樓宇自控系統(tǒng)在不同發(fā)展階段常用通訊協(xié)議有Modbus，Lonworks，BACnet等，之前這些通訊協(xié)議以傳統(tǒng)的總線實現(xiàn)，例如Modbus RTU、Lon FT-10或BACnet MSTP。如今隨著現(xiàn)代的IP網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在樓宇中大量綜合布線技術，即廣泛采用光纖與網(wǎng)線來架構網(wǎng)絡，建設網(wǎng)絡架構的成本在不斷降低，利用全IP網(wǎng)絡架構建設樓宇管理系統(tǒng)（BMS）已經(jīng)成為如今發(fā)展的主流趨勢，對應網(wǎng)絡架構下的通訊協(xié)議為Modbus TCP、Lon IP或BACnet IP。

項目設計時，系統(tǒng)集成商可結(jié)合樓層、房間平面圖和客戶的需求即可開展樓宇自控系統(tǒng)的各項規(guī)劃活動。在一個全IP網(wǎng)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(wǎng)絡的可靠性對于控制系統(tǒng)起到了至關重要的作用，一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，設備將無法得到有效控制。

可靠性在樓宇自控系統(tǒng)的重要意義

IP管理網(wǎng)絡存在的主要目的是在于使不同地點的控制器能夠高效地進行數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)。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(nèi)的宕機時間?！板礄C時間”是指系統(tǒng)出現(xiàn)宕機的一段持續(xù)時間。但并不包括例如設備維護這類計劃內(nèi)的停機時間。

這是對于一個子系統(tǒng)而言，如果針對整個樓宇自控系統(tǒng)，那么可靠性是源自于各個子系統(tǒng)可靠性的乘積。假設LOYTEC控制器建立的樓宇自控系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)中的一個子系統(tǒng)范例架構。

圖1 樓宇中的BA系統(tǒng)典型架構

如果連接控制器到中控電腦的網(wǎng)絡交換機或者交換機之間的網(wǎng)線發(fā)生故障的話，將導致無法實現(xiàn)手動切換燈光。這是中控電腦發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包無法轉(zhuǎn)發(fā)到燈光控制器的原因。因此，所有網(wǎng)絡組件均須視同系統(tǒng)的重要組成部分。下文將介紹如何利用環(huán)形網(wǎng)絡架構來提高IP網(wǎng)絡的可靠性，以提高整個智能樓宇系統(tǒng)的可靠性。
網(wǎng)絡拓撲的選擇對可靠性的影響

網(wǎng)絡拓撲的選擇是決定可靠性的另一個重要因素。網(wǎng)絡物理拓撲則描述了所有網(wǎng)絡元件的選擇及其連接方式。常見拓撲結(jié)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(tǒng)可靠性也會隨之降低。例如，構成星形網(wǎng)絡中心的交換器失效了，那么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。對于線性菊花鏈拓撲中，一個故障的以太網(wǎng)絡端口將會把整個網(wǎng)絡剖分成兩個子網(wǎng)，連接到不同子網(wǎng)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(fā)生的故障情況       圖3 線性菊花鏈中發(fā)生的故障情況

反之，環(huán)形網(wǎng)絡則既可承受纜線中斷、網(wǎng)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(wǎng)絡中的通訊，如圖4所示。基于這項優(yōu)點，本文將關注的重點也將聚焦于環(huán)狀拓撲。而能夠?qū)崿F(xiàn)這一網(wǎng)絡架構的重要基礎是控制器必須支持雙網(wǎng)口設計，且雙網(wǎng)口可實現(xiàn)交換機的功能。

圖4 環(huán)形網(wǎng)絡單一裝置故障對其他設備無影響

智能樓宇系統(tǒng)中環(huán)形網(wǎng)絡選擇和應用

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

 圖5 三層辦公樓的環(huán)形拓撲

臺達管理型交換器可提供十個網(wǎng)絡端口，每個臺達LOYTEC控制器都具有雙網(wǎng)口，因此可以通過串聯(lián)方式實現(xiàn)環(huán)形網(wǎng)絡連接，每層可組成四個環(huán)形網(wǎng)絡，剩余的兩個網(wǎng)絡端口，需要根據(jù)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(wǎng)絡。

這類環(huán)形網(wǎng)絡架構保證了在每個樓層內(nèi)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(fā)生故障的潛在可能。如果其中一臺交換機或者樓層間的網(wǎng)線發(fā)生故障，則連接在這個交換機下的設備也將因為發(fā)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(xiàn)故障時的后果。由于交換器2無法再進行數(shù)據(jù)傳輸，因此，第2樓層及第3樓層控制器的數(shù)據(jù)點也一樣無法上傳至整個樓宇自控網(wǎng)絡。

圖6 交換機出現(xiàn)單點故障

針對上述出現(xiàn)的問題，可以采取設置備份交換機的方式來解決，即在同一環(huán)形網(wǎng)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(jié)構，那么每個樓層上還可以繼續(xù)建立更多的環(huán)形網(wǎng)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(huán)形網(wǎng)絡架構，可以成倍的增加單個樓層的環(huán)形網(wǎng)絡數(shù)量，也提升了整個控制網(wǎng)絡的可靠性。圖7顯示了交換器21發(fā)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(xiàn)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(wǎng)狀拓撲。由于更多的端口被預留作為垂直數(shù)據(jù)傳輸之用，因此可靠性可以增加，然而布線工作也同時會被增加，不過由于更多的網(wǎng)絡端口用于布設網(wǎng)絡架構，那么留給控制器的端口數(shù)量會相應的減少。然而，最終的好處就是，如果采用這種拓撲形態(tài)，可容許每樓層任一臺交換機發(fā)生故障時，不會影響任何控制器在樓宇網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通訊，如圖8所示。

 圖8 樓層之間設置網(wǎng)狀網(wǎng)絡

結(jié)論

樓宇自控系統(tǒng)是建筑技術與計算機信息技術相互結(jié)合的產(chǎn)物，隨著計算機信息技術的發(fā)展，全IP網(wǎng)絡架構已經(jīng)成為主流發(fā)展方向，也是智能建筑方向關注的重點。而當討論樓宇控制網(wǎng)絡架構時，其可靠性是需要關注的重中之重，作為樓宇自控系統(tǒng)集成商，我們有義務告知客戶高可靠性帶來的種種好處。