(上海戊禾信息技术有限公司)
摘要：本文对以太网结构、优势进行分析，并从以太网选型、全双工交换式应用、控制器节点时延等方面着手，对该项技术在楼控系统中应用方法加以阐述，并提出以太网技术的优化改善措施，力求通过降低网络负荷、采用高速以太网等方式，使其实时性与确定性得到显著提升。
关键词：以太网技术；楼宇自控系统；以太网选型
引言：随着建筑行业的飞速发展，智能建筑的数量不断增加，楼宇自动系统作为智能建筑中的重要内容，主要依靠网络技术、通信技术、自动控制技术实现运行。当前，该系统的控制网络以总线技术为主，无法实现不同总线设备的互联，因此应将以太网技术引入其中，实现管理层到控制层的“一网到底”，与楼宇自控系统的现实要求充分符合。
1.以太网在楼宇自控系统中的应用特点
1.1以太网结构
在楼宇自控系统中，以太网结构如下图1所示。数字控制器DDC穿过具有RJ45接口的UTP线缆与以太网交换机相连接，系统监控主机也经过接入交换机与以太网直接相连。直接数字控制器的输入端子插入传感器中，例如，空调控制系统中的温湿度压差检测信号等，将DDC输出端子与楼宇系统中的执行器相互连接，由此完成以太网在楼宇自控系统中的应用。
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图1 楼宇自控系统中的以太网
1.2以太网优势
（1）无需对网络中其他硬件进行改变，如用户网卡、电缆等，只需采用交换机替代HUB即可，为网络升级节省较多费用。在高速与低速网络之间自由切换，实现多种网络协同。现阶段，大部分以太网具备100Mbit/s的端口，将与之对应的100Mbit/s的网卡插入到服务器中，便可解决以往10Mbit/s存在弊端，实现局域网的高效升级；
（2）以太网可同时提供多个通道，与以往共享集线器相比，带宽更多，以往10Mbit/s或者100Mbit/s以太网大多为广播式通信，每次只能在一对用户之间进行通信，如若发生碰撞还需要重试，但是以太网的应用便可解决上述问题，可实现不同用户之间的传送，例如，一个16端口的以太网交换机允许在8条链路之间自由通信；
（3）支持多种物理层规范，包括10Base—T、100Base—TX、1000Base—CX等等，但是，对于10Base—5、10Base—2、10Base—FP与10Base—T4等四种通信模式不支持；
（4）与半双工通信模式相比，全双工通信在吞吐量方面超出一倍，且无需担心发生碰撞或者竞争等行为，使工作效率得到显著提升。另外，无需补偿等待时间，没有复杂的计算，更无需将捕获效应考虑其中。由于网络尺寸不受时隙的影响，网径得到显著提升。以100Base—FX介质为例，在使用以往通信模式时，网段最长只有412m，而在使用全双工通信模式后，网段最长可达2000m；
（5）端口工作模式。现如今，市场中新型交换机端口均支持全双工、自协商、半双工模式，可根据实际需求进行配置，使工作模式发生改变，调整到满足工作需求为止[1]。
2.以太网在楼宇自控系统中的具体应用
在智能楼宇中，从运行环境的角度来看，机电设备与控制系统的工作环境要优于工业生产。例如，现场易燃、易爆物质较少，在电磁感染方面也相对较低，没有对防爆工作提出特殊要求。以太网在应用过程中面临的最大问题便是监测控制实时性、可靠性，但随着现代以太网技术发展，这一瓶颈逐渐得到突破。例如，一个1518B以太网数据帧，在10Mbit/s的传输速率下需要1.2ms，而以太网的传输速率为100Mbit/s，时间只需120 ，在1Gbit/s以太网中传输时间只需12 。对于楼宇自控系统来说，控制对象通常为控制网络中的多种执行器，要想确保控制过程中的自锁、互锁、逻辑关联等关系，使执行器的实时控制需求得到充分满足，需要将全双工交换以太网引入其中。随着监控点数量的不断增加，楼宇系统的规模日益扩大，可通过提高以太网速率的方式，使监控更加实时可靠。
2.1以太网选型
在楼宇自控系统中，将以太网应用到管理层与控制层网络中，实现“一网到底”的结构，中央管理工作站与现场控制器均与相同的以太网相连，大多采用100MB/s的快速以太网，但是当系统监控节点数量较大时，还可采用1000Base—T规范的千兆以太网，采用5类、6类或者7类双绞线为传输介质，以星形拓扑组网，具有速度快、效率高、结构简约等特征。为了能够拓展楼控系统的覆盖面积，还可采用千兆以太网1000Base—SX/1000Base—LX规范，采用满足长距离传输要求的光纤为传输介质。在建立大规模楼控系统的过程中，各类机电设备较为复杂，与之相对的楼控系统在监测方面提出较高要求，最好选择全双工以太网为网络结构，才可在严酷的强烈电磁干扰环境下运行，与楼宇应用需求充分符合。
2.2全双工交换式应用
