2022年2022年建筑设备监控系统的规则 .pdf

建筑设备监控系统的369 规则 杨守权 ( 原北京自动化系统工程设计院 北京 10037) 2008.8.8 摘要:用建立一个用于国家行业标准JGJ 16-2008 民用建筑电气设计标准第18 章“建筑设备监控系统”的3-6-9 规则，诠释网络时代建筑设备监控系统的特点。关键词：结构功能分类现场总线中图分类号：A Rule with 3-6-9 of Building Automation System Abstract ：Wanted to explain the features of Building Automation System kept up with network times by setting up a rule with 3-6-9 of the network system structure in 3 layers for the 18th chapter “Building Automation System” of theJGJ162008 Code for electric design of civil buildings. Key Words: structure function classification field bus 0引言 建筑设备监控系统是一个基于网络环境的自动化控制系统，包括管理网络和控制网络。 是管理网络节点、 控制网络节点、 网络连接设备和网络通信协议等所有硬件、软件的集合。ISO/TC205 制定了国际标准 ISO 16484 “建筑设备监控系统”系列，包括7个部分，分别是 ISO 164841 “概述与术语”， ISO 164842 “硬件” ， ISO 164843 “功能” ，ISO 164844 “应用” ， ISO 164845 “数据通信协议”，ISO 164846“数据通信一致性测试” ，ISO 164847 “项目执行”。根据 ISO 标准：系统网络可以分为三层，包括信息管理层、自动控制层、现场设备层。系统功能可以分为三种，包括操作功能、控制功能和输入输出功能。系统设备可以分为六级，包括操作站、网关、通用控制器、专用控制器、执行器和传感器。系统推荐使用的现场总线，包括BACnet、LonWorks 等九种。作者有机会参与 2008年 8 月 1 日开始执行的国家行业标准JGJ 16 2008 民用建筑电气设计标准第18 章“建筑设备监控系统”的编写工作，负责起草该标准第 266 页的图 8.2.1“建筑设备监控系统三层网络系统结构”（图 1），为了进一步理解这个网络结构，本文建立一个便于记忆的“369 规则”，希望1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 它有助于诠释国家行业标准JGJ 16 建筑设备监控系统网络结构的逻辑关系及其技术内涵。接口执行器风阀服务器（操作站）控制器控制器阀门管理层 (中央管理工作站)控制层 (分站)现场层 (仪表)传感器微控制器接口以太网变频器控制器I/O模块接口客户机（操作站）客户机（操作站）图 1 JGJ16 2008 建筑设备监控系统三层网络系统结构1建 筑 设 备 监 控 系 统 的 三 层 网 络 系 统 结 构（ISO/TC205WG3/TC247WG4 ）三层网络系统结构，源于1990 年成立的欧洲标准CEN TC247 建筑自动化、控 制 与 建 筑 管 理 技 术 委 员 会 （ Building Automation, Control and Building Management ）WG4“开放数据传输组”（第 4 工作组）制定的逻辑结构图， 其后，1992年成立了制定一系列ISO 建筑设备监控系统国际标准的ISO/TC205 建筑环境设计技术委员会， 其中，ISO/TC205WG3 “建筑设备监控系统设计组”（第 3 工作组）采用了 TC247WG4 制定的这个网络三层逻辑结构图，因此，三层网络系统结构是 ISO 认定的国际标准（图2） 。三个层次的网络，互相在逻辑上都是独立的；每一层网络都有自己具体的功能：管理层进行信息综合，控制层实现控制策略，现场层完成仪表信号传送。2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 。图 2 TC247WG4和 ISO/TC205WG3 三层网络系统结构在图 2 中， TC247WG4 提出了 BACnet、 Profibus、 WorldFIP、 LonTalk、 BatiBus、EIB、EHSnet 等 7 种现场总线作为建筑设备监控系统推荐使用的现场总线。如果还考虑在市场上使用较多的现场总线Modbus 和 Meter Bus ，那么，总计有 9 种现场总线正在被建筑设备监控系统广泛使用（参见表1） 。2建筑设备监控系统的三种系统功能（国际标准ISO 164843）2005年制定的国际标准ISO 16484-3，对建筑设备监控系统基于控制要求的各种功能和工程服务作了全面的规定，给出各种术语的定义， 提供一系列样板作为编制建筑设备监控系统设备说明和应用文件的参考，由图 3 功能图示例可以看到 ISO 16484 3 涉及到与系统运作有关的各种要素，包括操作员的操作和管理内容、控制器的过程处理、现场设备输入输出信号，此外，还包括与其它分立的专业系统集成的通信功能等等。