BACnet标准与楼宇自控系统技术

前言

缩略语

第1章工控领域和楼控领域的控制

网络技术1

1?1工控领域控制网络的发展及主要特点1

1?1?1控制网络技术的发展1

1?1?2控制网络的主要特点3

1?2控制网络和信息网络的主要区别及

常用的控制网络4

1?3传统的控制总线6

1?3?1RS?232总线6

1?3?2RS?485总线8

1?4现场总线9

1?4?1什么是现场总线及主要种类9

1?4?2PROFIBUS11

1?4?3LonWorks总线技术13

1?4?4ModBus16

1?4?5CAN总线网络17

1?4?6EIB19

1?4?7CEBus22

1?5工业以太网与实时以太网23

1?5?1工业以太网及其特点23

1?5?2工业以太网作为控制网络的技术

优势24

1?5?3实时以太网25

1?5?4灵活组织控制网络的架构26

1?5?5关于实时以太网的IEC 61784?2

标准26

1?6BACnet标准支持的控制网络26

1?6?1楼宇自控系统通信网络架构26

1?6?2BACnet支持的控制网络28

1?7楼宇自控系统中常用控制网络和底层

控制网络的选择28

1?7?1楼宇自控系统中常用的控制

网络28

1?7?2底层控制网络的选择28

第2章BACnet标准概述29

2?1BACnet标准29

2?1?1BACnet标准的推出29

2?1?2BACnet标准的推广29

2?1?3采用BACnet标准构建BAS的

优点30

2?2SPC 135P及工作组31

2?3BACnet标准的主要组成内容和概要32

2?3?1BACnet标准的主要组成内容32

2?3?2BACnet标准概要38

2?4国际和国内推广BACnet标准的组织43

2?4?1ASHRAE SSPC 135 委员会43

2?4?2BACnet International43

2?4?3BACnet Interest Group Europe

(BIG?EU)43

2?4?4Caba44

2?4?5IPC44

2?4?6PCI?SIG44

2?4?7ARCnet Trade Association(ATA)44

2?4?8BMA?BACnet制造商协会44

2?4?9国内的相关组织44

2?4?10国内近两年来开展关于BACnet

标准技术交流的情况45

2?5BACnet认证和BTL测试46

第3章BACnet协议的体系结构和

应用层48

3?1OSI七层参考模型和BACnet 简化体系

结构的提出48

3?1?1OSI七层参考模型及各层级数据的

组织形式48

3?1?2BACnet 简化体系结构的提出51

3?2BACnet 简化的体系结构和支持的

局域网52

3?2?1BACnet 简化的体系结构和各层

功能52

3?2?2BACnet标准支持的局域网53

3?3BACnet 网络中的一些基本组件54

3?3?1BACnet网络中的物理网段、网段

和网桥54

3?3?2节点、半路由器和路由器54

3?4BACnet 网络的拓扑结构55

3?5应用层57

3?5?1应用层的模型57

3?5?2有证实的应用层服务和无证实的

应用层服务59

3?5?3BACnet报文的分段59

3?5?4BACnet APDU的传输60

3?5?5应用层协议状态机63

3?5?6BACnet对象66

3?5?7BACnet标准的应用层服务70

3?5?8应用层协议时序图72

第4章BACnet的网络层、物理层和

数据链路层77

4?1BACnet网络层功能及对网络层的

说明77

4?1?1BACnet网络层功能77

4?1?2BACnet网络层与TCP/IP网络层

的区别77

4?2BACnet网络层服务与PDU结构80

4?2?1BACnet网络层服务80

4?2?2BACnet网络层PDU结构81

4?3网络层协议报文和运行规程82

4?3?1网络层协议报文82

4?3?2网络层协议运行规程83

4?4BACnet路由器85

4?4?1路由表和路由表的管理方式86

4?4?2路由器的运行和路由器流量

控制86

4?4?3一种BACnet路由器产品87

4?5BACnet数据链路和物理层规范88

