基于IEC61499 的楼宇自动控制系统

Posted 2022-01-04 姚家湾

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于IEC61499 的楼宇自动控制系统相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

楼宇自动化系统是现代建筑中必需的计算机控制系统。旨在监视和控制建筑物或多个校园中的机械、安全、消防、照明、暖通空调和湿度控制以及通风系统。

楼宇自动化系统 (BAS) 的核心功能是将建筑气候保持在指定范围内，根据入住时间表为房间提供照明，监控所有系统的性能和设备故障，并提供故障警报。与非受控建筑相比，自动化系统可降低建筑能源和维护成本。通常，它们通过能源和保险节省以及与预先维护和快速检测问题相关的其他节省来资助。

几乎所有的大型自动控制系统和设备厂商都提供楼宇自动化系统。它们包括了西门子，施耐德，Honeywell等公司，也包括一些专注于建筑自动化的公司，比如江森控制，Loytek，delta 等公司，现在，像倍福，菲尼克斯，wago ，台达等公司也加入楼宇自动化的领域。

不过，与传统自动化行业一样，楼宇自动化产品除了制定了BACnet，KNX，longworks等通信协议以外，不同厂商的产品仍然互不兼容。各家都处于一个相对封闭的状态。

尽管BACnet 协议声称是一个面向对象的标准。但是它并不包括控制程序部分。只是一个通信协议而已。

随着数字化，物联网和人工智能技术的飞速发展。人们对于绿色建筑，低碳生活要求的提升。大量IT最新技术将导入楼宇自动化领域。对楼宇自动化系统中的算法，编程的要求越来越高，并且需要能够提高系统的灵活性，可编程能力。与自动控制领域一样，楼宇自动化领域急切需要导入更高水平的开放性平台，它们就是开放性楼宇自动化（Open Building automation system）

在本博文中，我们探讨如何利用·IEC61499 功能块技术，构建开放楼宇自动化系统。

楼宇自动控制系统

系统架构

楼宇自动化系统通常是由一个管理软件和控制器，传感器，执行机构构成的分布式系统。它们之间通过Ethernet，RS485 等网络互联，通信协议主要为BACnet。

通信协议

BACnet 是楼宇自动控制的重要标准。BACnet是用于智能建筑的通信协议，是国际标准化组织（ISO）、美国国家标准协会（ANSI）及美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）定义的通信协议。BACnet针对智能建筑及控制系统的应用所设计的通信，可用在暖通空调系统（HVAC，包括暖气、通风、空气调节），也可以用在照明控制、门禁系统、火警侦测系统及其相关的设备。

物理信道

在 BACnet 的早期，以太网不像今天那样用于建筑和工业应用。当时，这些应用程序中使用了许多数据链路/物理层。为了满足尽可能广泛的应用程序集的需求，BACnet 旨在支持多种不同的物理层和链路层，包括：

PTP（点对点）

PTP 是 BACnet 独有的，提供通过调制解调器和语音级电话线的互连网络通信。PTP 适应现代调制解调器协议（V.32bis 和 V.42），还支持使用 EIA-232 信号标准的直接电缆连接。速度限制在 9.6 kb it/s 到 56.0 kbit/s 之间。

MS/TP（主从/令牌传递）

MS/TP 也是 BACnet 独有的，并使用 EIA-485 信令标准实现。这是一个屏蔽双绞线 (STP) LAN，运行速度从 9.6 kbit/s 到 76.0 kbit/s。这种 LAN 类型成本低，特别适用于单一控制器通信。

ARCNET

(ANSI/ATA 878.1) ARCNET® 是一种令牌总线标准，设备通常使用处理网络通信的单源芯片来支持它。ARCNET 可以以不同的速度在各种媒体上运行——从 EIA-485 (STP) 上的 150 kbit/s 到同轴电缆、STP 或光纤上的 7.5 Mbit/s。通常，ARCNET 在双绞线上以 2.5 Mbit/s 的速度运行。

LONtalk

LONtalk 是 Echelon 公司开发的专有技术，是唯一需要特殊开发工具和专有芯片组才能实现的 LAN 类型。

今天，大多数用户更喜欢使用以太网，并且许多其他物理层的应用程序数量正在减少。

BACnet 面向对象技术

在定义 BACnet 通信格式时，标准委员会选择了一种灵活的、面向对象的方法。BACnet 系统中的所有数据都以“对象”、“属性”和“服务”的形式表示。这种表示数据和动作的标准方法使来自不同制造商的 BACnet 设备能够互操作。理解这种面向对象的方法及其术语对于理解 BACnet 至关重要。

对象

BACnet 系统中的所有信息都以对象的形式表示。一个对象可能表示有关物理输入或输出的信息，也可能表示执行某些功能的点的逻辑分组，例如设定点。每个对象都有一个标识符（例如 AI-1），允许 BACnet 系统识别它。在这方面，对象很像现在 HVAC 社区中通常称为“数据点”的东西。对象与数据点的不同之处在于，数据点通常具有与其关联的单个值，而对象由许多规定的属性组成，其中只有一个是当前值。只有通过其属性才能监视和控制对象。

为了帮助澄清这种差异，请将作为数据点的室温与在 BACnet 系统中报告室温的模拟输入 (AI) 对象进行比较。两者都与从物理输入读取的温度相关联。当您参考数据点时，它唯一指示的是室温，华氏 72 度。AI 对象还将室温报告为 72。关键区别在于 72 是 AI-1 对象的现值属性。对象的其他属性传达更多信息：Units 属性告诉系统该值以华氏度为单位，Device-type 属性告诉我们传感器是 10k ohm 热敏电阻，Description 属性告诉系统它是会议室温度。一个 AI 对象比一个简单的数据点更加健壮和全面。

