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附录A译文
楼宇自动化系统设计
摘要
建筑物越来越先进,对建筑服务的要求也就越来越高。一个现代化的建筑应该提供许多具有高度安全性，高效能源和便利性的服务。对于那些由于某些服务（例如医院）而需提供复杂需求的建筑物，所提供的服务也应更高级，并且对它们的要求也更高。这就意味着需要楼宇自动化系统，这些系统虽然价格昂贵，但是仍存在一些缺点。本论文将研究如何最大限度地减小系统的缺点的同时，从楼宇自动化系统的多种可能中受益。目的是找到如何以有效的方式在医院中设计、运行和管理楼宇自动化系统的方法。
论文包含了一个理论部分，描述了楼宇自动化系统的一般架构和功能。进一步解决的是，提供该功能并处理通信问题的不同的技术。
曾经也举行过与那些在医院或其他由于服务而需具备复杂要求的建筑物中工作的楼宇自动化工作人员的会议和访谈。这也使得他们对这些系统有了认识、经验和意见的积累。如今，许多涉及楼宇自动化的问题已经被解决，比如如何避免仅仅依赖少部分工作人员，以及如何确保多个系统的功能集成。
本论文的最后一部分包含在设计，运行和管理具有复杂要求的楼宇自动化系统的指导原则，这些原则基于先前的一些结论和作者自己的观点。一些原则用来匹配适用于不同系统的不同技术，以及如何协调系统以及如何确保未来的功能，兼容性和服务访问。
关键词：通信协议，楼宇自动化系统，集成，控制，HVAC，协议，Modbus，BACnet，KNX，LonWorks，OPC，SCADA，采购，PLC，RTU，现场总线，指导。
1简介
建筑物越来越先进,对建筑服务的要求也越来越高。一个现代化的建筑被期望为使用者提供具有高度安全性，高效能源和便利性的服务。对于那些由于某些服务（例如医院）而具有复杂要求的建筑物，所提供的服务也应更高级，对它们的要求也更高。其中的许多服务由于彼此之间的通信，共享功能和集中监控而受益。为了有效的监控多个建筑物服务的状态，或多或少的需要先进的楼宇自动化系统。使用先进的楼宇自动化系统也变得具有优势:集中的监控几个系统、共享报警、有效控制策略的相互作用、远程服务等。以往的经验也表明了其中的一些缺点：需要更高的水平、依靠一家公司服务的风险更大、投资成本更高等。
从优势中获益，同时避免其缺点不是一个简单的任务。对于几个主要的楼宇自动化项目，这项任务完成的并不令人满意。本论文将承担这个重任，研究如何从楼宇自动化系统的多种可能中受益，同时最大限度地减少缺点。
1.1目的
本论文的目的是找到如何有效地在医院中设计，运行和管理楼宇自动化系统的方法。
1.2范围和方法
为了达到本论文的目的，提出了对一般楼宇自动化系统的描述。此外，还对楼宇自动化系统中使用的通信标准进行了研究。这些部分（第2章和第3章）可以被看作是论证论文结果所需要的理论部分。它们主要基于对文献的研究。对于文献有缺陷或模糊的知识空白，已由本论文编写过程中受访的人帮忙填补。
以下部分（第4章，第5章和第6章）基于与那些在医院或其他由于服务而需具备复杂要求的建筑物中工作的楼宇自动化工作人员的会议和访谈。本部分视为他们对医院和其他由于活动而有复杂要求的建筑物中的楼宇自动化系统的知识，经验和意见的积累。报告的这一部分不包含任何个人意见，主要有两个原因：讨论了一些敏感的问题，这也避免了那些提出引人误解的人被认出。许多观点只是个别人赞同但其他的一些人不赞同，这将使本章多处引用变得难以阅读。
最后一部分（第7章）是对本论文目的的明确回答。该分析基于前文的结论（第4章，第5章和第6章）。本章的分析更进一步，并且作者就如何有效地在医院中设计，运行和管理楼宇自动化系统提出了建议。
本文的主要关注点是大医院，所有的访问都是针对医院而言。然而，本论文的结果还是比较有概括性的，因为许多建筑物由于功能和或多或少复杂的要求，具有类似的楼宇自动化系统并面临相同的问题。
1.3论文安排
第1章：第一章是对论文的介绍，其中提出了目的和范围;它也是对如何进行工作的简短描述。
第2章：本章是所描述的楼宇自动化系统的主要部分，这是论文的理论部分。
第3章：本文的第三章是关于可用于楼宇自动化系统的通信标准和不同协议，这是论文的一个理论部分。
第4章：本章基于访谈和解决楼宇自动化系统基础设施的问题，包括主网络，协议，不同协议之间的通信和无线通信。
第5章：本章基于访谈，解决维护问题，系统何时应该维护以及应该持续多久。
