楼宇自控系统集成技术及发展方向

13年03月27日     来源:互联网

[导读]【摘要】本文通过对当前楼宇自控系统集成技术的分析,并根据IT技术的发展动向,展望了楼宇自控系统集成技术的发展方向和主流技术。【关键词】楼宇自控系统 集成技术 信息模型 OPC Web Services自上世纪80年代引入微处理器(microprocessor)技术以来,楼宇自控技术的发展已走过了20多年的历程。楼宇自控设备从没有通信功能的独立控制器发展成为具...

  【摘要】本文通过对当前楼宇自控系统集成技术的分析,并根据IT技术的发展动向,展望了楼宇自控系统集成技术的发展方向和主流技术。

  【关键词】楼宇自控系统 集成技术 信息模型 OPC Web Services

  自上世纪80年代引入微处理器(microprocessor)技术以来,楼宇自控技术的发展已走过了20多年的历程。楼宇自控设备从没有通信功能的独立控制器发展成为具有通信功能的网络控制器,楼宇自控系统从楼宇设备的控制系统(BAS)发展到楼宇设备控制系统与火灾报警消防联动、安全防范的集成控制系统(BMS),随着智能建筑的进一步发展,不仅要求楼宇自控系统本身高效、集成,而且还要求与其他系统(如物业管理系统)高效集成,称为建筑集成管理系统(IBMS)。因此,楼宇自控系统(BMS)的集成直接关系到智能建筑集成系统的成败。

  回顾楼宇自控系统集成技术的发展历程,并对不同发展阶段的集成技术进行分析,既可以恰当地利用好当前的集成技术,又可以把握楼宇自控系统集成技术的发展方向,及时掌握新技术,以迎接新时代的挑战。本文根据楼宇自控系统的发展过程,结合IT技术的发展,对楼宇自控系统集成技术进行了如下3个方面的分析和展望,以供参考。

  1面向协议的集成技术

  从第一个基于微处理器的楼宇控制器出现以来,楼宇自控的发展就与IT技术的发展密切相关,可以说,IT技术的发展是推动楼宇自控发展的动力。最初,楼宇自控设备是没有通信功能的孤立控制器,其作用只是对某一个楼宇设备或几个设备进行监控。当对楼宇自控设备的要求提高后,如能量管理等,楼宇自控设备必须加入通信功能,楼宇自控就引入了网络技术,从而形成了采用网络通信的楼宇自控系统。在采用网络通信的楼宇自控系统中,通信协议(communication protocol)是楼宇自控系统通信技术的关键。最初的通信协议是专用的(proprietary)通信协议,由各生产厂商单独制定,专用于自己的楼宇自控产品,不对外开放,甚至将专用通信协议作为技术或商业秘密加以保护。

  随着市场的发展,业界认识到通用型开放性通信协议对用户的重要性。于是有些具有实力的厂商或公司向业界公开自己的通信协议,希望得到业界的大量采用而成为事实上的标准。时至今日,已有不少于10种通信协议“粉墨登场”。众多公开的通信协议给楼宇自控系统集成带来了困难。在市场和技术竞争的机制下,得到业界公认的通信协议标准只有BACnet标准和LonWorks 标准。根据工业控制领域的经验,楼宇自控行业在短期内不可能出现统一的协议标准,多种公开的协议标准仍将并存。

  在多标准并存的楼宇自控系统中,最早出现的系统集成技术就是面向协议(protocol-oriented)的集成技术。这种集成技术的核心就是通信协议的转换,实现通信协议转换的互连设备往往称为“网关(gateway)”。图1是这种集成技术的基本结构图,其中,运行集成系统主界面的工作站通常是基于集成系统中的主通信协议的。这种集成技术在目前已得到了广泛的应用,尤其在已建系统中用另一种不同协议标准扩展时就必须采用这种技术进行系统集成。

  

 

  从系统集成的层次来看,楼宇自控网络通信协议是对楼宇自控设备(即通信实体)的抽象描述。不同的通信协议通常采用不同的描述方式和信息模型,有的通信协议采用面向对象的信息模型(object orientedinformationmodel),这种信息模型具有一定层次的数据结构,如BACnet和EIB-OBIS(European Installation Bus Object Interface Specification)标准,而有的通信协议采用面向寄存器的模型(register-orientedinformationmodel),这种信息模型是“扁平(flat)”的,不具有层次化的数据结构,如Modbus和LonTalk标准。因此,面向协议的集成技术是以“描述信息模型”为中心的,实质上是协议描述信息模型的转换,并且这种信息模型转换是在二进制编码(binaryencoding)的层面上进行的。

  由于这种集成技术是在二进制编码基础上进行的转换,当集成系统中存在多种通信协议标准时,这种集成技术的代价就会太大,并且存在模型转换不完全的现象。另外,当非集成主标准系统(次协议系统)扩展时,升级网关的代价较大。随着IT技术的发展,为了克服这种集成技术的缺点,出现了“面向平台(platform- oriented)”的集成技术。

  2面向平台的集成技术

  面向平台的集成技术是以“信息集成”为核心的,通过定义自控网络中通信实体信息交换的标准接(interface),以屏蔽不同通信协议对通信实体信息模型的差异。不论通信协议对通信实体进行何种模型描述,只要描述的信息模型提供标准的信息集成接口,则可以在这个标准接口上实现信息的集成,从而实现控制系统信息共享和互操作的集成目标。与面向协议集成技术相比,这种集成技术是一种较高层次上的集成技术。

  另外,通过信息交换的标准接口还可以实现控制系统与办公管理系统(OAS)的集成。这种优点正好符合控制系统与信息管理系统集成的发展趋势,因而这种技术目前正处于高速发展和成熟的阶段。面向平台的集成技术虽然屏蔽了信息模型的差异,但标准接口的实现是与信息集成平台密切相关的。也就是说,不同的集成平台具有不同的信息接口和实现机制,例如,可以通过“协议设备驱动器(protocol device driver)”的内核接口进行系统集成。在各种不同的信息集成方法中,最为著名的是OPC(OLE for Process Control)技术。

  OPC技术是由Microsoft公司发起的一个工业标准,目前由OPC基金维护。这个标准定义了 Windows系统中应用程序与各种设备驱动程序交换控制信息的标准接口。它采用客户/服务器(C/S)体系,包括OPC服务器和OPC客户两个部分。其中,应用程序作为OPC接口中的客户端,硬件驱动程序作为OPC接口中的服务器端。在OPC技术中,每一个OPC客户端应用程序可以连接多个OPC服务器,反过来,每一个OPC服务器可以为若干个OPC客户端应用程序提供数据。图2为利用OPC技术的集成系统结构图。

  

 

  OPC技术是面向平台集成技术的典型范例,这种集成技术广泛应用于各种自控领域,在楼宇自控领域,Siemens公司的APOGEE系统就采用了这种集成技术。

  面向平台的集成技术虽然在较高层次上实现了控制系统的集成,但这种集成技术与平台相关。为了实现跨平台的系统集成,又出现了如下“面向Web”的集成技术。

  3面向Web的集成技术

  提到Web,我们既熟悉,又感到陌生。我们几乎每天都离不开Web,但对Web的内涵却不甚了解。我们常用Web浏览器(browser),就以为浏览器是Web的全部内涵,从而导致有些人认为基于Web浏览器的楼宇自控系统就是“面向Web集成技术”的集成系统。确实,Web浏览器利用HTML技术极大地改变了我们使用Web的方法,但Web浏览器只是Web内涵的一个极小部分,目前绝大部分基于Web浏览器的楼宇自控系统实质上并不是面向Web集成技术的集成系统。面向Web的集成技术是当前所有系统集成领域正在经历的革命性技术。

  现阶段大多数基于Web浏览器的楼宇自控系统之所以不是面向Web集成技术的系统,主要原因有两点,一是这种系统只是利用Web浏览器访问静态数据,而这种静态数据通常早已存储在某个数据库(布置在 Web上)之中。二是数据库中存储的数据是由其他集成技术(通常为上述两种集成技术)所产生或生成的。因此,基于Web浏览器的楼宇自控系统只是在其他集成技术建立的集成系统之上加入Web浏览器作为人-机操作界面的系统。虽然目前绝大部分基于Web浏览器的系统不是面向Web集成技术的系统,但这种系统提供统一的人-机界面,还可以利用Web浏览器的客户/服务器模式在Web上进行布置,实现远程、无线等监控功能。因而在面向Web集成技术的集成系统中也通常采用Web浏览器作为人-机主界面。

  面向Web的集成技术是利用Web Services技术进行系统集成的技术。Web Services技术是一系列Web应用技术,这些Web应用具有“自包含、自描述和模块化”的特点,可以在Web上发布、布置和调用。通过定义可以看出 Web Services为复数形式的原因。Web Services技术是当今IT业界的焦点,其主要目标是在现有各种异构平台的基础上构筑一个平台无关、语言无关,协议无关的通用技术层,通过这个技术层各种平台上的应用可以互相连接和集成,从而实现互操作功能。

  Web Services作为一种IT技术,以其开放性、标准性和简便性在IT业界得到了广泛应用,并正向自控领域及其系统集成应用高速渗透。利用WebServices技术进行楼宇自控系统集成正是这种发展趋势的具体表现,代表着楼宇自控系统集成技术的发展方向。

