基于西门子Desigo系统的楼宇自控系统接口管理与响应优化

华晓峰

[摘    要]通过甲级办公楼实际项目案例，分析解决楼宇自控系统与其他机电系统间的接口设置以及系统本身的响应速率问题，并梳理出甲级办公楼项目的楼宇自控系统的技术管理方法，确保楼宇自控系统与其他机电系统间的联动真正有效实现，其响应速率能够满足运营使用要求。

[关键词]响应速率;接口;甲级办公楼;楼宇自控系统

[中图分类号]TU855 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–000–03

Interface Management and Response Optimization of Building Automation

System Based on Siemens Desigo System

Hua Xiao-feng

[Abstract]Through the actual project cases of Grade A office building， this paper analyzes and solves the problem of interface setting between building automatic control system and other electromechanical systems and the response rate of the system itself. The technical management method of building automatic control system is sorted out to ensure that the linkage between building automatic control system and other electromechanical systems is realized effectively.

[Keywords]response rate; interface; Grade A office building; building automation system

在多年甲级办公楼项目的机电工程管理中，发现楼宇自动化监控系统（Building Automation System）（BAS）的安装和调试过程中经常会存在一些问题，有的是接口要求没有事先提出，或是提的过于简单不明确，这部分问题的原因大部分是楼宇自控系统招标时间和进场施工时间较晚。有的是在调试中发现控制指令传输速度和数据反馈速度较慢，这部分问题主要原因是楼宇自控系统实施过程中技术要求没有细化并落实。解决这些问题只能通过反复协调，要求施工单位自行消化，大部分因为赶进度无法通过审批最后不了了之。这样既影响了项目楼宇自控系统的施工进度和质量，给施工管理带来了困难，又给今后物业管理使用系统带来不利影响。故有必要对 BAS和其他各类机电系统间的接口设置要求和BAS网络架构要求进行细化，并在设计阶段纳入强弱电设计图纸实现表达，在招标阶段写入技术规格书，实施和调试过程中进行复核检查，以确保BAS真正达到弱电设计所预定的效果。本文基于对 BAS的联动控制功能和影响传输速率的因素进行研究，并以黄浦江沿岸E16-2项目地块商办新建项目为例，总结梳理楼宇自控系统在甲级办公楼项目实施中存在的一些问题，并对如何在房地产企业机电系统技术管理的各个环节中予以落实提出意见和建议。

1 西门子Desigo楼宇自控系统接口及网络架构概述

在甲级办公建筑产品趋向大型和多功能化的今天，建筑物内机电系统和设备种类越来越多，控制要求也越来越复杂，物业日常运营维护保养工作量也日益繁重。为了应对这一趋势，越来越多的房地产开发企业采用自动化监控系统及计算机管理的BAS，以提供对如今的甲级办公楼中的机电系统和设备进行集中的智能化控制和管理。Desigo系统是西门子公司为民用建筑领域开发的一套BAS控制管理软件，一般一栋办公楼或一座办公楼群的BAS会按管理需要设有一个或者多个控制中心，每个控制中心设置BAS服务器（Server）或者客户端（Client），这些服务器或客户端通过光纤或网线集成在以太网上并与控制器（DDC）和第三方网关相连，而现场型DDC以及其扩展模块通过TIA-485总线与各类型传感器、控制模块等硬件点位连接。通过在DDC中烧录逻辑控制指令，从而实现对空调系统、风机、水泵、照明等机电设备和系统进行监控。BAS和外部设备或系统相连的接口形式有以下几种：①用于接收设备开关、运行状态等开关量信号的数字量输入接口DI;②用于控制电机、照明等设备启停开关量的数字量输出接口DO;③用于温度、压力等模拟量输入接口AI;④用于控制阀门开度、变频器等设备的模拟量输出接口AO;⑤通信网关，BAS通过网关通用协议（常用有Modbus、BACnet/IP、LonWorks、BACnet MS/TP等）与第三方系统连接，将第三方系统的数据转换成 BAS可以识别的数据，这样就可将第三方系统的数据实时显示在BAS操作软件图形界面上。

