面向对象设计在楼宇控制系统中的应用

Object-oriented design in building automation application

摘要 介绍了面向对象编程如何提高程序的可靠性、提供更大的灵活性和减少编制费用，进而介绍了完整的面向对象设计还包括构成控制系统通讯基础的面向对象协议。BACnet协议将每个控制子单元归纳为对象形式，简化了设备之间的通讯和操作。 关键词 面向对象设计, 控制系统, BACnet, 协议 Abstract lllutrates how object-oriented programming improves reliability, provides greater flexibility and reduces programming costs, and further presents that an object-oriented protocol as a base of communication makes a whole object-oriented design. BACnet changes control units to a control units to a collection of objects, which facilitates the communication and operation of the devices. Keywords object-oriented design， control system， BACnet， protocol

1 简介 　　 　　自20世纪80年代以来，面向对象的方法已广泛应用于机及其相关领域，它不仅应用于编程阶段，而且应用在系统设计和系统分析上。面向对利用设计在控制系统中的应用减少了控制系统的费用、提高了系统的易用性、加强了系统的可维护性，因此成为控制系统的方向。控制系统中的面向对象设计主要分为两部分： 　　① 面向对象编程 　　传统的过程化编程语言（比如BASIC，C）由于不具备对象的特点，编制程序时得一行一行地编制，因此只有专业人员才能轻松地应用这些工具[1]。但即使这些专业人员也难免在编程过程中产生错误，而这对于控制系统可能是灾难性的。由于控制系统控制的是实际设备，任何疏忽均可能会使设备出现故障甚至报废，从而对业主造成巨大的损失。 　　面向对象编程实现了编程的简单化和可视化，从而大大减少编程人员的工作量。同时对象中的成员及函数均由专业人员反复测试和检验过，出错的可能性也因此显著降低。相对于传统的编程语言，缺乏编程背景的建筑设备工程师可以熟练运用"对象"来完成他所需的控制任务，而不需软件人员的帮助。 　　② 面向对象的协议 　　协议是控制系统相互之间通讯的基础，面向对象设计必须由面向对象的协议来完善。传统的集散式控制系统（DCS）主要由模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、数字量输入（DI）和数字量输出（DO）构成控制系统的各个通道，它们之间彼此相互独立。DCS的这种结构便于工程人员根据工程的特点来任意组合控制系统通道的组成，但通道之间独立的数据造成的大量冗余数据和信息的盲目性使数据的解释变得非常复杂，很难发现其中有用的数据。面向对象的底层协议将数据的解释、分类和判断由前期设计人员完成，使无用的数据变成有用的信息，大大方便了工程人员的应用。 　　面向对象技术若要在控制系统中真正应用，必须在这两个层次完成对象化改造。缺乏其中的任何一环，整个面向对象系统均是不完整的。 　　 2 面向对象编程 　　 　　2．1 控制语言中的对象 　　随着面向对象语言C++的流行，面向对象编程已广泛被人们所认知。但由于种种原因，控制系统的编程语言多数是逐行编制的非面向对象语言，面向对象语言还较少应用。众所周知，面向对象技术是建立在"对象"和"类"的基础上的，因此对于它们应有一个准确的定义。对象的定义为"问题域或者其实现中一些东西的抽象，它反映系统为之保存信息和（或）与它交互的能力。它是一些属性及其专用服务的一个封装体"[2]。而类的定义为"一个或多个对象的描述，可用一组属性和服务的形式来描述"[1]。对于控制系统中的面向对象语言，"对象"应有如下特点： 　　① 独立性 　　一个对象是独立存在的模块，各对象彼此之间依赖性很小。系统可由各自独立的对象组成，而不必考虑彼此之间的干扰。 　　② 连接性 　　一个孤立的对象只能完成很少的一部分功能，只有将对象有机地结合起来才能发挥它的作用。面向对象系统通过消息激发机制使对象相互作用、相互联系，构成一个联系紧密的整体。 　　③ 易维护性 　　一个对象的内部功能与外界环境没有任何的固有联系，因此对一个对象的维护、发行不会影响到其它对象和外界程序的功能。 　　在对象的独立性上，控制语言中应分离对象内部的运算变量与实际的操作变量。例如集散式控制系统（DCS）中直接操作设备的是4～20mA/0～10V的模拟量输出或开关量输出，而现场总线控制系统（FCS）直接操作的是阀门、电机等智能控制器。控制语言中的变量若直接是AO，DO或特定的阀门、电机等，虽然程序看起来比较直观，但它丧失了通用性和对象封装的特点。当系统中的控制程序移植到具有相同特点的另一个系统中时，用户就需将程序中的每一个变量变更以适应新的系统，这样做不仅费时而且极容易出错。因此需要将程序中的运算变量和实际操作变量分离，使对象的独立性和系统的可操作性统一起来。 　　控制系统中的现场控制模块通常程序容量和计算速度均远低于计算机的相应性能，因此硬件上的限制使控制语言尽量减少类的复杂过程的应用。同时类中的成员函数也应尽量减少，构造函数和析构函数均由赋值表达式完成。简言之，控制语言中的类由两部分组成： 　　变量的声明表；②对变量进行计算和操作的方法。 　　控制语言中的类定义为： 　　类名称： 　　类变量声明表： 　　变量类型 变量1 　　… 　　变量类型 变量n 　　类代码： 　　方法1 　　… 　　方法m 　　类描述结束 　　2．2 消息的发送和接收 　　一个面向对象的控制程序由若干相互关联的一组对象组成，并通过对象之间的相互联系完成所有的功能。对象之间的联系方式即是消息激励机制，消息是"用来请求对象执行某个处理或回答某些信息的要求"[3]。在面向对象系统中，对象之间的联系是通过消息的传递完成的，对象只有接收到消息之后才能做出响应。而对消息进行响应的是对象中的成员函数即所谓的"方法"，方法是实现消息具体功能的手段。 　　消息具有如下几个性质： 　　① 同一对象可以接收不同形式的多个消息，产生不同响应。 　　② 一条消息可以发送给不同的对象，消息的解释完全由接收对象完成。 　　③ 对象对消息的响应是不必须的。对象既可以对消息作出响应，也可以不返回任何的回答信息。 　　根据消息表，控制语言将包括设备、时钟和数据交换等系统事件发送给能够响应这些事件的对象。设备事件是控制系统中的实际设备的状态变化等设备信息，控制系统将其通知相应的操作对象。时钟事件用于满足系统对时间控制的要求，定时器时钟在时间条件具备的条件下向对象发送"时间已到"的信息，对象根据此信息按固定时间步长或绝对时间操作。 　　由于控制程序要兼顾系统中的所有设备，因此在程序中不能存在无限循环等待某一外界变量变化的情况。若对系统"死机"的现象。当一个对象需要向另外一个对象发送数据的时候便产生一个数据交换消息以激励该对象，被激励对象据此接收被发送的数据。数据交换的消息激励机制同时可用于对象根据内部的某些条件来触发自己本身。