4?5?1BACnet数据链路/物理层支持和

自定义的局域网技术88

4?5?2BACnet的以太网规范88

4?5?3BACnet的ARCnet局域网规范89

4?5?4MS/TP局域网规范90

4?5?5BACnet网络架构94

第5章BACnet/IP网络95

5?1IP网络与BACnet/IP互联协议的

提出95

5?1?1TCP/IP体系中的IP95

5?1?2BACnet/IP网络的互联与BACnet/IP

互联协议的提出99

5?2B/IP PAD技术100

5?2?1B/IP PAD技术（隧道技术）的

基本原理100

5?2?2B/IP PAD的实现结构100

5?3BACnet/IP网络102

5?3?1BACnet/IP互联网103

5?3?2BVLL协议106

5?3?3BBMD和FD108

5?3?4BACnet/IP网络互联及路由器111

5?3?5BACnet/IP和BACnet设备的混合

网络113

第6章BACnet标准与PTP及MS/TP

网络116

6?1MS/TP 控制总线116

6?1?1MS/TP协议116

6?1?2MS/TP 控制总线的基本组网

方式116

6?1?3接收数据帧状态机和Master节点

状态机118

6?1?4BACnet数据包接收、发送和提高

BACnet MS/TP设备数据访问

速度119

6?1?5MS/TP网络物理层中的RS?485

总线119

6?1?6一个在MCU中实现的BACnet?

MS/TP协议软件框架122

6?2PTP网络123

6?2?1BACnet PTP通信123

6?2?2BACnet PTP通信的服务规范123

6?2?3PTP的数据链路帧格式124

第7章BACnet标准与LON及ARCnet

网络126

7?1LonWorks网络126

7?1?1LonWorks技术的主要组成126

7?1?2LonTalk协议127

7?1?3Neuron神经元芯片137

7?1?4收发器139

7?1?5LonWorks节点技术140

7?1?6Neuron C语言141

7?1?7I/O对象145

7?1?8网络变量146

7?1?9LON网络148

7?1?10LonWorks总线网络在BAS中的

应用152

7?1?11LonWorks总线网络与Internet的

互联152

7?1?12i?LON 600 LonWorks/IP

服务器153

7?1?13计算机网络与LonWorks控制网络

的比较154

7?1?14LonWorks系统的设计154

7?1?15LonWorks网络控制技术系统开发

实例157

7?2ARCnet162

7?2?1ARCnet概述162

7?2?2ARCnet逻辑环建立和数据的接收

与发送163

7?2?3ARCnet的实时性164

7?2?4数据链路层166

7?2?5ARCnet网卡和集线器168

7?2?6ARCnet的网络结构和最大网络

长度168

第8章BACnet标准与以太网171

8?1以太网的标准系列171

8?1?1IEEE 802标准系列171

8?1?2IEEE 802?3以太网标准172

8?2典型以太网技术173

8?2?110Base?T网络173

8?2?210Base?F网络174

8?2?3IEEE 802?3u快速以太网174

8?2?4千兆位以太网177

8?3从标准以太网、快速以太网到千兆位

以太网的升级180

8?3?1网络环境需要更高的带宽180

8?3?2交换机到交换机连接信道的

升级180

8?3?3交换机到服务器连接信道的

升级180

8?3?4对交换式快速主干以太网的

升级181

8?3?5网络升级的一些注意事项181

8?3?6从标准和快速以太网向千兆位

以太网升级的举例181

8?4以太网与楼宇自控网络182

8?4?1以太网进入工控和楼宇自控

领域182

8?4?2实现千兆位以太网的方法和用于

工业控制及工业环境中的千兆位

以太网185

8?5万兆位以太网186

8?5?1万兆位以太网的技术特点187

8?5?210000Base?ER和10000Base?