西门子Desigo系统由MLN管理层、ALN自控层和FLN楼层级三个网络架构层级组成。管理层MLN主要由装有西门子Desigo应用软件和数据库的服务器、物业管理用人机界面的客户端和连接第三方设备系统的网关等设备組成;ALN主要由各种网络型DDC控制器组成;FLN主要由总线型DDC控制器、I/O扩展模块、VAV控制模块等硬件组成。MLN和ALN之间采用BACnet/IP以太网协议通信;FLN和ALN之间采用BACnet MS/TP总线通信，如图1所示。

2 黄浦江沿岸E16-2项目地块商办新建项目案例分析

2.1 项目概况

该项目位于浦东新区苗圃路滨江大道口，项目总建筑面积约13.2万m2，总投资额约38.9亿元，是一个办公商墅结合的综合体项目，由3栋甲级办公楼及10栋商墅组成，地下一层。其中H1塔楼为120 m，有两个避难层。

2.2 BAS控制功能概述

该项目BAS采用了西门子Desigo系统，共设有3 543个BAS点位，办公楼空调的冷热源采用三台冷量大小不同的冷水机组和两台燃气锅炉，空调水系统立管采用四管制，末端采用分区两管制形式的风机盘管。根据管理要求，楼层空调水管设总电动阀，由BAS控制启闭。新风采用屋顶和避难层设全热回收机组，楼层带初效过滤和湿膜加湿的空调箱形式，每层新排风风管上设置由BAS控制的电动风阀，减少本层不使用期间的漏风量。屋顶安装有24 h租户用冷却塔作为数据机房空调冷源使用。各主要机电系统的控制功能如下：

（1）冷热源。通过通信接口的形式釆集监视冷热源机组信息，并设置有DI/DO点，可根据预先编制的控制策略监视和控制机组的启停台数。

（2）空调末端及水系统。设置DI/DO/AI/AO点，远程监控电动水阀、风阀、调节阀、循环水泵、空调机组等;通过通信接口方式监控风机盘管。

（3）照明系统。设置DI/DO点，远程监控照明回路。

（4）给排水系统。设置浮球，接入DI点，监视集水井、水箱、水池的启停泵液位和报警液位;设置DI点，远程监视水泵状态。

（5）通排风系统。设置DI/DO点，远程监控排风机。

（6）高低压配电。通过通信接口的形式釆集设备信息，只监不控。

（7）电梯系统。通过通信接口的形式釆集电梯信息，只监不控。

（8）柴油发电机。通过通信接口的形式釆集发电机信息，只监不控。

2.3 BAS实施及调试期间的问题梳理

（1）热水锅炉系统原仅考虑内部控制，未预留外机启停干触点信号，导致无法实现由BAS控制的热水锅炉与外部水路的联动。

（2）机电招标时未明确所有空调箱需自带控制箱，故无法由BAS进行远程控制连接。

（3）对于公共区域照明系统，现场的控制箱没有手自动切换按钮，物业今后只能进行远程控制，而不能就地控制。

（4）所有的电动开关碟阀、风阀执行器均没有单独的电控箱，供电和控制均接在BAS的DDC箱上，完全靠BA控制。BA系统出问题时，无法现场电动开关这些阀门，给今后物业的维保带来问题。

（5）冷热循环水旁通阀为机电总包供应并安装，为手动阀门，而弱电设计时，考虑到整体空调系统过渡季节的联动控制，该点需设为电动阀门BA控制点。由于总包已采购了手动阀门并安装完毕，直至BA系统接线时才发现该阀门为手动阀门，导致实际无法实现联动控制。

（6）在采用通信接口接入的系统中，电梯、风机盘管、高低压配电、柴油发电机厂家均提供了标准的通信接口，故 BAS釆集信号情况良好。而冷水机组由于采购网关接口模块，与 BAS的集成有一定困难，无法实时釆集其监控数据。

（7）在BAS调试期间发现，系统普遍存在响应速率慢的问题，比如人机界面存在打开卡顿、数据反馈时间滞后、控制信号传输速度缓慢等。首先测试了系统服务器至DDC控制器之间的网络延迟和丢包率，发现网络延迟和丢包率正常。再随机抽查末端的控制及反馈时间，其结果达到1～8 s。而根据BAS制定的招标技术要求，控制指令发出到执行器动作的时间不大于2 s;客户端的人机界面上数据点实时更新速度不應大于2 s;以太网通信层的传输率应保持在10 Mbps以上。

