全IP網絡架構下的樓宇自控系統設計技术頭條網

2019-01-02 15:23:37 樓控科普

引言

樓宇自控系統

在不同發展階段常用通訊協議有Modbus，Lonworks，BACnet等，之前這些通訊協議以傳統的總線實現，例如Modbus RTU、Lon FT-10或BACnet MSTP。如今隨著現代的IP網絡技術的發展，在樓宇中大量綜合佈線技術，即廣泛採用光纖與網線來架構網絡，建設網絡架構的成本在不斷降低，利用全IP網絡架構建設樓宇管理系統（BMS）已經成為如今發展的主流趨勢，對應網絡架構下的通訊協議為Modbus TCP、Lon IP或BACnet IP。

項目設計時，系統集成商可結合樓層、房間平面圖和客戶的需求即可開展樓宇自控系統的各項規劃活動。在一個全IP網絡架構的項目中，必然有不少的IP控制器接入其中，此時，管理網絡的可靠性對於控制系統起到了至關重要的作用，一旦網絡出現故障，設備將無法得到有效控制。

可靠性在樓宇自控系統的重要意義

IP管理網絡存在的主要目的是在於使不同地點的控制器能夠高效地進行數據傳輸。如果客戶通過電腦管理界面或者觸控屏幕點擊“開啟”鈕控制燈光時，一定也期望燈光隨之亮起。這一應用場景應當在任何時刻，任何情況下都能夠實現。我們將這種期望及設備響應定義為設備的“可靠性”。如果可靠性超過99.99％，則其反映在每年53分鐘之內的宕機時間。“宕機時間”是指系統出現宕機的一段持續時間。但並不包括例如設備維護這類計劃內的停機時間。

這是對於一個子系統而言，如果針對整個樓宇自控系統，那麼可靠性是源自於各個子系統可靠性的乘積。假設LOYTEC控制器建立的樓宇自控系統的組合可靠性為99.7％，則可期待其每年最大停機時間為不超過26.3小時。又假設底層IP網絡的可靠性僅為98.3％，則其可靠性將為0.997x0.983=0.98=98％。圖1表示了典型樓宇自控系統中的一個子系統範例架構。

圖1 樓宇中的BA系統典型架構

如果連接控制器到中控電腦的網絡交換機或者交換機之間的網線發生故障的話，將導致無法實現手動切換燈光。這是中控電腦發送的IP數據包無法轉發到燈光控制器的原因。因此，所有網絡組件均須視同系統的重要組成部分。下文將介紹如何利用環形網絡架構來提高IP網絡的可靠性，以提高整個智能樓宇系統的可靠性。

網絡拓撲的選擇對可靠性的影響

網絡拓撲的選擇是決定可靠性的另一個重要因素。網絡物理拓撲則描述了所有網絡元件的選擇及其連接方式。常見拓撲結構為星形或線性菊花鏈，兩者均包含單點故障的可能性，故其系統可靠性也會隨之降低。例如，構成星形網絡中心的交換器失效了，那麼連接這交換機的所有設備之間也不能再進行通信，如圖2所示。對於線性菊花鏈拓撲中，一個故障的以太網絡端口將會把整個網絡剖分成兩個子網，連接到不同子網的裝置之間的通信也會因此中斷，如圖3所示。

圖2 星型拓撲中發生的故障情況圖3 線性菊花鏈中發生的故障情況

反之，環形網絡則既可承受纜線中斷、網絡端口或控制裝置的故障，而不影響其他控制器在樓宇自控網絡中的通訊，如圖4所示。基於這項優點，本文將關注的重點也將聚焦於環狀拓撲。而能夠實現這一網絡架構的重要基礎是控制器必須支持雙網口設計，且雙網口可實現交換機的功能。

圖4 環形網絡單一裝置故障對其他設備無影響

智能樓宇系統中環形網絡選擇和應用

為了減少佈線工作量，每個環形網絡只應連接位於同一樓層的裝置。此外，也應當注意不要將出租區域中不同業主的裝置連接在一起，這樣設置的目的是當裝置發生故障，也只僅有單一業主會受影響而已。因此，每個樓層可能需要安裝多個環形網絡，如圖5所示，是一個三層辦公樓的典型環形網絡拓撲架構。

圖5 三層辦公樓的環形拓撲

臺達管理型交換器可提供十個網絡端口，每個臺達LOYTEC控制器都具有雙網口，因此可以通過串聯方式實現環形網絡連接，每層可組成四個環形網絡，剩餘的兩個網絡端口，需要根據其樓層設置情況，可以用來進行上、下樓層之間的通信，或連接至樓宇管理網絡。

這類環形網絡架構保證了在每個樓層內單個控制器的故障不會影響到其他控制器，但實際項目中，交換器或樓層交換機之間的通訊線路也有發生故障的潛在可能。如果其中一臺交換機或者樓層間的網線發生故障，則連接在這個交換機下的設備也將因為發生斷線而無法再進行正常通信。如圖6所示，即顯示了在交換器2出現故障時的後果。由於交換器2無法再進行數據傳輸，因此，第2樓層及第3樓層控制器的數據點也一樣無法上傳至整個樓宇自控網絡。

圖6 交換機出現單點故障

針對上述出現的問題，可以採取設置備份交換機的方式來解決，即在同一環形網絡中的裝置同時連接至兩臺交換器而非一臺，如圖7所示。如果使用這種拓撲結構，那麼每個樓層上還可以繼續建立更多的環形網絡。

圖7 樓層增加備份交換機

若以每層樓使用兩臺交換器的方式設置環形網絡架構，可以成倍的增加單個樓層的環形網絡數量，也提升了整個控制網絡的可靠性。圖7顯示了交換器21發生故障的一個例子。很顯然，所有裝置仍可通過另一臺交換機來實現通訊。

我們進一步討論需要更高可靠性的場景，例如在樓層間實施網狀拓撲。由於更多的端口被預留作為垂直數據傳輸之用，因此可靠性可以增加，然而佈線工作也同時會被增加，不過由於更多的網絡端口用於佈設網絡架構，那麼留給控制器的端口數量會相應的減少。然而，最終的好處就是，如果採用這種拓撲形態，可容許每樓層任一臺交換機發生故障時，不會影響任何控制器在樓宇網絡中的數據通訊，如圖8所示。