（控制理论与控制工程专业论文）基于lonworks的智能建筑系统集成方案研究与应用.pdf

摘要 摘要 对目前国际上比较流行的几种现场总线技术进行了分析比较和总结，归纳 出笔者选择基于l o n w o r k s 总线技术构建智能楼宇的优越性；深入分析了 l o n w o r k s 现场总线技术，对l o n w o r k s 的技术原理、开发工具、体系结构和技术 特点进行了分析和讨论；对l o n t a l k 协议下的信息交换机制等重要技术进行深 入分析；对神经元芯片及其结构、功能等作深入的剖析。在分析楼宇自动化系 统对控制网络的要求，楼宇自动化控制系统结构，以及l o n w o r k s 技术应用于楼 宇自动化控制系统可行性的基础上，结合实际工程项目，构建基于l o n w o r k s 总 线的楼宇自动化系统集成网络结构；详细给出泛光照明控制系统的硬件实现和 相应的软件设计。在分析实际工程实时监控软件的功能需求和设计内容的基础 上，运用e c h e l o n 提供的l o n m a k e r 开发工具进行软件组态设计，使设计的上位 监控界面友好、生动。 关键词：l o n w o r k s 技术；智能建筑；系统集成；l o n t a l k 协议 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a lc o m p a r i s o no fs e v e r a lp o p u l a rf i e l db u st e c h n o l o g y c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h es u m ，s u mu pm yc h o i c eb a s e do nl o n w o r k sb u s t e c h n o l o g yt ob u i l dt h es u p e r i o r i t yo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ；i n d e p t ha n a l y s i so ft h e l o n w o r k sf i e l db u st e c h n o l o g y ，f o rt h el o n w o r k st e c h n o l o g y ，d e v e l o p m e n tt o o l s ， a r c h i t e c t u r ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ；l o n t a l k a g r e e m e n to ni n f o r m a t i o ne x c h a n g em e c h a n i s m ss u c ha sa ni n d e p t ht e c h n i c a l a n a l y s i s ；n e u r o n so ft h ec h i pa n di t ss t r u c t u r e ，f u n c t i o na n ds oo ni n d e p t ha n a l y s i s i n t h ea n a l y s i so ft h eb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mt oc o n t r o ln e t w o r kr e q u i r e m e n t s ， b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la st h el o n w o r k st e c h n o l o g yi nb u i l d i n g a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so ft h ef e a s i b i l i t yo fc o m b i n i n gt h ea c t u a l p r o j e c t ，b a s e do nl o n w o r k sb u st ob u i l dt h eb u i l d i n ga u t o m a t i o nn e t w o r ks y s t e m i n t e g r a t i o n ；d e t a i l sa r eg i v e np a n l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n i nt h ea n a l y s i s o ft h ea c t u a l e n g i n e e r i n g s o f t w a r ef e a t u r e sr e a l t i m e m o n i t o r i n go fd e m a n df o rc o n t e n ta n dd e s i g nb a s e do nt h eu s eo fe c h e l o np r o v i d e d b yt h el o n m a k e rd e v e l o p m e n tt o o l sf o rs o f t w a r ed e s i g nc o n f i g u r a t i o n ，s ot h a tt h e d e s i g no ft h eu p p e rm o n i t o ru s e r - f r i e n d l y ，l i v e l y k e yw o r d s ：l o n w o r k st e c h n o l o g y ；i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ；s y s t e mi n t e g r a t i o n ； l o n t a l kp r o t o c 0 1 i i 目录 目录 第一章绪论。