  Web Services技术包括许多高新技术,但其核心技术主要是XML(eXtensible Markup Language:可扩展标记语言)和SOAP(Simple Object Access Protocol:简单对象访问协议)。这两项技术同样也包含很多内容,但其作用可以简单地总结为,XML用于数据描述,SOAP用于数据访问。根据这两项技术的作用,可以粗略地推导出利用Web Services技术进行多协议系统集成的基本原理:首先,利用XML数据描述功能将某个具体协议所描述的楼宇自控设备信息模型进行转换或映射,形成一种具有“自包含和自描述”的信息模型。然后利用SOAP数据访问功能对XML模型进行访问,从而实现多协议系统的系统集成。图3是利用这种技术进行系统集成的基本结构图。

  

 

  目前楼宇自控领域的两大标准(BACnet和LonWorks)均定义了Web Services接口,北美大陆楼宇自动化协会(CABA:Continental Automated Buildings Association)也发起了制定WebServices接口的开放标准——oBIX(OpenBuildingInformation eXchange:开放楼宇信息交换)。以上述三个主要Web Services接口定义的文体来看,由于BACnet标准已是ISO标准,其Web Services接口将成为ISO标准的可能性较大。而CABA为了使oBIX标准得到更大范围的认可和应用于2004年将制定和维护oBIX规范的工作移交给OASIS(the Organization for the Advancement of Structured Information Standards,一个全球非盈利组织,致力于制定和发展电子商务的标准)。目前基于Web Services技术较为成熟的楼宇自控集成系统产品是由美国ALC公司开发的WebCTRL系统。从上面的分析可以看出,面向Web的集成技术也是一种信息模型转换技术,但这种集成技术是高层次上对信息模型进行转换,并且转换后的信息模型是用XML描述的。XML描述是一种自包含和自描述的“文本”文件,与平台和语言无关,并独立于底层具体协议,不仅自然直观,具有“人可读性(human—readable)”,而且更重要的是具有“计算机可读性 (machine—readable)”,即XML模型是“计算机-计算机(machine—to-machine)”的信息模型,是计算机可以“理解” 的模型。从而使这种信息模型摆脱了与平台和协议有关的专用格式的束缚,实现了与平台无关、语言无关、协议无关的目标。

  由于Web Services技术具有平台无关、语言无关、协议无关的特性,不仅可以用于楼宇自控系统的集成,还可以用于楼宇自控系统与智能建筑中其他智能子系统的集成,实现所有建筑智能系统的集成。也正是由于这种技术具有“众所周知和开放”的特点,这种技术也是建设“数字城市”的基础。

  值得指出的是,从理论上可以直接利用Web Services技术对楼宇自控设备进行模型描述和数据通信。但这种技术的编码格式比具体协议所定义的专用格式灵活,且编码效率低。这表明这种技术需要较多的计算资源,较大的传输带宽和较强的处理能力。这种需求进而说明,在目前状况下这种技术不太适用于现场级的应用或直接对楼宇自控设备进行模型描述。因此,在目前状况下,Web Services技术不会取代BACnet或LonWorks等具体标准,只是具体通信标准的补充和扩展。尽管如此,在国外已有这方面大量的研究和尝试。随着IT技术的发展,尤其是微电子技术的发展,当处理成本、传输成本和存储成本降低到一定程度的时候,也许这种技术会延伸至楼宇自控系统的最底层,从而成为真正的“统一标准”。

  4结论

  综上所述,IT技术的发展是楼宇自控系统集成技术的发展基础。只有了解IT技术的发展方向和应用动态,才能把握楼宇自控系统集成技术的发展方向,为掌握新技术作好准备。

  随着IT技术的发展,面向Web的集成技术不仅是未来楼宇自控系统集成的主流技术,而且也是目前“数字城市”建设的主流技术。也许如Web业界预言一样,Web Services将“玩转”“数字地球”。

  参考文献

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  2. C.Q.Dong and P.F.Hu.Research of a New Methodology For Integrating BAS With Multiple Standards.InternationalJournalonArchitectural Science,Vol.5,pp.52~57,2004

  3. Doug Tidwell.Web Services--The Web‘s Next Revolution,2002.http://www.ibm.com

  4. Alex Chervet.XML and Building Automation, ASHRAE Journal,New York:Dec 2004.Vol.46,Iss.12;p.24(6pages)

  5. Steve Tom.The ABCs of XML for BAS.HPAC.Cleveland:2004(10).Vol.76,Iss.10;p N47(3 pages)

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编辑:王璇
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