第6章：本章基于访谈，解决实施过程中的问题和系统的操作。并解决了当系统不按计划工作时关于责任的问题。
第7章：本章包含在设计，实施和管理具有复杂要求的楼宇自动化系统时实用的指导方法。在考虑医院的情况下提出了这些指导方法，但是它们中的许多是通用的，并且适用于具有或多或少复杂要求的其他系统。指导方法是基于第4章到第6章的结论和作者自己的意见。
2楼宇自动化系统
楼宇自动化系统是控制和监视楼宇服务的系统。这些系统可以通过几种不同的方式建立。在本章中，将描述由于需要具备一些功能而具有复杂要求的建筑物（例如医院）的一般建筑物自动化系统。实际系统通常具有这里描述的几个特征和组件，但这里描述的特征和组件并不全面，它们也可能包括本章中没有描述的一些具体的解决方案。
在定义楼宇自动化系统时，将系统划分为多个级别是有利的。在系统中没有统一的方法来定义和命名这些级别。本论文的目的，是将所有设备划分为三个层级和连接它们的三个网络。在本章中，楼宇自动化系统中所有部件的功能将从字段级开始自下而上的定义。
2.1现场设备
现场设备包括物理控制或检测建筑功能的所有设备。它们是诸如促动器、运动传感器、烟雾探测器、阀、阻尼器、风扇、读卡器、电动机、喷洒器、灯开关、医院专用设备等装置。这些装置中的大多数它们自己本身并不具备智能化，它们只是发送它们的状态或对控制信号作出反应。在最基本的系统中，现场级设备由手动控制，不连接到任何设备。对于简单的自动控制，控制装置可以连接到传感器，例如连接到运动传感器的灯开关。这些解决方案适用于许多应用，但是对于更高级的建筑服务系统，通常需要更先进的控制系统。这通常通过现场网络将现场级设备连接到自动化级别中的更高级控制器来实现。现场级设备然后作为从设备，而它们的自动化级控制器是主设备。还有的现场级设备以其他方式连接到楼宇自动化系统。例如，外部气象站可以直接或通过网关连接到主网络。
2.2现场网络
现场网络是将Field级别与Automation级别连接的网络。该网络的主要目的是将执行器，传感器和其他现场级设备连接到自动化级中的PLC，可编程逻辑控制器或RTU，远程终端单元。两层之间的物理连接可以是四种不同类型：硬接线、总线系统、电源线、无线。
这四种类型中的一种或多种将是现场网络的主干。楼宇自动化系统通常包含多个现场网络。
2.2.1硬接线
如果现场层级的设备通过硬接线连接，则每个设备通过单独的电缆连接到自动化级设备上的单个端口。通过现场网络发送的信号类型取决于构成系统的设备。例如，控制阀通常提供在0V和10V之间的电压。这是模拟控制信号并显示阀应该在什么位置。更贴切的示例可以是通过某种数据电缆硬连接到PLC的外部气象站。在该示例中发送的信号由数字数据组成。对于有限数量连接的系统，硬接线通常是一个令人满意的方式。
2.2.2现场总线
另一个解决方案是通过一个或多个现场总线连接现场级设备。现场总线通常由双绞铜缆组成，用于通信。电源可以单独连接到设备，也可以包括在总线电缆中的额外电线中。这些电线在主干拓扑中分为接线盒或以菊瓣式链接形式连接，如图2.2所示。
图2.2主干拓扑，设备使用另一条电缆连接到主总线电缆。菊瓣式链接，主总线电缆直接连接到每个设备。
现场总线可以与局域网进行比较。在现场总线中，在设备连接到主电缆的交叉点中不需要开关。这是因为当以低比特率传输数据时，信号反射的影响可以忽略。另一方面，局域网具有大约每秒100-1000兆比特的比特率。这意味着如果不存在用于拆分和隔离两个节点之间的通信的任何开关，则网络将恒定溢出反射信号。
由于缺少交换机，总线上的所有设备都通过电缆接收发送消息，但只有寻址的设备对其进行响应。对于这些类型的网络的通用比特率每秒约1-40千比特，不到一个普通的以太网网络的千分之一。这对大多数设备来说是足够的，因为公共消息仅由几个字节组成。根据使用的协议，电缆长度和连接类型，在一个总线中连接的组件数量从几十到几千不等。
2.2.3电源线连接
一些通信标准还支持通过连接常规电插座的230V/50Hz电缆进行电力线通信。信号可以共享相同的基础设施，因为数据通信使用高达95-125kHz的频带。为了避免信号的反射，比特率通常保持较低，在大约每秒1千比特。网络的架构和主要功能类似于现场总线系统。
2.2.4无线连接
用于现场网络的最常见的无线通信技术是中频带（868MHz）中的射频。通过对无线电波的频率，相位或幅度进行建模来传输数据。在具有由例如木材和石膏制成的轻质间隔壁的建筑物中，发射器的公共范围大约为30m2。如果墙壁包含金属，由混凝土制成或如果有其他特殊情况，则范围会大大减小。放大器可用于扩展范围，通常它们被应用在现场级设备中的发射器中。