以上问题的出现造成后续BAS调试中与其他机电系统专业分包间的互相扯皮，有些能够通过变更追加，有些如要整改会影响工期进度，大量无法进行补救的接口和响应速度的问题将使BAS不能达到设计预想的功能要求。这样不仅给今后物业使用带来不便，甚至会使很多功能形同虚设。

2.4 问题的分析和解决

从技术层面进行分类，第1～6项属于软硬件接口问题，一般在安装接线时就能发现，解决难度不大;第7项属于网络传输问题，往往到了调试阶段才会发现，此时整个楼宇自控系统网络架构已经搭设完毕，查找问题和整改非常困难而且耗时。

针对软硬件接口，通常BA系统中的手自动状态、运行状态、故障等监控DI点位，需由控制箱提供无源干接点;风机启停控制点位等DO点，需控制箱提供24 V交流继电器控制接口;如变频器频率、阀门开度等模拟量控制及反馈AI点位，需由目标控制器提供 0～10 V/4～20 mA标准信号。对于照明、电动开关碟阀、风阀执行器等需要手动控制的设备，需单独提供控制电箱，方便就地手自动切换控制。冷水机组、风机盘管、热泵机组等设备，需将各自的网关通信接口协议（需支持BACnet/IP、MODBUS、KNX、Lonworks等标准协议）、内部数据地址表、接口通信相关设置参数及接线图等数据提供给BAS实施单位，并由BAS实施单位进行第三方网关的软件开发。大部分设备的网关模块都不是标准配件，因此需要在签订采购合同时针对选配件有明确的要求。本项目针对上述软硬件接口不足，通过合同变更，后期增加相应接口，都进行了弥补。

针对西门子DESIGO系统响应速率慢的问题，将可能的影响因素分别从BACnet/IP以太网和BAC MS/TP总线两个通信传输层面归类如下：

（1）在BACnet/IP以太网通信层，硬件上100 m以内的BACnet/IP以太网的传输线缆一般采用五类线以上，如采用同轴电缆，虽然传输距离较长，受干扰度小，但是传输带宽一般不会超过10 Mbps。

（2）网络广播风暴（Broadcast Storm）。在一个局域网中，若DDC数量超过120个或者某个DDC失去联系，系统会通过ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议），对于MAC地址与IP地址对应关系未记录在缓存中的DDC，系统会通过ARP利用局域网对所有DDC进行广播以确认MAC地址，导致在BAS系统网络中形成广播风暴。这种现象会导致BAS系统网络资源被大量占用，正常的通信数据无法传输。解决方法是用IP控制器将控制器DDC划分IP网段，即通过设置子网掩码的方式，设置广播子网，防止网络风暴蔓延至全网。对于西门子Desigo系统来说，将不多于80个控制器设置到一个网段，将第三方网关单独设置网段，可以有效避免网络广播风暴对响应速率的影响。

（3）网络中无用信息和垃圾数据过多。由于西门子DDC提供COV（Chang of Value，值变化率）服务，即按预先设置的参数精度，一旦变化值超过参数精度，则对上位机发送更新数据，若变化速率与参数精度设置不匹配，会导致更新数据过多堵塞网络。因此在调试阶段，由专业的BAS工程师根据量程和变化量设置合理的精度至关重要。

（4）在BACnet MS/TP总线通信层，在单条TIA-485总线回路内，各硬件之间通过主从令牌传递指令，平均一次为7 ms（基于38 400 bd/s）。由于总线上电流为20 mA，同一总线内过多的控制模块会导致回路感抗过大，传输效率下降。因此需控制每条总线的控制模块数量在合理数量以内（如PXC2、PXC4、PXC16对应需要在20个以内，而PXC36可增加至60个以内）。

（5）总线传输速率与采用的线型有关，普通的rvsp线速率一般为38400 bd/s，通常仅适用于不大于100 m的使用场景。如需要更高的速率和更远的传输距离，需要采用专用通信线缆如awg18，其传输速率能够达到76 800 bd/s。

