現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用.ppt

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1 第三章現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用 2 現(xiàn)場總線技術(shù) fieldbus 是80年代末 90年代初國際上發(fā)展形成的 用于過程自動化 制造自動化 樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò) 它是一種開放式 新型全分布控制系統(tǒng) 這項以智能傳感 控制 計算機 數(shù)字通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) 己受到世界范圍的關(guān)注而成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點 并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革 通常將用于樓宇自動化領(lǐng)域的現(xiàn)場總線 如LonWorks EIB CAN BACnet DeviceNet Modbus等總線 稱之為建筑電氣總線 3 1概述 3 3 1 1現(xiàn)場總線的演變過程 20世紀(jì)70年代以前 控制系統(tǒng)中多采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換 傳遞 由于其精度差 受干擾信號影響大 因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差 70年代末 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn) 微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展 微處理器功能強 體積小 可靠性高 通過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng) 控制效果得到提高 但是盡管如此 還是屬于集中式控制系統(tǒng) 4 20世紀(jì)80年代初期 計算機和微處理器有了突破性的發(fā)展 產(chǎn)生了直接數(shù)字技術(shù) DirectDigitalControl DDC 技術(shù) 隨后在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的帶動下 產(chǎn)生了各種以DDC技術(shù)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng) DistributedControlSystem DCS 隨著控制技術(shù) 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的成熟和發(fā)展 數(shù)字化作為一種趨勢正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層 管理層 監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場設(shè)備 從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS Fieldbuscontrolsystem 5 3 1 2現(xiàn)場總線技術(shù)的技術(shù)特點 1 現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡(luò)2 現(xiàn)場總線是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)3 現(xiàn)場總線是數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)4 現(xiàn)場總線是現(xiàn)場設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò)5 現(xiàn)場設(shè)備的互操作性與互用性6 現(xiàn)場總線是結(jié)構(gòu)和功能高度分散的系統(tǒng)7 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 6 3 1 3現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點 現(xiàn)場總線具有的數(shù)字化 開放性 分散性 互操作性和互換性及對現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境的適應(yīng)性等特點決定和派生了其一系列優(yōu)點 1 節(jié)省硬件數(shù)量與投資2 節(jié)省安裝費用3 節(jié)省維護(hù)開銷 7 4 系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和強大的 遠(yuǎn)程 故障診斷功能5 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)6 現(xiàn)場設(shè)備更換和系統(tǒng)擴展更為方便7 提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性8 易于系統(tǒng)調(diào)整9 為企業(yè)信息系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了重要條件 8 3 1 4現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場總線是控制 Control 技術(shù) 計算機 Computer 與通信 Communication 即3C技術(shù) 發(fā)展匯聚的結(jié)果 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點對點方式 樹型方式 帶橋方式3種 其結(jié)構(gòu)如圖3 1所示 9 圖3 1現(xiàn)場總線的幾種連接方式 10 1 點對點方式每個現(xiàn)場儀表 包括智能變送器 支持維護(hù)的裝置及手持通信器等 單獨接到低速 31 25kbps 現(xiàn)場總線H1上 用于現(xiàn)場儀表比較分散或傳輸信息量大的場合 接法與4 20mA接線方式相似 2 樹形方式幾個現(xiàn)場儀表 一般按地理區(qū)域進(jìn)行集中 接到一根 局部運行 的現(xiàn)場總線上 然后再引到控制室中去 3 帶橋方式接到低速總線H1上的現(xiàn)場設(shè)備 通過 橋 和多路轉(zhuǎn)換器合并接到高速總線H2上 然后再接到控制室中去 11 3 1 5現(xiàn)場總線的通信模型 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)互連模型既參照ISO OSI模型 如圖3 2所示 又具有自己的特點 協(xié)議是分層的 但層次之間的調(diào)用關(guān)系不一定象OSI那樣嚴(yán)格 層次也可簡化 以提高協(xié)議的工作效率 既要遵循OSI模型體系結(jié)構(gòu)原則 又要考慮FCS的特點 滿足FCS的特殊要求 在現(xiàn)場總線參數(shù)模型中 既遵循開放系統(tǒng)集成的原則 又充分體現(xiàn)FCS的特點和特殊要求 12 圖3 3典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型 圖3 2ISO OSI模型 13 典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型 見圖3 3 采用OSI模型中的三個典型層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 在省去3 6層后 考慮到現(xiàn)場總線的通訊特點 設(shè)置一個現(xiàn)場總線訪問子層 它具有結(jié)構(gòu)簡單 執(zhí)行協(xié)議直觀 價格低廉等優(yōu)點 也滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求 與OSI參考模型的相應(yīng)層次相比 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的物理層 數(shù)據(jù)鏈路層與其有相同的含義 從總線訪問子層看 現(xiàn)場總線有很大特色 14 1 物理層該層規(guī)定了現(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì) 傳輸速率 每條線路可接儀表數(shù)量 最大傳輸距離 電源 連接方式及信號類型等 2 數(shù)據(jù)鏈路層該層規(guī)定了物理層和應(yīng)用層間的接口 其中包括 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 傳輸差錯控制 多主站使用的規(guī)范化等 該層將通過幀數(shù)據(jù)檢驗保證信息傳輸?shù)恼_性及完整性 15 3 總線訪問子層該層定義了過程控制的基本內(nèi)容 其中 包括現(xiàn)場總線內(nèi)部信息的存取方法及信息在網(wǎng)內(nèi)同一節(jié)點或不同節(jié)點的其它設(shè)備間的傳送方法 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是功能塊 由各功能塊完成數(shù)據(jù)采集 控制或輸出 每個功能塊都包含一個算法功能和運算中所需的數(shù)據(jù)庫以及由用戶定義的該功能塊的唯一標(biāo)識符 4 應(yīng)用層它向用戶提供了一個簡單的接口 其中定義了讀 寫 解釋或執(zhí)行一個信息或一條命令的方法 其中很大部分是定義信息的語法 此外 應(yīng)用層還定義了信息傳輸?shù)姆绞?