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工程实例

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C-BUS 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 LonWorks 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 RS485 工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WebCTRL 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 XCL5010 拓展后同样可支持自由拓扑结构（ LonWorks 总线），或者在 C-BUS 上使用区域管理器 Q7750 与 LonWorks 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 N1 通信网络；第二级为支持私有 N2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 LonWorks 总线的VE800 系统，可以通过 FTT10LonWorks 总线扩展支持 LonTalk 协议的设备，另外具有支持第三方 LonMark 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ALC 系统的开放性完全的 BACnet 协议

WebCRL 系统典型的 BACnet 协议的网络架构以网络结构来看 WebCRL 系统二层式的网络结构如下：

图 6-1 ALC 公司 WebCRL 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10/100Mbyte 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 RJ45 通讯接口支持 10Mbyte 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 10/100Mbyte 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、RS485 或 RS232 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。 WebPRTL 为集成网关家族成员。配有 RJ45 通讯接口及 10Mbyte 的网络速度，具备通讯协议集成功能，可经由以太网、 RS485或 RS232 接口和第三方设备进行通讯协议转换及集成。 ALC针对工业通讯协议标准如 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 WebPRTL产品，有 45 种型号可供选择。

WebCTRL Server ALC提供的 WebCTRL 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 WebCTRL Server 软件，负责和系统中各控制器及网络工作站通讯及资料交换。 Site Builder 系统数据库架构工具，快速建立系统结构。 Eikon 图形编译程序工具，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。

网络工作站 支持网络浏览器的工作站，无需奥莱斯任何工作站软件。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/EIA485 （ Electronic Industries Association电子工业联合会）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 156Kbaud ， MS/TP 通讯协议下，网速为 9600baud-76.8kbaud 。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 、 M-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， MnX-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 MX-Lines ，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 156Kbps 的 ARCnet 网络或 9600-76.8Kbps 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 AWG22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 AWG24屏蔽线 /聚酯薄膜电阻： 15.2ohm/1000英尺电容： 12.5pF/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： 300VAC认证： UL-NEC CL2P

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 REP485 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。产品是按照严格的工业技术标准，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 WebCTRL 是一个用于楼宇自控，可在工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 的图形编写程序工具 -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/WebCTRL 的软件系统

数据库架构工具 SiteBuilder

图形化编程工具 EICON

图形界面设计工具 View Builder 及外挂组件操作系统 WebCTRL 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

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 9.6-

76.8kbps 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 9.6-

76.8kbps 否

BTI/BTI100 MS/TP LAN 网络控制器 65Internet 、 WAN 、 BACnet MS/TP, 支持四条MS/TP 网络

BACnet 以太网 10/100Mbps 、 BACnet MS/TP 9.6-76.8kbps

否

VLX MS/TP LAN 网络控制器 10 BACnet MS/TP 网络 BACnet 以太网 10/100Mbps

是。可扩展 8 个EXP模块，最多扩展 176 个 I/O 点

表格 6‑1 艾顿网络控制器比较

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 一起工作

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 Excel5000 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 、 LonWorks,Advanced DDE,MODIBUS 等工业标准协议。Excel 5000 控制器界面Excel5000 系统的网络拓扑结构中央通讯总线 C-BUS

Excel5000 网络结构

图表 6‑14 Excel5000 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Excel20 、 Excel50 、 Excel100 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。

Q7750 区域管理器Q9200 路由器

Excel5000 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 XD509 扩展网络

图表 6‑16 通过总线延伸器 XD509 扩展网络成总线型 C-BUS

图表 6‑17 通过总线延伸器 XD509 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 、 XPC500 通讯卡

图表 6‑19 通过应用 XPC500通讯卡将一段 C-BUS一分为二成两网段

5 、对于 LonWorks 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

N2 系统N2 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

VE800 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 Excel5000 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 江森 霍尼韦尔 艾顿

网络扩展的方式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

可以直接从 N1 网络下扩展Lonworks 网络。

通过总线延伸器 XD509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

支持的网络拓扑结构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。

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 XPC500 通信卡可将一条C-BUS 一份为二成两段。 LonWorks 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 ALC Johnson Honeywell ALERTON

中文名称 奥莱斯 江森 霍尼韦尔 艾顿 系统 WebCTRL METASYS Excel 5000 BACTalk

管理级通讯协议 BACnet/IP 私有协议 /IP 私有协议 /IP BACnet/IP

通讯速率 10/100M 10M 10M 10M

现场级通讯协议 BACnet/ARCnet/EIA485 私有协议 N2/EIA485 私有协议 C-BUS/EIA485 BACnet/MS/TP/EIA485

通讯速率 156Kbps 9.6Kbps 76.8Kbps 76.8Kbps

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

网络分级结构 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N1LAN 为管理级。二级N2LAN 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 LonWorks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

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。

其容量可连接 50 个 NCM或 30 个 N30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

网段长度 距离不超过 600米 1200米 1200米 1071米网段上可支持DDC数目 网络节点数目不超过 32个 29 32 个负载设备支持 LonWorks情况 通过 BACnet支持 LonTalk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-bUS下扩展LonWorks总线。通过Q7750区域管理器扩展控制器。通过 Excel500/600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 星型总线型等 C-BUS 级支持菊花链总线型和星型结构。 LonWorks 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

续表格 6‑3 楼宇自控网络系统技术对比表