　　在控制系统中事件的产生是没有的，某一时刻可能会同时出现多个消息。而哪个消息应首先得到处理、哪个最后处理就需要控制系统对消息进行管理。消息管理通常采用队列方式即按消息产生的时间序列来排队，先来的先处理后来的后处理。若消息产生的时间恰好相同，则按消息的等级即设备、时间、数据通讯的顺序来排列。设备消息对应的是实际现场设备，消息的产生说明现场设备出现了变化，因此控制系统应首先作出响应。
　　一个对象可能对多个触发消息响应，而每个消息必然需要一个成员函数对它响应，这种成员函数即所谓的"方法"。将系统事件映射到对象时所使用的手段称为"消息表"。面向对象控制语言出于简便的原则将消息映射和对应的方法按照统一的格式来书写。在消息表中预定义了系统事件所映射到的方法，当消息触发该对象后寻找对应这个消息的方法名称，并据此执行相应的方法。
　　控制语言中一个完整的对象应包括对象名称、消息表、对象变量声明和数据交换表和对象的实体。对象变量声明和数据交换表将系统内的变量声明并与外界设备数据进行交换。当消息触发对象时，表中的系统设备状态和数据均映射到相应的变量上。对象的整体构造为：
　　对象名称：
　　消息表：
　　方法名称1（触发条件1）
　　…
　　方法名称k（触发条件k）
　　对象变量声明和数据交换表：
　　变量类型 变量1=系统设备1
　　…
　　变量类型 变量n=系统设备n
　　对象的实体：
　　方法名称1
　　方法的源代码1
　　方法名称2：
　　方法的源代码
　　…
　　结束

　　为了简单地说明对象在楼宇控制系统中的实际应用，以最常用的PID算法为例来构成一个PID对象。图1所示为PID算法调节 调节执行器v使受控对象的温度t达到温度设定值t_set。对于这个调节算法，一个简单的对象就可以将其概括。
　　　
　　 　　 　　 　　 　 　　　　 　　 　　 图1 PID系统调节系统