如 周期式 立即響應(yīng)式 一次性方式及使用者請求方式等 16 現(xiàn)場總線的通信模型具有結(jié)構(gòu)簡單 執(zhí)行協(xié)議直觀 價格低廉等優(yōu)點 也滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求 17 3 2建筑電氣總線技術(shù) 自80年代以來 有幾種類型的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并且在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了其自身的優(yōu)勢 這些現(xiàn)場總線具有各自的特點 有的已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列 占有相當(dāng)大的市場分額 顯示了較強的生命力 對現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會繼續(xù)發(fā)揮較大的作用 以下就是目前幾種主要的建筑電氣總線 18 3 2 1LonWorks總線 LonWorks是局域操作網(wǎng)絡(luò) LocalOperatingNetwork 的簡稱 是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù) 它由美國埃斯郎 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉 東芝公司共同倡導(dǎo) 于1990年正式公布而形成的 它采用了ISO OSI模型的全部7層通訊協(xié)議 采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法 通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置 其通訊速率從300bps至15Mbps不等 最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)2700m 通信速率為78kbps 雙絞線 節(jié)點總數(shù)可達(dá)32000個 19 支持雙絞線 同軸電纜 光纖 射頻 紅外線 電力線等多種通信介質(zhì) 并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品 被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò) LonWorks技術(shù)自1991年推出后 發(fā)展很快 到1996年已有2600家生產(chǎn)商 使用并且安裝了200多萬個節(jié)點 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任何其他測控現(xiàn)場總線 其應(yīng)用范圍包括工業(yè)控制 樓宇自動化 航空 航天等 幾乎囊括了測控應(yīng)用的所有范疇 在其銷售額中 40 是工業(yè)控制 30 是樓宇自動化 20 3 2 2EIB總線 1990年 以ABB SIEMENS MERTEN GIRA JUNG等共七家歐洲著名的電氣產(chǎn)品制造商為核心組成聯(lián)盟 制定了EIB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并成立了中立的非商業(yè)性組織EIBA EIBAssociate 歐洲安裝總線協(xié)會 總部設(shè)在比利時的布魯塞爾 該協(xié)會的成立極大的推動了EIB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 迄今為止 已有一百多家制造商成為了EIBA的會員 按照開放的EIB標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)能夠相互兼容和交互操作的各種元器件 各類產(chǎn)品品種多達(dá)4000多種 幾乎覆蓋了建筑中各個行業(yè)和各種用途的需要 21 EIB和其它現(xiàn)場總線協(xié)議一樣 采用的是串行異步的傳輸方式 為了提高可靠性和達(dá)到最大傳輸速率 EIB應(yīng)用了CSMA CA 具有避免沖突的載波偵聽多路訪問 通過這種總線訪問技術(shù) 使得在多個總線元件同時發(fā)送信號時就不會發(fā)生信號丟失現(xiàn)象 而且EIB有自己的優(yōu)先權(quán)定義以保證信號按照一定的次序先后傳送 EIB總線目前可支持雙絞線 TwistPair 電力線 PowerLine 無線電 Radio 和紅外線 Infrared 四種傳輸介質(zhì) 目前在中國市場上提供的主要以雙絞線系統(tǒng)為主 22 經(jīng)過對這些年EIB在中國的應(yīng)用情況的分析 可以看出它主要適用于 住房建筑尤其是獨立型住宅如別墅等 公用建筑中的部分單體建筑如報告廳 會議室 大堂等 大空間的單體建筑如影劇院 體育場館等 大范圍公共區(qū)域的電氣控制如住宅小區(qū) 廣場等 橋梁 道路等遠(yuǎn)距離照明控制 23 3 2 3CAN總線 CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò) ControlAreaNetwork 的簡稱 它最早是由德國的Bosch公司及幾個半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的 起初它是為汽車的檢測和控制而設(shè)計的 后來逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)部門 值得指出的是 CAN是目前唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線 得到了Motorola Intel Philip NEC等公司的支持 并廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域 24 1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的主要特點 CAN協(xié)議遵循ISO OSI模型 采用了其中的物理層 鏈路層與應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu) CAN的最高通信速率為1Mb s 通信距離為40m 其最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km 通信速率為5kbps 最多可掛接設(shè)備數(shù)達(dá)110個 傳輸介質(zhì)可以是雙絞線 光纖等 CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu) 每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個 這樣傳輸時間短 受干擾的概率低 每幀信息均有CRC效驗和其他檢錯措施 通信誤碼率極低 25 CAN采用點對點 一點對多點及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方式 可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng) 且無主從之分 CAN總線可以工作在多主方式 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可以在任意時刻向其他節(jié)點發(fā)送信息 從不分主從 通信方式靈活 CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù) CAN不能支持防爆區(qū) 26 2 CAN總線的控制方式 CAN自誕生以來 以其獨特的設(shè)計思想 良好的功能特性和極高的可靠性越來越受到工業(yè)界的青睞 CAN總線作為一種建筑電氣總線在智能樓宇中的控制方式見圖3 4 27 圖3 4CAN總線控制方式 28 3 2 4BACNET總線 BACnet是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork的簡稱 是一種為樓宇自控網(wǎng)絡(luò)制定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議 1987年 美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會組織 ASHARE 的標(biāo)準(zhǔn)項目委員會調(diào)集了全球20多位業(yè)內(nèi)著名專家 經(jīng)過8年半時間 在1995年6月 ASHARE正式通過全球首個樓宇自控行業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn) BACnet BACnet標(biāo)準(zhǔn)的目的是 為計算機控制暖通空調(diào)和制冷系統(tǒng)及其他系統(tǒng)規(guī)定通信服務(wù)和協(xié)議 從而使不同廠家的產(chǎn)品可以在同一個系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)工作 29 BACnet是一個開放的建筑電器氣總線 選用一種成熟的局域網(wǎng)技術(shù) 其標(biāo)準(zhǔn)是遵從和參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型 采用了4層結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 BACnet標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)與OSI ISO的參照圖 如圖3 5所示 30 圖3 5BACnet體系結(jié)構(gòu)與OSI ISO的參照圖 31 1 BACnet的基本內(nèi)容 樓宇設(shè)備的表示模型 對象用來表示樓宇設(shè)備 如輸入 輸出 控制環(huán)等 和與控制過程有關(guān)的邏輯實體 如數(shù)據(jù)文件 應(yīng)用程序等 訪問對象的操作 服務(wù)分為 確認(rèn)服務(wù) ConfirmedService 和 非確認(rèn)服務(wù) UnconfirmedService 兩類 32 傳輸互操作語義的通信系統(tǒng) 局域網(wǎng)用來傳輸BACnet服務(wù)數(shù)據(jù)單元 BACnet標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能價格比定義了4種局域網(wǎng)和1個遠(yuǎn)程連接技術(shù) ISO8802 3 以太網(wǎng) ARCNET MS TP LonTalk和PTP BACnet標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的這4種局域網(wǎng)接口見表3 1 33 BACnet標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) LAN 