2.3自动化水平
自动化级别包括实时控制和调整现场级设备的所有高级控制器。如今，这些控制器通常是数字化的，并且基于微处理器。这使得在编程时，它们可以适应以下的控制程序：比例控制、积分控制、差分控制、任何其他逻辑控制或逻辑控制的组合。控制器可以分为两类：PLC-可编程逻辑控制器和RTU-远程终端单元。
PLC的工作原理类似于现代计算机。只要它具有足够的处理能力和端口，它可以被编程为对任何数量的输入数据作用，并且控制任何数量的输出数据。PLC通常可以扩展为包含连接到其中一个PLC内部总线的I/O端口的机架。还有更先进的PLC，通常称为Soft-PLC。它们适合运行在更高级的操作系统（如Windows）上，可以连接到显示器和键盘。RTU通常具有较少的处理能力和比PLC更少的端口。这是因为RTU是依据相应的确定尺寸为特定任务构建的。通常，RTU是预编程的，使得用户只需要对其进行调整。PLC和RTU在其他大多数方面类似，并且在分类上没有严格的界线。通常，单元的制造商包括包含RTU，现场网络和所有必需的现场级设备的控制系统。这通常被称为具有集成控制的实体单元。
在最简单的情况下，PLC或RTU作为独立单元工作，与管理层中的其他PLC，RTU或设备无交互。为了通信，PLC或RTU可以连接到主网络并且通过SCADA系统或CCS，中央控制站或具有小的本地对等网络进行通信，其中有限数量的PLC或RTU可以通信。
2.4主网络
主网络通常也被称为骨干网或管理网络。主网络连接楼宇自动化系统中的自动化级别和管理级别。主网络可以与建筑物中的常规LAN，局域网分离或共享。通常，这些网络类似在办公室和家庭中的大多数网络一样，通过双绞线电缆（ISO8802-3）进行通信。通过WLAN，无线局域网的通信也将成为可能。这些网络比在前面部分中描述的网络类型有更高的比特率，处理的数据更多。一般比特率在10-1000Mbit的范围内。
2.4.1网络交换机
网络交换机在LAN中使用，连接多个节点并允许它们彼此通信。为了识别网络中的节点，交换机使用MAC地址，也称为物理寻址。这对应于OSI模型中的数据链路层，如第3.1节所述。为了降低网络中数据冲突的风险，交换机使用微分段，因此只有两个节点在此时接触，如图2.3所示。
图2.3转换器中对微分段的描述
在OSI模型中的不同层中有两个其他类别的交换机，分别是具有网络层特征的数据链路层和多层交换机。在网络层中，IP地址用作标识，这也可以称为逻辑寻址。多层交换机可以切换MAC地址上的数据或使用IP地址路由传入数据。
2.5二次网络
二次网络连接着自动化级别和主网络。这意味着网络是到主网络的子网络。辅助网络的目的是收集楼宇自动化系统自动化级别中的设备，这些设备使用的协议与主网络中的协议不同，并将这些设备连接到楼宇自动化系统的其余部分。如果可以仅使用一个协议来设计，则楼宇自动化系统不能具有二次网络。但可以有多个二次网络连接到一个主网络。
2.6管理水平
管理层包括管理和监控楼宇自动化系统以及与人员和互联网交互的所有设备。这些设备的示例包括：日志活动数据库、Web服务器、操作面板、CCS-中央控制站、将消息转换为不同协议的服务器。
Web服务器是可用于多个不同目的的楼宇自动化系统的接入点。它允许远程维护，向服务人员发送报警信号，在一个地方读取系统的状态。
根据集中或分散的系统，CCS可以扮演不同的角色。在集中式系统中，CCS可以处理大部分的实时控制，PLC和RTU主要用作仅获取和发送数据的节点。在分散式系统中，CCS不执行任何实时控制，并且如果与CCS的接触中断，PLC和RTU应能够自己作出反应。CCS协调PLC和RTU并可以执行级联控制。
串级控制意味着控制分为两个级别;一个水平控制另一水平的变化设定点。例如，PLC正在控制房间中的温度。送风温度是它可以控制的参数之一，但不是直接控制空气调节装置中的设备，而是控制第二个PLC的设定点。然后第二个PLC运行其自己的控制回路，其控制空气调节装置中的设备，使得其提供设定点温度。串级控制可以以下几种方式进行：在一个PLC或RTU内的几个控制功能之间、通过PLC或RTU上的PLC，RTU或CCS、由人员在PLC或RTU上手动控制。lt;
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