支持冗余和兼容设计的智能建筑综合管理系统

朱玉堂，梅鲁海

（浙江机电职业技术学院 电气电子工程学院，浙江 杭州 310053）

城市智能建筑是将城市中的商业、办公、居住、餐饮、旅店、会议、展览、交通和文娱等城市生活空间的要素进行多方组合，并在各要素间形成一种相互助益和相互依存的有机关系，从而形成一个高效率和多功能的综合体。城市智能建筑可以通过街区与外部空间和交通系统进行有效沟通，进而扩展城市的空间价值。城市智能建筑的综合管理内容就是借助楼宇自动化系统完成建筑内的设备和环境的全面监控与管理，从而为建筑的居住和使用者营造一个安全、舒适、高效、经济和便捷的生存环境，并通过进一步优化管理来降低建筑的运营成本。智能建筑的系统监控范围包括建筑的电力、照明、通风、空调、安全、防灾、给排水和车库管理等设备和系统，是城市建筑智能化管理中设计任务量和工程施工量最大的子系统[1]。

近几年来，我国在积极引入国外建筑智能化产品的同时，也在积极开发适合国内应用的先进智能化系统，例如国产的楼宇自控系统、停车引导系统、智能照明系统和能源管理系统等。但这些系统都存在智能化和节能管理系统分开运行、不能有效统一的问题，各厂家在建筑的不同系统中采用了相对独立的子系统，但用户更需要一套各子系统能统一协调、高度融合的综合管理系统，从而提升城市智能建筑的综合管理水平和管理能力。

本文在已有的楼宇控制、智能照明、停车引导和能源管理系统等开发成果的基础上，提出了一种全新的支持冗余技术和兼容设计的城市智能建筑综合管理系统。设计目的主要是通过综合管理系统的软硬件设计来实现集中和综合监控与管理智能建筑中的楼宇控制设备、照明设备、停车状况和能耗状况，并系统地分析了总线冗余、设备兼容性和集成监控软件等几项需要解决的关键技术。

1 系统总体结构设计

系统的总体结构设计如图1所示。系统内含为智能建筑的各个子系统开发的CPU通用控制器模块，分别用作楼宇自控系统的控制器、智能照明系统的控制器、停车引导系统的控制器和通信网关控制器，最上层的集中控制器模块将各个子系统控制器的数据采集上来后进行集中调度和控制，并负责跟上位VxSCADA综合监控平台软件和HMI人机界面通信。

图1 城市智能建筑综合管理系统总体结构图

各个子系统CPU控制器下面通过总线连接了带能耗计量的大功率输出模块和各种信号输入检测模块，将能源计量和控制整合到一个模块，CPU控制器针对不同的子系统和现场环境设计不同的算法，以收集的能耗数据和集中控制单元下发的节能模式为依据，制定各个回路的节能控制方案，实现了子系统设备能耗数据采集、监测，节能监管，用能诊断的一体化和本地化。

通信网关模块的功能是负责和第三方厂家的设备通信。因为体量的原因，大型智能建筑不可避免地存在多种厂家设备和子系统并存的情况。通信网关是具有丰富的硬件接口和软件协议、具备高性能数据处理能力的控制器，同时能通过扩展的方式增加物理接口，包括以太网、RS-232/RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等现场总线接口以及Modbus、BacNet、IEC104、DL/T645等通信协议接口[2]。通信网关也可以通过现场编程和扩展通信卡的方式对一些非标准的接口进行定制开发，以满足特殊场合的集成要求。

在现场实施架构上，本系统通过二层以太网架构将系统分为上位监控层、集中控制层和子系统控制层。通过系统分段可使最底层的各个子系统互不干扰，具备极强的独立性和可靠性。子系统具有光电隔离的冗余CAN总线配置，一条总线出现故障不会影响整体系统的正常运行。子系统和上层集中控制模块之间采用第一路以太网连接，集中控制模块和上位监控系统主机之间采用第二路以太网连接。如果有某个子系统内部模块或者CAN总线出现问题，子系统会向集中控制模块发送报警，并传递给HMI上位机的监控软件。