接口表3 1 34 報文的語法與結(jié)構(gòu) 編碼其作用是將信息表示成無二義性的二進(jìn)制數(shù)碼 1 和 0 位串 以便在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上傳輸 協(xié)議的驗證和測試 一致性說明 ProtocolImplementationConformanceStatement PICS 其作用是描述實現(xiàn)BACnet標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備具有哪些BACnet特性和功能的文檔 35 2 BACnet協(xié)議與常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 如Ethernet和TCP IP 的區(qū)別 BACnet協(xié)議側(cè)重與監(jiān)控設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Ethernet和TCP IP則強調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸 而且Ethernet和TCP IP可以在BACnet設(shè)備之間傳送BACnet信息 在信息管理方面 在上層網(wǎng)之間的互連采用BACnet標(biāo)準(zhǔn)是最佳的方案 36 3 BACnet的優(yōu)勢 獨立于任何制造商 也不需要專用芯片 并得到眾多制造商的支持 有完善和良好的數(shù)據(jù)表示和交換方法 按BACnet標(biāo)準(zhǔn)制造成的產(chǎn)品有嚴(yán)格的一致性等級 產(chǎn)品有良好的互操作性 有利于系統(tǒng)的擴展和集成 37 3 2 5DeviceNet總線 DeviceNet是由Allen Bradley公司 Rockwell自動化 開發(fā)的一種基于CAN的開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) DeviceNet是一個開放性的協(xié)議 每個ODVA成員都有資格發(fā)行基于DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的后續(xù)產(chǎn)品 DeviceNet總線標(biāo)準(zhǔn)和CANopen協(xié)議相比較 可知兩種協(xié)議可以實現(xiàn)相類似的功能 但是DeviceNet卻更強調(diào)不同的優(yōu)先權(quán) 38 DeviceNet總線的特點 采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約 使用CAN規(guī)約芯片 得到國際上主要芯片制造商的支持 每個DeviceNet最多可連接64個節(jié)點 每個節(jié)點可以支持無限多的I O 主干線 分支線結(jié)構(gòu) 使用短幀傳送 可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率為125kbps 250kbps及500kbps 適用于點對點 多主或主 從等各種通信方式 帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 在線修改網(wǎng)絡(luò)配置 當(dāng)一個節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重錯誤時具有自動關(guān)閉輸出的功能 以免影響總線上其他節(jié)點 一種低成本 高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 39 用無破壞性的總線優(yōu)先權(quán)仲裁技術(shù) 實現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息 基于生產(chǎn)者 客戶網(wǎng)絡(luò)模式 這是最現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 支持選通 輪詢 循環(huán) 狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送 電源結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性 以滿足各類應(yīng)用的需要以及大電流容量 每個電源最大容量可達(dá)到16A 適用于連接低端工業(yè)設(shè)備 又能連接像變頻器 人機終端這樣的智能設(shè)備 具有通信錯誤分級檢測機制 通信故障的自動判別和恢復(fù)功能 40 3 2 6Modbus總線 Modbus是Modicon公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計的一種通信協(xié)議 從其功能上看 可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場總線 Modbus通過24種總線命令實現(xiàn)PLC與外界的信息交換 具有Modbus接口的PLC可以很方便的進(jìn)行組態(tài) Modbus傳輸協(xié)議定義了控制器可以識別和使用的信息結(jié)構(gòu) 而不需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Modbus有兩種傳送方式 1 RTU RemoteTerminalUnit 方式 2 ASCII方式 41 Modbus的RTU消息幀格式 見表3 2 它沒有起始位 也沒有停止位 而是以至少3 5個字符間隔時間 T1 T2 T3 T4 標(biāo)志開始和結(jié)束的 信息幀由地址域 功能域 數(shù)據(jù)域和CRC效驗域構(gòu)成 所有字符由16進(jìn)制組成 RTU消息幀格式表3 2 42 控制器與PLC之間通信 通信內(nèi)容包括主站對從站的讀取和寫入 其數(shù)據(jù)通信的一般格式如圖3 6所示 Modbus規(guī)定 只有主站具有主動權(quán) 從站只能被動的響應(yīng) 包括回答出錯信息 圖3 6Modbus通信格式 43 3 3現(xiàn)場總線技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用 智能大廈包括通訊自動化系統(tǒng) 辦公自動化系統(tǒng)和樓宇管理自動化系統(tǒng) 它的發(fā)展歷程 是伴隨著現(xiàn)代計算機技術(shù) 現(xiàn)代控制技術(shù) 現(xiàn)代通訊技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)的進(jìn)步 從簡單監(jiān)控發(fā)展到全面營管理的過程 44 早期的超高層大樓一般設(shè)備非常多 諸如空調(diào)系統(tǒng) 給排水系統(tǒng) 變配電系統(tǒng) 保安系統(tǒng) 消防系統(tǒng) 停車場系統(tǒng)等 各種專業(yè)系統(tǒng)同時共存 僅靠中央監(jiān)控室操作和控制這些系統(tǒng) 不僅滿足不了可靠性要求 而且難以實現(xiàn) 20世紀(jì)80年代開始 微電腦技術(shù)的崛起 再加上信號傳送技術(shù)的進(jìn)步 基本上實現(xiàn)了所有設(shè)備都可以顯示于大樓內(nèi)的中央監(jiān)控室 并且較容易地進(jìn)行操作和管理 從而提高了效率 形成了智能大廈的雛形 45 隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了計算機集散式控制系統(tǒng) DistributeControlSystem DCS 這種集中管理與分散控制相結(jié)合的控制方式能夠適應(yīng)智能建筑 實時檢測與控制的設(shè)備品種多且分散 的特點 而且可靠性 經(jīng)濟性 可擴展性等均比較強 基于這種系統(tǒng) 智能大廈得到了空前發(fā)展 國內(nèi)外的智能大廈幾乎無一例外地采用了DCS系統(tǒng) 46 由于DCS系統(tǒng)整體上采用分級控制 主站工作量仍較大 中央管理計算機擔(dān)負(fù)著整個建筑的能量控制與管理 防火與保安的監(jiān)控及環(huán)境的控制與管理等關(guān)鍵任務(wù) 24小時不間斷工作 不能失效 所以必須采用雙機冗余等措施提高主機可靠性 加之多級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不統(tǒng)一 DCS的開放性和互操作性也較差 鑒于DCS結(jié)構(gòu)存在的固有缺陷 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制 47 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點 一方面突破了DCS系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限 采用基于公開化 標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案 克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷 另一方面又把DCS系統(tǒng)集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu) 把控制功能徹底下放到現(xiàn)場 將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于智能建筑 不僅提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 使用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán) 而且其設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化 功能模塊化 因而設(shè)計簡單 易于重構(gòu) 并可節(jié)省硬件數(shù)量與投資 節(jié)省安裝費用及維護(hù)開銷 現(xiàn)場總線技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于智能建筑 必將取代傳統(tǒng)的集散式控制系 48 3 4LonWorks技術(shù)及其應(yīng)用 在目前國際上40多種現(xiàn)場總線技術(shù)中 