　　离散PID算法是周期性运算，因此它的触发消息为时间周期。PID算法与外界存在3个数据的交换，它们是温度设定值、温度测量值和执行器。完成一个PID对象只需规定时间周期，同时将映射到这3个数据的对象内部变量与实际设备相对应。这是一个非常简单的过程，一个不精通PID算法的人可以熟练地操作PID算法。简单的PID算法只是一个例子，而对象的实际应用在复杂的算法上。通常工程人员需要花很多时间去理解复杂的算法，如自适应算法等等。而算法的对象化省去了这些麻烦，节约了工程人员的时间和精力。
　　由于对象对不同的消息作出不同的响应，因此可以在PID对象中加上对故障的处理等以丰富PID算法的应用。下面例子中对温度超限的信号进行了处理。当温度超限后，对象直接执行故障处理的程序，不再进行PID运算。用户同时可以增加其它的方法来处理不同的情况，从而大大提高了对象的灵活性。
　　PID算法：
　　消息表：
　　PID（间隔时间10s）
　　故障处理（温度超限报警信号）
　　对象变量声明和数据交换表：
　　t_set=温度设定值
　　t=温度测量值
　　v=执行器
　　对象的实体
　　PID计算
　　PID计算源代码
　　故障处理：
　　故障处理源代码
　　结束

3 面向对象的协议

　　在控制系统中仅有属于管理层的面向对象编程语言是不够的，包括现场层的面向对象通讯协议才构成完整的面向对象控制系统。面向对象设计的初衷是将编程过程大大的简化，而传统的面向点的控制系统只会使编程人员的负担增加。例如一个AI和两个DO组成的对阀门的控制，其中AI测量阀开门度、两个DO分别是阀门电机的正反转，在控制阀门时若AI测量值小于阀门设定值则正转DO输出信号开大阀门，反之关小阀门。这些简单的功能在传统的面向点的控制系统中均需要编程人员来编写，增加了系统的设计费用和调试成本。
　　面向对象的BACnet协议是用来帮助系统中所有设备相互理解的"共同语言"。出于统一楼宇控制协议的目的，ASHRAE于1995年公布了BACnet协议^[4]。BACnet协议定义了包括空调控制系统、消防等楼宇设备控制系统之间的数据通讯协议。它遵循OSI开放性协议，将数据组合成对象在网络之间传播。同时由于楼宇控制网络是网络，它只保留了物理层、数据链接层、网络层和应用层。它们的构成见图2。
　　 　　
　　　　 　　 　　 　　 　 　　　　　　图2 BACnet的结构
　　
　　BACnet协议没有在具体规定物理层和数据链接层的形式，它可以建立在多种不同的协议之上。图2所示的第1，2种选择是建立在IEEE 802局域网标准上，它将数据链接层又细分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质存取控制子层（MAC），其中逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制等功能，介质存取控制子层提供传输介质和访问控制方式等功能。图中ISO 8802-2（IEEE 802.2）是逻辑连路控制子层，ISO 8802-3（IEEE 802.3）是介质存取控制子层，具体方法为冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）。第3种选择在数据链接层上为主从/令牌方式，物理层则采用了主从结构的RS-485标准，RS-485标准允许最多并联32台驱动器和32台接受器，因此在多点互连时非常方便。第4种选择是点对点协议，相应的物理层为RS-232标准。第5种选择是Echelon公司的LonTalk协议。BACnet的网络层的目的是将不同的网络连接起来，不管是由何种物理层和数据链接层组成的。例如建立一个BACnet路由器就可以将IEEE 802.3和ARCNET构成的不同网络组织起来。
　　BACnet之所以没有规定物理层和数据链接层的具体协议，是希望BACnet能应用在多种网络基础上。BACnet协议的真正实质是在应用层定义了开放性的设备对象，并因此成为面向对象的协议。BACnet几乎涵盖了楼宇控制中所有可能的情况，它定义了设备对象、时间表对象、程序对象、文件对象等等，同时还提供了管理和操作对象的服务。
　　BACnet目前定义了18种对象，它们分别是模拟量输入、模拟量输出、模拟量值、数字量输入、数字量输出、数字量值、设备、多态量输入、多态量输出、命令、时间表、时序表、事件登记、文件、环、组、通知类和程序对象。BACnet为这些对象定义了具体的数据结构和属性，属性代表了设备中的信息，系统可通过属性对设备进行读取或写入信息。在这18个对象中，输入输出对象共6个，它们代表了所有可能的输入输出类型。多态量输入输出对象2个，它们表示对象所在BACnet设备中运算程序的结果和物理输出。命令对象1个，它向一组对象的属性写入一组值。时间表对象2个，它们用于表示周期性的时间或日历。事件登记对象1个，它记录了管理事件所要求的信息。文件对象管理对文件的访问和读写。组对象将相似的设备定义为一组，使操作更简便。环对象为反馈控制对象。通知类对象包括事件通知所需的信息。程序对象将运行程序作为一个对象。
　　表1以数字量输入为便说明BACnet是如何定义对象的。
　　表中各项为数字量输入对象的属性。对象ID是代表对象的一个数字，对象名称和对象类型顾名思义是对象的名字和对象的类型。设备类型是一个描述所接设备的字符串，而设备状态和事件状态均代表设备正常与否。服务状态属性代表实际输入值和对象中的测量值是否一致。当它为真时实际输入值和测量值无关，用户可以随意更改而不用考虑实际的输入值，这为调试程序带来了极大的方便。极性属性代表对象的极性，当极性为正时对象中的测量值与实际输入值相同，极性为负时二者相反。例如实际输入值为"ON"，若极性为负时对象中的值为"OFF"。"开"、"关"状态描述说明了对象对开或关状态的解释，例如"关"状态描述可以写为"风机1关"。"最近状态变换时间"属性是数字量从计数器复位后的状态变换次数，而状态变换计数器复位时间属性即记录了上次复位的时间。"开"状态复位时间和经历时间属性分别记录了复位的时间和复位后"开"状态的时间（s）总和。剩下的属性描述了对报警信息的操作，这里就不一一详述。
　　
　　表1 数字量输入对象

