基于BACnet的楼宇自控系统的工程设计

湖南大学
硕士学位论文
基于BACnet的楼宇自控系统的工程设计
姓名：梅英
申请学位级别：硕士
专业：@
指导教师：戴瑜兴
20070803
高校教师硕士学位论文
摘要
计算机技术、信息通信技术、电子技术的进步，促进了智能建筑技术的迅速的发展。

多年来，作为智能建筑的重要组成部分——楼宇自动化系统一直是智能建筑技术的前沿热门研究领域。

本文正是针对楼宇自动化系统进行工程设计研究。

（1）本文论述了楼宇自动化系统的发展现状和趋势，重点研究了BACnet通信协议及BACnet自控系统网络结构。

（2）从系统集成设计的角度出发，给出了基于BACnet应用层的楼宇自动化系统方案，设计了系统监控总表，以用于指导系统控制分站的划分，论述了楼宇自动化系统的软件和硬件及其组态，建立了各控制子系统的集成监控系统，在分析监控系统功能的基础上，确定了系统的整体结构。

（3）结合某购物中心的楼宇自动化系统建设的实际工程，给出了楼宇自动化系统的设计方法。

本工程楼宇自动化系统采用艾顿科技有限公司（美国）BACtalk 系列产品。

系统结合集散控制系统（DCS）与现场总线控制系统（FCS）结构的优点，采用了总线制集散控制系统结构,现场总线协议采用BACnet标准，使用图形化编程语言进行软件设计，从而实现对购物中心的冷热源、空调、给排水、供配电等系统的设备的监控，总计562个监控点；阐述了基于BACnet的楼宇自动化系统的硬件体系结构及各子系统的监控内容和方案。

本文完成了基于BACnet的楼宇自控系统的工程设计方案，其工程设计方法，对于相关的楼宇自控领域的工程设计，具有一定的参考价值。

关键词：智能建筑；楼宇自动化系统；BACnet；系统设计；
Abstract
With the development of computer technology, communication technology, information technology and electronic technology, Intelligent Building (IB) has developed rapidly. As the main part of IB, Building Automation System (BAS) becomes the popular topic to be concerned. This paper is aimed at the research on engineering design of Building Automation System .
In this article, writer firstly and briefly introduces the latest trend, development of BAS，and also discusses the BACnet(A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network) and its instructure.
From the point of system design, a scheme of building automation system base on the application level is brought forward. a set of monitoring tables for system is designed, which can help forming control substations. This paper also discusses the hardware and software of the whole system and their configurations.The supervisory system of every subsystem is set up, and then on the base of function analysis of the supervisory system, the whole structures of the system are established.
This article is developed with the building automation project of a shopping mall. BACtalk series product from Alerton Technologies (USA) was adopted in this project. In order to combine the advantage of DCS and FCS ,the system use the structure of DCS based on BACnet . Designing the software by graphic programming language,we realized the supervision of cold/heat source, air-conditioners, water supply, power supply and other facilities, totally 562points. In addition, the writer separately and detailedly illustrates the hardware structure and the supervision and scheme of the sub-system.
This paper present a exmple of a Building Automation System design based on BACnet.The methods introduced in the paper can be consulted in the design of building automation system.
Key Words: Intelligent Building; Building Automation System;BACnet; System Design;
湖南大学
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高校教师硕士学位论文
第1章绪论
1.1课题背景
1.选题依据
智能建筑是传统建筑物与现代计算机技术、信息网络技术、检测传感技术和自动控制技术相结合的产物。

随着社会信息化与经济国际化潮流的到来，人们对建筑物的内在功能、生态环境、信息处理能力等人性化和智能化功能的要求越来越高，这从智能建筑近年来在我国的迅速发展中得到了证明[1]。

智能建筑的一个重要特征是楼宇自动化控制系统。

所谓楼宇自动化控制系统，是指把基于微处理器的各个设备组成一个网络，实现能量管理和监控、暖通空调控制、消防控制、安保控制以及其它相应的楼宇自动控制功能[2]。

这要求各个设备之间具有互操作性，使得分布的控制系统设备通过相关信息的数字交换，能够协调地工作，从而达到一个共同的目标。

但是，由于建筑智能化技术发展历史的原因，各厂商的技术和设备产品并没有依据统一的标准进行开发和应用，或自定义标准，或采用对自己有利的标准，这就造成了各系统互相封闭运行，技术和产品互不兼容、互不通用，无法实现全开放和互操作。