2 系统设计

2.1 硬件设计

系统的硬件开发内容包括为楼宇控制、照明控制和停车引导控制设计的同一架构的CPU模块，采用冗余技术和集中控制模块，具备丰富接口的通信网关模块，具有能源计量功能的I/O模块和普通I/O模块，超声波检测模块，无线接收模块及内部总线底板等，每个模块的PCB板全部采用四层板设计，可以提高EMC和EMI性能，并达到EMC的3级指标[3]。

由于第三方系统设备具有接口多、数量不确定和相对独立的特点，本方案设计了可扩展接口的通信网关模块和嵌入式通信卡，组成一套通信网关系来实现与大多数第三方设备系统的兼容，图2为通信网关的架构示意图。

图2 通信网关架构示意图

本系统的通信网关模块支持PCI接口的通信卡，可以通过底板的插槽和通信网关模块连接。通过对通信卡进行驱动加载，可以实现扩展以太网、RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等常用通信总线。同时，本通信网关模块系统软件集成了BACnet、Modbus、DL/T645、IEC104等常用通信协议，实现对现有系统的兼容最大化。通信网关模块也可以通过软件的方式实现对总线的自由编程，支持某些非标准的第三方私有协议。

2.2 软件设计

本系统的软件开发包括CPU控制模块、集中控制模块、通信网关模块和I/O模块等的软件开发与设计。

2.2.1 CPU控制模块软件设计

CPU控制模块软件设计支持IEC61131-3 OpenPLC国际标准，提供5种编程语言，包括指令表IL、结构化文本ST、梯形图LD、顺序功能块图SFC和功能块图FBD/CFC。CPU控制模块软件具有在线模拟、在线修改和断点调试功能，并通过工业以太网直接编程与调试。针对不同子系统的特殊功能，CPU控制模块在软件设计时加入了如下特有的功能[4]：

1）空调、冷热源、给排水节能控制算法

根据各种节能模式，对空调系统、给排水系统和冷源系统的各项能耗指标进行检测，并且按照设备的紧急程度和能耗进行分级，当上层系统下发节能控制模式命令和能耗定额时，每个系统回路以能源比例进行分配，得到节能控制的预案。算法同时将当前节能能耗和历史能耗进行对比，得到节能效果评估值。

2）智能照明节能控制算法

将CPU模块下面的控制灯光输出回路进行分级，得到闲置可关闭、节能可关闭、节能时调光、紧急常开等回路类型，当上层系统下发节能控制模式命令和能耗定额时，算法根据回路类型和回路能耗进行判断，得到节能控制预案。本算法也将当前节能能耗和历史能耗进行对比，得到节能效果评估值。

3）停车引导控制算法

停车引导算法根据整个停车场的体量进行区域划分，并且对区域进行分级，同时统计每个区域的剩余车位和车辆进出信息。根据这些区域等级、剩余车位和进出车辆统计等作为算法条件，实时得到一个最优和最舒适的停车区域和路线，将这些信息通过LED情报板输出，并告知将进入车库的车主。

2.2.2 通信网关模块软件设计

为兼容第三方设备的通信协议，本网关模块软件整合了各类行业标准的通信协议，包括楼宇自控的BACnet协议、工业流程控制的Modbus协议、电力控制的IEC61870-5-101/104规约、能源计量的DL/T645协议等。这些协议通过功能库的方式加载，并根据现场的要求进行配置，能满足市场上大部分的第三方设备厂家通信要求。对于一些非标准化的设备接口类型，通信网关模块软件具有RS-485/RS-232、CAN和以太网等现场总线的自由编程库，便于进行定制开发，以满足特殊场合的集成要求[5]。

