 18通过Modem延长C-BUS的网络连接方式 4、XPC 500通讯卡 图 表 6‑ 19 通过应 用XPC 500通讯 卡将一段C-BUS一分为 二成两网段
5、对于Lon. Works系统总线的扩展 图表 6‑ 20 在C-BUS上扩展LON-BUS的结构图
图表 6‑ 22 总线型拓扑结构 图表 6‑ 23 星型拓扑结构
美国江森公司 图表 6‑ 24 江森Metasys系统网络结构
N 2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
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
VE 800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Excel 5000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。
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 网络扩展的方式 支持的网络拓扑结构 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 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。 江森 霍尼韦尔 艾顿 可以直接从N 1网络下扩展 Lonworks网络。 通过总线延伸器XD 509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 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XPC 500通信卡可将一条 C-BUS一份为二成两段。 Lon. Works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
主流品牌系统的网络比较 楼宇自控网络系统技术对 比表 厂牌 中文名称 系统 管理级通讯协议 ALC Johnson 奥莱斯 ALERTON 霍尼韦尔 江森 Honeywell 艾顿 Web. CTRL METASYS Excel 5000 BACTalk BACnet/IP 私有协议 /IP BACnet/IP 10 M 10/100 M 通讯速率 10 M 现场级 通讯协议 BACnet/ARCnet/EIA 485 私有协议 N 2/EIA 485 私有协议 C-BUS/EIA 485 BACnet/MS/TP/EIA 485 通讯速率 156 Kbps 9. 6 Kbps 76. 8 Kbps 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 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 N 1 LAN为管理级。二级 N 2 LAN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Lon. Works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 网络分级结 构 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。 网段长度 距离不超过600米 其容量可连接 50个NCM或 30 个N 30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 1200米 1071米 29 32个负载设备 网段上可支持DDC数目 网络节 点数目不超过32个 支持Lon. Works情况 通过BACnet支持Lon. Talk协议 支持 支持 不支持 PTP(端到端通讯） 支持 不支持 支持 支持 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-b. US下扩展Lon. Works总 线。通过Q 7750区域管理器扩 展控制器。通过Excel 500/600 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 不占用 支持的网络拓扑结构 总线结 构、分支结构及混合型 结构 C-BUS级支持菊花链总线 型和 星型结构。Lon. Works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 星型总线 型等 续表格 6‑ 3楼宇自控网络系统技术对比表
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