任务 1.3
建筑设备监控系统的体系结构

【任务描述】

结合案例，说出本工程建筑设备监控系统的体系结构，是属于单层网络体系结构、两层网络体系结构还是三层网络体系结构？并阐述原因，为何采用此种结构。

【知识点】

1.3.1 建筑设备监控系统的常见体系结构

建筑设备监控系统采用集散控制系统的网络体系结构，以下 3 种典型网络结构在目前的建筑设备监控系统中应用最广。工程建设中具体采用哪种网络体系结构应视系统规模的大小以及所采用的产品而定。

①单层网络体系结构。

②两层网络体系结构。

③三层网络体系结构。

1.3.2 单层网络体系结构

单层网络体系结构为工作站+现场控制设备，如图 1.13 所示，现场设备通过现场控制网络互相连接，工作站通过通信适配器直接接入现场控制网络。它适用于监控节点少、分布比较集中的小型建筑设备监控系统。

单层网络体系结构具有如下特点：

①整个系统的网络配置、集中操作、管理及决策全部由工作站承担。

②工作站通过相应接口直接与现场控制设备相连，控制功能分散在各类现场控制器及智能传感器、智能执行器中。

③如果现场设备的数量超出了一条现场控制总线的最大设备接入数，可在工作站上再增加一个通信适配器以增加一条总线。

④同一条现场控制总线上所挂接的现场设备之间可通过点对点或主从方式直接进行通信，而不同总线的设备直接通信必须通过工作站中转。

⑤构建简单，配置方便。

⑥只支持一个工作站。

目前，绝大多数的建筑设备监控产品都支持这种网络体系结构。由于其单工作站的特点，工作站承担了不同总线设备直接通信的中转任务，控制功能分散不够彻底。随着建筑设备监控系统规模的增大，这种网络结构在工程中的应用越来越少。

EIB / KNX家居智能控制系统就属于单层网络体系结构，其系统构成如图 1.14 所示。

1.3.3 两层网络体系结构

两层网络体系结构为操作员站（工作站、服务器）+通信控制器+现场控制设备，如图1.15所示，现场设备通过现场控制网络互相连接，操作员站（工作站、服务器）采用局域网中比较成熟的以太网等技术构建，现场控制网络和以太网等上层网络之间通过通信控制器实现协议转换、路由选择等。这种网络采用典型的集散控制系统的两层网络构架，适用于大多数楼宇控制系统。

两层网络体系结构具有如下特点：

①底层现场控制设备之间通信要求实时性高，抗干扰能力强，对通信效率要求不高，但能满足底层现场控制器之间的通信需求，一般采用控制总线（如现场总线、N2 总线等）完成。

②操作员站、工作站、服务器之间由于需要进行大量数据、图形的交互，通信带宽要求高，而对实时性、抗干扰能力要求不如现场网络那么严格，因此，上层网络多采用局域网络中比较成熟的以太网等技术构建。

③两层网络之间进行通信需要经过通信控制器实现协议转换、路由选择等功能。通信控制器可以由专用的网桥、网关设备或工控机实现，是连接两层网络的纽带。

④不同楼宇自控厂商产品的通信控制器功能有很大的差别。功能简单的仅起到协议转换的作用，不同现场控制总线之间设备的通信仍要通过工作站进行中转；功能复杂的可以实现路由选择、数据存储、程序处理等功能，甚至可以直接控制输入输出模块，起到DDC的作用，这实际上已不再是简单的通信控制器，而是一个区域控制器，如美国江森公司的网络控制器（Network Control Unit，NCU）就是这种设备。在采用后一种产品的网络中，不同控制总线之间设备的通信无须通过工作站，且由于整个系统除人机界面外的其他功能实际上都是通过区域控制器及以下的现场设备实现的，因此，工作站的关闭完全不影响系统的正常工作，实现了控制功能的彻底分散，成为一种全分布式控制系统。

⑤绝大多数建筑设备监控产品厂商在底层控制总线上都有一些支持某种开放式现场总线技术（如由美国Echelon公司推出的LonWorks现场总线技术）的产品。这样两层网络都可以构成开放式的网络结构，不同厂商的产品之间能够方便地实现互联。

