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289智能化系统集成

28-9智能化系统集成

28-9-1概述

随着科学技术的进步,智能化系统集成(ISI,intelligentsystemintegration)在智能建筑中得到了长足的发展。

智能化系统集成一般分为两个层次。

其第一层次为建筑设备监控系统(BAS)、安全防范系统(SAS)和火灾自动报警及消防联动系统(FAS)等智能化子系统的集成,形成楼宇管理系统(BMS)。

这个层面上的系统集成的特点是将智能建筑中以实时数据为基础的监控系统集成在一起,形成楼宇的综合实时监控和管理系统。

智能化系统集成的更高层次则是将BMS与信息网络系统(INS)、通信网络系统(CNS),以及MIS等进行进一步的系统集成,形成建筑物的Intranet。

并在此基础上,将智能建筑与Internet联接,开展各种Internet应用。

这种系统集成被称为智能化楼宇管理系统(IBMS)。

1.智能化系统集成的定义

智能化系统集成是将建筑物或建筑群中的各种不同功能的、分离的智能化子系统,以及构成这些智能化子系统的设备、功能和信息,借助于信息网络和综合布线,用系统集成的方式在物理上、逻辑上连接在一起而形成的一个有机的、既相互关联、又统一协调的系统,即IBMS。

通过IBMS满足建筑物的监控功能、管理功能和资源及信息的共享,实现优化决策和协同工作,达到资源的优化管理和对建筑用户提供最佳服务的目标。

使智能建筑具备投资合理、适应信息化快速发展的需求,为用户提供一个安全、舒适、高效、环保的建筑环境。

2.智能化系统集成的需求分析

智能建筑是以建筑物和建筑物内的建筑设备为平台,通过系统集成的方式形成集监控、管理和信息化服务为一体的IBMS,智能化系统集成应能保证建筑物的物理环境控制、建筑安全控制、能源与资源供给及人员设备输运、建筑物的运营管理和信息服务等功能的实现。

对智能化系统集成进行需求分析必须从管理和技术等不同侧面,从建筑开发商、建筑物的管理者(如物业公司)和建筑物的最终使用者(用户)的不同需求等几个方面进行分析,综合平衡各方利益,最终构成对智能化系统集成的合理需求。

对建筑开发商来说,其最主要的需求应是在满足智能化系统集成所要求的基本功能的前提下,系统应具有较高的性能价格比,以减少投入,使系统建设成本最低。

对物业公司来说,应保证建筑物能高效、安全、可靠地运转,系统易管理和维护,节约运行能源和资源,节省人力,保护环境;能在火灾、恐怖事件等紧急状况下尽最大可能保护建筑物、减少生命财产的损失;保证建筑物各功能的实现,满足用户的基本需求;在可能的情况下,系统可被利用开展各种增值服务;系统应具有较低的运营成本和较长的投资寿命和使用寿命。

对用户来说,智能化系统集成必须保证使用者的设备和人身安全、信息安全,方便易用,尽量减少建筑物的使用成本,为用户提供一个有利于工作人员提高劳动生产率的建筑环境,防止出现“病态建筑”。

上述需求中,通过协调调度与综合优化控制、故障检测与诊断和可视化技术等保证建筑物高效、安全、可靠的运转;通过采用变频调速技术、优化监控技术等达到节约能源和资源、保护环境的目的;将数以万计的设备、大量的I/O点、成千上万的房间和人员以最少的人力和能耗、最高的劳动生产率、最小的劳动强度和最低的事故率实现和谐的运行管理;着意避免由于空调、房屋装修及IT设备的运行等原因导致工作人员劳动效率低下,即出现“病态建筑症状”是系统集成必须保证的内容。

所以,在系统集成中,不是片面地为集成而集成,而是基于上述各项需求和投资规模,找出一个合理的平衡点,从系统集成的内在本质上确定IBMS的设置原则和投资规模,并为未来发展留出适当的发展裕度。