属性名称	数据类型	属性特征
对象ID	BACnet对象ID	只读
对象名称	字符串	只读
对象类型	BACnet对象类型	只读
测量值	BACnetBinaryPV	只读
描述	字符串	可选
设备类型	字符串	可选
设备状态	BACnetStatusFlags	只读
事件状态	BACnetEventState	只读
可靠性	BACnetReliability	可选
服务状态	布尔量	只读
极性	BACnetPolarity	只读
"关"状态描述	字符串	可选
"开"状态描述	字符串	可选
最近状态变化时间	BACnetDateTime	可选
状态变换计数器	无符号整型	可选
状态变换计数器复位时间	BACnetDateTime	可选
"开"状态经历时间	32位无符号整型	可选
"开"状态复位时间	BACnetDateTime	可选
延迟时间	无符号整型	可选
告知级别	无符号整型	可选
报警值	BACnetBinaryPV	可选
事件使能	BACnetEventTransitionBits	可选
应答	BACnetEventTransitionBits	可选
告知类型	BACnetNotifyType	可选

　　BACnet协议使面向对象编程变得更为简单和安全。用户只需要在程序中简单地调用对象的属性就可以获得大量的功能，使控制程序变得短小精悍从而适用于控制系统。同时用户可以将主要精力集中在控制算法的编制上，编制程序由原来繁重的复杂的工作变成了轻松快乐的过程，节省了编程人员的时间和费用。
　　
4 结论
　　
　　由于面向对象设计的种种优点，现在已有大量的控制系统支持面向对象的概念。相比传统的面向点的控制系统，面向对象的控制系统更节省编程和调试费用，减少了程序的出错率，提高了系统的可靠性，增加了系统的灵活性。因此面向对象的控制系统必然替代面向点的控制系统，成为控制系统的方向。
　　
　　1 Jonathan C French. Object-oriented programming of HVAC control devices. ASHRAE J, 1999 (12).
　　2 Perter cord, Edward Yourdon. Object-oriented design. Yourdon Press, 1991.
　　3 汤庸，结构化与面向对象软件方法，北京：出版社，1998
　　4 ASHRAE Standard, ANSI/ASHRAE 135-1995. BACnet, a Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks.
　　5 惠晓实，刘贤德，石岩，BACnet的对象模型，工程设计CAD与智能建筑，200（1）
　　6 惠晓实，刘贤德，石岩，BACnet的服务--BACnet协议标准技术系统讲座（6）。工程设计CAD与智能建筑，2002（2）
　　7 杨守权，建筑物自动化系统的三层结构，工程设计CAD与智能建筑，2000（3）