浅论BAS楼宇自控系统的结构
创建时间：2010-08-20 16:27
摘要： 本文分析了楼宇自控的基本模式、组成、控制结构和分类，并介绍了直接数字控制器（DDC）的发展过程和现状，对DDC在楼宇自控系统中的配置方式进行介绍和评价，
楼宇自控系统(BAS)作为智能大楼必要的组成部分, 越来越受到广泛的重视, 对于楼宇自控系统的功能和组成，业内人士大都十分清楚，但是深究起楼宇自控的发展过程和为什么要采用这样的模式可能并不是所有的人都经过认真的分析。楼宇自控系统和其它控制系统一样，遵循自控系统的原则：即“分散控制，集中管理，独立工作”，本文并非对楼宇自控系统全面的论述，而是按照自控系统的原则，针对几个重点问题进行深一步的探讨。
1. 楼宇自控系统的层次
目前大多数的楼宇自控系统是采用三层的结构形式。第一层是中央监控管理层，由计算机和中央监控管理系统软件和相应的通讯设备组成。需要指出的是，楼宇自控上位软件大多分成两部分。一部分是设定和编程软件，多为各厂商自行编制；另一部分为监控软件，通常称为SCADA。
有些楼宇自控厂商采用的是自行开发的SCADA，有些采用通用的SCADA。通常来讲专用的SCADA针对性强、操作简单、但功能比较单一，处理能力和二次开发能力较弱，兼容性也不强，升级比较困难。作为独立的软件产品，通用的SCADA在工业和建筑业都有大量的应用。成熟、稳定、功能强大、升级快，可以随时替换，同时价格也比较高。楼宇自控系统的第二层是现场直接数字控制器（DDC）。第三层是现场传感器、变送器和执行器。
有些楼宇自控系统采用两层结构， 既将第一层和第二层合并。这种形式多见于现场总线采用环型令牌网的结构，中央监控管理计算机和DDC被当作同等的节点处理，只是信息传送的一个中转站。采用这种模式数据传输可靠性相对较高，主要是因为可以双向传送，对通信线断路可以进行路由重组，因此有冗余功能。但最大的问题是通讯效率低、速度慢，对于大型的系统尤其突出。还有一种两层结构是没有DDC层的模式，下面将会介绍。
在楼宇自控的发展过程中还出现过四层结构的系统，在第一层中央监控管理层和DDC层中间增加一个网关层。这是由于现场总线的通讯协议不够完善，DDC之间无法点对点通信（Peer To Peer），必須通过网关进行中转。从理论上来讲在这种方式中网关成为最危险的部分，任何通讯必通过它来完成，所以一旦出现问题可能会使系统瘫痪造成重大损失。所以网关多数采用工控机或嵌入式系统来制造，以提高可靠性，所以目前这种结构变得越来越少。
2. 楼宇自控系统的控制模式
控制模式是楼宇自控系统变化最多的, 随着科技的发展楼宇自控系统的控制模式也在不断的改进，逐渐从集中控制系统向分散控制系统转化，但其过程又是经历了不同的阶段，在下面逐一进行分析：
无论工业自控还是楼宇自控最初都是采用集中控制的方式，主要是因为当时计算机和通信技术的限制， 控制器很难小型化，相互之间的通信协作也存在技术困难，所以只能采用大型的控制器，所有的传感器、变送器和其它的输入信号，全部接到中央控制器上，输出控制信号也从控制器上发出。可以看出这种模式很不灵活，布线工作量很大，线路长，信号损失和干扰都比较大，属于初级的控制系统。
随着计算机技术的发展，单板机或单片机的运算能力有了显著的提高，DDC直接数字控制器可以做的比较小。由于处理能力的提高，DDC和上位机的通信能力也有很大的改善，出现了一种由比较大型的DDC组成的控制系统，我们称之为半分散式的控制系统。这种系统有了一定的分散性，施工、管理和控制更加方便，但控制器的规模还是与受控设备的需求不相匹配，多数情况下一台控制器仍控制多台设备，布线量还是较大，配置较为困难，难以做到很直接的控制，仍不是一种理想的控制模式。
目前使用比较广泛的是分散式的楼宇控制系统，控制器根据控制需要和受控设备的点数和功能要求不同而采用不同大小的控制器，使设备配置更加合理。其中最理想的配置方式是：一台设备用一台ＤＤＣ控制器进行控制，或一组具有相关的功能的设备由一台ＤＤＣ进行管理和控制（如：冷水机、冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔等具有相互关联功能的设备组）。这样的模式主要的控制功能可以在ＤＤＣ上独立完成，响应速度快，可靠性高，不依靠或很少依靠网络完成控制功能。由于采用一对一的控制，控制器可以置于受控设备的旁边，布线量更小，调试维护都比较容易。但到目前为止，大多数楼宇自控厂商的ＤＤＣ种类都不多，很难做到一对一控制。但追求这种效果是很多设计院和工程公司的目标，有时甚至为此会浪费一些DDC的监控点。因为这样做无论是对工程实施过程还是业主日后的管理都有很大益处，从长远来看这是一种较好的控制模式。
