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LonWorks与BACnet的应用探讨

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:112

  郑 洁 串 钢 仝庆贵
  重庆大学城市建设与环境工程学院建筑设备与环境工程系
  【摘要】介绍了楼宇自动化系统(BAS)目前采用的通信协议及应用情况,重点针对LonWorks与BACnet进行比较,分析了几种典型结构的技术特点,探讨了楼宇系统通信协议的发展趋势。
  【关键词】通信协议 分布式结构 互操作性 网络互联
  随着信息技术及整个信息产业的发展,楼宇自动化正向集成化、智能化和网络化方向迈进。大系统集成的基础就是通信网络,其技术核心体现在系统集成及相关的通信协议上。为了确保信息正常传送,必须在有关信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面有一组约定或规则,这组约定或规则就是网络协议。简单地说,网络协议好像各设备间通信时使用的语言。由于各家的通信协议标准和性能的差异,存在着系统间通信兼容和互换性问题,因此需要一个统一的开放式标准来实现各家产品的相互兼容和交换。这样做的好处是所有厂家的仪表、系统都可进行互相通信,使各制造商的产品不受专有协议的限制,给用户的使用带来极大方便。主要优点有:减少布线、安装等费用;节省操作与维修费用;数字传递精度高;增强系统的灵活性和升级的方便性。目前国际上的网络标准和协议发展很快,而且均处于不断变化中。在楼宇控制系统领域,目前主要采用Echelon公司的LonWorks(Local Operating Network)协议及美国ASHRAE(美国暖通、空调和制冷工程师协会)的BACnet(A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks)协议。尽管许多厂商均认可这两项技术,甚至它们还被写进欧洲CENTC247建筑控制标准文件中,但是目前许多厂商还是根据自己产品的技术特点,不断发展自己的标准。
  目前,大多数局域网、主干网与Internet的互连技术已成熟并得到了广泛应用。然而楼宇系统设备多,控制网络五花八门,各厂家提供的楼宇设备和控制系统,其通信协议不同,造成不同厂商的设备之间没有很好的互操作性,实际上很难在同一系统中混用。影响系统的管理、维护和安全。长期以来,用户一直希望打破楼宇控制厂家的垄断局面,迫切盼望采用标准的通信协议。但是众多厂家也一直在竞争,力争占领更多市场,均希望使自己成为系统开放的关键角色。结果是楼宇系统越复杂,用户所受限制也越多。因此,在楼宇自动化领域,要求增加系统透明性、互操作性的呼声也越来越高。人们已经看到,一个不具备开放性、不能实现互操作的系统会给系统运行维护、升级改造带来极大不便。在这种形式下,LonWorks和BACnet等标准协议应运而生。LonWorks与BACnet二者到底谁的优势更大?似乎各有所长。本文就控制协议的应用及发展作如下讨论。
  1 LonWorks的应用情况
  LonWorks是1993年推出的,它具有统一性、开放性和互操作性。LonWorks现场总线网络简称为LON网络,其核心为Neuron芯片,它既能管理通信,又具有输入、输出功能,芯片内部含有三个CPU,分别管理网络、介质访问和应用。LonWorks神经元网络技术是一种近年来已广泛应用于楼宇自动化系统中的一种现场总线技术,其最大特点是挂接在LON总线上的备控制节点都有装配有神经元控制芯片,而在每只芯片内已固化有标准的网络通信协议,这就使得接入LON总线的各类设备可互通信,可实现楼宇自动化系统集成,它在短时间内得到了自动控制领域的广泛关注和普遍接受,在楼宇自动控制领域更成为实际上的标准。可以说LonWorks技术最大的应用领域就是在楼宇自动化方面,它包括建筑物监控系统的所有领域,即人口控制、电梯和能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、保安等。在建筑业中,LonWorks协议中的介质访问控制层,即第七层协议中的第一、二层已经被(ASHRAE)接纳为建筑自动化控制网络(BACnet)的标准,同时也被美国国家标准协会(ANSI)制定的有关标准所采纳。