3.智能化系统集成的递阶层次结构及组成

通常,将智能建筑划分为一个四层递阶层次结构的体系。

其基础层由建筑设施和建筑设备组成。

包括建筑物本体、组成建筑物的各种功能区、电气工程、采暖与空调通风系统、给排水系统、电梯及自动扶梯系统、照明系统、消防及安防设施等。

基本监控层由就地仪表(传感器、变送器、执行器等)、I/O装置、自控系统(DCS/PLC/FCS/SCADA等)、火灾自动报警及消防联动系统、以及安全防范系统组成。

优化监控与管理层是BMS系统集成的核心,在这一层上将安装协调凋度与综合优化控制、故障检测与诊断等系统软件,并以这些软件为基础,建立整个智能建筑的设备管理、能源管理、安全管理和物业管理等系统。

最顶层为信息管理层,这一层的核心应是一个异构化的嵌入式信息平台,这是一个在应用服务器上运行的基础软件,其主要用途是将来自各应用系统的异构化数据转换为用XMl等统一语言表示的数据,实现不同用户之间的信息共享,同时将可对内对外发布的公开信息存人中心数据库,并完成身份认汪(CA)和访问控制。

应用系统包括企业的Internet主页和企业内部网站、办公自动化系统(人事、财务、公文的审批和流转、文档管理等)、综合业务系统(因建筑物的不同而异,如酒店、写字楼、综合楼等,为特定用户所使用的应用软件系统)、以及CRM/ERP/GIS、及各种用于经营决策的专家系统、数据仓库及其Internet应用等。

智能化系统集成的递阶层次结构体系见图28-9-1所示。

智能建筑一般由通信网络系统(电话交换系统、电视电话会议系统、移动通信系统、卫星及闭路电视系统、公共广播及紧急广播系统)、信息网络系统(计算机网络、交换机、服务器等主机设备、软件设施及信息安全系统)、建筑设备监控系统、火灾自动报警及消防联动系统和安全防范系统组成,综合布线、电源与接地系统及机房设施等构成了这些系统的支撑系统。

智能建筑的体系结构见图28-9-2所示。

4.系统集成中的网络集成

要实现系统集成,首先遇到的是网络集成。

在现代智能建筑中都敷设了许多网络系统,如用于信息管理的局域网(LAN,通常是10/100Mbps,1000Mbps的以太网)、用于CATV的同轴电缆网络或HFC网络、公共广播和紧急广播用的广播线路、无线网络、电话通信网络、BAS控制网络、消防法规要求独立设置的FAS网络、安全防范系统(SAS)网络(通常由RS-485/422总线或LAN组成)、电视监控系统用的同轴电缆网络等不下10余种,要将这些网络系统集成起来就必须使用大量的诸如路由器、网关、网桥等接口系统。

使得系统集成变得十分复杂而又困难。

要想做好智能建筑的网络集成,就必须对上述存在于智能建筑中的网络进行认真的分析,在对需求和网络性能很好地把握的基础上,才能设计出合理的适用于智能建筑系统集成的网络系统。

首先是那些可以采用TCP/IP、UDP/IP协议通信的设备,原则上应尽量使用LAN网络。

除了信息管理层几乎无一例外地使用计算机网络外,通过采用多业务平台技术可以做到将电话通信、电视电话会议、甚至CCTV及广播系统等都融合到LAN内,形成多媒体网络。

但必须慎重考虑多媒体网络的带宽和突发数据流量的网络管理等问题。

同时,由于是数字化了的视频和语音传输,CCTV系统和广播系统需采用数字设备或在使用模拟系统时通过编解码器、机顶盒(STB)等完成系统集成,其成本和可靠性问题都不容忽视。

另外,BAS、FAS、SAS要求实时性高。

尽管在理论上这些系统均可以借助TCP/IP协议通信,这也符合技术进步的发展方向。

已经开始在工业上应用的分布式的嵌入式IC(有的带内置式的TCP/IP通信协议和webServer)为工业以太网的发展提供了基础。

表面上看,大有形成以工业以太网为主的控制网络将取代其他控制网络的趋势。

但迄今为止在工业以太网的实际应用中仍存在着不少问题。

首先是因为以太网的数据链路层采用CSMA/CD实现介质层的访问控制(MAC),采用64字节的大帧长等,这就导致了以太网在用于实时控制网络时的“通信不确定性”和较大的网络开销,尤其在多媒体通信情况下,这些问题就更难解决。

