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1、楼宇自控系统的架构设计楼宇自控系统的架构设计1通常通常,一个好的架构设计可以方便地融入各种成熟、一个好的架构设计可以方便地融入各种成熟、先进的技术，产品选型范围广具有较高的性价比；先进的技术，产品选型范围广具有较高的性价比；可方便系统升级；能适应未来一定时期的发展要求可方便系统升级；能适应未来一定时期的发展要求,扩展性好；系统运行维护的备品备件容易获得开扩展性好；系统运行维护的备品备件容易获得开放性与兼容性好。因此，系统架构设计是系统设计放性与兼容性好。因此，系统架构设计是系统设计的基础与灵魂系统架构的技术水准决定了能否实的基础与灵魂系统架构的技术水准决定了能否实现系统的关键功能，决定了系统设
2、备的选型与协调现系统的关键功能，决定了系统设备的选型与协调配合以及系统投入运行后的维护与扩展升级等方面。配合以及系统投入运行后的维护与扩展升级等方面。下面针对楼宇自控系统发展的技术现状，从网络、下面针对楼宇自控系统发展的技术现状，从网络、软件、硬件、数据等方面的结构与集成方案进行分软件、硬件、数据等方面的结构与集成方案进行分析，希望提供一种楼宇自控系统架构设计的系统分析，希望提供一种楼宇自控系统架构设计的系统分析方法。析方法。1 1、概述、概述22、网络结构楼宇自控系统的网络一般包括管理网络和控制网楼宇自控系统的网络一般包括管理网络和控制网络。若考虑控制网络的特点又可将控制网分为络。若考虑控制
3、网络的特点又可将控制网分为一到二层组成二层或三层网络结构。一到二层组成二层或三层网络结构。三层网络的主流结构与主要性能指标参见下表。三层网络的主流结构与主要性能指标参见下表。第一层：管理网络或集成网络；第一层：管理网络或集成网络；第二三层：控制网络或现场网络。第二三层：控制网络或现场网络。3 楼控系统通信网络的主流结构与性能指标楼控系统通信网络的主流结构与性能指标 45673、软件结构目前，楼宇自控系统的软件结构主要有目前，楼宇自控系统的软件结构主要有C CS S和和B BS S两种。两种。84、硬件结构楼宇自控系统的硬件设计一般采用模块化楼宇自控系统的硬件设计一般采用模块化结构在进行设计时，
4、应对控制方式、控结构在进行设计时，应对控制方式、控制站规模、信号采集方式、信号处理精度制站规模、信号采集方式、信号处理精度和模块的和模块的I IO O密度等进行规划，使硬件设密度等进行规划，使硬件设备扩展灵活，控制可靠、处理能力和处理备扩展灵活，控制可靠、处理能力和处理精度等满足应用要求。硬件结构的规划建精度等满足应用要求。硬件结构的规划建议如下表。议如下表。9105、系统集成结构随着建筑智能化程度的提高人们对建筑设备的控制管随着建筑智能化程度的提高人们对建筑设备的控制管理不再停留在简单地在控制室集中进行远程开理不再停留在简单地在控制室集中进行远程开 停机操停机操作和单机环境参数的优化控制而是
5、上升到系统全局的作和单机环境参数的优化控制而是上升到系统全局的优化控制。影响建筑设备联动控制的因素也不再局限于优化控制。影响建筑设备联动控制的因素也不再局限于楼宇自控系统内部，如检测到火灾报警时空调设备需楼宇自控系统内部，如检测到火灾报警时空调设备需立即停机、通风设备立即进入防排烟工况运行、启动消立即停机、通风设备立即进入防排烟工况运行、启动消防广播组织人员疏散、启动疏散指示系统、电梯迫降底防广播组织人员疏散、启动疏散指示系统、电梯迫降底层等；再如当检测到防盗报警时将迅速启动门禁系统层等；再如当检测到防盗报警时将迅速启动门禁系统对相关的门禁点和停车场出入口进行门禁管制、打开报对相关的门禁点和停
6、车场出入口进行门禁管制、打开报警现场的照明系统、调用警现场的照明系统、调用CCTVCCTV监控系统对报警现场与过监控系统对报警现场与过程进行录像、启动广播系统通知有关人员迅速进入现场程进行录像、启动广播系统通知有关人员迅速进入现场处理事故等。处理事故等。11上面这些看似简单的联动工作，其实已经上面这些看似简单的联动工作，其实已经涉及到了智能建筑中楼宇自控系统、防盗涉及到了智能建筑中楼宇自控系统、防盗报警系统、火灾报警系统、视频监控系统、报警系统、火灾报警系统、视频监控系统、门禁系统、广播系统、照明系统、停车场门禁系统、广播系统、照明系统、停车场管理系统、电子公告与信息发布等多个弱管理系统、电子
7、公告与信息发布等多个弱电子系统的工作配合问题。由于各子系统电子系统的工作配合问题。由于各子系统各自独立发展，系统之间的互连与互操作各自独立发展，系统之间的互连与互操作必须进行专门的集成设计。根据集成设计必须进行专门的集成设计。根据集成设计实现的途径集成方式大致分为控制层集实现的途径集成方式大致分为控制层集成和管理层集成。成和管理层集成。121314数据结构的设计一般包括监控软件内嵌的数据库处理程数据结构的设计一般包括监控软件内嵌的数据库处理程序和外配的数据库处理程序两部分。通常在序和外配的数据库处理程序两部分。通常在HMIHMI监控软监控软件内都会内嵌一个数据库程序模块从件内都会内嵌一个数据库
8、程序模块从HMIHMI软件本身的软件本身的功能定位和性能考虑这个内嵌的数据库程序主要用于功能定位和性能考虑这个内嵌的数据库程序主要用于实时数据库的操作、管理和归档而对于归档后的历史实时数据库的操作、管理和归档而对于归档后的历史数据库管理、查询和分析处理能力都较弱，这也是目前数据库管理、查询和分析处理能力都较弱，这也是目前HMIHMI软件的报表功能不理想的主要原因。因此，若需要软件的报表功能不理想的主要原因。因此，若需要对归档的历史数据库进行综合分析，提升归档历史数据对归档的历史数据库进行综合分析，提升归档历史数据库的附加值必须在库的附加值必须在HMIHMI软件外再选配适当规模的数据软件外再选配
9、适当规模的数据库处理软件。两个层面的数据库处理软件可遵循如下处库处理软件。两个层面的数据库处理软件可遵循如下处理。理。6、数据结构、数据结构15原则进行选择，即：根据系统应用数据库原则进行选择，即：根据系统应用数据库的大小对一般中小型的数据库采用的大小对一般中小型的数据库采用SybaseSybase、AccessAccess等数据库，对中大型的数等数据库，对中大型的数据库则选用据库则选用MS SQL ServerMS SQL Server等而对大型数等而对大型数据库则宜采用据库则宜采用OracleOracle等高性能的数据库处等高性能的数据库处理软件。理软件。16拓扑结构当网络的规模较大或网络
10、异构时可配置路由器当网络的规模较大或网络异构时可配置路由器对网络规模进行扩展；当第三方系统接入时可配对网络规模进行扩展；当第三方系统接入时可配置集成网关解决系统之间的互连与互操作问题。置集成网关解决系统之间的互连与互操作问题。因此，在网络结构与拓扑连接上有多种选择。根因此，在网络结构与拓扑连接上有多种选择。根据楼宇自控系统中据楼宇自控系统中DDCDDC控制器、网络控制器、路控制器、网络控制器、路由器、集成网关、上位机监控系统等各部件互连由器、集成网关、上位机监控系统等各部件互连与互操作的解决方案，一般常用的拓扑结构有以与互操作的解决方案，一般常用的拓扑结构有以下五类：下五类：17主要特征描述：
11、系统仅有控制网上位机管理系主要特征描述：系统仅有控制网上位机管理系统通过网卡与控制层相连。统通过网卡与控制层相连。优点：简单、经济、适用，系统调试方便快捷。优点：简单、经济、适用，系统调试方便快捷。缺点：扩展性不好。缺点：扩展性不好。应用实例：应用实例：霍尼韦尔霍尼韦尔ExceI5000ExceI5000系统中采用系统中采用XPCS00XPCS00接接C-BusC-Bus总线。总线。应用场合：中、小型项目应用应用场合：中、小型项目应用 (500(500点监控规模点监控规模以下以下)，系统无后续扩展要求。对系统处理速度，系统无后续扩展要求。对系统处理速度与可靠性要求不高。与可靠性要求不高。拓扑结
12、构一：上位机系统通过网卡直接管理拓扑结构一：上位机系统通过网卡直接管理DDCDDC控控制系统制系统18架构架构1 1及其变形及其变形s1-1s1-1增加增加FCN2FCN2s1-2.s1-2.用用PCPC连接网关，实现系统集成连接网关，实现系统集成s1-3.s1-3.用用DDCDDC连接网关实现系统集成连接网关实现系统集成s1-4.s1-4.将集成网关直接连到控制层网实现将集成网关直接连到控制层网实现集成集成192021s1-2.用用PC连接网关，实现系统集成连接网关，实现系统集成22s1-3.用用DDC连接网关实现系统集成连接网关实现系统集成23s1-4.将集成网关直接连到控制层网实现集成将
13、集成网关直接连到控制层网实现集成24拓扑结构二：上位机系统通过网络适配器直接管理拓扑结构二：上位机系统通过网络适配器直接管理DDCDDC控制系统控制系统主要特征描述：系统仅有控制层网络，上主要特征描述：系统仅有控制层网络，上位机管理系统通过单台网络控制器或适配位机管理系统通过单台网络控制器或适配器进行点对点连接。器进行点对点连接。优点：简单、经济、适用调试方便优点：简单、经济、适用调试方便快捷。快捷。缺点：扩展性不好。缺点：扩展性不好。25应用实例：应用实例：(1)(1)霍尼韦尔霍尼韦尔Excel5000Excel5000系统中采用系统中采用BNABNA接接C-C-BusBus总线。总线。(2
14、)(2)采用采用i-Lon600i-Lon600接接LonLon总线。总线。(3)(3)用用PCLTA-20PCLTA-20接接LonLon总线。总线。应用场合：中、小型项目应用应用场合：中、小型项目应用.26上位机系统通过网络适配器直接管理上位机系统通过网络适配器直接管理DDCDDC控控制系统制系统架构架构2 2及其变形及其变形与架构与架构1 1的区别是：用网络控制器或适配器的区别是：用网络控制器或适配器取代网卡。取代网卡。27s2-1s2-1：增加：增加FCN2FCN2s2-2:s2-2:用用PCPC连接网关实现集成连接网关实现集成s2-3s2-3：用：用DDCDDC连接网关实现集成连接网
15、关实现集成s2-4s2-4，集成网关直接连控制网集成，集成网关直接连控制网集成s2-5s2-5：用网络控制器作集成：用网络控制器作集成28293031拓扑结构三：上位机系统通过管理层网络和网络控制器间接拓扑结构三：上位机系统通过管理层网络和网络控制器间接管理管理DDCDDC控制系统控制系统主要特征：采用管理层和控制层两层架构，主要特征：采用管理层和控制层两层架构，管理层连接网络控制器，上位机管理系统管理层连接网络控制器，上位机管理系统同时连接多台网络控制器。同时连接多台网络控制器。优点：可着重设计高性价比的网络控制器，优点：可着重设计高性价比的网络控制器，提高系统的整体性能。架构设计简洁，扩提
16、高系统的整体性能。架构设计简洁，扩展性好、性价比高。展性好、性价比高。缺点：投入费用相对较高。缺点：投入费用相对较高。32应用实例：应用实例：江森的江森的ADSADS、M3M3、M5M5系统系统奥莱斯的奥莱斯的WebCTRLWebCTRL系统系统霍尼韦尔霍尼韦尔Excel5000Excel5000系统系统应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，对外网络的连接有较高的要求。对外网络的连接有较高的要求。架构架构3 3及其变形及其变形33S3-1S3-1增加增加FCN2FCN2S3-2.S3-2.在管理层连接网关，实现系统集成在管理层连接网关，实现系统集成S3-3
17、.S3-3.在控制层连接网关实现系统集成在控制层连接网关实现系统集成S1-4.S1-4.在控制层连接集成网关，在管理层连在控制层连接集成网关，在管理层连接路由器接路由器S1-5.S1-5.集成网关和路由器均链接到管理层集成网关和路由器均链接到管理层34353637383940拓扑结构四：上位机系统通过管理层网络直接管理DDC控制系统主要特征：采用管理层和控制层两层架构，管理主要特征：采用管理层和控制层两层架构，管理层连接层连接DDCDDC控制器，上位机管理系统同时连接多台控制器，上位机管理系统同时连接多台DDCDDC控制器。控制器。优点：优点：DDCDDC直接与上位机管理系统连接，结构简介，直
18、接与上位机管理系统连接，结构简介，控制管理指令直接下达给控制管理指令直接下达给DDCDDC，控制过程简化。，控制过程简化。缺点：对缺点：对DDCDDC控制要求较高。控制要求较高。应用实例：西门子应用实例：西门子S600S600系统。系统。应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，对外应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，对外网络的连接要求不高。网络的连接要求不高。41架构架构4 4及其变形及其变形S4-1S4-1增加增加FCN2FCN2S4-2.S4-2.在管理层连接网关，实现系统集成在管理层连接网关，实现系统集成S4-3.S4-3.在控制层连接网关实现系统集成在控制层连接网关实现系统集成S4-4
19、.S4-4.集成网关与路由器均连接在管理层集成网关与路由器均连接在管理层S4-5.S4-5.在控制层连接集成网关，在管理层链接路在控制层连接集成网关，在管理层链接路由器由器42434445464748拓扑结构五：上位机系统通过管理层网络既可以直接管理拓扑结构五：上位机系统通过管理层网络既可以直接管理DDCDDC控制系统，又可以同时借助网络控制器间接管理控制系统，又可以同时借助网络控制器间接管理DDCDDC控制控制系统系统 主要特征：采用管理层和控制层两层架构；在管主要特征：采用管理层和控制层两层架构；在管理层理层DDCDDC控制器、网络控制器同层连接，上位机管控制器、网络控制器同层连接，上位机
20、管理系统对理系统对DDCDDC控制器的控制可直接下达，也可由网控制器的控制可直接下达，也可由网络控制器转发。络控制器转发。优点：系统架构完全开放，扩展性好。优点：系统架构完全开放，扩展性好。缺点：管理层管理控制难度加大，且对缺点：管理层管理控制难度加大，且对DDCDDC控制器控制器的要求较高。的要求较高。49应用实例：应用实例：（1 1）加拿大的可信系统）加拿大的可信系统（2 2）加拿大的）加拿大的DeltaDelta系统系统（3 3）艾顿）艾顿BACtalkBACtalk系统系统（4 4）卓林系统）卓林系统应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，同应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，同时对系
21、统的开放性要求很高。时对系统的开放性要求很高。50架构架构5 5及其变形及其变形S5-1S5-1增加增加FCN2FCN2S5-2.S5-2.在管理层连接网关，实现系统集成在管理层连接网关，实现系统集成S5-3.S5-3.在控制层连接网关实现系统集成在控制层连接网关实现系统集成S5-4.S5-4.集成网关与路由器均连接在管理层集成网关与路由器均连接在管理层S5-5.S5-5.在控制层连接集成网关，在管理层链接路在控制层连接集成网关，在管理层链接路由器由器51525354555657软件点规模升级软件点规模是衡量监控软件对变量标签管软件点规模是衡量监控软件对变量标签管理能力的一个标准。不同厂家的监
22、控软件理能力的一个标准。不同厂家的监控软件在架构设计时，应考虑系统的监控规模有在架构设计时，应考虑系统的监控规模有多大多大。58操作系统平台选择操作系统平台是指监控软件必须基于的软件环境，操作系统平台是指监控软件必须基于的软件环境，几乎所有的厂家产品均是基于几乎所有的厂家产品均是基于WindowsWindows平台开发的。平台开发的。无特殊要求时，默认选择无特殊要求时，默认选择WindowsWindows平台。平台。(如对可如对可靠性有特殊要求时靠性有特殊要求时)，也可选，也可选UnixUnix或或LinuxLinux平台。平台。由于支持跨平台的产品不多在产品选型时会受由于支持跨平台的产品不多
23、在产品选型时会受到一定的限制。目前支持跨平台的产品有美国奥到一定的限制。目前支持跨平台的产品有美国奥莱斯的莱斯的WebCTRLWebCTRL系统等。系统等。59软件系统升级 软件系统升级指软件功能升级或软件版本升级。软件系统升级指软件功能升级或软件版本升级。基于基于C/SC/S架构的软件系统升级时应考虑客户端和服架构的软件系统升级时应考虑客户端和服务器同时升级，并且还会涉及到所有硬件配置的务器同时升级，并且还会涉及到所有硬件配置的调整问题，通常会有较大的麻烦。而基于调整问题，通常会有较大的麻烦。而基于B BS S架架构的系统，软件升级时只要对服务器部分进行升构的系统，软件升级时只要对服务器部分
24、进行升级就可以了，对系统功能提升的适应性较好。级就可以了，对系统功能提升的适应性较好。60小结上面讨论了楼宇自控系统架构设计需考虑上面讨论了楼宇自控系统架构设计需考虑的几个主要问题。由于具体的架构设计非的几个主要问题。由于具体的架构设计非常灵活，故最后就架构设计作一个小结，常灵活，故最后就架构设计作一个小结，提供一个在架构设计中进行系统思考的方提供一个在架构设计中进行系统思考的方法。具体描述如下：法。具体描述如下：61 第一步：网络结构设计。主要评估目前各第一步：网络结构设计。主要评估目前各厂家产品的技术指标、各厂家产品对协议厂家产品的技术指标、各厂家产品对协议的支持情况，系统的规模、预计投入