对象只能通过它们的属性来监视和控制。BACnet 规定了对象的 123 个属性。三个属性，Object-identifier、Object-name 和 Object-type 必须存在于每个对象中。BACnet 还可能要求某些对象支持特定的附加属性。对象的类型和该对象所在的设备类型决定了存在哪些属性。

BACnet 对象具有两类属性，设备中必须存在的必需属性和由设备制造商自行决定存在的可选属性。本例中，AI对象的现值为必填对象。Description 属性是设备制造商可能不支持的可选属性。

BACnet 与大多数其他协议一样，限制对某些属性的访问。BACnet 规范限制将某些属性定义为只读，而将其他属性定义为读写。设备制造商还可以通过将某些属性归类为只读来限制对某些属性的访问。

服务

服务是楼宇自动化系统用来访问属性或从 BACnet 对象请求操作的机制。服务是一个 BACnet 设备从另一个设备获取信息、命令设备执行某些操作（当然是通过其对象和属性）或将事件传达给其他对象的方式。所有设备都必须支持的唯一必需服务是读取属性服务。共有32个标准服务。

作为系统开发者或用户，您无需关心服务请求的执行或处理；这些将是透明和自动的。作为楼宇自动化系统的系统设计工程师，您需要知道哪些设备支持哪些对象和服务。此信息可在设备的协议实现一致性声明 (PICS) 中找到。

现场设备

在BACnet 楼宇自动化系统中现场设备包括：

操作员工作站（B-OWS，BACnet Operator Workstation）

BACnet Operator Workstation用于提供操作员日常管理时，所需要的资讯与相关编辑功能。除了检视与编辑BACnet物件，Operator Workstation也可用来显示趋势纪录、排程、及其他特殊化的物件、报表与图形。BACnet Operator Workstation当警报发生时，可通知操作员进行警报确认、提供警报综合的资讯及允许调整警报类比物件的域值。

楼宇控制器（B-BC）

B-BC是现场可编程控制器，可以用于各种楼宇自控任务，可以修改所有对象属性值、完成数据共享、事件管理、时间安排和网络设备管理等。

高级应用控制器（B-AAC）

BAAC是基于应用的高级控制器，是弱化版的BBC。不支持修改对象属性值。

专用控制器（B-ASC）

BASC具有更少资源的编程功能。不具备特殊事件和时间安排的管理能力。

智能执行器（B-SA）

BSA是简单的控制器，它仅支持数据共享，可以访问对象属性和允许其他对象修改它的属性。

智能传感器（B-SS）

　　仅仅允许其他设备访问对象的属性。

网关（B-GW）

对于具体的厂商而言，产品的定义方式会有所不同。

编程语言

要满足未来对智能建筑的需求，系统的可编程能力是非常重要的。尽管系统集成商和最终用户希望系统的配置越简单越好，但是系统的复杂性是难以避免的。我们只能更好地去管理复杂性。事实上，编程能够更快，更好地实现定制化。

另一方面，程序的可重复使用和移植也是提高设计和学习效率方法。

在BACnet 标准中，采用基于对象的设计方法来建模的。系统中的所有软硬件组件都被定义成为对象。其中程序也是一种对象，系统集成工程师可以修改和配置程序的参数。这种预制的程序是封闭的。编程能力是十分有限的。

BACnet 不提供控制，只是一个通信的标准。所以他不是足够的好，缺乏构建系统的编程语言和工具。

就目前而言，不同厂商的编程语言是不相同的。它们是一些专用的高级程序设计语言。比如西门子公司采用PPCL语言。

为此，需要一个开放性控制技术和不受限制的编程工具：

Sedona语言

科动控制公司使用Sedona 软件开发环境来构建开放型楼宇自动化控制器。Sedona是一个开放源代码软件环境，旨在轻松构建非常适合实现控制应用程序的智能联网嵌入式设备。Sedona语言促进了面向组件的编程。使用Niagara Workbench或Sedona工具（例如Contemporary Controls的Sedona Application Editor）

Sedona社区分为设备制造商，软件开发商，系统集成商和最终用户。

通常厂商承担了设备和软件的开发，因此，可以分为

开发商

集成商

开发的流程

开发商开发的Sedona 代码Scode 为XML 格式，可以由集成商调用，下载到sedona 设备中被编译器解释执行。

基于IEC61499 的楼宇自动化系统

你是否发现，sedona 语言的理念与现在流行的开放自动化理念十分的相似。IEC61499 是分布式控制系统中的功能块国际标准。是一种开放型自动化领域的重要标准。完全胜任楼宇自动化系统中的编程。

在施耐德公司的产品中，EcoStruxure楼宇是施耐德电气EcoStruxure整体解决方案的一部分，EcoStruxure 是一款支持物联网的即插即用型开放式架构。相信在不远的将来，将会融入IEC61499 功能块编排方式。

现有产品

LOYTEC公司是世界上第一个采纳IEC61499 标准的智能楼宇自动化系统的公司，它创始于1999年，脱胎自奥地利维也纳科技大学，是一家以研发与技术为主要导向的公司，一向致力于建筑自动化解决方案的开发及推广。在建筑自动化智能网络基础设施产品方面，已奠定了欧洲顶尖供货商的地位。自2016年4月开始，罗伊特正式加入台达集团－全球电源管理及散热解决方案的领导厂商，成为台达楼宇自动化的技术中心。

也许正是因为这家企业与IEC61499 标准和技术都脱胎于维也纳大学的缘故，该公司的产品中已经融入了IEC61499 标准。这也许是世界上第一个将IEC61499 导入楼宇控制领域的公司。

因此，通过分析LOYTEC 公司的产品，我们可以看出如何将IEC16499 融入楼宇自动化系统。