因此，必须开发和采用一种统一的标准[3]，使得基于不同软硬件平台上的不同厂商的不同设备能组成一个一致的自动控制系统，实现不同设备的互操作[4]。

而BACnet协议作为全球第一个楼宇自控行业通信标准，可以很好地实现这个要求。

BACnet协议是（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network）的简称，即楼宇自动控制网络数据通讯协议。

BACnet协议的最根本的目的是要提供楼宇自动控制系统实现互操作的方法[5]。

它详细地阐述了楼宇自控网的功能，阐明了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则。

BACnet标准提供了一种不受设备软硬件限制的数据传输方式。

它通过定义一组抽象的数据结构“对象”来实现网络通信中的信息传输。

另外，BACnet标准采用OSI协议基本模型中的应用层，网络层，数据链路层和物理层的协议。

在应用层中，定义了23种标准对象和39种服务功能；在网络层中提供了将BACnet网络信息传输给各类网络的方法；在数据链路层的物理层中提供了4种LAN网和一种PTP协议。

简言之，它确立了不必考
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虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯片组的情况下，相互开放通讯的基本规则，并且具备技术先进和易于实现的特点。

它代表着国际上智能建筑发展的方向和主流技术。

2.目的及意义
楼宇自动化系统是智能大厦正常运作的前提条件，自动测量、监视与控制是楼宇自动化系统的三大技术环节和手段，因此，研究楼宇自动化系统有利于智能大厦提高智能程度，提高运行效率，节省能源。

我国在智能建筑中逐步采用BACnet 协议[6]。

我国智能建筑的应用还处于初始阶段，还不成熟，研究BACnet有助于我国在智能建筑方面理论和实践的发展以及和国际水平接轨。

因此有很好的应用前景，同时在技术上也具有领先性。

因此，研究基于BACnet的楼宇自控系统将具有深远的意义。

本论文研究的目的是将计算机技术、通信技术、控制技术有机结合，构造安全、高效、舒适、便利的现代化建筑物，使这些成熟技术能共同应用到楼宇产业，服务于社会。

同时，在借鉴和吸收国内外有关智能大厦楼宇自动化系统的研究理论成果的基础上，通过了解智能大厦的发展状况，充分研究理解智能大厦楼宇自动化系统，最终在基于实践的基础上，使一些先进的理论和技术应用于系统，理论和实践相结合，能对我国智能大厦的发展和楼宇自动化系统的发展提出一点看法，提供一些有用的理论支持和实践经验，使我国智能建筑楼宇自动化行业能增强实力，提高市场竞争能力。

1.2楼宇自控系统的研究现状
1.2.1 国内研究现状
智能大厦在我国的起步比较晚，从整体上看分为初级和发展两个阶段，1990年-1995年为初始阶段，是从单一功能专用系统开始，并有多功能系统综合出现；1995年-2000年进入了系统集成阶段，主要是以楼宇自动化管理系统为中心的集成，并己见成效，发展较快；2000 年到目前为止是一体化集成管理系统，现正在进行中，发展较慢。

但我国的智能大厦行业如果要赶上国外的先进水平仍然有很长一段路要走。

主要原因表现在：
1.理论研究跟不上智能建筑的发展
尽管我国在很早就确定了智能化办公大楼可行性研究的攻关课题，但对智能建筑的理论研究和相关科技产品的开发一直未能得到足够的重视和发展，对其认
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识也停留在国外的研究成果上。

专业学术刊物很难见到符合中国国情的有深度的文章，专业理论著作更是凤毛麟角。

2.智能建筑工程的规划设计施工队伍的技术能力不强
由于缺少相应的规范，对大厦智能化的规划往往是发展商说了算，根据他们的要求提出的设计方案也往往缺乏全面性和长远性，同时因为专业工程师的极度匾乏，施工质量也难以保证。