2.2.3 集中控制模块软件设计

集中控制模块的软件设计也符合IEC61131-3的国际标准，用于实现控制器的热备份冗余功能。两个控制器通过DB9通信线连接，内部数据通过100M以太网线实现同步。控制器上电后，通过表决来认定一台集中控制器为主机，另一台控制器为备机。主机有权对上层监控平台通信，同时对下层子系统进行数据采集和监控。当主机出现运行死机或断电等问题时，备机能在50 ms内顶替运行，保证集中控制的实时性和数据的可靠性。

2.2.4 I/O模块软件设计

I/O模块软件支持CAN总线和CANopen2.0通信协议，完成将现场的过程数据和控制命令上传和下发。根据I/O模块带计量和不带计量的功能特点，分别创建不同的CANopen对象字典，并合理设计PDO实时数据格式，使得I/O模块每个通道数据都能快速高效地上传到CPU模块。

3 系统关键技术

城市智能建筑的大体量和多系统特点对控制系统的兼容性、可靠性、安全性以及整体监测控制软件平台的设计要求很高，目前国内大型智能建筑控制系统多采用西门子和霍尼韦尔等国外品牌，每个品牌都有自己的总线和接口。为解决实际应用中接口的多样性、兼容性和维护复杂等问题，本系统需攻关和解决以下几项关键技术。

3.1 总线冗余技术

总线冗余技术方式如下：

1）本系统的总线冗余采用双以太网的备份方式。子系统的CPU模块采用TCP/IP协议栈的硬件芯片构成两路以太网方式的通信接口，建立子系统CPU模块与集中控制器、监控设备间的两路以太网的冗余通信方式，可在其中一条以太网出现故障的情况下保证系统的可靠运行。

2）子系统I/O总线采用双CAN的冗余总线方式。I/O通信模块采用高性能的AMR7主控芯片，并带有双路CAN总线接口，可在其中一条CAN总线出现故障的情况下保证I/O模块与CPU模块之间的正常通信，提高PLC系统工作的可靠性，并采用DC/DC电源隔离和磁耦合技术，完成CAN总线的电气隔离，提高系统的抗干扰性[6]。

3）子系统CPU模块和I/O模块均采用冗余双电源电路设计，可在其中一路电源出现故障的情况下保障系统的正常运行。

4）集中控制模块CCU采用了双模块双电源的热备冗余，即两台CCU模块同时运作，通过100M以太网总线进行实时数据的同步。CCU在上电后首先进行主备表决，结果是只有一台CCU是主机中的控制模块，拥有对子系统CPU和总线的控制权，另外一台CCU备用。当主CCU断电或出现其他故障，则切换为备用CCU运行，通过这种热备冗余可以将总线和CCU的相关通信协议都采取冗余技术处理[7]。

3.2 系统兼容性技术

本系统的子系统CPU模块和I/O模块采用CAN总线和CANopen通信协议，任何第三方设备只要支持CANO-pen DS401标准的通信协议，均可以跟子系统进行兼容。

通信网络模块具备RS-232/RS-485和以太网接口，集成Modbus RTU，Modbus TCP，BACnet，IEC104通信协议，通过扩展通信卡增加CAN，EtherCAT，Profibus，RS-232/RS-485等现场总线。同时，模块在软件上支持可编程串口和可编程以太网，兼容各个厂家的私有通信协议。

3.3 集成系统监控软件技术

本城市智能建筑综合管理系统的集成监控软件的关键设计技术有：

1）监控系统分域技术

集成监控软件对监控信息网进行分域管理和数据的分流管理。监控信息网上的站点在逻辑上可以划分成多个操作域，每个操作域可以同时监控多个控制系统。域内的操作站可以通过其他域的数据服务器以OPC的方式访问实时数据，但只能访问本域的数据服务器数据，在每次操作域中，只能有一对冗余的服务器完成数据的管理。

2）通透安全的网络协议技术

为了降低工业以太网的通信负荷，采用交换式以太网和全双工通信的方式来屏蔽固有的CSMA/CD机制，采用千兆高速以太网技术来提高通信带宽；对实时控制数据和管理数据区别对待，按不同的优先级通透地在现场和过程信息网间流通，保证了工业控制的实时性和确定性。