  LON网络采用的通信协议称为Lontalk协议,该协议对用户完全开放,支持多种通信媒介,可以实现不同设备之间的互操作。   LonWorks作为局域网络技术在控制领域的应用,LON网络是将控制系统按局域网络(LAN)方式进行构造,用网络节点代替LAN中工作站,并将其安装在监控现场,直接与各种传感器、控制器相连。LonWorks网中每个节点间可以实现点到点的信息传送,具有很好的互操作性。支持LonWorks的各种智能节点(如温度、湿度、压力、二氧化碳检测,执行器、控制器、数据记录及趋势分析等),能使传感器、变送器与执行器本身带有数据处理和数据通信功能,它们十分有效地支持了楼宇自动化系统的构建,所有匹配智能节点、输入输出模块的楼宇设备系统,都能方便地组成真正的分布式监控网络。LON网络在一个测控网络上的节点数最多可达32000个,无论是哪一类节点,都含有用于控制和通信的Neuron芯片,用于连接一个或多个I/O设备的I/O接口,以及负责将节点连接上网的收发器。采用LonWorks技术的网络可以轻松实现不同系统、不同产品之间的对等通讯,因而广泛地用来构建分布式的控制网络,大大简化了系统设计,提高了系统可靠性。按照LonWorks互操作协议设计的节点可以实现不同产品之间的互联,这不但为系统集成提供了方便,尤其为打破某些公司的专项技术垄断提供了可能。
  LonWorks技术用于楼宇自动化系统(BAS)中已较为成熟,图1为采用LonWorks技术的集成系统示意图。从目前己应用的情况来看,很多已建系统的BAS主要采用LonWorks技术,其问题之一是对系统布线的要求较苛刻。
  图1 采用Lonworks的大楼自动化系统
  2 BACnet协议的应用
  BACnet标准的诞生,结束了楼宇自动化领域众多厂家各自为政的局面。BACnet作为一种标准的开放式数据通信协议,使不同厂家的楼宇设备能够实现互操作,也就是说,在一个系统中,允许混用不同厂家的设备,并能为这些设备提供统一的数据通信的服务和协议的操作平台。这个仅给用户提供了更大的选择空间,而且给系统的升级、维护提供了灵活性。BACnet标准是针对暧通空调、给水排水、消防、保安等楼宇系统设计的,它提供广种描述各种楼宇设备的模型,使得各种设备能互操作和协同工作。BACnet定义了在异种不同LAN环境下网络工作站之间的通信规程,由于它利用以太网实现BACnet协议,所以其传输性能较传统的控制网络有较大提高。
  BACnet标准是针对楼宇自动化系统设计的。它采用了面向对象的技术,用"对象"、"属性"和"服务"等要素定义信息格式,它定义了一种具有属性的对象来表示任意的楼宇系统设备的功能,从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的方式。目前BACnet共定义了18个对象,123个属性和32种服务。很容易实现节点间的对等通讯,使系统设计大大简化,可靠性大大提高。在BACnet中,一个设备可以从另个设备中获取信息,可操作另一设备或向多个设备发布信息。BACnet的对象和属性提供了通信的共同语言,而服务则提供了信息传递的手段。协准的通信协议应该是开放的,利用标准通信协议的集成方法虽然目前还未达到广泛应用,但它的应用前景看好,尤其是大系统和那些可能还要进一步扩容和升级的大系统。
  图2 采用BACnet的楼宇自动化系统
  图2表示分散建筑之间采用分布式网络集成的一种方案。这些楼宇自动化系统(BAS)对现场仪表盘和控制器也能实现分个人的控制功能,而不再是必须依靠中央控制器。它能利用集成网络所提供的技术,快速、便利地传递和控制数据,通过网关在数据网络和控制网络之间提供界面。
  3 通信协议的应用及发展
  LonWtorks与BACnet已竞争多年,各自都有自己的用户群。在楼宇自动化领域,有此厂家甚至有意把他们的产品设计成LonWorks与BACnet混合,作为他们的标准。几种典型结构见图3。
  图3 几种典型应用结构
  结构A是一种已过时的设计,试图将所用通信协议适应已有的工业标准,而实际上又并不打算采纳它们。所以,实质上是一种不开放的系统,不能实现交互式操作,很难适应种类繁多的设备检测和控制要求,这种设计最终将被淘汰。
  结构B似乎商家更喜欢,他们今产品宣传时说"我们己经采用了LonWorks,用户可以混用不同厂家的设备。"听起来很不错,实际上,用户并个能自由选择。当用户扩建现有系统时,常常是不得不继续购买原始供应厂商的设备。多个厂家的设备要在一个系统中协调集成,并非想象的那样容易。换言之,如果用户想对现有系统升级、改造,或想换用其它厂家的设备,只能用网关的方案。所以原始厂内的专业领域仍旧是不开放的。
  结构C和结构D开始考虑用户的要求,即互操作性,用户可以在一个系统中实现不同厂家设备之间的互操作,允许混合配置各种设备。尽管目前还仅限于设备层,而且价格也不便宜,但应用前景看好。
  为什么有的厂家愿意选结构C,有的又愿意选结构D呢?主要是设计师设计时的不同考虑。但对用户来说,似乎并没有多大区别。笔者认为,LonWorks不会消火。因为不少厂家己经在他们的产品系列中嵌有Lonworks,而要让他们退出LonWorks,再改一种新标准是很困难的,费用也高。BACnet作为系统层协议的一种选择,潜在优势更大。从目前的情况来看,楼宇控制器顶尖级的厂家在这类应用上,还没有哪家选LonWorks。BACnet很适宜在工作站级的管理领域应用,系统层的协议有利于交互操作性,正如C、D结构所期望的,而BACnet正好能担当此任。
  尽管是竞争对手,但各自都在向同一目标努力,那就是互操作性和对用户开放。大多数人理解LonWorks与BACnet共同构建楼宇控制系统的需要。今大建成的许多楼宇系统,正是采用了LonWorks与BACnet共同构建的方式。虽然价格问题一直是用户最关心的问题之一,但是无论采用哪种协议或厂家标准,或LonWorks,或BACnet,成本相差都不大。在目前标准还未完全统一的情况下,用户可以根据实际工程需要合理选择。
  BACnet和LonWorks最近都在积极开发网络操作平台,以实现功能强人的网络集成、管理和维护。在BACnet楼宇自动化协议的基础上发展起来的BACnet/IP协议,可以实现建筑设备自动化系统与Internet的无缝集成,从而为建筑设备自动化系统与数据通信网络集成在体系结构上提供了保证。Echelon公司新近推出的i﹒L0N 1000 Internet服务器,可以与Internet互连,可以在IP网上通过标准的例览器界面来对LonWorks网络实现监控,还能实现LonTalk协议与IP协议的转换,为共享同一网络中的信息资源提供了标准的平台。
  4 结束语
  利用标准通信协议的集成方法虽然目前还未达到广泛应用,但它的应用前景看好,尤其是大系统和那些可能还要进一步扩容和升级的系统,采用开放通信协议及相应技术标准的集成方法是今后发展的方向。从楼宇控制领域来讲,设备在地域上越来越分散,要实现对设备和网络的监控,远程诊断维护,只有通过Internet,所以将控制网络和Internet结合将成为控制领域的一个新方向。实现楼宇自动化系统的开放和互操作,一直是楼宇工程师和房地产商的共同期望。BACnet协议突破常规,具有显著的优点:独立于任何制造商,并得到众多制造商的支持;产品有良好的互操作性,有利于系统的扩展和集成;系统可以由不同厂商的产品组成,有利于市场竞争。另外,BACnet协议也允许生产商提供专用对象,专用对象增加的专用属性可以不被其它厂商的设备所访问和互操作。BACnet作为一种新的标准化协议,正在不断地发展和完善之中,同时它被多个国家接纳为标准,也得到多个厂商的支持。作者认为,建立在BACnet协议基础上的楼宇自动化系统将是未来楼宇自动化发展的方向和采用的主流技术。
  摘自《工程设计CAD与智能建筑》

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