目前采用将以太网通信的接收器和发送器分开设置将带宽翻倍,用以增加带宽、以及使用组播协议、及设置优先级等措施使得在克服以太网的“通信不确定性”和保证网络的实时性等问题得到了较好的解决。

但由于这种工业以太网一般要求星型拓扑结构和C/S或B/S工作方式,且不能使用带电双绞线网络,必须在输入端加装浪涌抑制器、EMS/ESD等设备,这会给需要连接成千上万节点的控制网络布线造成几乎是无法克服的困难。

而使用总线结构在多媒体通信时又容易产生广播风暴。

另外,符合有关国际标准的控制协议和互操作性体系在工业以太网系统中尚未得到完善,还无法做到所有被采用的产品使用统一的报文结构和统一的对象(温度、速度等)的数据表达格式。

因此,目前还不是构成控制网络的最佳选择。

由于大部分控制网络上传输的是低速的测控数据,在其递阶层次结构中,越向下层就要求控制设备的结构越简单、成本越低,吞吐量递减,而节点间的响应时间递增。

由于目前使用的现场总线系统在技术上已非常成熟,可选产品众多,所以控制网还是应采用各种控制总线网络为宜。

实时控制系统中的问题还包括FAS网络,由于我国消防法规规定FAS系统必须单独设置,因此,在网络集成时一般将FAS系统单独处理,并用合适的网关接口实现与其他系统的集成。

由于在SAS系统中涉及到电视监控和IC卡应用,一般做法是将这部分直接通过以太网或专网连接。

究竟采用何种网络集成方案还需考虑建设成本等问题,在一些改造项目中,还应考虑原有设备状况,以及不同智能化系统制造商的产品所用总线网络的具体情况,通过慎重的权衡方可确定最终方案。

当前最先进的网络集成方案提倡采用开放的控制网络体系,形成扁平的网络结构。

将过去所用的多重的、各子系统互不相关、互不兼容的系统集成为一个有机的网络系统,构成基于信息而不再是基于命令的控制系统。

这种开放的网络要求可与LAN(TCP/IP或UDP/IP)实现无缝透明连接,各节点间对等通信,不用或尽量少用定制接口(如网关等),使用通用工具(指开发、调试、维护用工具),开放的前端(如MMI)等。

从而使得用户能从市场上多个设备制造商处选择设备,可自行维护和扩展系统,极大地提高了系统集成的机动性,便于系统规模的扩展,有利于保证投资寿命和延长设备的使用寿命。

由于网关的主要功能是将数据从一种通信协议映射到另一种通信协议上,其先天性质决定了网关仅能传输有限的数据,往往会造成通信瓶颈。

由于无法共享系统的故障信息,也就无法在系统故障时及时做出实时反应。

当子系统有所更改时,必须同时修改网关设计,使系统的修改和扩展变得非常困难。

同时,网关也是集成系统中最易出问题的装置。

所以,在网络集成时应慎重使用。

接入网系统的选择是网络集成的另一个问题。

现在,大多数智能建筑选取公共通信网络,通过租用线路的方式形成其连接Internet的接入网系统,如ADSL/ISDN/DDN/FR等。

由于受线路租用费的限制和对网络流量估计不足的影响,常常会遇到通信瓶颈问题。

VPN技术则是近来备受企业重视的接入网方案;在接入网技术方面,另外的新技术包括以空分复用为基础的多业务平台技术,集成化语音、视频和数据体系结构(AVVID)技术等在提高接入网的利用率、防止IP网的广播风暴和加强网络安全等方面正受到广大用户的高度重视。

5.智能化系统集成中所要解决的几个关键问题

除以上提到的网络集成方面的问题外,在智能化系统集成式还应注意以下几个问题:

(1)兼容性和开放协议

由于技术发展的客观规律,使得控制系统的发展也和计算机网络系统的发展过程一样,由集中式主机组成的网络走向今天的无处不在的互联网。

这就要求不同控制系统制造商提供的控制系统应是相互兼容的、是可互操作的。

也就是说,不同产品体系可相互通信,通信时使用统一的通信协议、统一的存储信息的数据结构和对对象的数据表达格式,这是BMS系统集成的关键。

为了实现这一目标,国际上大部分控制系统制造商都参加进这一行动中来。

迄今为止,已有几个互操作性标准已为广大控制系统制造商和用户认可并采用。

智能建筑中采用最多的是BACnet、OPC(OLEforprocesscontrol)和LONMark标准。

也有一些大的制造商自己开发了一些专用网关,以其自产的系统为主,实现与其他厂商产品的互操作。

但总的发展趋势是通过使用国际上通用的互操作标准达到建成开放式集成系统的目的。

国际电子电气工程师学会(IEEE)对开放系统是这样定义的:

“开放系统指的是这样一个系统:

它使各个厂商生产的应用程序可在系统内的各种平台上运行,任何一个应用程序都能与其他应用程序互操作,并且使用的人机界面总是一致的。

目前最流行的几个开放协议简述如下。

1)BACnet协议

BACnet(ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNet-work),即楼宇自控网络的数据通讯协议,是由美国供热制冷及空调工程师联合会(ASHRAE)制定的一种开放协议。

其宗旨是使不同制造商的控制系统(执行BACnet协议)能够互相通讯和共享信息,并可方便地与Internet实现互联。

BACnet定义了一种与TCP/IP和UDP/IP的标准通信,用对象、通信和服务定义通信格式,并对控制节点进行级别划分,设置5类控制局域网和35种报文类型,实现了数据共享和协同工作。

根据BACnet标准的附录H.3的规定,网络间采用PAD(PacketAssembler&Disassembler)路由器的方式进行跨IP网络的互联。

BACnet消息被封装进UDP/IP包中发往其目标PAD路由器的IP地址,该消息再由目标PAD路由器在其所负责的BACnet网段内与所控设备通信,PAD路由器实现的只是各网段PAD路由器之间的对等通信。

从使用者的角度来看,这种通信就像只是BACnet网络在工作一样,觉不到以太网在通信过程中存在。

BAC-net的附录J则完成了BACnet/IP扩展,可采用组播方式和BBMD方式实现BACnet的IP通信,通过适当的子网划分等措施,使BACnet的IP通信有效地避免了网络互联时产生的“广播风暴”问题。

BACnet协议采用IS0/OSl/RM七层网络体系结构中的四层,即应用层、网络层、数据链路层和物理层,数据链路层支持CSMA/CD、MS/TP、PTP和LonTalk等多种MAC协议和5类控制网络,也被叫做BACnet局域网。

每一类BACnet局域网通过BACnet控制器/路由器互联,形成BACnet互联监控网络,并通过PAD/IP/BBMD网络控制路由器与Ethernet/Internet联网。

凡是符合BACnet标准的产品均可按BACnet网络拓扑规范连接成BACnet互联网络。

不遵从BACnet标准的系统则需通过网关连接。

一个典型的纯BACnet网络系统是由连接在以太网上的操作站、局域网控制器和路由器组成的上层网络,与由BACnet通信网络设备和DDC、智能传感器和执行器及专用网关组成的下层网络构造的两层网络架构。

可实现点到点对等通信、多播和广播通信;下层网络可以是总线、主从和令牌环等多种通信方式和网络拓扑;通信速率可以是高速和突发数据流,也可是低速实时数据。

从而为组网和设备选择提供了极大的灵活性。

BACnet协议定义的35种报文中有23种是对象类型,大部分应用层服务被设计成对这些标准对象类型的属性进行访问与操作。

从而使系统设计人员很容易开发出适用于建筑智能化系统集成的监控管理系统。

2)LonMark标准

LonMark标准由LonMark可互操作协会组织制定,又称EIA709.1/709.3标准。

由LonWorks网络服务(LNS)、LonTalk协议等LonWorks技术为基础构成了一个完整的开放的控制网络平台。

LonWorks技术实际上是一种现场总线技术。

其通信协议LonTalk符合IS0/OSl的七层网络结构模型,采用神经元芯片(NeuronChip),是一种典型的开放通信模式。

其物理层可支持多种通信介质,如:

双绞线、电力线载波、同轴电缆、光纤、射频、红外等,可在多种介质混用的网络中实现实时通信,特别适用于传输量较小的测控信息用途;支持自由拓扑网络结构,如:

星型、总线型或环型;LonWorks网络又被称为LON网(LocalOperatingNetwork),即局部操作网。

LonMark组织按暖通空调、家用设备、照明、工业控制、石油、冷冻技术、本安、网络管理和I/O控制等分成若干标准组,每一组制定其本组涉及内容的专用标准,形成“功能概述文件”(FunctionalProfile)。

功能概述是一组标准,它详细地描述了各种应用程序接口(API)的接口规范,包括网络变量、组态特点、以及网络节点的状态等,使得所有执行LonMark标准的产品的功能做到标准和统一。

LonWorks网络通过LON路由器和LNS服务器实现与以太网的连接以及与Internet联网。

这种连接是无缝透明连接。

LonWorks技术在最近又开发出了一些新的产品,重点是LonWorks技术的Internet应用和在建筑智能化系统集成、能源管理、家庭网络等方面的应用。

3)OPC标准

对象连接嵌入(OLE)是微软(Microsoft)公司开发的、对应用程序的数据对象进行交换及通信的一种协议。

这一技术用于过程控制时,又按照过程控制的要求规定了统一的实时数据库的数据格式,最终形成了OPC标准(OPC,OLEforProcessControl)。

它允许所有的应用程序采用同样的基于COM/DCOM技术的接口去访问数据,通过动态数据交换(DDE)实现SQL数据库之间的数据交换。

从而简化了数据的采集和共享方法,实现了信息管理系统的应用程序与实时控制系统的应用程序之间进行不间断的数据传输的要求,允许不同制造商的符合OPC标准的系统之间实现ODBC互联。

通常的做法是执行OPC标准的控制系统制造商提供一个专用的OPCServer与其各客户端的OPCClient进行交互;一些主要的商用SCADA软件厂商和设备制造商组成的OPC组织,共同编制了适用于不同系统的OPC标准的I/OServer,使得采用这些软件设施更适用于不同控制系统的系统集成。

著名的商用SCADA软件包括InTouch、Fix和组态王等。

(2)BMS系统集成的几种模式

早期的系统集成,由于采用了不同厂商提供的不同的产品系列,其通信协议不同,从而造成通信速率、编码格式、同步方式和通信规格各不相同给系统集成带来了很大的困难。

工程承包商常用的互联方式有以下几种:

1)采用硬线连接或串行通信连接:

硬线连接仅用于功能简单、且信息量很少的系统。

如图29-9-3所示,系统1提供硬触点的开关信号和4~20mA/0~5V的模拟量信号,经硬线直接接入系统2中。

串行通信连接适用于带互联用RS-232/RS-485/RS-422串口的子系统,其通信协议必须针对被连接的各方产品进行二次开发。

用这种方式可以实现少数由不同制造商提供的产品之间的互联。

如图28-9-4所示。

2)采用开发网关或专用网关(Gateway)连接:

由系统集成商协调被集成的不同产品制造商开发出相关的网关将各子系统连接在一起,如图28-9-5所示。

有的产品制造商与第三方设备供应商联合开发了专用网关,这种网关技术上较成熟。

但使用时要求限定使用指定厂商的产品。

3)采用TCP/IP或UDP/IP网关连接:

各子系统分别开发出各自的与局域网连接的网关,经网关与智能建筑的局域网通信,然后再通过实时对象服务程序把它们转变成一致的数据格式实现信息共享。

实时对象服务程序应采用商品化的软件系统如InTouch、Fix、组态王等,这些系统一般已编制了与大多数流行控制系统互联用的I/OServer,并带API接口,使系统集成商很容易开发出与各子系统的I/OServer,实现不同子系统之间的互联。

如图28-9-6所示。

4)采用开放标准互联:

所谓开放系统即构成系统的所有部件均按公开的工业标准制造,不同厂商的产品可以组成系统并实现互操作,不同设备及系统之间实现无缝连接,其三个主要特点为:

系统的主要规范是各厂商共同遵守的;来自不同厂商的同一种产品可以互相替代和互操作;符合标准的系统之间可以直接互联。

最常用的开放式标准为BACnet、LonWorks和OPC三种。

在这种连接方式中,各子系统各自组成其控制网络系统,再通过网关或路由器与局域网实现无缝连接,通过开放标准服务器实现信息共享(如BACnet服务器、LNS服务器、0PC服务器)。

如图28-9-7所示。

5)工业以太网连接:

工业以太网连接实质上也是一种开放式互联,其基础就是TCP/IP和Web。

近年来,已经开发出各种各样的嵌人式芯片,这些芯片带实时操作系统(RTOS,realtimeoperationsystem)、通信管理系统和Web服务器;在用于控制网络时,其通信不确定性等问题也正在逐步获得解决。

由于Internet的广泛应用,工业以太网在控制领域、包括智能建筑领域的应用,必将得到大范围的普及。

尽管目前条件还不太成熟,但这一技术代表了智能建筑系统集成的未来发展方向。

(3)IBMS系统集成的几种模式

IBMS把各子系统,如BAS、OAS、CNS等从各个分离的设备功能和信息集成到一个相关联的统一的和协调的系统中,以便实现对各类信息的综合管理。

常见的集成模式有以下几种:

1)以OA和BA为主,面向物业管理的集成模式:

这种集成模式特别受到以出租为主业的商业大楼用户的重视。

其中,除公文流转、电子邮件、人事、财务等常用功能外,OA的物业管理包括租赁管理系统、维护管理系统和CRM等;BA系统管理楼宇自动控制,包括联动设备、电力、照明、电视监控系统、IC卡系统、火灾自动报警及消防联动系统、安全防范系统、电话通话信息、PBX计费等,并联动自动呼叫服务、电子指示牌和停车场(库)管理等。

该系统完成了0A与BA的紧密集成。

2)以BA为主的BMS集成:

以建筑设备自动化系统(BA)为主,将火灾自动报警及消防联动系统、安全防范系统集成。

其软件应在综合优化控制、故障检测与诊断的基础上,建立紧急事故状态下的运行模式,实现事故状态下的系统联动。

通常,这种集成系统都安装设备管理软件、能源管理软件和物业管理软件等系统,实现建筑的管理自动化。

3)以Internet/Intranet技术及Web技术为核心的信息集成系统:

这种集成系统基于Internet/Intranet网络和Web技术实现智能建筑的信息采集和综合,信息分析和处理,以及信息的交互与共享。

其主要优点包括:

可以开展楼宇用户需要的各种Internet服务业务,如WWW高级浏览、E-Mail等;完善的信息安全和网络管理;采用web浏览器,任何被授权的用户都可访问其打算访问的信息,不再需要在其使用的客户终端上安装专门的系统软件,并可实现远程访问、远程维护等。

这是楼宇智能化系统集成的最新发展。

有关厂商使用Java、XML语言,在J2EE框架上开发出了一些用于智能化系统集成的平台软件,有效地解决了智能化系统集成中遇到的信息孤岛问题,使控制和管理能实现协调工作。

(4)智能化系统集成中的信息安全

如果说在未作系统集成的智能建筑中,信息安全还显现不出其重要性的话,经过系统集成,智能建筑的实时监控部分与办公自动化、物业管理等管理信息系统连网,进而又接入Internet,可实现远程访问,这样,信息安全在系统集成中的作用变得越来越明显了。

信息安全包括物理系统安全、网络系统安全、操作系统安全、应用系统安全四个层次。

物理系统安全应保证智能化系统集成的网络系统、计算机、服务器等设施的物理安全,包括机房的消防、安防,人员管理制度等;网络系统安全是从网络层保证智能化系统集成的安全,包括安全的网络拓扑、防火墙、网络防病毒、实时入侵检测等;操作系统安全主要针对服务器;应用系统安全主要针对应用系统,防止未授权用户非法访问应用系统和保护应用系统的数据安全。

最常用的应用系统安全解决方案是使用应用开发平台,如数据库服务器、Web服务器和操作系统等提供的各种安全服务,以及开发商

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