3.缺少国产化系统集成产品
目前我国还没有开发出一套智能建筑系统集成产品。

占据国内智能建筑市场的产品仍然属于国外的几家公司，如美国的江森自控、IBM、朗讯科技和Honeywell 等。

4.技术障碍和缺陷
在整个智能建筑领域仍然存在着一些技术上的缺陷，比如网络频宽的限制；数据传输量迅速增加和多媒体的使用，要求有宽阔的通讯空间。

不过，近年来我国的智能大厦行业得到了长足的进步，国内某些厂商己经设计实现了一批智能楼宇自动化系统的相关产品，诸如西安协同、北京三维力控等，它们开发的产品虽然在一定程度上还不能同国外的知名产品相比，但却代表了国内楼宇监控系统的发展现状，具有现实意义。

同时，大量的科研人员被充实到了智能建筑这个领域当中。

1.2.2国外研究现状
国外智能大厦的建筑智能化系统发展经历了四个阶段，第一阶段是1985年到1990年的单一功能专用系统阶段，只能选择一种或几种最重要的设备在中央监控室内显示与操作，而大多数设备仍需在现场操作和记录。

第二阶段是1990年到1995年的多功能系统综合阶段。

所有的设备状态都可以显示于中央控制室内，但大部分的系统运算及处理功能，需要集中到中央控制室内由计算机主机进行处理。

第三阶段是1995年到2000年系统集成阶段。

原来由中央监控主机完成的功能，可以由一些低价格、高处理能力的现场控制器所取代，因此中央监控主机的功能也扩大到集中监视、集中管理、分散式控制。

第四阶段是目前正在进行的一体化集成管理系统阶段，其体系结构分为中央监控管理级、部门监控(分层)管理级和现场信息采集与控制级三层，通过网络同时在整个大厦内采用统一的计算机操作平台，运行和操作在同一个界面环境下，以实现集中监视、控制和管理的功能。

基于BACnet的楼宇自控系统的工程设计
经过多年来不断的探索和发展，国外在智能大厦领域己经取得了相当大的成绩，智能化程度较高。

国外对智能大厦楼宇自动化系统的设计和实现方面，己经处于很高的水平，建设的智能大厦智能化水平很高；另外，其楼宇自动化系统产品在系统实时性、可靠性、安全性等方面都达到了很高的水准；在监控界面的显示、报表/趋势图的生成、实时数据的管理、与现场控制器的实时数据传递以及远程监控、智能化控制等方面都取得了突破性的进展，并且发展日趋成熟，形成了包括美国霍尼韦尔、瑞士能得等公司在内的一系列智能楼宇监控系统产品，并已经应用于世界上很多国家的智能大厦中，且运行状况良好。

1.3 BACnet的应用现状
1. BACnet简介
BACnet协议在1987年由美国供暖制冷及空调工程师协会ASHRAE[7]，提出1995年发布BACnetl995版本，当年就得到ANSI美国国家标准局的批准成为一个开放性标准。

在市场的推动和智能楼宇业界领袖西门子楼宇科技等公司的不断努力下，ASHRAE在2001年又推出了BACnet2001版，同时也成为ANSI美国国家标准局的标准，2003年BACnet协议最终成IS016484-5标准，因此任何厂家都可以按照BACnet标准开发与BACnet兼容的控制器或接口，在这一标准协议下实现相互交换数据的目的。

BACnet是一个真正的、非专用的开放通讯协议标准,协议规范详细地阐述了楼宇自控网系统的功能[8]。

它阐明了系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能以及信息如何翻译的全部规则，各种系统相互开放通讯的基本规则。

BACnet标准采用了面向对象的技术，定义了一种具有属性的对象来表示任意的楼宇系统设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的方式。

它提供描述各种楼宇设备的模型，使得各种设备能互操作和协同工作。

BACnet是一种真正的、非专用的开放通讯协议标准。

BACnet通讯协议上进入了一个崭新的标准化时代，结束了以往各厂家自成体系混乱的局面。

BACnet标准的诞生满足了用户对楼宇自动控制设备互操作性的广泛要求即将不同厂家的设备组成一个一致的
自控系统，实现互联互通。

2. BACnet在国内外的应用现状
目前在国际上比较成熟实用的是第三阶段建筑智能化系统,大致可分为四大
技术流派：即专有协议、BACnet协议、LonWorks协议、TCP/IP协议。

针对这几种
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BAS系统协议产品的前景问题，美国著名的FROST&SUVILLION咨询公司在北美市场作了一个十年期间的市场发展预测，从调查研究得出的数据中可以看出，无论从工程案例的数量还是从市场销售总额来说，BACnet都是成长率最快的，其工程应用数量的年平均增长率为20.30%，在三个最著名的开放协议（BACnet, LonWorks, TCP/IP）当中，其发展势头以绝对优势居于首位，专有协议的垄断地位将逐渐被打破。