最適合構(gòu)成智能大廈的應(yīng)是Lonworks技術(shù) Lonworks現(xiàn)場總線以其獨特的特點已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)功能最為強大 市場效率最高的總線 49 3 4 1LonWorks總線技術(shù)概述 LonWorks LocalOperatingNetwork 是全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò) 它使用了具有分布控制與通信聯(lián)網(wǎng)功能的大規(guī)模集成的神經(jīng)芯片 neuronchips 構(gòu)成各個智能監(jiān)控節(jié)點 node 通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器 TranReceiver 及網(wǎng)絡(luò)通信媒體將各種節(jié)點構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(luò) 簡稱LON網(wǎng) 50 1 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技木特點 智能節(jié)點作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制器 多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線形 星形 環(huán)形 自由形 多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主從式 對等式及Client Server式 多種傳輸媒體 雙絞線 動力電源線 無線 光纖 紅外 電話線等 介質(zhì)訪問方法 帶預(yù)測P 堅持CSMA CarrierSenseMultipleAccess 載波監(jiān)聽多路訪問 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 基于IS0 OSI七層參考模型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 LonTalk通信協(xié)議 系統(tǒng)開放 同異型網(wǎng)絡(luò)的互連方便 51 LonWorks的通訊介質(zhì)訪問控制方式 當(dāng)某一節(jié)點有信息要發(fā)送而試圖占用通道時 首先在一個固定的周期Betal檢測通道是否處于網(wǎng)絡(luò)空閑 為了支持優(yōu)先級 還要增加優(yōu)先級時間片 優(yōu)先級越高的所加的時間片就越少 隨后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)BL產(chǎn)生一個隨機等待時間片w 按理拾到w之間的隨機數(shù)W BL 16 當(dāng)延時結(jié)束時 網(wǎng)絡(luò)仍空閑 節(jié)點以概率p 1 w發(fā)送報 如圖3 7 圖3 7LonWorks的優(yōu)先級帶預(yù)測P 堅持CSMA概念示意圖 52 2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型 LonWorks采用開放式ISO OSI模型的全部七層通訊協(xié)議結(jié)構(gòu) 具備了局域網(wǎng)的基本功能 與異型網(wǎng)的兼容性比任何現(xiàn)存的現(xiàn)場總線都好 被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò) 它還提供了與LAN的接口 從而實現(xiàn)了二者的有機結(jié)合 其各層功能如圖3 8所示 53 圖3 8LonWorks分層模型 54 1 LonWorks節(jié)點一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點主要包括以下幾部分功能模塊 應(yīng)用CPU I O處理單元 通信處理器 收發(fā)器和電源 LonWorks智能節(jié)點主要分兩種類型 以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點和采用MIP ModularInformationProcessor 結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點 LonWorks節(jié)點軟件用NeuronC語言編寫 開發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的Agent軟件體 使其具有自主性 協(xié)作性 和適應(yīng)性的特點 3 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)組成 55 圖3 9神經(jīng)元節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖 圖3 9為一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點 56 2 神經(jīng)元芯片 LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片 它包括一套完整的通信協(xié)議 即LonTalk協(xié)議 神經(jīng)元芯片是由流水線作業(yè)的3個CPU組成 完全相同的3個8bitCPU各有分工 CPU 1負(fù)責(zé)通訊媒體訪問控制 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 CPU 2負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層 會話層 表示層 CPU 3負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)程相接口的應(yīng)用層 神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 10所示 57 圖3 10神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖 58 幾種常見的神經(jīng)元芯片比較如表3 3所示 表3 3幾種常見的神經(jīng)元芯片比較 59 3 LonWorks路由器 路由器是LonWorks技術(shù)的重要組成部分 也是其它現(xiàn)場總線所不具備的 它使LonWorks總線突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制 使其通信不受通信介質(zhì) 通信距離和通信速率的限制 LonWorks路由器包括中繼器 橋接器等 采用RTR 10路由器核心模塊構(gòu)成的路由器框圖如圖3 11所示 60 圖3 11路由器框圖 61 4 LonWorks通信協(xié)議 LonWorks技術(shù)采用LonTalk通信協(xié)議 該協(xié)議為七層協(xié)議 通過網(wǎng)絡(luò)變量直接面向?qū)ο笸ㄐ?該協(xié)議具有以下特點 發(fā)送的報文都是很短的數(shù)據(jù) 一般是幾個字節(jié)到幾十個字節(jié) 通信帶寬不高 一般從幾kb s到20Mb s 網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點往往是低成本 低維護(hù)的單片機 多節(jié)點 多介質(zhì) 可靠性高 實時性高 62 LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址采用三層結(jié)構(gòu) 即 域 Domain 子網(wǎng) Subnet 和節(jié)點 Node 域 為第一層結(jié)構(gòu) 它保證在不同域中通信的彼此獨立性 子網(wǎng) 為網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)的第二層 每一個域最多有255個子網(wǎng) 一個子網(wǎng)可以是一個或多個通道的邏輯分組 節(jié)點 為網(wǎng)絡(luò)地址的第三層 每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點 所以一個域最多可以有255 127 32385個節(jié)點 63 5 LonWorks收發(fā)器 LonWorks技術(shù)的一個重要特征是它支持多種介質(zhì)通信 根據(jù)通信介質(zhì)的不同 LonWorks技術(shù)可分為以下多種總線收發(fā)器 雙絞線收發(fā)器雙絞線是使用最為廣泛的一種介質(zhì) 用于雙絞線介質(zhì)的收發(fā)器主要以下三種 64 直接驅(qū)動收發(fā)器直接驅(qū)動是使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)器 同時加入電阻和瞬態(tài)抑制器作為電流限制和ESD保護(hù) 這種方式適合于網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點在同一個大設(shè)備中使用同一個電源 EIA 485收發(fā)器EIA 485接口是現(xiàn)場總線中常用的電氣接口 LonWorks同樣也支持該電氣接口 使用EIA 485共模電壓比直接驅(qū)動要好 但不如變壓器耦合驅(qū)動 變壓器耦合驅(qū)動收發(fā)器變壓器耦合驅(qū)動能滿足系統(tǒng)的高性能 高共模隔離要求 并具有噪聲隔離的作用 目前相當(dāng)多的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器采用變壓器耦合的方式 65 電源線收發(fā)器電源線是指通信線和電源線纜共用一對雙絞線 使用電源線的意義在于所有節(jié)點通過一個48V直流中央電源供電 這對于一些電力資源匱乏的地區(qū)具有非常重要的意義 同時采用通信線和電源線纜共用一對雙絞線可以節(jié)約一對雙絞線 也便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù) 由于電源線收發(fā)器采用的是直流供電 可以和變壓器耦合的雙絞線直接連接 66 電力線收發(fā)器電力線接收器是將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號或擴頻信號 然后通過耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上 