值得注意的是目前在国内出现一种现象，就是在控制系统中大量采用扩展模块。对于一台受控设备来讲，如果DDC的容量不够，适当的增加扩展板来控制一台独立的设备是合理的，可以达到独立工作的效果。但采用很多的扩展板并用以控制多台设备，或用扩展板单独控制设备，在控制领域被认为是不适当的。因为，通常扩展板是没有独立运算和处理能力的，要依靠与之联接的DDC才能正常工作，如果一台DDC带的扩展板过多必然会影响整个DDC的处理速度，更重要的是设备的控制无法做到独立工作，DDC的故障会影响到所有与之联接的扩展板的正常运行。在维修和更换部件时将造成大面积的受控设备无法正常工作，从而大大降低了系统的可靠性，给整个系统带来很大的隐患，并给建成后的运行维护造成困难。这种做法虽然在建设初期能够降低一些成本，但带来的损害是得不偿失的。
科技的发展日新月异，人们试图采用更加分散的控制模式，从根本上取消ＤＤＣ控制器、传感器和控制器的逻辑关系，直接从网络上进行绑定，从而实现了另一种两层的控制系统，我们称之为完全分散控制系统。ＬＯＮＷＯＲＫＳ系统是最早应用的分散系统，虽然ＬＯＮＷＯＲＫＳ产品应用非常多，逐渐成为主流的楼宇自控现场总线技术，但真正的全分散的系统应用确非常少。究其原因主要是因为：一方面全分散系统所用的传感器、变送器和执行器必须是一个独立的结点，有相应的收发器和Neuron芯片，传统的制造厂商无法及时提供充足的现场设备，同是系统的造价也很高；另一方面也不可忽视的是，传统的控制系统都建立在控制器的可靠性上，网络的可靠性受到其它因素影响比较大。分散系统调试时要至少一个网段通讯正常才能进行最基本的功能调试，有时会受到现场工作环境的影响。由于这些因素的存在，许多制造商将Neuron芯片直接做成DDC控制器，而传感器、变送器和执行器仍采用传统的设备。采用LONWORKS现场总线实现分散控制模式，这一变通的做法取得了很大的成功。由于LONTALK协议的先进性和开放性，目前大多数LONWORKS自控系统都是采用这种方式，并得到了广泛的认可和推崇 ，但并不是说就是最完善的模式。由于LONWORKS技术的出发点是为每个IO点作为一个节点设计的，这样每个传感器、变送器和执行器将都会变为一个节点，这样所设计的Neuron芯片3150的处理能力无需很强，内存也比较小,同时规定的网络变量也有限制。
这样用Neuron芯片开发的DDC都比较小,很难做成较大型、点数多、功能强的控制器,无法和受控设备的规模相一致, 经常会见到同时使用4到6台这样的DDC用来控制一台AHU(空气处理机组)。无法否认采用这样的方式,单台受控设备的正常工作必须依赖于网络畅通，需要网络调试正常后才能进行程序设定。这样使得调试工作变得相对复杂，而且网络一旦出现故障将会造成受控设备无法工作，产生较大影响。针对LONWORKS产品的这一特点，为了实现控制器对受控设备的一对一控制，有些厂商根据楼宇自控系统受控设备的特点，设计出针对设备的专用控制器。如根据楼宇自控的受控设备（如：空气处理机组，新风机组，送排风机等）的控制模型，设计对应的专用控制器，利用Neuron芯片有限的资源制造出较大的控制器,尽量少的依赖网络进行工作。虽然DDC的灵活性会因此有所下降, 但由于楼宇自控系统的控制模型相对比较固定，专用控制器可以满足绝大多数工程中的应用，如万一遇到特殊的需求，可以配合通用的LONWORKS DDC。由于LONWORKS产品的互操作性，不同的系统可以溶为一体，这样的系统不仅可靠性高，同是大大减轻了调试的工作量。新加坡QA（Quantum Automation）就是采用这种模式，成为亚太地区LONWORKS楼宇自控系统最大的供应商，其LONWORKS DDC的品种也最为齐全，完成了大批重大的楼宇自控工程。
还有一种方案，针对Neuron芯片CPU是8位单片机，处理能力有限的情况, 采用通用的单片机作为 DDC的内部运算，可以采用8位、16位或32位的CPU, 通讯和协议处理采用Neuron芯片，这样的双处理器的结构，即可以利用LONWORKS 产品中LONTALK协议先进性和开放性的特点，又保证了DDC的处理和运算能力。虽然造价会有所增加，但也不失为一种理想的解决方案，只是目前由于技术等原因产品还很少，相信不久的将来会在工程中涌现出来。