BACnet协议产品最有可能成为将来的主流系统。

自BACnet标准公布以来，我国就对该标准进行了跟踪和研究，同时也在工程项目中进行了引进和应用。

总体来说，我国对BACnet标准的研究有了阶段性的成果，这为BACnet标准在我国继续得到良好的推广和应用奠定了基础。

但是，BACnet 标准在我国建筑领域中的应用份额还是相对较小。

我国是全球建筑业的超级市场。

如何在这个市场中普遍推广和应用BACnet标准，使我国楼宇自控领域与国际接轨，就是我们面临的现实和应思考的问题[9]。

BACnet标准是楼宇自控领域唯一的ISO标准，已在北美和欧洲等先进发达国家得到了全面的推广和应用。

我国是WTO和ISO成员国，也是支持BACnet标准成为ISO 标准的国家，但我国楼自控的现状却与国际准则有些不太协调。

一是非ISO标准的应用远大于BACnet国际标准的应用；二是在工程应用上，即使采用BACnet标准，也基本上是全部引进国外的产品和技术。

分析这种现状，除考虑市场经济规律起作用外、还应从以下三个方面来看：
⑴我国对BACnet标准及其作用普遍认识不足；⑵在我国，一方面由于技术的原因，总线标准基本上来源于国外，另一方面，我国楼宇自控领域还不规范。

这就造成了多种总线标准并存于我国楼宇自控领域的局面；⑶我国至今还没有真正意义上的BACnet标准国产化产品。

我国目前有许多从事楼宇自控的厂商，也有许多自行开发的楼宇自控产品。

但这些产品不外乎可以分为两类。

第一类是采用专利技术进行的二次开发产品。

第二类是没有采用任何标准的“封闭型”产品。

我国早已是WTO成员国，我国楼宇自控企业要参与国际竞争，就必须按国际标准开发产品，提高核心竞争力。

3.BACnet前景
BACnet标准是楼宇自控领域唯一的ISO标准，是当前智能建筑发展的方向和主流技术,它给楼宇自控网络与系统的发展指明了方向[10]，同时也给制造商提供
了公平竞争的商机和条件。

开放、兼容、灵活、获得广泛支持并且专门针对智能建筑的通信协议或现场
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总线已经成为智能建筑领域的一个发展方向。

而BACnet协议正是这样一种具有开拓性的技术，并能使不同厂商的设备能够互联、互换和互操作，打造无缝连接的楼宇自动化系统。

它充分满足了业主、用户和集成商的需求并提供了多种网络互联和接入Internet的方案，为智能建筑内部各系统之间的集成提供了便利条件，使智能建筑搭乘信息高速公路变得轻而易举。

随着BACnet标准应用广度不断的扩展，该标准必将在全球范围内得到推广和应用。

这是大势所趋，同时必将在全球范围内形成一个规模巨大的产业和市场[11]。

1.4本文的主要研究内容
本文对楼宇自控系统设计方面进行了深入的理论研究，从工程实践的角度出发，结合某度假村的智能化建设工程项目，完成了一个基于BACnet现场总线技术的了楼宇自控系统的工程设计，并详细介绍了相关的研发内容、设计原则及设计方案。

本文结构和主要内容安排如下：
第1章绪论，本章深入研究了楼宇自控制系统的发展现状与BACnet技术的应
用现状，阐述了BACnet技术应用到楼宇控制网络的必然趋势。

第2章 BACnet协议标准，本章研究BACnet协议的体系结构、主要内容、工作
原理，BACnet控制网络结构，BACnet与及互联网的连接技术,最后简述了其应用优势与存在不足。

第3章基于BACnet现场总线技术的楼宇控制系统的设计，本章阐述从楼宇自
控系统设计的角度出发，提出了基于应用层的楼宇自动化系统方案，讨论了监控点的划分和楼宇自动化系统的软件和硬件组态的方法；在通信标准上，控制层采用BACnet现场总线技术以提高设备间的互操作性。