甚至是沒有電力的雙絞線 這種方式減少了施工布線等建設(shè)費用 是一種將神經(jīng)元節(jié)點加入到電力線中簡單 有效的方法 但該方法會遇到電力線通信的普遍問題 電力線間歇性噪聲大等問題 因此需要采用一定的技術(shù)加以解決 67 其他收發(fā)器除上述收發(fā)器外 LonWorks技術(shù)中還廣泛采用無線收發(fā)器 光纖收發(fā)器等 以滿足特殊情況需要 68 6 LonWorks開發(fā)工具 LonWorks技術(shù)包含了一系列開發(fā)工具 使節(jié)點開發(fā)和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)開發(fā)快速有效主要有節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder 節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)安裝工具LonBuilder 網(wǎng)絡(luò)管理工具LonManage和LNS技術(shù) 節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilderNodeBuilder只能完成節(jié)點開發(fā)的功能 不具備網(wǎng)絡(luò)的功能 它只有一個在線仿真器 69 節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)安裝工具LonBuilderNodeBuilder是LonWorks技術(shù)中最主要的一個開發(fā)工具 它包括以下幾部分 節(jié)點開發(fā)器 用于NeuronC語言編程開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)通信仿真等 網(wǎng)絡(luò)管理器 用于現(xiàn)場總線風(fēng)格的邏輯地址分配與連接 子網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通道定義 路由器安裝 優(yōu)先級設(shè)定等網(wǎng)絡(luò)安裝 維護(hù)工作 協(xié)議分析器和報文統(tǒng)計器 用于截獲網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點的通信報文 分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)報文流量等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息 70 網(wǎng)絡(luò)管理工具LonManageLonManage主要由一系列的軟件開發(fā)包和接口卡組成 包括 LonManageDDE LonManageProfile LonMaker和LonManage協(xié)議分析儀 LNS LonWorksNetworkService LNS是Echelon公司最新開發(fā)出來的LonWorks總線開發(fā)工具 它為用戶提供了一個強大的客戶 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架 是未來LonWorks總線的可互操作性基礎(chǔ) 71 4 網(wǎng)絡(luò)管理 LonWorks技術(shù)需要網(wǎng)絡(luò)管理工具實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)安裝 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能 網(wǎng)絡(luò)安裝 主要用于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期網(wǎng)絡(luò)地址的動態(tài)分配 通過網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報表進(jìn)行設(shè)備間的通信 網(wǎng)絡(luò)維護(hù) 是指在系統(tǒng)運行過程中對設(shè)備增加或刪除的管理與實現(xiàn) 通過數(shù)據(jù)庫修改網(wǎng)絡(luò)信息即可實現(xiàn)設(shè)備的增減 而不必修改網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 為用戶提供了一個系統(tǒng)的檢測和控制服務(wù) 用戶可以在因特網(wǎng)上以遠(yuǎn)程方式監(jiān)控整個系統(tǒng) 72 3 4 2LonWorks技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用 目前LonWorks技術(shù)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用在智能大廈 家庭自動化 保安系統(tǒng) 辦公設(shè)備 運輸設(shè)備 工業(yè)過程控制等行業(yè) 成為發(fā)展最快的現(xiàn)場總線之一 尤其在建筑領(lǐng)域 該技術(shù)已成為國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn) 由LonWorks技術(shù)構(gòu)成的樓宇自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 12 73 圖3 12LonWorks技術(shù)構(gòu)成的樓宇自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 74 一種基于Lonworks的智能建筑的系統(tǒng)方案 圖3 13 圖3 13基于LonWorks的智能建筑的系統(tǒng)方案示例 75 上圖所示的是兩級Lonworks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式 一路是路由器 一路是智能節(jié)點 它將每一住戶設(shè)計為一個Lonworks智能節(jié)點 由該智能節(jié)點對各住戶室內(nèi)進(jìn)行實時監(jiān)控 完成安全防范系統(tǒng)的大部分功能 Lonworks總線技術(shù)規(guī)定 一個Lonworks網(wǎng)絡(luò)最多可以有255個子網(wǎng) 而每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點 76 在上述結(jié)構(gòu)中 每127個節(jié)點需要一個路由器以支持更多的節(jié)點 所以Lonworks網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點數(shù)最多可以達(dá)到255 127 32385 雖然該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 不失為一種較好的結(jié)構(gòu)形式 但也存在著一些缺點 1 由于神經(jīng)元芯片的I O口較少 要完成每一住戶所需的所有控制功能 還必須對神經(jīng)元芯片進(jìn)行擴展 以增加其I O能力 2 智能節(jié)點的造價較高 相應(yīng)使得整個智能社區(qū)的成本也較高 77 基于LonWorks技術(shù)的數(shù)字化社區(qū)系統(tǒng)方案 圖3 14 圖3 14基于LonWorks技術(shù)的數(shù)字化社區(qū)系統(tǒng)方案示例 78 該系統(tǒng)具有以下特點 1 每一住戶室內(nèi)裝有一個用戶監(jiān)測器 負(fù)責(zé)整個住戶室內(nèi)安全狀態(tài)信息的監(jiān)測和傳送 2 對每一幢居民樓使用一個智能通信節(jié)點 主要負(fù)責(zé)采集整幢居民樓中每一住戶室內(nèi)的報警信號數(shù)據(jù)以及水 電 氣三表的使用情況 并將這些數(shù)據(jù)通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)上傳至中央監(jiān)控計算機 79 3 整個系統(tǒng)還包括一個安裝在智能社區(qū)管理中心的中央監(jiān)控計算機 它主要用于負(fù)責(zé)對整個智能社區(qū)智能節(jié)點的組網(wǎng) 報警信息的實時顯示 報警歷史信息的查詢 三表數(shù)據(jù)的計量與統(tǒng)計以及社區(qū)住戶信息的管理等任務(wù) 4 智能社區(qū)用戶數(shù)量最多可以達(dá)到32385 256 8290560戶 擁有海量用戶規(guī)模 80 該系統(tǒng)的優(yōu)勢 1 克服了分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)所存在的固有缺陷 2 在網(wǎng)絡(luò)通信中以網(wǎng)絡(luò)變量的形式共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 使得網(wǎng)絡(luò)上的智能節(jié)點之間的通信效率大大提高 從而提高了控制系統(tǒng)的實時性 3 系統(tǒng)的可靠性高 4 采用了現(xiàn)場總線技術(shù) 增強了系統(tǒng)的開放程度和互操作性 同時還進(jìn)一步擴展了系統(tǒng)功能 81 3 4 3LonWorks智能樓宇自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實施 現(xiàn)代智能建筑自動化系統(tǒng)是計算機 通信和自動控制技術(shù)有機結(jié)合的整體 一個智能建筑自動化系統(tǒng)往往包含成千上萬個現(xiàn)場傳感器 執(zhí)行器 這些傳感器 執(zhí)行器通過智能控制節(jié)點實施現(xiàn)場監(jiān)控 82 1 樓宇自動化對控制系統(tǒng)的要求 樓宇自動化對控制系統(tǒng)的要求包括從系統(tǒng)規(guī)模 系統(tǒng)可靠性 靈活性 系統(tǒng)性能 系統(tǒng)集成 安裝維護(hù) 診斷等各個方面對系統(tǒng)提出的要求 系統(tǒng)規(guī)模及子系統(tǒng)連接樓宇自動化系統(tǒng)一般包括 暖通 空調(diào) 照明 給排水 供配電 電梯 以及保安門禁 火災(zāi)報警等監(jiān)測控制 系統(tǒng)規(guī)模因大廈規(guī)模及其功能要求而異 83 系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)可靠性要求包括可靠傳送信息 