全IP网络架构下的楼宇自控系统设计

楼宇自控系统在不同发展阶段常用通讯协议有Modbus，Lonworks，BACnet等，之前这些通讯协议以传统的总线实现，例如Modbus RTU、Lon FT-10或BACnet MSTP。如今随着现代的IP网络技术的发展，在楼宇中大量综合布线技术，即广泛采用光纤与网线来架构网络，建设网络架构的成本在不断降低，利用全IP网络架构建设楼宇管理系统（BMS）已经成为如今发展的主流趋势，对应网络架构下的通讯协议为Modbus TCP、Lon IP或BACnet IP。

项目设计时，系统集成商可结合楼层、房间平面图和客户的需求即可开展楼宇自控系统的各项规划活动。在一个全IP网络架构的项目中，必然有不少的IP控制器接入其中，此时，管理网络的可靠性对于控制系统起到了至关重要的作用，一旦网络出现故障，设备将无法得到有效控制。

可靠性在楼宇自控系统的重要意义

IP管理网络存在的主要目的是在于使不同地点的控制器能够高效地进行数据传输。如果客户通过电脑管理界面或者触控屏幕点击“开启”钮控制灯光时，一定也期望灯光随之亮起。这一应用场景应当在任何时刻，任何情况下都能够实现。我们将这种期望及设备响应定义为设备的“可靠性”。如果可靠性超过99.99％，则其反映在每年53分钟之内的宕机时间。“宕机时间”是指系统出现宕机的一段持续时间。但并不包括例如设备维护这类计划内的停机时间。

这是对于一个子系统而言，如果针对整个楼宇自控系统，那么可靠性是源自于各个子系统可靠性的乘积。假设LOYTEC控制器建立的楼宇自控系统的组合可靠性为99.7％，则可期待其每年最大停机时间为不超过26.3小时。又假设底层IP网络的可靠性仅为98.3％，则其可靠性将为0.997x0.983=0.98=98％。图1表示了典型楼宇自控系统中的一个子系统范例架构。

图1 楼宇中的BA系统典型架构

如果连接控制器到中控电脑的网络交换机或者交换机之间的网线发生故障的话，将导致无法实现手动切换灯光。这是中控电脑发送的IP数据包无法转发到灯光控制器的原因。因此，所有网络组件均须视同系统的重要组成部分。下文将介绍如何利用环形网络架构来提高IP网络的可靠性，以提高整个智能楼宇系统的可靠性。
网络拓扑的选择对可靠性的影响

网络拓扑的选择是决定可靠性的另一个重要因素。网络物理拓扑则描述了所有网络元件的选择及其连接方式。常见拓扑结构为星形或线性菊花链，两者均包含单点故障的可能性，故其系统可靠性也会随之降低。例如，构成星形网络中心的交换器失效了，那么连接这交换机的所有设备之间也不能再进行通信，如图2所示。对于线性菊花链拓扑中，一个故障的以太网络端口将会把整个网络剖分成两个子网，连接到不同子网的装置之间的通信也会因此中断，如图3所示。

图2 星型拓扑中发生的故障情况       图3 线性菊花链中发生的故障情况

反之，环形网络则既可承受缆线中断、网络端口或控制装置的故障，而不影响其他控制器在楼宇自控网络中的通讯，如图4所示。基于这项优点，本文将关注的重点也将聚焦于环状拓扑。而能够实现这一网络架构的重要基础是控制器必须支持双网口设计，且双网口可实现交换机的功能。

图4 环形网络单一装置故障对其他设备无影响

智能楼宇系统中环形网络选择和应用

为了减少布线工作量，每个环形网络只应连接位于同一楼层的装置。此外，也应当注意不要将出租区域中不同业主的装置连接在一起，这样设置的目的是当装置发生故障，也只仅有单一业主会受影响而已。因此，每个楼层可能需要安装多个环形网络，如图5所示，是一个三层办公楼的典型环形网络拓扑架构。

 图5 三层办公楼的环形拓扑

台达管理型交换器可提供十个网络端口，每个台达LOYTEC控制器都具有双网口，因此可以通过串联方式实现环形网络连接，每层可组成四个环形网络，剩余的两个网络端口，需要根据其楼层设置情况，可以用来进行上、下楼层之间的通信，或连接至楼宇管理网络。

这类环形网络架构保证了在每个楼层内单个控制器的故障不会影响到其他控制器，但实际项目中，交换器或楼层交换机之间的通讯线路也有发生故障的潜在可能。如果其中一台交换机或者楼层间的网线发生故障，则连接在这个交换机下的设备也将因为发生断线而无法再进行正常通信。如图6所示，即显示了在交换器2出现故障时的后果。由于交换器2无法再进行数据传输，因此，第2楼层及第3楼层控制器的数据点也一样无法上传至整个楼宇自控网络。

图6 交换机出现单点故障

针对上述出现的问题，可以采取设置备份交换机的方式来解决，即在同一环形网络中的装置同时连接至两台交换器而非一台，如图7所示。如果使用这种拓扑结构，那么每个楼层上还可以继续建立更多的环形网络。
 

图7 楼层增加备份交换机

若以每层楼使用两台交换器的方式设置环形网络架构，可以成倍的增加单个楼层的环形网络数量，也提升了整个控制网络的可靠性。图7显示了交换器21发生故障的一个例子。很显然，所有装置仍可通过另一台交换机来实现通讯。

我们进一步讨论需要更高可靠性的场景，例如在楼层间实施网状拓扑。由于更多的端口被预留作为垂直数据传输之用，因此可靠性可以增加，然而布线工作也同时会被增加，不过由于更多的网络端口用于布设网络架构，那么留给控制器的端口数量会相应的减少。然而，最终的好处就是，如果采用这种拓扑形态，可容许每楼层任一台交换机发生故障时，不会影响任何控制器在楼宇网络中的数据通讯，如图8所示。

 图8 楼层之间设置网状网络

结论

楼宇自控系统是建筑技术与计算机信息技术相互结合的产物，随着计算机信息技术的发展，全IP网络架构已经成为主流发展方向，也是智能建筑方向关注的重点。而当讨论楼宇控制网络架构时，其可靠性是需要关注的重中之重，作为楼宇自控系统集成商，我们有义务告知客户高可靠性带来的种种好处。