3）大规模管控一体化技术

基于Web技术的服务器/浏览器结构是在集成控制系统中的应用模型，可以解决过程检测与控制实时数据和现场仪表的管理数据并行传输、记录、动态显示等关键技术，实现对远程目标工作站的远程软件配置、软件安装、远程控制、远程诊断、远程文件传输、远程专家会诊指导、软件维护修复等，从而完成一体化管理和控制。在建立城市智能建筑各设备统一数据平台的基础上，研究该数据平台与现有多种现场总线间的集成通信中间件技术，通过该中间件的软硬件协议转换，实现不同厂商不同设备在数字平台基础上的互联互通[8]。

4 系统应用

本系统的楼控系统主要是对各层网络的网段、网关、总线数量及每条总线的监控范围进行设计。每条总线所能支持的控制器数量及传输距离都是有限的，系统还需要对现场控制器的分布位置、监控对象及所采用的控制器型号进行设计。因为本系统需要和冷水机组等大型设备的专用控制器进行通信，整个楼控系统可能包括多家厂商的产品，因此也需要设置各厂商产品之间的通信接口。现场控制器监控范围设计的合理性直接影响到控制器编程的复杂性、网络的通信量以及控制器网络通信故障时的影响范围等。确定现场控制器监控范围时，应遵循同一组设备的输入输出信号接入同一个现场控制器的原则，这样不仅能减少网络通信流量，降低总线的阻塞情况，并能加快系统的实时响应，更重要的是在楼控系统的通信装置发生故障时，现场控制器的独立工作能力仍能保证所监控设备的正常运行。

现场控制器把建筑设备的各种状态信号采集到楼控系统后，根据预定的管理和控制目标，向建筑设备发出控制命令来调整建筑设备的运行状态。现场控制器需要采集和控制各种设备的运行状态及运行参数，采集和控制工作可以通过检测器或执行器完成标准输人输出电量信号与现场设备非标准电气或非电量监控信号之间的转换，从而直接实现监控功能。现场控制器也可以通过通信接口与其他专用控制器相连和进行通信，然后由专用控制器完成对这些运行状态及参数的监控功能。

5 结语

城市智能建筑不同于城市中心密集的一般建筑群体，它将是未来城市的建设主流，也是建筑群体向城市空间巨型化、城市功能集约化和城市价值复合化转化的一种人文与科技高度融合的产物，并具备典型的城市街区的特征。针对已有智能建筑中存在不同阶段的子系统设备复杂和难以统一的问题，本系统提出的城市智能建筑综合管理系统设计方案采用基于嵌入式硬件系统的通信网关模块、冗余的集中控制模块以及通用的CPU控制模块，开发了节能算法、停车引导控制算法和集成监控管理软件，系统冗余技术可靠，兼容性强，可以大大提升城市智能建筑的智能化和节能管理水平。

[1] 许毅平，周曼丽.智能楼宇综合管理系统的设计[J].计算机应用研究，2003，32（6）：52-55.

[2] 扬志，郭兵，李晓林，等.建筑智能化系统的结构与集成[J].重庆大学学报：自然科学版，2000（6）：28-30.

[3] 苏玮.基于OPC的智能建筑系统集成软件接口技术及其应用[J].低压电器，2008，18（12）：66-67.

[4] 王鸣.楼宇自动化系统智能节点的设计[J].自动化仪表，2008，22（2）：42-45.

[5] 梅鲁海.一种远程监控的家庭智能化系统设计[J].电视技术，2008，32（8）：85-87.

[6] 王芳，梅鲁海，倪勇.视频会议技术存在的问题及对策分析[J].电视技术，2006，30（9）：93-96.

[7]HASEGAWA M，HIGASHIJIMA A，NAKAMURA K，et al.A Webbased integrated data processing system for the TRIAM-1M[J].Fusion Engineering and Design，2008，83（4）：588-593.

[8]ROCHE P L，MILNE M.Effects of window size and thermal mass on building comfort using an intelligent ventilation controller[J].Solar Energy，2004，77（4）：421-434.