控制回路的可靠連接 容錯能力及故障隔離和恢復(fù) 為了能可靠地傳輸信息 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需能提供多種服務(wù) 包括無確認(rèn)信息服務(wù) 確認(rèn)服務(wù)和發(fā)送授權(quán) 系統(tǒng)的靈活性系統(tǒng)的靈活性主要是指系統(tǒng)擴充和修改是否方便 對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的要求是 要有足夠的可擴展的編址空間 連接線纜的距離容易延伸 節(jié)點連線容易 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活 可支持多種通信媒體 甚至可采用無線連接 容易增減設(shè)備 84 LonWorks的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電源線和無線通信媒體使網(wǎng)絡(luò)擴展和修改非常方便 采用路由器 重發(fā)器 可以非常容易地延伸網(wǎng)絡(luò)連接線纜 或無線連接 的距離 此外 網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)工具在系統(tǒng)范圍內(nèi)可對節(jié)點數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新 并對每個節(jié)點內(nèi)部非易失性存儲器中保存的節(jié)點信息 節(jié)點互連關(guān)系信息等進(jìn)行更新 保證其一致性 85 系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能與許多因素有關(guān) 包括 最大數(shù)據(jù)速度 根據(jù)收發(fā)器 通信媒體和藕合電路的性能價格比 數(shù)據(jù)速率能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行選擇 從幾Kbps到超過1Mbps 對于大多數(shù)應(yīng)用場合是需要的 系統(tǒng)集成從系統(tǒng)集成的角度要求首先是協(xié)議的一致性 即不同廠商的設(shè)備要能夠在同一系統(tǒng)中協(xié)調(diào)運作 互操作 還有就是應(yīng)用層接口的一致性 即應(yīng)用對象和配置參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層界面 此外要采用一體化的開發(fā)和安裝調(diào)試工具 即節(jié)點設(shè)計 節(jié)點互連 網(wǎng)絡(luò)分析均采用系統(tǒng)級的安裝調(diào)試工具來解決 86 系統(tǒng)安裝調(diào)試和診斷系統(tǒng)安裝調(diào)試和診斷對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求包括 能支持各種通信媒體 實驗室安裝調(diào)試和現(xiàn)場安裝任務(wù)可以很靈活地分開 能方便靈活選擇安裝參數(shù) 系統(tǒng)配置參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)的格式 很容易增加和減少設(shè)備 能進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問等 87 2 LonWorks智能樓宇自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實施 智能節(jié)點設(shè)計一般說來 使用LonWorks技術(shù)組成的自動控制網(wǎng)絡(luò)中 檢測 控制點可分為四類 即數(shù)字量 開關(guān)量 輸入 輸出 模擬量輸入 輸出 在節(jié)點設(shè)計時 可以根據(jù)應(yīng)用要求和器件能力 選擇各種輸入輸出的優(yōu)化組合 形成系列產(chǎn)品 現(xiàn)以VACOM威世達(dá)公司的VCN通用智能節(jié)點系列產(chǎn)品為基礎(chǔ)分別做一簡要說明 88 數(shù)字量 開關(guān)量 輸入節(jié)點這類節(jié)點在設(shè)計過程中主要考慮 如何將各種各樣的數(shù)字量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成Neuron芯片能夠接收的信號 并且這類信號在輸入通道上要加光電隔離器 以提高節(jié)點運行的安全性和可靠性 數(shù)字量輸出節(jié)點在設(shè)計這類節(jié)點時 主要是要解決外部高電壓 大電流的提供問題 在電路中 同樣也需要進(jìn)行光電隔離 來提高節(jié)點的可靠性和安全性 89 模擬量輸入節(jié)點主要用于采集網(wǎng)絡(luò)中的模擬信號 由于模擬信號種類繁多 所以節(jié)點的設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合及其需要選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器來實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 注意 在模擬量輸入節(jié)點的前端應(yīng)增加信號整理電路 模擬量輸出節(jié)點和模擬量輸入節(jié)點一樣 注意 在實際的設(shè)計中還要增加輸出信號整理電路 90 2 智能樓宇自動化系統(tǒng)實施 建立控制邏輯即定義監(jiān)控對象 確定監(jiān)控點 以及監(jiān)控對象與其他設(shè)備的通信方式 選擇控制節(jié)點及其它設(shè)備選擇節(jié)點主要考慮采用何種節(jié)點以適合應(yīng)用要求 節(jié)點可分為兩大類 通用節(jié)點和專用節(jié)點 通用節(jié)點 即可以通過使用NeuronC編程監(jiān)測控制多個輸入 輸出點 專用控制節(jié)點 即已經(jīng)定義為某種專用的輸入 輸出 如DI DO AI AO 91 通信類型即采用何種通信媒體 雙絞線自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 信道電源線 供電線 無線 要根據(jù)實際的需要和可能考慮 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計即確定每一個控制節(jié)點的位置 網(wǎng)絡(luò)中使用節(jié)點的數(shù)量 及路由器 網(wǎng)橋和重發(fā)器的數(shù)量 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型 以及人機界面 是否采用主監(jiān)控PC等 布線 安裝 調(diào)試 92 LonWorks技術(shù)體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的最新趨勢 由于其技術(shù)的特點 以及它被工業(yè)界的廣泛接受 成為控制網(wǎng)絡(luò)的實際主流標(biāo)準(zhǔn) 使得基于LonWorks平臺開發(fā)真正一體化的智能建筑管理控制系統(tǒng) 不但是現(xiàn)實可行的 而且是具有廣闊前景的 93 應(yīng)用實例 圖3 15為中山醫(yī)院腫瘤防治中心基于Lonworks技術(shù)設(shè)計的BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 94 圖3 15中山醫(yī)院腫瘤防治中心BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 95 3 4 4現(xiàn)場總線技術(shù)在科研課題中的應(yīng)用實例 建筑智能化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)硬件及軟件開發(fā) 96 本課題由國家建設(shè)部 湖南省科技廳和建設(shè)廳作為2000年科研項目立項 從1999年11月至2000年12月 通過不懈地努力與攻關(guān) 終于完成了系統(tǒng)各個部分的研制開發(fā)和系統(tǒng)總調(diào) 測試等工作 并且初步具備了系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的能力 該項目主要技術(shù)填補國內(nèi)空白 技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn) 國內(nèi)領(lǐng)先地位 系統(tǒng)的不少設(shè)計思想具有獨創(chuàng)性 97 本系統(tǒng)采用Lonworks技術(shù)作為控制網(wǎng)絡(luò)主干 研究 開發(fā)一系列高可靠性 低成本的網(wǎng)絡(luò)智能控制節(jié)點及路由器設(shè)備 同時 實現(xiàn)性能優(yōu)良的控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件平臺 形成一套自主開發(fā)的樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 可與傳統(tǒng)的RS 485等控制設(shè)備互連 具有較強的通用性和兼容性 它可以滿足樓宇自動化和復(fù)雜的工業(yè)過程控制中多個控制點的多變量 多耦合環(huán)境 各節(jié)點具備較強的獨立控制功能 控制系統(tǒng)具有可重構(gòu)性與可擴展性 98 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由TMPN3150 PSD913 FTT 10 光電隔離外圍電路等元件構(gòu)成 神經(jīng)芯片TMPN3150與MC143150兼容 它是Lonworks技術(shù)的核心 該芯片內(nèi)部有三個微處理器 MAC處理器 網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器 MAC處理器完成OSI七層協(xié)議的第一 二層 即介質(zhì)訪問功能 網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI協(xié)議第3 6層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 