根据这个国际标准的规定， 可以把建筑设备监控系统功能分解为三种：操作功能、控制功能和输入输出功能。 ProcessingfunctionsManagementfunctionsfunctionsBackup power 0 0 2 9 7 3 8I/O functionsPagingHelpOperationSet point rangeCalculationy = f(x)Closed loop ctrl.RecordingNetworkingAlarmingOperat.hours0 0 9 7 8 hcontrolCountingCharacteristicsTime programTechn. alarmMaintenanceEngineeringPeak Power limitkWhsSafety alarmData analysesMan. operationReporting+-(field devices)MeasuringTPositioningMNotificationSwitchingMDocumentationSupervisionInterlocks3名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 图 3 ISO 164843 建筑设备监控系统的三种功能3建筑设备监控系统设备的六个级别（国际标准ISO 164845）根据设备在系统中的功能要求和运行内容，国际标准ISO 16484 5 “建筑自动化与控制网络数据通信协议” （BACnet）对建筑设备监控系统设备做出以下的自上而下6 级设备规定（图 4） 。图 4 ISO 164845 （BACnet）对设备的 6 级规定4名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4管理层建筑设备监控系统管理层是数据网络，包括计算机、网络接口、网络设备（网卡、集线器、交换机、数据传输介质）。管理层的中央站（服务器客户机）是建筑设备的监控中心和数据中心，国家标准 GB50339-2003智能建筑工程质量验收规范第6.3.13 条称之为 “ 中央管理工作站与操作分站” ， BACnet称它为BACnet OWS操作员工作站（BACnet-Operator Work Station） ；LonWorks开放式系统技术要求规范称它为 Workstation 工作站，包括 LNS 网络服务器、数据库和人机接口， “人机接口允许操作人员与建筑设备监控系统通信，对建筑设备监控系统进行管理、 下达指令、检测和编程，使用人机接口设备（PC，笔记本电脑或终端） ，利用 LNS 网络服务器接口、应用程序接口（API）为网络客户机提供服务，该操作界面可以同 LonTalk 网络或 IP 网络进行连接”；文件 LonMark Facility Automation System Master Specification Division 15 （15950）对操作站作了进一步解释，明确提出操作站应该具有 Web Servers功能，提供 HTML 网页、日历、时间表控制、数据登录存贮、报警管理、 SOAP/XML 接口、静态和动态IP 地址、 SMTP 电子邮件报警、信息管理等具体规定，浏览器客户机要提供使用统一资源定位器Uniform Resource Locator （定位互联网上各种资源的位置和访问方法）完成超级文本连接Hypertext Links 。这个补充反映了网络时代对建筑设备监控系统管理层的基本要求。管理层是高级的管理和控制应用，能够以用户容易理解的方式显示系统数据、允许用户提供发送适当的命令去控制系统、自动执行计划任务、 产生系统报警和事件信息、生成综合报告、与企业信息系统共享数据、与互联网建立联系、允许远程访问建筑设备监控系统等等。5控制层建筑设备监控系统控制层是控制网络，包括通用控制器、网络接口。控制层是高级的控制和控制应用，控制层的通用控制器能够以用户容易理解的方式显示控制器数据、 允许用户提供发送适当的命令去控制机电设备、自动执行计划任务、 产生设备报警和事件控制、 生成综合报告、 与其它控制器共享数据等等。控制层的通用控制器是指用户可自由编程的控制器，适用于各种建筑机电设备的控制，例如冷水机组、空调机组等。国际标准BACnet 称它为 AAC 高级应用控制器 （Advanced Application Controller） ；LonWorks开放式系统技术要求规范称它为 AGC 通用控制器 （Application Generic Controller） ， “一个包含了完整的、可配置的网络化设备或节点，该控制器通用性强，适用于多种控制任务，设备供应商为其设置了许多工程变量和组态特性，允许利用网络工具对该设备进行具体的配置”；文件 LonMark Facility Automation System Master Specification Division 15 （15950）对通用控制器 AGC 作了进一步解释，称之为PCU 可编程控制单元 Programmable Control Unit ，能够与其它 LonWorks 设备进行网络通信和数据共享， 这种单元配置操作系统、 可编程的应用程序和故障诊断程序，是不依赖中央站的计算机或者“ 主” 控制器。