第4章结合某购物中心的楼宇自控系统建设，给出了基于BACnet的楼宇自动
化系统方案，设计了系统监控总表；讨论了楼宇自动化系统各子系统的监控方法，建立了各控制子系统的集成监控系统；在分析监控系统功能的基础上，确定了系统的硬件结构；介绍了提高系统可靠性的一些措施。

最后对本文的研究工作进行总结和展望。

第2章 BACnet现场总线协议标准
2.1 现场总线技术
2.1.1 现场总线的定义
所谓现场总线是指连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络。

现场总线的概念是二十世纪八十年代提出来的，发展至今，形成了多种多样的现场总线[12]。

现场总线不仅仅是用智能仪表代替传统模拟仪表，也不仅仅是一个通信协议，而且是一个完整的控制系统框架，即通常所说的现场总线系统FCS( Fieldbus Control System)，代替传统的集散控制系统DCS (Distributed Control System)，实现了现场通信网络与控制系统的集成。

现场总线是由集散控制系统(DCS)发展而来的，与DCS相比，现场总线具有如下技术特点和优势:
1.全数字通信，可靠性高
传统控制系统DCS采用4-20mA的模拟信号传输方式。

这种传输方式是一对一的，即一对传输电缆只能传送一路信号，因此中央控制主机就不能得到除测量或控制信号以外的其他控制信息。

而现场总线系统采用完全的数字信号传输，因此它的抗干扰能力和鲁棒性都比较高，传输精度也得到显著提高，也使得多参数传输得以实现。

现场设备的测量、控制信息以及其他非控制信息如设备类型、型号、厂商信息、量程、设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备，如中央控制器等，从而消除了模拟信号传输的瓶颈。

2.系统组态灵活，安装维修方便
由于系统的测量和控制功能在现场设备层完成，因此系统的组成和扩展更加灵活，安装维修更加方便，用户只需把要扩展或维修的设备挂上通信网或从网上摘下即可，无需另外架设新的电缆重新布线:又由于引入了功能模块的概念，功能模块可以任意增删，功能模块之间的连接也可以任意改变，
3.现场设备状态可控
通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。

操作人员在控制室里就可以对这些信息进行管理和利用，从而提高了系统的可靠性和可维护性。

4.开放性好、互操作性强
在同一系统中不可避免地将要相互连接多家制造厂商的产品，为实现过程控制的各种要求，不同品牌的产品之间不仅需要通信，还需要互操作，因此，现场总线自动化设备的可互操作性主要是通过功能模块及其参数的标准化实现的。

在现场总线控制系统中，不同厂家对现场自动化设备协作完成故障自防护、无扰切换、抗积分饱和等多种功能，即使是涉及多个仪表及设备的复杂串级控制，上述功能亦可顺利实现。

5.性价比高
由于系统减少了集中控制器，简化了接线，设计与施工的难度和成本都得以降低，再加上系统安装维修方便，易于扩展和维护，使整个系统的性价比显著提高，实现了高智能、低成本.
2.1.2 几种常用的现场总线
市场上较流行的主要有CAN(控制局域网络)、Lonworks(局部操作网络)、Profibus(过程现场总线)、HART(可寻址远程传感器数据通路)、FF (现场总线基金会)、BACnet现场总线等，其中以CAN总线和Lonworks总线最具代表性[13]。

CAN是由德国Bosch公司于20世纪80年代初推出的一个具有高可靠性、支持分布式实时控制的控制局域网。

主要应用于汽车、公交系统、数控机床、机器人等领域；LonWorks 是美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的针对控制对象研制的新型网络技术，LonWorks的通信协议固化在神经元芯片中。

由于LonWorks整个系统造价低、可靠性高，且有较好的可编程性，90年代中后期，在楼宇自控、能源管理、工厂自动化、办公系统等领域得到了广泛的应用。

CAN总线和Lonworks总线都主要是以工业控制为应用背景，很少专门考虑到楼宇自控的个性特点，在工程实践中，无法满足整个智能建筑的需要。

于是研究人员不断努力地探索更适合楼宇自控的网络解决方案，BACnet标准的出现，正是顺应了这种日益增长的需求。

2.2 BACnet协议
2.2.1 BACnet协议简介
BACnet协议在1987年由美国供暖制冷及空调工程师协会ASHRAE提出；1995年发布BACnetl995版本，当年就得到ANSI美国国家标准局的批准成为一个开放性标。