EW187

8?5?310000Base?LR、10000Base?L4、

10000Base?SR187

8?5?410000Base?SW188

8?5?5万兆位以太网物理层标准和组网

距离188

8?5?6万兆位以太网的应用189

8?6以太网信号帧结构189

8?7物理层中数据的组织形态192

8?8全双工交换式以太网193

8?8?1交换式以太网193

8?8?2全双工交换式以太网194

第9章工业以太网与实时以太网197

9?1工业以太网与实时以太网概述197

9?1?1工业网络197

9?1?2以太网、工业以太网和实时以

太网197

9?1?3关于现场总线和实时以太网的

IEC 61158标准198

9?1?4工业以太网与普通商用以太网

产品199

9?1?5工业以太网的速度和覆盖距离200

9?1?6全双工及自动协商200

9?1?7一个工业以太网控制系统201

9?2设计和实现工业以太网应用系统要

考虑的部分因素202

9?2?1传输介质与拓扑结构202

9?2?2以太网和控制网络的集成及硬件

设备可靠性解决方案203

9?3关于工业以太网和实时以太网技术的

问题203

9?4Ethernet/IP205

9?4?1Ethernet/IP通信协议模型205

9?4?2Ethernet/IP实时以太网系统

结构207

9?5PROFINET208

9?5?1PROFINET简介208

9?5?2PROFINET通信协议模型208

9?5?3PROFINET技术中的部分重要

概念209

9?5?4PROFINET组网拓扑和子网211

9?5?5PROFINET网络接口的技术

规范211

9?5?6优化的 PROFINET网络212

9?5?7PROFINET技术应用实例213

9?6EtherCAT215

9?6?1EtherCAT系统的结构216

9?6?2EtherCAT网络中的主站、从站和

通信协议模型217

9?6?3EtherCAT网络拓扑结构和传输

介质218

9?6?4EtherCAT技术特点219

9?7EPA220

9?7?1EPA标准220

9?7?2EPA通信协议和系统结构221

9?7?3互通信与互操作223

9?7?4开放性与安全223

9?8ModBus/TCP224

9?8?1ModBus/TCP工业以太网协议

概述224

9?8?2ModBus/TCP数据帧224

9?8?3ModBus/TCP网络的体系结构及

通信224

9?9工业以太网监控系统的结构226

9?9?1C/S结构226

9?9?2B/S结构226

9?9?3B/S与C/S相结合的体系结构227

9?10工业以太网的部分主要设备227

9?10?1一个工业以太网的解决方案227

9?10?2工业以太网供电PoE交换机228

9?10?3部分工业以太网PoE设备和

终端229

9?10?4工业以太网网关229

9?10?5工业以太网中的交换机230

9?10?6工业以太网中的路由器232

9?11工业IP视频监控232

9?12一些工业以太网的比较233

9?13TCP/IP与现场总线通信协议结构的

比较234

9?14工业以太网的规划安装调试235

9?14?1工业以太网和商用以太网的

主要区别235

9?14?2MICE环境参数和结构化布线

标准236

9?14?3工业以太网的网络结构和虚拟

局域网237

9?14?4规划和组建一个工业以太网要

考虑的问题238

第10章BAS及技术242

10?1BAS基础知识242

10?1?1BAS的功能和特点242

10?1?2BAS的组成和监控对象243

10?1?3BAS中的传感器和执行机构244

10?1?4DDC功能和结构250

10?2中央空调系统的冷源252

10?2?1中央空调及冷源252

10?2?2冷水机组的分类及运行原理252

10?2?3制冷站的自动监测与控制254

10?3中央空调热源系统259

10?3?1热网和自备热源259

10?3?2电热锅炉的运行及控制260

10?3?3热交换器及控制260

10?4新风机组及控制261

10?4?1新风机组的控制原理和运行状态

及参量监控261

10?4?2新风机组运行控制与节能

控制262

10?5空调机组及自动控制263

10?5?1空调机组的安装位置关系263

10?5?2四管制空调机组的工作原理264

10?5?3定风量空调机组运行状态及参量

监控265

10?5?4定风量空调机组的运行控制与

节能运行266

10?6风机盘管系统及控制267

10?6?1风机盘管空调系统的工作

原理267

10?6?2风机盘管加新风系统269

10?7变风量空调系统270

10?7?1变风量空调系统简介270

10?7?2VAV空调系统组成271

10?7?3VAV空调机组的末端装置

（VAVBOX）271

10?7?4VAV空调系统基本原理272

10?7?5VAV空调系统分类273

10?7?6ＶＡＶ空调系统特点276

10?7?7一个典型的VAV空调机组

控制276

10?7?8VAV空调系统运行状态及参量

监控276

10?7?9VAV空调系统运行与节能

控制277

10?7?10变风量空调系统的设计279

10?8通风系统自动控制282

10?9空调房间热负荷和湿负荷计算及

新风量确定282

10?9?1空调房间热负荷及计算282

10?9?2湿负荷及计算284

10?9?3空调房间送风量的确定和空调

系统新风量的确定285

10?10BAS设计的基础知识286

10?10?1BAS设计的范围和系统规模

确定286

10?10?2通信网络设计286

10?10?3控制点规划287

10?10?4中央管理机设计287

10?10?5现场分站设计287

10?10?6空调冷热水系统的一些参数

设置288

10?10?7中控室289

10?11PID控制290

10?11?1比例调节、积分调节和微分

调节290

10?11?2连续控制系统中的PID控制292

10?11?3比例调节器的比例带293

10?11?4三种调节作用的关系293

10?11?5闭环控制和位式调节器294

10?12中央空调系统各子系统的设计

要点296

10?12?1冷水机组控制系统设计要点296

10?12?2新风机组、空调机组及风机

盘管控制设计要点296

10?13部分典型BAS的软硬件架构297

10?13?1卓灵BAS297

10?13?2施耐德TAC BAS299

10?13?3METASYS BAS302

10?13?4BACtalk BAS304

10?13?5西门子Apogee BAS308

第11章系 统 集 成314

11?1BAS集成概述314

11?1?1BAS的系统集成314

11?1?2系统集成概念的扩充315

11?2系统集成的特点和系统集成的基本

思想316

11?2?1系统集成的特点316

11?2?2系统集成的基本思想316

11?2?3BAS集成的步骤317

11?3系统网络结构设计和系统集成的

水平层次317

11?3?1系统网络结构设计317

11?3?2系统集成的水平层次318

11?3?3系统集成的信息流及信息单元

矩阵描述318

11?4BAS集成的技术模式320

11?4?1以BMS为中心的集成模式320

11?4?2采用BACnet 或LonWorks技术的

模式320

11?4?3直接在以太网环境下进行系统

集成320

11?4?4采用数据库集成模式321

11?4?5采用OPC技术及ODBC技术实现

智能建筑系统集成321

11?5BACnet体系下的系统集成322

11?5?1BACnet体系在系统集成中具有的

优势322

11?5?2BACnet系统集成方法323

11?6智能楼宇系统集成工程应用实例325

11?6?1某标志建筑的智能化系统集成

工程325

11?6?2某大厦建筑智能化管理系统中的

系统集成案例326

11?7智能楼宇系统集成的部分问题

探讨328

11?7?1系统集成的一些新特点329

11?7?2使用以太网架构系统的集成技术

正在迅速发展329

11?7?3中间件技术在系统集成中的重大

作用330

第12章BACnet网关以及BACnet

网络与异构网的互联331

12?1BACnet网络的互操作域331

12?1?1描述设备的通用方式和分层级的

体系结构331

12?1?2BACnet的互操作模型331

12?2BACnet网关333

12?2?1BACnet网关的主要作用333

12?2?2一种支持BACnet总线的无线

传感器网关334

12?2?3LonWorks网络与BACnet网关334

12?2?4ModBus与BACnet MS/TP互联的

网关主要技术参数336

12?3部分网关产品及性能参数337

12?3?1RogerweⅡ网关（通信协议转换器

PC?GATEWAY）337

12?3?2EIB转BACnet /IP网关338

12?3?3ModBus RTU转LonWorks

网关338

12?3?4ModBus转BACnet/IP网关339

12?3?5ModBus转BACnet MS/TP

网关339

12?4BACnet与蓝牙网络的互联互通340

12?5关于BACnet网关的开发343

12?5?1BACnet网关343

12?5?2BACnet网关开发中的程序

调试343

第13章应用系统举例及分析345

13?1BACnet系统的说明和设计345

13?2应用BACnet协议的控制器产品

举例346

13?2?1Delta的ORCA系列产品和

应用346

13?2?2CornfortPoint控制器及BAS的

组织347

13?3BACnet标准在冷水机组群控方面的

应用350

13?3?1系统组成350

13?3?2地址、设备编号与冷水机组内部

参数表350

13?3?3地址和通信接口绑定351