PCU 应该完全独立工作， PCU 应该提供贮存在控制器存储器中的各种控制策略、顺序控制的应用程序， 以便用户编程调用，特别要求提供PID 控制回路。5名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 通用控制器的特点是中央处理器CPU 能力较强，存储器容量较大，作为以计算机控制为核心的控制设备， 能够独立于中央计算机完成全部规定的控制应用操作。控制器软件包括完整的操作系统、通信处理、监控点处理、标准控制运算和可由用户编制的各种应用程序。控制层的网络接口是指与管理层和现场层通信的两类接口，前者是把控制层向上连接到管理层上，后者是把控制层向下连接到现场层上。6现场层建筑设备监控系统现场层是控制网络，包括网络接口、 微控制器、分布式输入输出模块和传感器、执行器以及变频器等。现场层可以称为仪表层、设备层。现场层的微控制器能够以用户容易理解的方式显示控制器数据、允许用户提供发送适当的命令去控制机电设备、自动执行专门的控制任务、 产生设备报警和事件控制、生成综合报告、与其它微控制器共享数据等等。微控制器是指用户不能自由编程的控制器，微控制器是一种嵌入计算机硬件和软件的对建筑末端设备使用的专用控制器，例如VAV 变风量箱控制器。微控制器体积小、集成度高、基本资源齐全、专用资源明确、具有特定控制功能，不同种类的末端设备需要使用不同种类的微控制器，相同现场总线的不同种类的微控制器可以连接在同一条现场总线上。国际标准 BACnet 称这种微控制器为ASC专用控制器（ Application Specific Controller ） ；LonWorks开放式系统技术要求规范称这种控制器为ASC 专用控制器， “一个包含了完整的、可配置的网络化设备或节点， 该控制器适用于某个特殊控制任务，设备供应商为其设置了专门的应用程序，包含有允许利用网络工具对其进行调整的参数”；文件 LonMark Facility Automation System Master Specification Division 15 （15950）中对专用控制器 ASC 作了进一步解释，称之为TDCU 末端（终端设备控制单元Terminal Device Control Unit ） ，这种单元都配置单片系统，神经元Neuron Chip 3120 或3150，能够与其它 LonWorks 设备进行网络通信和数据共享，配置操作系统和专用应用程序等等。有些微控制器虽然也可以自由编程， 但编程内容仍然局限于该种终端设备的控制。7369 规则综上所述，可以用369 规则来记忆和理解建筑设备监控系统：3，网络结构有三层：管理层、控制层、现场层。系统功能有三种：操作功能、控制功能、输入输出功能。6，设备自上而下分 6 级：工作站、建筑控制器（网关） 、通用控制器、微控制器（专用控制器）、智能执行器和智能传感器。9，通常有 9 种现场总线正在被建筑设备监控系统采用：BACnet，Profibus、WorldFIP、LonTalk、Batibus、EIB、EHS、Modbus 和 Meter Bus。注： Batibus EIB EHSKNX （2003 年 12 月 KNX 成为欧洲标准EN50090，2006年 KNX 纳入 CEN TC247 ，成为欧洲标准EN13321） 。8建筑设备监控系统现场总线汇总表（表1）6名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 表 1 现场总线汇总表BACnet KNX LonWorks Meter Bus Modbus Profibus-FMS WorldFIP 总线名称MS/TP -EIB ISO EN EN EN IEC61158 IEC61158 IEC61158 国际标准16484 13321 14908 1434315(TCP)3/10 7 GB/Z20177 GB/T GB/T 中国标准-2006 19582-200820540-2006 1995 1998 1991 1997 1979 1996 1987 产生年代ISO通信模型层数1,2,3,7 1,2,3,4,7 1,2,3,4,5,6,71,2,3,7 1,2,7 1,2,7 1,2,7 屏蔽屏蔽双绞线屏蔽屏蔽屏蔽通信介质双绞线双绞线双绞线光缆双绞线双绞线双绞线电力线光缆无线主从CSMA/CA 可预测主从主从轮询总线裁决介质访问方法令牌总线轮询P 坚持CSMA/CD 轮询主从轮询RS485 EIB LonWorks M-Bus RS485 RS485 WorldFIP 物理层物理连接物理连接物理物理连接协议连接76.8 9.6 78 2.4 9.6 19.2 31.25 常用通信速度Kbit/s 每段32 64 64 64 32 32 32 节点参考文献： JGJ 16 2008 民用建筑电气设计规范中国建筑工业出版社 2008.6 ISO/TC205 Building Environment Design Oct.2006 Helmut Macht ， BACnet a global standard for total building solutions Siemens Building Technology Ltd. June 2004 7名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -