1楼宇自控系统的架构设计

1楼宇自控系统的架构设计2•通常,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；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。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析，希望提供一种楼宇自控系统架构设计的系统分析方法。1、概述32、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络。若考虑控制网络的特点．又可将控制网分为一到二层．组成二层或三层网络结构。•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；•第二／三层：控制网络或现场网络。4楼控系统通信网络的主流结构与性能指标56783、软件结构•目前，楼宇自控系统的软件结构主要有C／S和B／S两种。94、硬件结构•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，应对控制方式、控制站规模、信号采集方式、信号处理精度和模块的I／O密度等进行规划，使硬件设备扩展灵活，控制可靠、处理能力和处理精度等满足应用要求。硬件结构的规划建议如下表。10115、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理不再停留在简单地在控制室集中进行远程开\停机操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对相关的门禁点和停车场出入口进行门禁管制、打开报警现场的照明系统、调用CCTV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处理事故等。12•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、停车场管理系统、电子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。根据集成设计实现的途径．集成方式大致分为控制层集成和管理层集成。131415•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HMI监控软件内都会内嵌一个数据库程序模块．从HMI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HMI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，提升归档历史数据库的附加值．必须在HMI软件外再选配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理。6、数据结构16•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Sybase、Access等数据库，对中大型的数据库则选用MSSQLServer等．而对大型数据库则宜采用Oracle等高性能的数据库处理软件。17拓扑结构•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。根据楼宇自控系统中DDC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与互操作的解决方案，一般常用的拓扑结构有以下五类：18•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。•优点：简单、经济、适用，系统调试方便快捷。•缺点：扩展性不好。•应用实例：–霍尼韦尔ExceI5000系统中采用XPCS00接C-Bus总线。•应用场合：中、小型项目应用(500点监控规模以下)，系统无后续扩展要求。对系统处理速度与可靠性要求不高。拓扑结构一：上位机系统通过网卡直接管理DDC控制系统19•架构1及其变形•s1-1．增加FCN2•s1-2.用PC连接网关，实现系统集成•s1-3.用DDC连接网关实现系统集成•s1-4.将集成网关直接连到控制层网．实现集成202122s1-2.用PC连接网关，实现系统集成23s1-3.用DDC连接网关实现系统集成24s1-4.将集成网关直接连到控制层网．实现集成25拓扑结构二：上位机系统通过网络适配器直接管理DDC控制系统•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器进行点对点连接。•优点：简单、经济、适用．调试方便快捷。•缺点：扩展性不好。26•应用实例：•(1)霍尼韦尔Excel5000系统中采用BNA接C-Bus总线。•(2)采用i-Lon600接Lon总线。•(3)用PCLTA-20接Lon总线。•应用场合：中、小型项目应用.27•上位机系统通过网络适配器直接管理DDC控制系统•架构2及其变形．•与架构1的区别是：用网络控制器或适配器取代网卡。28•s2-1：增加FCN2•s2-2:用PC连接网关实现集成•s2-3：用DDC连接网关．实现集成•s2-4，集成网关直接连控制网集成•s2-5：用网络控制器作集成29303132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DDC控制系统•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，提高系统的整体性能。架构设计简洁，扩展性好、性价比高。•缺点：投入费用相对较高。33•应用实例：–江森的ADS、M3、M5系统–奥莱斯的WebCTRL系统–霍尼韦尔Excel5000系统•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。•架构3及其变形34•S3-1．增加FCN2•S3-2.在管理层连接网关，实现系统集成•S3-3.在控制层连接网关实现系统集成•S1-4.在控制层连接集成网关，在管理层连接路由器•S1-5.集成网关和路由器均链接到管理层35363738394041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，管理层连接DDC控制器，上位机管理系统同时连接多台DDC控制器。•优点：DDC直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DDC，控制过程简化。•缺点：对DDC控制要求较高。•应用实例：西门子S600系统。•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。42•架构4及其变形•S4-1．增加FCN2•S4-2.在管理层连接网关，实现系统集成•S4-3.在控制层连接网关实现系统集成•S4-4.集成网关与路由器均连接在管理层•S4-5.在控制层连接集成网关，在管理层链接路由器43444546474849拓扑结构五：上位机系统通过管理层网络既可以直接管理DDC控制系统，又可以同时借助网络控制器间接管理DDC控制系统•主要特征：采用管理层和控制层两层架构；在管理层DDC控制器、网络控制器同层连接，上位机管理系统对DDC控制器的控制可直接下达，也可由网络控制器转发。•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DDC控制器的要求较高。50应用实例：（1）加拿大的可信系统（2）加拿大的Delta系统（3）艾顿BACtalk系统（4）卓林系统应用场合：系统规模较大，或作后续扩展，同时对系统的开放性要求很高。51•架构5及其变形•S5-1．增加FCN2•S5-2.在管理层连接网关，实现系统集成•S5-3.在控制层连接网关实现系统集成•S5-4.集成网关与路由器均连接在管理层•S5-5.在控制层连接集成网关，在管理层链接路由器52535455565758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多大。59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，几乎所有的厂家产品均是基于Windows平台开发的。无特殊要求时，默认选择Windows平台。(如对可靠性有特殊要求时)，也可选Unix或Linux平台。由于支持跨平台的产品不多．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莱斯的WebCTRL系统等。60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。•基于C/S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调整问题，通常会有较大的麻烦。而基于B／S架构的系统，软件升级时只要对服务器部分进行升级就可以了，对系统功能提升的适应性较好。61小结•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法。具体描述如下：62•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。如优先选择目前通用性好、扩展性好、产品选型范围较广的BACnet协议架构，在管理层采用以太网，在控制层采用MS／TP网的双层网络结构。63•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、支持的协议类型等内容，结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、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集成的控制层集成方案。64•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中的架构S5-2／S5-4。65•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求和实时数据库的综合利用情况，结合厂家HMI软件对数据库软件内嵌的情况进行设计。如优先选用内嵌SQLServer数据库模块并外配SQLServer数据库软件的架构。66•第五步：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I/O、分布式I／O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，降低联动控制的故障率，优化网络中的数据流。67•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(如对信息的控制要求，分析处理要求、信息发布要求等)、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c／s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，再增设WEB服务器进行转换的c/s和B／S架构并存的方案。68•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HMI软件控制点容量。