各厂商使用两层控制网络的产品系统架构图，分别如图 1.16 至图 1.19所示。

1.3.4 三层网络体系结构

现场控制器（这里主要是指DDC）输入输出的点数是产品设计及工程选型时考虑的主要问题。目前市场上不同产品的DDC点数从十几点到几百点不等。在工程中，有些场合监控点比较集中，如冷冻机房的监控，需要采用大点数的DDC；有些场合监控点相对分散，如VAV末端的监控，适合采用小点数的DDC。而厂商在设计DDC时，从经济性的角度考虑，所选用的处理器、存储器也会根据此DDC点数的多少有所不同，通常点数较少的DDC功能也相对较弱，点数较多的DDC功能和处理能力也较强。

在一些诸如VAV末端的控制中，虽然末端设备的基本控制要求较低，但需要整个系统联动控制，如送风管静压控制。一个末端状态的变化会引起其他监控状态的变化，这些联动控制相当复杂。在这类末端分布范围较广而联动控制复杂的系统监控中，无论单独采用小点数DDC还是大点数DDC都存在许多难题：

①如单独采用小点数DDC，要求每个DDC都具有较强的运算、处理能力，工程成本较高；同时，为实现复杂的联动功能，DDC之间的通信速率要求也较高。

②如单独采用大点数DDC，由于末端设备分布范围较广，导致末端传感器、执行机构到DDC的布线距离较长，布线复杂，干扰大（目前绝大多数工程中传感器、执行机构到DDC之间的通信还是采用的模拟信号）；如DDC的点数过大，实际上又成为一种小型集中控制系统，这台DDC的故障可能引起较大范围的系统瘫痪。

对于这类系统比较理想的监控解决方案是在各末端现场安装一些小点数、功能简单的现场控制设备，完成末端设备的基本监控功能；这些小点数现场控制设备通过现场控制总线相连，接入一个功能较强的控制设备，大量的联动运算在此控制设备内部完成，由这个设备完成整个系统的联动控制；这些功能较强的控制设备也可以带一些输入、输出模块直接监控现场设备；功能较强的控制设备之间通信，由数据通过上一层网络实现。

这种解决方案在典型两层网络架构中就可实现，但由于两层网络架构中功能较强的控制设备的上层网络为以太网，普通的以太网难以适应现场的恶劣环境，因此，这些功能较强的控制设备往往远离控制现场，同时也不能直接通过输入、输出模块进行监控。

一些公司（如美国Honeywell公司、德国Siemens公司等）为将功能较强的控制设备分散到控制现场，同时可通过输入、输出模块直接进行监控，推出了三层网络体系结构的建筑设备监控系统。

三层网络体系结构为操作员站（工作站、服务器）+通信控制器+现场大型通用控制设备+现场控制设备，如图 1.20 所示。现场设备通过现场控制网络互相连接；操作员站（工作站、服务器）采用局域网中比较成熟的以太网等技术构建；现场大型通用控制设备采用中间层控制网络实现互联。中间层控制网络和以太网等上层网络之间通过通信控制器实现协议转换、路由选择等。三层网络体系结构适用监控点相对分散、联动功能复杂的BAS系统。

这种网络结构在以太网等上层网络与现场控制总线之间增加了一层中间层控制网络，这层网络在通信速率、抗干扰能力等方面的性能介于以太网等上层网络与现场控制总线之间。通过这层网络实现大型通用功能现场控制设备之间的互联。

三层网络体系结构具有如下特点：

①在各末端现场安装一些小点数、功能简单的现场控制设备，完成末端设备基本监控功能，这些小点数现场控制设备通过现场控制总线相连。

②小点数现场控制设备通过现场控制总线接入一个现场大型通用控制器，大量联动运算在此控制设备内完成。这些现场大型通用控制器也可带一些输入、输出模块直接监控现场设备。

③现场大型通用控制器之间通过中间控制网络实现互联，这层网络在通信效率、抗干扰能力等方面的性能介于以太网和现场控制总线之间。

西门子APOGEE系列建筑设备监控系统采用的就是三层网络体系结构，如图 1.21 所示。

1.3.5 建筑设备监控系统网络体系结构的发展趋势

目前，建筑设备监控系统网络体系结构不断朝着开放化、标准化、远程化、集成化的方向发展。许多厂商的产品都开始支持通过Internet远程接入进行监控的方式。系统操作员、管理员可通过置于DDC级、通信控制器级或工作站、服务器级的Modem等接入设备，远程登录建筑设备监控系统的不同网络层面，进行监控与维护。现在，日本东京地区已实现数十栋建筑物建筑设备监控系统的区域性统一管理，以提高系统的维护管理水平，在这种管理模式下，系统的远程登录监控、维护是必不可少的技术手段。

传统集散控制系统中，各厂商产品的网络系统都有自己的通信协议，不同厂商产品之间很难实现互联。为了打破这种“信息孤岛”的局面，现场总线技术应运而生。现场总线被称为自动控制领域的计算机局域网，应用于生产现场（现场控制总线级），在微机测控设备之间实现双向、串行、多节点数字通信，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。正是由于现场总线技术的应用，才使得集散控制系统成为一种公开化、标准化的解决方案，真正成为一种全分布式的控制系统。

在以往的集散控制系统中，以太网技术之所以无法直接运用于控制现场，是由于普通的以太网无法满足现场通信的实时性、抗干扰能力要求。随着以太网技术的发展，“工业以太网”诞生，工业以太网的性能指标达到甚至超过一些现场总线技术。DDC直接接入工业以太网可以简化集散控制系统的网络结构，提高网络监控性能，是未来集散控制系统的发展方向。

建筑设备监控系统网络结构的标准化进程并不满足于单层网络系统的公开化、标准化，而追求整体通信解决方案的标准化。BACnet是由多个建筑设备监控系统产品供应商共同达成的在楼宇自控及控制领域内的一种数据通信协议标准。它由ASHRAE（the Association of Heating，Refrigeration and Air Condition Engineer，一个由制冷空调设备与系统供应商组成的国际组织）进行研发制定，提供了在不同厂商产品之间实现数据通信的标准。它从整体上对系统通信网络的标准结构及各层协议进行了定义，为建筑设备监控系统网络完全标准化提供了可能。

在信息集成需求日益强烈的今天，建筑设备监控系统并不满足于自身信息的集中与集成，更要求与智能楼宇中的其他子系统进行联动和信息集成。BMS（Building Management System）是整个楼宇中所有监控系统的集成平台。为将信息集入BMS，建筑设备监控系统与BMS之间需要有相应的数据通信接口。OPC（OLE for Process Control）技术是由多家自控公司和微软公司共同制订的，其中采用微软公司的ActiveX、COM/ DCOM等先进和标准的软件技术，现已成为一种工业标准OPC支持多种开放式的通信协议，以满足客户对信息集成的需求，为用户提供了一种开放、灵活、标准的信息集成技术，可以大大减少系统集成所需的开发和维护费用，增加集成的标准化程度。

以往的集散控制系统中，服务器与工作站之间采用C / S（客户机/服务器）结构构建，这种结构一方面限制了客户机的数量，同时由于各客户机在数据查询时都单独访问服务器，服务器的运算处理量较大。B / S（浏览器/服务器）结构是一种新型的服务器、工作站构架，通过信息发布，服务器将建筑设备监控系统中的数据、资源以网页的方式发布在局域网甚至Internet上，客户端的访问仅取决于登录权限。这种方式使建筑设备监控系统信息发布的范围更广，是互联网时代的建筑设备监控系统的发展方向。虽然这已成世界主流趋势，但是这种构架的实用性与安全性是需要保证的首要问题。

【任务实施】

区别单层控制网络、两层控制网络或是三层控制网络，需要提取案例中的通信总线，并找出其通信总线的类型、根数、级别，就可对应各层通信网络的组成与特点，确定属于何种控制网络。表 1.4 供参考分析。

【任务知识导图】

任务 1.3 知识导图，如图 1.22 所示。