BACnet标准助力进入工控与楼宇自控领域

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：近年来在信息域取得了巨大成功的以太网的应用早已拓展进了工控领域，并且又进一步渗透到楼宇自控领域。IEC 61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败和现场总线标准之争，使得在IT行业已经获得成功的以太网技术开始进入工控领域。

楼宇自控领域是工控领域在建筑平台中的延伸，工控领域中的许多规律性内容完全可以应用于楼宇自控领域，但BAS在应用环境、具体的应用中还是有着非常强的自身和行业特点。

1.以太网的主要优点

以太网在各个领域和行业有着非常广泛和深入的应用，这主要源于以太网的高度灵活性和较易实现的特点。

以太网的主要优势如下：

（1）组网结构简单和实现成本低廉

与PDH网络、SDH网络、SONET网络、ATM网络和FR网络相比，以太网的组网结构简单得多，实现成本低廉得多。

这里的PDH网络是“准同步数字系列”（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）网络；SDH网络是“同步数字系列”（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的网络；SONET是同步光纤网络（Synchronous Optical Network，SONET）；ATM网络是“异步传输模式”（Asynchronous Transfer Mode，ATM）网络，它将传输数据切分为固定长度（53B）的信元传送，可根据业务类型对带宽的需要动态分配信元，执行异步信元交换，从而容纳不同的业务类型；FR是帧中继（Frame Re-lay FR）网络即采用分组技术的数据传输网络。

（2）技术升级中兼容性优良

从10Mbit／s的IEEE 802.3i以太网标准到后来的万兆位IEEE 802.3ae规范标准，在技术的升级中，以太网的技术升级体现了很优良的兼容性能。10Mbit／s、100Mbit／s和1Gbit／s甚至10Gbit／s各种速率可以采用“自动协商”，升级的成本非常低廉，实现方式简捷，这是其他网络技术不能比拟的。

（3）组织网络灵活

以太网可通过支持软件，利用“自动协商”功能实现半双工、全双工工作模式的转换；以太网可以方便地组成满足对带宽要求不同的用户需求，组成多种速率等级的局域网。如：10Mbit／s、100Mbit／s、1Gbit／s或10Gbit／s的网络。以太网使用的传输介质覆盖双绞线、同轴电缆、多模光缆与单模光缆。

使用以太网技术可以方便地组建各种规模的虚拟网、专用网。

以太网组网使用的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构非常灵活，可以方便地变更，网络扩展和网络调整也很方便。

（4）与接入网和干线网络之间的网络亲和性好

对于用户来讲，可以使用的宽带接入方式较多，如数字用户线（xDSL）网络技术、光纤／同轴电缆混合（HFC）网络技术、以太网宽带接入、电力线通信（PLC）宽带接入、无线宽带接入、ATM技术、PDH技术、光纤接入网技术等。要使楼宇内局域网通过宽带接入网接入Inter-net，以太网更具有优势。主干网如果也采用以太网，那么局域网与接入网、干线网络之间的互联互通接入变得更简单了。

（5）以太网技术的较大范围应用可使各种异构网络更易于互联互通

目前架构城域网和广域网的网络技术种类较多，且较为复杂，组成的网络彼此异构，实现局域网、城域网和广域网之间的无缝互联互通有很大的障碍，数据在异构网络之间的接力传输情况较为复杂，异构网络不仅包括有线的不同制式网络，而且还包括多种无线网络的加入。采用以太网技术的局域网、广域网更易于实现彼此之间和各种异构网络的无缝互联互通。

2.以太网作为楼宇自控网络的优势

商业领域和办公自动化中使用的以太网技术特点主要适合信息管理、信息处理，作为办公网、商务网已经非常成熟了。近年来在信息域取得了巨大成功的以太网的应用早已拓展进了工控领域，并且又进一步渗透到楼宇自控领域。

以太网进入工控领域有这样的背景：自动化控制技术从单机控制向工厂自动化、系统自动化控制方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术要求，要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向透明通信。