應(yīng)用處理器完成用戶的應(yīng)用程序 其中包含用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的服務(wù)調(diào)用 1 Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 99 神經(jīng)芯片3150片內(nèi)還有512字節(jié)的E2PROM 2048字節(jié)RAM可用于放置網(wǎng)絡(luò)配置信息和作為通訊 應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等 節(jié)點片外存儲器固化了Lontalk協(xié)議與系統(tǒng)調(diào)度固件 并下載了自主開發(fā)的系統(tǒng)節(jié)點應(yīng)用程序 一個控制單元中需要有采集和控制的功能 為此在神經(jīng)元芯片上特設(shè)置11有個I O口 這11個I O口可以根據(jù)需要配制成RS 232口 并行口 定時 計數(shù) 字節(jié)I O 位I O等形式 100 PSD913在一塊芯片上集成了512KBFLASHRAM 16KBSRAM和通用可編程器件并且具有后備電源接口 取代了傳統(tǒng)的通用存儲和可編程芯片 大大地減小了節(jié)點的體積 簡化了系統(tǒng)的設(shè)計 提高了可靠性 目前國內(nèi)外尚未見此種設(shè)計方式的產(chǎn)品 所有節(jié)點均帶后備電池 可對數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù) 101 Lonworks節(jié)點軟件用NeuroC語言編寫 開發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的Agent軟件體 使其具有自主性 協(xié)作性 和適應(yīng)性的特點 同時 節(jié)點軟件包含PID控制 模糊控制 神經(jīng)元控制等通用控制算法 節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)變量與消息的兩種數(shù)據(jù)傳遞方式可以實現(xiàn)信息的分級傳遞 102 Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為三大類 開關(guān)量型節(jié)點 模擬量型節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)時鐘節(jié)點 各種類型節(jié)點結(jié)構(gòu)功能原理如下 開關(guān)量型節(jié)點 它具有八路光電隔離開關(guān)量輸入 四路光電隔離開關(guān)量輸出 四路脈沖輸入和一個通用RS 232串口 數(shù)據(jù)可掉電保護(hù)至少五年以上 如圖3 16 103 圖3 16開關(guān)量型節(jié)點 104 模擬量型節(jié)點 它具有精度均為12位的A D四路 D A兩路 光電隔離開關(guān)量輸入八路 光電隔離開關(guān)量輸出四路 掉電數(shù)據(jù)可至少保存五年以上 模入 模出芯片均采用MAXIM公司的芯片 具有外接電路少 集成度高 穩(wěn)定可靠的特點 模擬量輸入電壓 5V 10V 0 5V 0 10V可調(diào) 模擬量輸出電壓 0 2 5V 0 5V可調(diào) 如圖3 17 105 光電隔離 MAX197 MAX530 數(shù)據(jù)鎖存器 PC0 四路模擬量輸入 兩路模擬量輸入 八路開關(guān)量輸入 雙絞線 FTT 10收發(fā)器 cp0 cp4 四路開關(guān)量輸出 光電隔離 IO4 IO7 TMPN3150 A0 A15 D0 D7 PSD913 后備電池 PC1 PC0 圖3 17模擬量型節(jié)點 106 時鐘節(jié)點 它采用已解決2000年問題的時鐘芯片DS12C887 時間精度可精確到秒級 可掉電運行十年以上 如圖3 18 107 2 Lonworks路由器 路由器在Lonworks技術(shù)中是一個主要的部分 這也是其它現(xiàn)場總線所不具備的 它使Lonworks總線突破傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制 不受通訊介質(zhì) 通訊距離 通訊速率的限制 Lonworks路由器包括以下幾種 中繼器 橋接器 路由器 采用RTR 10路由器核心模塊構(gòu)成的路由器框圖如圖3 19所示 108 109 3 主從式RS 485控制網(wǎng)絡(luò)多功能節(jié)點 其主要構(gòu)成元件是Intel80C196KC單片機系統(tǒng)和RS 485電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1487 其軟件上模仿Lonworks技術(shù) 分為通訊 系統(tǒng)調(diào)度固件和可下載的應(yīng)用程序 單個節(jié)點可在線編程 IAP 節(jié)點具備隔離八路開入 隔離四路開出 八路模擬輸入 10位精度 三路PWM輸出 可轉(zhuǎn)換為0 5VD A輸出 四路脈沖輸入等功能 節(jié)點帶32KEPROM 32KNVRAM 因而可掉電保護(hù)數(shù)據(jù)五年以上 其功能框圖為圖3 20 110 111 4 Lonworks網(wǎng)絡(luò)與主從式RS 485網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)主要由三部分組成 神經(jīng)芯片3150 雙口RAM 80C196KC單片機 其中神經(jīng)芯片 80C196KC分別完成同Lonworks網(wǎng)與RS 485網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口 雙口RAM實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞 80C196KC可以通過對雙口RAM的設(shè)置 決定數(shù)據(jù)發(fā)送完或接收到神經(jīng)芯片的一包有效數(shù)據(jù) 神經(jīng)元芯片和80C196的通信采用查詢方式或中斷方式 功能框圖如圖3 21 112 113 5 基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制器 鑒于電話網(wǎng)絡(luò)的普及程度 開發(fā)出由AT89C51單片機和MT8870雙音頻解碼芯片構(gòu)成 通過電話或手機遠(yuǎn)程控制空調(diào)等家電和企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備啟動或停止的控制器 完善了系統(tǒng)的功能 該控制器有四路開關(guān)量輸出 功能框圖如圖3 22 114 6 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 只包含Lonworks網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計方案 115 所有節(jié)點均采用神經(jīng)芯片 網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)為 報警信號輸入 DI 系統(tǒng)時鐘信號 三表讀數(shù) 溫度輸入等模入信號 A D 電壓輸出等控制信號 D A 數(shù)據(jù)的傳遞方式 各種不同數(shù)據(jù)可以分為不同的優(yōu)先級別 各優(yōu)先級別以不同的方式及不同的時間間隔發(fā)送 此方案的優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)單一 網(wǎng)絡(luò)的配置與管理簡單 缺點 由于多對一通訊 容易引起網(wǎng)絡(luò)的阻塞 116 117 基于Lonworks網(wǎng)和由80C196節(jié)點構(gòu)成的主從式RS 485網(wǎng)的混合設(shè)計方案 網(wǎng)絡(luò)主干采用Lonworks網(wǎng) 支干為主從式RS 485網(wǎng) Lonworks網(wǎng)絡(luò)與主從式RS 485網(wǎng)網(wǎng)關(guān)用作支路數(shù)據(jù)收集器 此方案的優(yōu)點是 分級數(shù)據(jù)傳遞 避免了網(wǎng)絡(luò)的擁擠 若需要 可進(jìn)行分級控制 缺點 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化 數(shù)據(jù)多層轉(zhuǎn)發(fā) 傳輸延時加大 118 S 485主從式 各主節(jié)點80C196按地址巡檢各從節(jié)點的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的巡檢周期 報警信號 DI 模入和模出均為不斷巡檢 三表讀數(shù)按需要 可一天或幾天一次 RS 485主從式通訊應(yīng)盡可能少的傳輸數(shù)據(jù) 各房間有狀態(tài)變化時 才傳輸變化的數(shù)據(jù) Lonworks協(xié)議 系統(tǒng)時間 報警信號 DI 模入和模出均為網(wǎng)絡(luò)變量傳遞 三表讀數(shù)為消息方式 傳輸周期參見方案一 如圖3 24 119 120 3 5BACnet總線技術(shù)的應(yīng)用 BACnet標(biāo)準(zhǔn)的誕生 結(jié)束了樓宇自動化領(lǐng)域眾多廠家各自為政的局面 BACnet作為一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)據(jù)通信協(xié)議 使不同廠家的樓宇設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互操作 即在一個系統(tǒng)中 允許混用不同廠家的設(shè)備 并能為這些設(shè)備提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信的服務(wù)和協(xié)議的操作平臺 121 分散建筑之間采用BACnet實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)集成的典型方案如圖3 25所示 該樓宇自動化系統(tǒng) BAS 對現(xiàn)場儀表盤和控制器能實現(xiàn)分個人的控制功能 而不再是必須依靠中央控制器 且利用集成網(wǎng)絡(luò)所提供的技術(shù) 快速 便利地傳遞和控制數(shù)據(jù) 通過網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)之間提供界面 122 圖3 25采用BACnet的樓宇自動化系統(tǒng) 123 3 6DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用 124 3 6 1DeviceNet現(xiàn)場總線協(xié)議 1 DeviceNet的通信模式和信息交換DeviceNet使用先進(jìn)的生產(chǎn)者 消費者通信模式 與傳統(tǒng)的源 目的通信模式相比 它利用很窄的帶寬就可以傳送多個消費者需要的相同的數(shù)據(jù) 提高了通信效率 125 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信方式 1 主 從通信 2 多主通信 3 點對點對等通信 4 以上三種通信方式的組合形式其中點對點數(shù)據(jù)交換 使任何DeviceNet產(chǎn)品都可生產(chǎn)和消費報文 作為生產(chǎn)者或消費者 或同時作為生產(chǎn)者和消費者 通?？