（6）DDC控制器信号接地需与电源接地分开设置，并只能单端接地，另外需加终端电阻，否则会因回路感抗过大或产生信号干扰而导致传输中断。

（7）人机界面关联点位合理化，不宜大于80个，否则界面打开速度会比较慢。

（8）尽可能避免采用光纤收发器，可以替代采用带光纤模块的交换机。虽然光纤模块价格贵，但其故障率小，支持热插拔易更换。

（9）服务器操作系统需采用正版，硬件CPU、主板、内存等配置需达到系统要求。对于目前BA大量高速存储，尽量采用固态硬盘。

根据以上影响因素，弱电集成商逐条排查并整改，初步排除以太网管理层级的通信问题。通过对总线通信层面进行整改，将rvsp通信线缆改为awg18专用线缆，人机界面数据分散化合理安排，增加DDC控制器减少总线回路点位，合理划分IP网段，服务器改用固态硬盘等措施，最终将响应速率降低到技术要求范围内。

将以上问题从管理层面上进行总结，归为以下2类：①机电设备（例如：风冷热泵、空调箱、配电箱等）招标是先于弱电系统招标的，通常项目的弱电招标是最后进行的，先前的各个机电招标无法事先得到弱电的接口要求，或是机电招标文件中简单描述成“需BA接口”，而没有明确的细节要求，导致实际提供接口并不能达到要求。②在弱电设计和招标中技术要求没有到位，如弱电设计对强电提资未明确手动就地控制要求，导致电箱缺少手自动转换功能。

3 结语

综合黄浦江沿岸E16-2项目地块商办新建项目弱电楼宇自控系统的实施案例，通过技术问题的解决，回归到管理方法的总结，作为该项目甲方机电技术管理者，需要从设计、招标、施工、验收等环节来规避和解决弱电楼宇自控系统与其他机电系统的各种接口问题，提升楼宇自控系统的响应速率，具体如下：

（1）弱电设计中应明确系统联动功能和相应的软硬件接口要求，细化网络架构的技术要求，其中硬件接口要求需有效提资给强电专业。通过提前聘用第三方弱电顾问，对项目的弱电系统进行深化设计，这样专业弱电设计单位不需要等待定标，可提前介入项目，在机电总承包单位招标前BA系统点位表需调整定稿，对各点位涉及的乙供设备技术要求进行规定，并对弱电系统的联动功能要求进行确认。

（2）将弱电接口要求、网络架构的速率要求提前写入各个机电招标文件的技术要求中，且要求需具体化。在审核各个设备或机电标时，应向设备厂商确认设备是否能满足弱电接口要求，并关注技术标中是否已包含了弱电接口的内容。

（3）在机电设备订购之前，尤其是水泵、风机、执行器等的控制电箱，厂家的深化图纸须经弱电设计单位或施工单位确认。此做法可有效避免设备或电箱进场以后因不符合要求引起整改。很多时候电箱整改已經不可行甚至影响工期。

（4）在弱电集成商进场后，需搭建平台给弱电施工单位对各家专业分包单位和设备厂家进行技术交底，一旦发现接口要求有问题，及时在设备下单前进行技术调整，及时完成设计变更申请。在调试验收阶段，请弱电顾问进行第三方验收及测试，以保证系统参数满足技术要求。

（5）项目部和运营物业在竣工验收时应关注弱电系统的联动要求是否实现，以确保弱电系统达到设计所预定的效果。

随着智能建筑领域的不断发展，楼宇自控系统的涉及范围也越来越广，能耗监测系统、电力监控系统、照明控制系统、漏水报警系统等专项系统越来越完善和专业化，越来越多的系统由传统的楼宇自控系统直接控制已无法满足专业化的控制需求，BAS也需要自身功能升级并向BMS（Building Management System，建筑设备管理系统）这样的平台化方面转化。相对硬件接口，做好软件接口和网络通信的重要性将越来越大。如何做好楼宇自动系统和各机电系统的接口管理和通信速率的优化提升，更好地实现楼宇自动系统给智慧建筑带来的正反馈，将越来越成为房地产企业技术管理者的必修课。

参考文献

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