以IQ3楼控系统为例，从管理层到控制层均采用以太网“一网到底”的结构，在系统中通过开放的以太网直接进行管理，对控制网络进行监控和互联。在控制系统中在TCP/IP协议基础上，将内嵌图形化服务器的IQ3控制器，拥有RJ—45接口，在对楼宇系统进行监测时，用户可随时随地借助网络对IQ3控制器进行远程监控。为了避免传统以太网在系统应用中存在的缺陷，采用全双工以太网为控制网络，利用交换机将其接入到楼控系统之中，便可实现工作站、控制器之间的两对双绞线同时对报文帧进行接收、传输，无需受到CSMA/CD介质的制约，在任意节点进行报文传送时均不会发生碰撞冲突，支持多种物理层规范，包括10Base—T、100Base—TX、1000Base—CX等等，但是，对于10Base—5、10Base—2、10Base—FP与10Base—T4等四种通信模式不支持[2]。
2.3控制器节点时延
楼控系统调节对象是与控制网络直接相连的各类执行器，在控制时应确保自锁关系、互锁关系、运行程序的正常无误，使执行器控制的实时性与工程实际需求相符合，利用以太网对系统网络进行控制，以单一的工业以太网为例，数据帧中的最小时延为传输中没有在交换机内部缓冲区进行存储的部分，此时最小延时是指数据帧在源站处理延时、发送传播延时的过程中，如若在传输过程中交换机内部缓冲区中已经存储，则此时传输延时的计算公式为：
W＝M＋N
式中，W代表的是传输延时；M代表的是最小延时；N代表的是等待延时；最小延时与系统中控制节点性能相关，而等待延时则与控制网络节点的数量相关。以10Base—T的以太网为例，最小延时在200 左右。根据理论与实验相结合的方式，在确保节点流量不溢出的前提下，以太网在控制领域中最大时延为741.57 ，可使楼控系统中的实时性能得到切实保障[3]。
3.以太网实时性与确定性的改善措施
在传统以太网中，主要利用CSMA/CD介质对系统进行访问。目前，工业控制对实时性提出较高要求，但是数据在传输时很容易因传输延迟影响实时性、确定性，对此，可采用以下措施，使以太网的传输问题得到有效改善。
一方面，降低网络负荷。在以太网应用中，其冲突概率与网络负载之间具有正比例关系。对此，可通过减轻网络负载的方式，使冲突概率显著降低，以太网通信的实时性得到显著提升。大量实验表明，对于传统以太网来说，当负荷低于25%时，发生碰撞与冲突的概率较小，当负荷在5%左右时，发生碰撞与冲突的概率几乎不存在。网络负荷包括节点数量、发送频率与数据长度，在楼控系统中，数据发送频率具有固定性，在0.5—2s范围内，数据长度较短，通常为几个或者几十个字节，可见系统中通信负荷由节点数量决定，通过对任意网段节点数量进行限制，可使网络信息流量得以降低，实时性得到显著提升。
另一方面，采用高速以太网。现阶段，以太网得到飞速发展，从以往的10Mbit/s提升到100Mbit/s，在10Gbit/s以太网投入使用后，通信速率得到进一步的提升。以太网通信延时与冲突频率之间存在紧密关联，通过提高通信速率的方式，可在一定程度上减少信号冲突，并有效降低网络负荷。在楼控系统中，可将高速以太网引入其中，例如千兆以太网1000Base—T，使通信延时极大缩短，楼控系统实时性与确定性得到显著提升。
此外，还可采用全双工以太网。以往的以太网采用共享集线器，全部站点均使用相同的带宽，根据CSMA/CD协议对数据进行接收与发送。实验结果表明，共享以太网在实时性方面无法得到保证，可将全双工以太网引入其中，在相同链路中两台工作站可同时完成数据传输与接收工作，无需采用CSMA/CD访问协议，更不会出现碰撞与冲突问题。在该模式实时后，从理论上将网速提升至原来的二倍，例如，将全双工100M的以太网链路投入使用，在理论上可传输速度可达到200M。在以太网应用过程中，两个节点间通信所需时间为T≤2Ets＋2（E＋1）tf，其中，E代表交换机层数；ts代表延长时间；tf代表传输时间，经过对比计算结果，与传统以太网相比，全双工以太网的应用的确可使实时性、确定性得到显著提升[4]。
结论：综上所述，在智能建筑中，将以太网应用到楼控系统中，可实现从管理层到设备层的通信协议统一，打破传统以太网的应用弊端与缺陷，使控制网络的实时性与确定性得到显著提升，使以太网在工业领域得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1]张少军. 楼宇自控系统中以太网技术应用的研究[J]. 电气应用, 2019(07):37-40.
[2]莫晓明. 楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计[D]. 南京工业大学, 2018.
[3]黄永平, 李彩霞, 田晓燕, 等. ODMA技术在智能楼宇自动化系统中的应用[J]. 实验技术与管理, 2018(12):125-127.
[4]吴疆润, 张少军. 工业以太网在楼宇自控系统中的应用研究[J]. 电气应用, 2019(23):64-67.