蓪⒅?從通信方式定義為點對點的子集 126 2 非破壞性逐位仲裁機制DeviceNet現(xiàn)場總線采用了CAN總線先進(jìn)的非破壞性逐位仲裁機制 CSMA NBA CarrierSenseMultipleAccesswithNon destructiveBitwiseArbitration 這使線路的使用率達(dá)到100 CAN節(jié)點的發(fā)送過程可以被網(wǎng)絡(luò)上其他所有節(jié)點監(jiān)聽并應(yīng)答 在總線空閑時任何節(jié)點都可以嘗試發(fā)送 提供了網(wǎng)絡(luò)固有的點對點的通信能力 127 CAN規(guī)范定義了兩種總線狀態(tài) 顯性 邏輯0 和 隱性 邏輯1 一個顯性位和一個隱性位同時發(fā)送的結(jié)果在總線上將呈現(xiàn)顯性 在仲裁區(qū)傳送期間 每個發(fā)送器在發(fā)送的同時都監(jiān)視總線上的當(dāng)前電平 并與它已經(jīng)發(fā)送的位電平進(jìn)行比較 如果值相等那么這個節(jié)點可以繼續(xù)發(fā)送 如果發(fā)送了一個隱性位1 而在總線上監(jiān)視到一個顯性位0 那么此發(fā)送節(jié)點將失去仲裁權(quán) 停止發(fā)送數(shù)據(jù) 只有一個節(jié)點贏得仲裁并繼續(xù)這一幀的發(fā)送 失去仲裁權(quán)的節(jié)點可以在當(dāng)前發(fā)送完成后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù) 因此同時發(fā)送的多個節(jié)點中 具有最低值標(biāo)識符的節(jié)點將獲得仲裁優(yōu)先權(quán) 128 與以太網(wǎng)所使用的沖突檢測 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 相比 DeviceNet總線發(fā)送的數(shù)據(jù)通過非破壞性逐位仲裁機制解決沖突問題 而不會損失數(shù)據(jù)或帶寬 起始位 標(biāo)識位 位 控制區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū) 序列 分界 位 分界 幀結(jié)束 幀間隔 RTR CRC CRC ACK ACK 129 3 DeviceNet報文格式 I O報文 如圖3 26 它適用于實時性要求較高的I O端子的信號輸出 I O報文數(shù)據(jù)幀中的8位數(shù)據(jù)場不包含任何與協(xié)議有關(guān)的位 只有當(dāng)I O報文為大報文經(jīng)過分割后形成的I O報文片段時 數(shù)據(jù)位域中有一位由報文分割協(xié)議使用 圖3 26I O報文的格式 130 2 顯式報文 如圖3 27 它適用于兩個設(shè)備間多用途的點對點報文傳遞 是典型的請求 響應(yīng)通訊方式 常用于節(jié)點的配置 問題診斷等過程中 顯示報文通常使用優(yōu)先極低的連接標(biāo)識符 并且該報文的相關(guān)信息包含在顯示報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位域中 包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對象的屬性及地址 圖3 27顯式報文的格式 131 根據(jù)傳送的報文的性質(zhì)和預(yù)先定義的優(yōu)先級別 DeviceNet將報文分為4組 每組對應(yīng)的標(biāo)識符及其含義見表3 4 其中11位標(biāo)識符值越小則其代表的信息的優(yōu)先級別越高 這種信息組設(shè)計方法使總線優(yōu)先級可任意分布 而不僅僅和節(jié)點地址有關(guān) 132 DeviceNet信息組表3 4 133 其中的信息組1通常用于傳送實時性要求比較高的I O報文 信息組2用于傳送預(yù)定義非連接報文 信息組3用于傳送設(shè)備配置及在線參數(shù)修改的顯式報文 信息組4用于傳送離線連接報文信息 6位的源 目的MACID 媒體訪問控制標(biāo)識符 是分配給網(wǎng)絡(luò)上每個DeviceNet節(jié)點的唯一的標(biāo)識符 十進(jìn)制數(shù)值0 63 134 4 DeviceNet的對象模型為管理和實現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品組件的屬性 數(shù)據(jù) 服務(wù) 方法或步驟 和行為提供了一個模板 對象模型 為每個屬性提供了4個數(shù)字組成的尋址方案 它們分別是節(jié)點地址 MACID 對象類標(biāo)識符 ClassID 實例編號 InstanceID 和屬性編號 AttributeID 這四級地址與顯式報文連接相結(jié)合 將數(shù)據(jù)從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點傳送到另外一節(jié)點 135 DeviceNet對象類的分類 必需對象類 就是每個節(jié)點都必須具備的一些對象 可選類對象 是指制造商可以自己根據(jù)具體情況自行決定是否要具備的一些對象類 一種典型的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的對象模型見圖3 28 136 圖3 28DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的對象模型 137 有關(guān)的術(shù)語 1 類 是指表現(xiàn)出相同類型系統(tǒng)成分的對象的集合 對象又被稱為對象類 2 對象實例 是指在分類內(nèi)某一特定對象的具體表示 一個分類的每個實例不但有一組相同的屬性也有自身的一組特定屬性值 3 屬性 是一個對象和 或?qū)ο蠓诸惖奶匦?簡言之 屬性提供狀態(tài)信息或管理對象的操作 3 服務(wù) 用來觸發(fā)對象 分類實現(xiàn)一個任務(wù)對象 4 行為 則表示了它如何響應(yīng)特定的事件 138 3 6 2DeviceNet協(xié)議的應(yīng)用 以斷路器為例設(shè)計一個DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點 實現(xiàn)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能 一端與斷路器控制器通信接口相連接 通過RS 485以Modbus為通信協(xié)議進(jìn)行通信 另一端與DeviceNet現(xiàn)場總線相連接 以DeviceNet為通信協(xié)議進(jìn)行通信 協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為整個DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的一個從站 和其他DeviceNet節(jié)點一起組成DeviceNet網(wǎng)絡(luò) 139 1 系統(tǒng)的總體設(shè)計 圖3 29斷路器協(xié)議轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計原理圖 140 協(xié)議轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有如下主要功能 1 能夠在DeviceNet的125K 250K 500K三種波特率下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 2 具有誤接線保護(hù)功能 3 具有看門狗電路以保證協(xié)議程序的順利執(zhí)行 4 提供DevicNet通信波特率撥碼盤 節(jié)點地址選擇開關(guān) 5 提供DeviceNet的狀態(tài)LED顯示 6 采用RS 485接口芯片實現(xiàn)Modbus的消息幀的收發(fā) 7 采用電壓調(diào)節(jié)芯片 從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)電源獲得5V電源 對系統(tǒng)各個部分供電 8 能夠適應(yīng)Modbus從1200bps至38400bps的不同通信速率 141 主要器件 單片機可采用集成CAN控制器的單片機 這樣做的優(yōu)點是可以減少分立元件 提高系統(tǒng)可靠性 調(diào)試起來也較為方便 可以選用一般的單片機 不過這時要另加一個獨立的CAN控制器 這樣做的優(yōu)點是單片機的選擇較為靈活 142 CAN控制器在選用CAN通信控制器 又被稱作CAN協(xié)議芯片 時有兩種方案 選用外接獨立CAN通信控制器 選用內(nèi)置的CAN通信控制器 即微處理器和CAN控制器集成在一起的 143 CAN芯片的供應(yīng)商很多 可供選擇的CAN控制器芯片 如 Philips公司的82C200和SJA1000 Intel公司的82527和82526 Microchip公司的MCP2510和MCP2515 SIEMENS公司的81C90 91 NEC公司的72005等等 其中SJA1000是Philips公司新推出的82C200的替代產(chǎn)品 在國內(nèi)應(yīng)用的最為廣泛 可供選擇的內(nèi)置CAN控制器的微處理器芯片 如 三菱公司的M16C 6N系列 帶雙口CAN 和M16C 1N系列 Ph