25、的资的支持情况，系统的规模、预计投入的资金等内容进行网络结构设计。如优先选金等内容进行网络结构设计。如优先选择目前通用性好、扩展性好、产品选型范择目前通用性好、扩展性好、产品选型范围较广的围较广的BACnetBACnet协议架构，在管理层采用协议架构，在管理层采用以太网，在控制层采用以太网，在控制层采用MSMSTPTP网的双层网网的双层网络结构。络结构。62 第二步：集成结构设计。主要评估系统集成对象第二步：集成结构设计。主要评估系统集成对象在系统集成中要实现的功能、交互的信息量大小、在系统集成中要实现的功能、交互的信息量大小、支持的协议类型等内容，结合厂家产品的性价比支持的协议类型等内容，结
26、合厂家产品的性价比情况，进行集成结构设计。如优先选用开放性好、情况，进行集成结构设计。如优先选用开放性好、协议支持类型多、联动控制效果好、对集成信息协议支持类型多、联动控制效果好、对集成信息交互能力较强，通过专用网关在管理层网络进行交互能力较强，通过专用网关在管理层网络进行集成的控制层集成方案。集成的控制层集成方案。63第三步：拓扑结构设计。主要评估系统对第三步：拓扑结构设计。主要评估系统对以前系统的兼容性，以后的扩展性，综合以前系统的兼容性，以后的扩展性，综合考虑网络结构和集成方案等内容，对拓扑考虑网络结构和集成方案等内容，对拓扑结构进行设计。如优先考虑上面拓扑结构结构进行设计。如优先考虑上
27、面拓扑结构中的架构中的架构S5-2S5-2S5-4S5-4。64第四步：数据结构设计。主要评估系统实第四步：数据结构设计。主要评估系统实时数据库的规模、对实时数据库的归档要时数据库的规模、对实时数据库的归档要求和实时数据库的综合利用情况，结合厂求和实时数据库的综合利用情况，结合厂家家HMIHMI软件对数据库软件内嵌的情况进行设软件对数据库软件内嵌的情况进行设计。如优先选用内嵌计。如优先选用内嵌SQL ServerSQL Server数据库模数据库模块并外配块并外配SQL ServerSQL Server数据库软件的架构。数据库软件的架构。65 第五步：硬件结构设计。主要评估系统监控信息第五步：
28、硬件结构设计。主要评估系统监控信息点的分布情况、监控信息的处理精度要求、联动点的分布情况、监控信息的处理精度要求、联动控制时监控信息之间关联度大小、投资成本概算控制时监控信息之间关联度大小、投资成本概算等情况结合厂家产品的技术指标与性价比综等情况结合厂家产品的技术指标与性价比综合前面对网络结构、集成结构与拓扑结构的设计合前面对网络结构、集成结构与拓扑结构的设计进行硬件结构设计。如优先考虑采用集中进行硬件结构设计。如优先考虑采用集中I/OI/O、分、分布式布式I IO O并存的分布式控制结构，将关联度大的并存的分布式控制结构，将关联度大的监控信息尽可能由一台控制器进行集中管理，降监控信息尽可能由
29、一台控制器进行集中管理，降低联动控制的故障率，优化网络中的数据流。低联动控制的故障率，优化网络中的数据流。66第六步：软件结构设计。主要评估系统监控信息第六步：软件结构设计。主要评估系统监控信息的综合利用情况的综合利用情况(如对信息的控制要求，分析处理如对信息的控制要求，分析处理要求、信息发布要求等要求、信息发布要求等)、操作业务的变更要求，、操作业务的变更要求，参与监控系统操作的人员素质、系统以后的升级参与监控系统操作的人员素质、系统以后的升级改造与扩容等情况，进行设计。如优先选用对实改造与扩容等情况，进行设计。如优先选用对实时监控处理能力较强的时监控处理能力较强的c cs s架构充当楼宇自控系架构充当楼宇自控系统的监控管理，当对信息发布要求较高时，再增统的监控管理，当对信息发布要求较高时，再增设设WEBWEB服务器进行转换的服务器进行转换的c/sc/s和和B BS S架构并存的方架构并存的方案。案。67第七步：其它因素考虑。主要评估系统的第七步：其它因素考虑。主要评估系统的监控规模，选择合适的监控规模，选择合适的HMIHMI软件控制点容量。软件控制点容量。68