经过多年努力，自动化行业一直期待和努力统一现场总线的技术标准，但都没有成功，自动化行业实际上处于一个多种总线技术标准并存的现实应用环境中。在工控领域，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求。IEC 61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败和现场总线标准之争，使得在IT行业已经获得成功的以太网技术开始进入工控领域。

目前，以太网已成功应用于工控领域的诸多方面，将以太网技术引入工业过程控制底层，即设备层或现场层，成为甚至取代现有现场总线技术成为统一的工业网络标准，就成为了一种发展趋势。

作为楼宇自控网络，以太网具有很多优点：

1）以太网是全开放、全数字化的网络，如果将以太网应用在控制域，接入控制网络不同厂商的设备可以很容易实现互联互通。

2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，如图8-8所示。

图8-8给出了传统工业控制网络和工业以太网控制网络在组成系统方面的区别。对于传统工业控制网络来讲，企业级网络使用以太网，但工厂级网络、过程级网络一般可由多种控制总线承担，现场级控制网络一般多为现场总线；不同的控制总线之间需要用网关来实现连接，如果一个传统的工业控制网络中包含多个不同的控制总线，就需要使用多种不同的网关来组织系统，这样一来控制系统的通信网络架构就非常复杂，对于控制系统整体来讲过于复杂。

对于使用工业以太网作为控制网络情况就简化得多。在图8-8中，从企业级、工厂级、过程级和现场控制网络使用工业以太网，不再需要复杂的网关，控制系统的通信网络架构大为简约化，可以大幅度地提高控制系统工作的可靠性、降低系统的建设成本，尤其这类结构的控制系统可以极为便利地接入Internet，远程监控性能大幅提高。

3）软硬件成本低廉。由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有大量的应用软件和硬件设备可供用户选择。

4）通信速率高。随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前标准以太网的通信速率为10Mbit／s，100Mbit／s的快速以太网已广泛应用，千兆位以太网技术也逐渐成熟，10Gbit／s的以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。

5）可持续发展潜力大。在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上取决于一个快速而有效的通信管理网络。随着信息技术与通信技术的发展更加迅速，也更加成熟，保证了以太网技术不断地持续向前发展。

图8-8 传统工业控制网络和工业以太网控制网络

3.以太网在工控和楼宇自控领域中应用遇到的一些问题

以太网进入工业控制领域和楼宇自控领域，也存在一些问题。

（1）影响应用的一些因素

以太网进入工业控制领域和楼宇自控领域，也存在一些问题。

1）实时性问题：以太网采用CSMA／CD的媒体访问控制方式，其本质上是非实时的。一条总线上有多个节点平等竞争总线，等待总线空闲。这种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求。这成为以太网技术进入工业控制领域的技术瓶颈。

2）对工业环境的适应性与可靠性问题：以太网是按办公环境设计的，需要使它的抗干扰能力、外观设计等符合工业现场的要求。

3）适用于工业自动化控制的应用层协议问题：目前，信息网络中应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，因此还需定义统一的应用层规范。

4）本质安全和网络安全问题：工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本质安全问题。另外，工业以太网由于使用了TCP／IP，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。

5）服务质量（QoS）问题：随着技术的进步，工厂控制现场底层的信号已不局限在单纯的数字量和模拟量上，还可能包括视频和音频，网络应能根据不同用户需求及不同的内容适度地保证实时性的要求。

以太网在工厂自动化管理层和车间监控层已得到广泛应用和用户认可，在设备层对实时性没有严格要求的场合也有许多应用；如果要使以太网作为工控领域普遍适用的控制域网络，需要解决上述问题。

（2）改进方法

可以采用的解决方法有：

1）采用实时性好和可靠性高的工业以太网技术。

2）传输介质应能提供多种工业级护套和铠装电缆、光纤等。

3）使用各种防护等级工业级的接插件和接口。

4）应该具有总线供电及本质安全的性能。

5）在网络负荷不重的情况下，提高网络带宽，当网络速率大幅提高后，在系统规模不大、网络节点数量也不大的情况下，测控指令的传输实时性能够满足控制领域的实时性要求。

BACnet标准助力进入工控与楼宇自控领域

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