BACnet标准与楼宇自控系统技术：全面解析

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：如果采用全双工和交换式以太网技术，则使以太网交换机的各端口之间数据的传输不再受CSMA／CD媒体访问控制方式的制约。由于这样的原因，全双工交换式以太网在工业控制领域成为一种控制实时性好、可靠性高的控制网络方案，同样可以应用到楼宇控制领域，即可使用全双工交换式以太网构建BAS。有多种制式的网络支持全双工交换式以太网支持全双工通信工作模式的物理层规范众多。

1.应用背景

如前所述，工业以太网由于技术成熟、使用方便、有统一的标准、开放性好、可以实现不同厂商的产品互联，是一种开放式标准网络。它的通信速率高、传播速度快、可分段地实现远程访问、诊断和维护保养容易、支持冗余连接配置、系统容量大、投资成本低，早已成功地应用于工控领域，并展现了非常好的前景。楼宇自控领域可以认为是工业控制领域向建筑物内的延伸，以太网应用于BAS也将成为楼宇智能控制中的主流技术之一。对于采用CSMA／CD的媒体访问方法的以太网来讲，其实时性和确定性不好，使得它应用于工业控制领域受到很大限制。随着以太网通信速率的提高、网络负荷减轻和传输时延减少、网络碰撞几率下降，使得情况得到了很大改观。如果采用全双工和交换式以太网技术，则使以太网交换机的各端口之间数据的传输不再受CSMA／CD媒体访问控制方式的制约。使用全双工通信方式使端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送数据，而不发生冲突，使数据传输效率大幅度提高。交换式和全双工以太网的出现，克服了传统以太网的共享公共传输媒体和半双工传输的缺点，实现了站点独占传输媒体并同时收发数据，也减少了网络上的数据碰撞。由于这样的原因，全双工交换式以太网在工业控制领域成为一种控制实时性好、可靠性高的控制网络方案，同样可以应用到楼宇控制领域，即可使用全双工交换式以太网构建BAS。

2.全双工交换式以太网技术

20世纪90年代初，随着计算机性能的提高及通信量的剧增，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥，网桥是一种存储转发设备，用来连接相似的局域网。从互联网的结构看，网桥可以实现数据通信设备级的端到端连接；从协议层次看，网桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发。以太网交换机与网桥之间无严格界线，其性能指标和结构安排可以非常相似，甚至可以将交换机看成是功能更完善的网桥。但是，以太网交换技术是网桥技术的发展与升华。

全双工传输指同时发生在两个方向上的一种数据传输方式。IEEE 802.3x标准中，全双工通信模式是在节点（站点）之间提供了有独立的发送与接收信道的点对点链路，从而可在节点（站点）之间同时收发交换信息。因而在全双工通信工作模式中，不再需要在“半双工通信工作模式”中使用的CSMA／CD媒体访问控制协议来控制每个节点（站点）帧信息的发送与接收。

以太网内的客户端在进行通信时，交换机检测从以太网端口来的数据包的源和目的MAC（媒体访问控制）层地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。

交换式局域网就是用交换机连接一些网段而形成的局域网。交换式以太网中一个端口是一个冲突域，在半双工情况下，仍不能同时发送和接收数据。如果采用全双工模式，同一条数据链路中两个站点可以在发送数据的同时接收数据，解决了这种情况下半双工存在的需要等待问题，理论上可以使传输速率提高一倍。全双工通信技术可以使设备端口间两对双绞线（或两根光纤）上同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA／CD媒体访问控制方式的约束，这样，任一节点发送报文帧时，不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。对于紧急事务信息，则可以应用报文优先级技术，使优先级高的报文先进入排队系统首先进行处理和转发。通过这种优先级排序，使工业现场中的信息处理和现场执行器对控制器或中央管理工作站发出的控制指令能够按照给定的优先级和顺序执行。

3.全双工交换式以太网技术的优点

（1）组织网络简洁

全双工交换式以太网不需要改变网络其他硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式交换机代替共享式集线器，节省用户网络升级的费用，可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有100Mbit／s的端口，通过与之相对应的100Mbit／s的网卡接入到服务器上，暂时解决了10Mbit／s的瓶颈，成为局域网升级时的首选方案。

（2）多通道通信和有更大的带宽

它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更大的带宽，传统的共享式10Mbit／s／100Mbit／s以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比如一个16端口的以太网交换机允许16个站点在8条链路间通信。

（3）有多种制式的网络支持全双工交换式以太网

支持全双工通信工作模式的物理层规范众多。有10Base-T、10Base-FL、100Base-TX、100Base-FX、100Base-T2、1000Base-CX、1000Base-SX、1000Base-LX和1000Base-T 9种，只有10Base-5、10Base-2、10Base-FP、100Base-T44种不支持全双工通信工作模式。

（4）增加网段覆盖距离

全双工通信工作模式比半双工通信模式吞吐量增加一倍，而且由于无竞争与碰撞发生，提高了工作效率。此外，也不需要麻烦的补偿等待时间（Back-off Time）的计算，更不需要考虑所谓的捕获效应（Capture Effect）。由于网络尺寸不再受时隙（ST）的约束，因而其网径得到明显的提高。例如，在100Base-FX介质规范中，当采用半双工通信模式时，最大网段长度仅为412m，而采用全双工通信工作模式时，其最大网段长度可达2000m。

（5）可进行端口工作模式配置

目前市场上新的交换机端口都支持全双工、半双工和自协商工作模式，可以通过配置来更改其工作模式。以一款华为交换机为例，使用以下配置命令：

［Quidway-ethernet0／1］duplex｛auto｜full｜half｝其中，auto表示端口工作在自协商模式；full表示端口工作在全双工模式；half表示端口工作在半双工模式。

4.接入全双工交换式局域网的控制器节点时延分析

由于BAS中的被控对象有较多的风机、水泵阀门及常规的机电设备，和绝大多数的工厂自动化控制应用一样，控制的响应时间为5～10ms，这种准确度的控制响应时间足够了。

基于交换式以太网传输产生的时延一般可以分为3个部分，分别是信息传递过程中在源节点、通信信道和目的节点内所发生的时延。目前市场上，最普通和廉价的交换机一般采用输出缓存交换方式和最基础的先进先出（FIFO）调度算法，而且不提供优先级服务。通信网络模型采用二级交换模式，两级之间的UTP线缆最大长度为100m，且一二级交换机上节点数分别为10和12个，两级交换机的上行端口的通信速率都设为10Mbit／s，均采用存储转发方式，并假设每个从站发送数据的规律都相同，每10ms发送一个最小以太网帧，最小帧长为64B。则可以算出其时延约为6.61ms；当两级交换机的上行端口的通信速率都为100Mbit／s，并使发送周期性数据的节点附加上非周期性数据，即从站除了每10ms发送一个最小以太网帧外，还发送突发性实时数据。其平均发送速率为周期性实时数据的0.01倍的发送速率，且至多连续发送10个数据帧，经计算其时延约为7.46ms，是系统控制网络的一种完全可行和可靠的先进技术。

BACnet标准与楼宇自控系统技术：全面解析

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