13?3?4有效的群控方法352

13?4BACnet应用系统中的无线传感器

网络352

13?4?1无线传感器网络352

13?4?2ZigBee网络与BACnet的互联354

13?4?3ZigBee网络在BACnet系统中的

扩展应用354

13?5基于BACnet/Web Services BAS356

13?5?1Web技术和XML356

13?5?2XML?Web Services360

13?5?3Web集成技术361

第14章BACnet技术的发展和技术

融合363

14?1现代建筑中的通信网络覆盖和网络

融合363

14?1?1现代建筑中的通信网络覆盖363

14?1?2网络融合364

14?2信息域网络与测控网络的互联

互通365

14?3短距离无线网络的互联互通368

14?3?1楼宇自控网络选择368

14?3?2什么是短距离无线网络的互联

互通368

14?3?3应用方向及前景370

14?4构建楼宇自控网络的优化模式371

14?4?1现有楼宇自控网络的结构特点及

不足371

14?4?2现有楼宇自控网络的结构

缺欠372

14?4?3架构楼宇自控网络的模式

选择375

14?4?4优化的楼宇自控网络模式及

组织376

14?5BACnet标准支持的楼宇自控网络的

比较378

14?5?1性价比排序378

14?5?2ISO 8802?3局域网的优、

缺点378

14?5?3选用ARCnet的考虑379

14?5?4选用MS/TP网络的考虑379

14?5?5选用LON网络的考虑379

14?6BACnet标准与IPv6380

14?6?1IPv6的地址结构和地址配置380

14?6?2IPv6地址体系结构381

14?6?3IPv4向IPv6的过渡382

14?6?4新技术对网络地址资源的需求

和IPv6384

14?6?5BACnet标准与IPv6385

14?7关于BACnet标准有待商榷的问题386

参考文献389缩略语缩略语

A应用层（前缀）

AE应用实体

ANSI美国国家标准学会

APCI应用层协议控制信息

API应用编程接口

ARCnet附加资源计算机网络

ASE应用层服务单元

ASN?1抽象句法结构符号1（ISO 8824）

B’’表示在单引号之间使用二进制符号

BAC楼宇自动控制

CNF证实原语

COV值的改变

CRC循环冗余码校验

D’’表示在单引号之间使用十进制符号

DA本地目标MAC层地址

DADR最终目标MAC层地址

DER需要应答的数据

DES数据加密标准（FIPS 46?1）

DIDARCnet目标MAC地址

DLEN最终目标MAC层地址的一个字节长度

DNET两个字节表示的最终目标的网络号码

DSAPLLC目标服务访问点（对于BACnet为X’82’）

EXEC执行一个服务请求的能力

ICI接口控制信息

IND指示原语

IEEE美国电气和电子工程师学会

INIT发起一个服务请求的能力

ISO国际标准化组织

L数据链路层（前缀）

LAN局域网

LLC逻辑链路控制（ISO 8802?2）

LPCI链路层协议控制信息

LPDU链路层协议数据单元

LSAP链路层服务访问点（对于BACnet为X’82’）

LSDU链路层服务数据单元

M命令的

M（=）命令的（参数与服务原语中左边的参数在语义上相等）

MA媒体访问（前缀）

MAC媒体访问控制

MPCIMAC层协议控制信息

MPDUMAC层协议数据单元

MSDUMAC层服务数据单元

MS/TP主从/令牌传递

N网络层（前缀）

NP网络优先权

NPCI网络层协议控制信息

NPDU网络层协议数据单元

NRZ反向不归零制

NSAP网络层服务访问点

NSDU网络层服务数据单元

O表明对某个属性的支持是可选的

OSI开放系统互联

P物理层（前缀）

PACARCnet数据分组的头字节

PCI协议控制信息

PDU协议数据单元

PICS协议实现一致性声明

PK私有密钥

PPCI物理层协议控制信息

PPDU物理层协议数据单元

PSDU物理层服务数据单元

PTP点对点

R表明对某个属性是支持的，并且用BACnet设备可读该属性

REQ请求原语

RSP响应原语

S选择

S（=）选择（参数与服务原语中左边的参数在语义上相等）

SA本地网络资源的MAC层地址

SAP服务访问点

SCARCnet系统代码（对于BACnet为X’CD’）

SDU服务数据单元

SIDARCnet源的MAC层地址

SK会话密钥

SLEN源节点的MAC层地址的一个字节长度

SNET两个字节表示的源节点网络号码

SPC标准工程委员会

SSAPLLC源节点服务访问点（对于BACnet为X8’2’）

TSM事务处理状态机

U用户选项

U（=）用户选项（参数与服务原语中左边的参数在语义上相等）

UART通用异步收发器

VT虚拟终端

W表明对某个属性是支持的，并且用BACnet设备可读和可写该属性

X ’’表示在单引号之间使用十六进制符号

XID交换标识（ISO 8802?2）