l 1 1 课题来源1 1 2 课题研究的意义1 1 3 国内外智能楼宇的发展现状2 1 3 1 智能楼宇中自动化系统的发展现状。2 1 3 2l o n w o r k s 总线技术的发展现状3 1 4 在本课题中，笔者完成的主要内容4 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述5 2 1 现场总线的技术特点5 2 2 国内外几种主流的现场总线概述：6 2 2 1l o n w o r k s 总线6 2 2 2c a n 总线6 2 2 3p r o f i b u s 总线7 2 2 4 基金会现场总线7 2 2 5h a r t 总线8 2 2 6 小结一9 2 3l o n w o r k s 协议分析9 2 3 1l o n w o r k s 协议简介9 2 3 2l o n w o r k s 协议中最重要的一些技术分析1 1 2 4n e u r o n 神经元芯片剖析。1 7 2 4 1 神经元芯片的结构和存储器配置17 2 4 2 神经元芯片的处理器1 9 2 4 3 神经元芯片的i o 功能2 l 2 4 。4 神经元芯片的通信功能2 1 2 4 5 神经元芯片的其它功能2 2 2 5 本章小结2 3 i i i 目录 第三章基于l o n w o r k s 技术的智能建筑系统集成设计2 4 3 1 项目简介2 4 3 2 需求分析及设计步骤2 5 3 2 1 需求分析2 5 3 2 2 楼宇自动化系统集成设计步骤2 5 3 3 冷冻站监控系统设计。2 6 。3 3 1 冷冻站系统的监控要求及功能说明2 6 3 3 2 冷冻站系统的监控原理图设计及监控点统计2 7 3 3 3 冷冻站监控系统设备选型2 8 3 4 换热站监控系统设计2 8 3 4 1 换热站系统的监控要求及功能说明2 8 3 4 2 换热站系统的监控原理图设计及监控点统计2 8 3 4 3 换热站监控系统设备选型2 9 3 5 空调监控系统设计3 0 3 5 1 空调系统的监控要求及功能说明3 0 3 5 2 空调系统的监控原理图设计及监控点统计3 0 3 5 3 空调机组监控系统设备选型3 2 3 6 照明监控系统设计。3 2 3 6 1 照明控制系统的监控要求及功能说明3 2 3 6 2 照明控制系统的监控原理图设计及监控点统计3 2 3 6 3 照明监控系统设备选型3 3 3 7 变配电监控系统设计3 5 3 7 1 变配电系统的监控要求及功能说明3 5 3 7 2 变配电系统的监控原理图设计及监控点统计3 5 3 7 3 变配电监控系统设备选型3 6 3 8 给排水监控系统设计3 6 3 8 1 给排水系统的监控要求及功能说明3 6 3 8 2 给排水系统的监控原理图设计及监控点统计3 6 3 8 3 给排水监控系统设备选型3 7 i v 。卜 目录 3 9 电梯监控系统设计3 8 3 9 1 电梯系统的监控要求及功能说明3 8 3 9 2 电梯系统的监控原理图设计及监控点统计3 8 3 9 3 电梯监控系统设备选型3 9 3 1 0 中央工作站设备选型及其他3 9 3 1 1 绘制出整个楼宇自控系统系统图及施工平面图3 9 第四章基于l o n w o r k s 技术的照明控制集成系统深化设计4 1 4 1 灯光集中控制智能节点的硬件设计与实现4 1 4 1 1 智能节点的总体结构4 1 4 1 2 时钟电路的设计4 2 4 1 3 复位电路的设计4 3 4 1 4 神经元3 1 5 0 芯片与外存储器( f l a s h ) 的接口电路设计4 4 4 1 5 服务管脚电路设计4 5 4 1 6 测量电路的设计4 6 4 1 7 控制电路的设计4 8 4 2 灯光集中控制的软件设计与实现4 9 4 2 1 通信部分软件设计( 创新点) 4 9 4 2 2 节点控制部分程序设计5 4 4 2 3 实时监控组态界面设计6 2 第五章结论与展望6 5 5 1 结论。6 5 5 2 本文的创新点。6 5 5 3 展望。6 6 至炙谢。6 7 参考文献：6 8 附录a 7 0 附录b 8 0 攻读学位期间的研究成果8 4 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文的课题研究工作是建立在武汉琴台音乐厅( 总体工程立项批准文号： 武计资 2 0 0 4 1 2 3 4 号) 的楼字自动化系统及系统集成工程建设的基础上进行的。 1 2 课题研究的意义 据相关报导，未来二十年，新加坡将把全岛建成“智能花园”，韩国将把本土 建成“智能半岛”，日本将使全国6 5 的建筑实现智能化，美国将建造所谓“海上 城市”、“空中城市”、“月球城市”等等。由此可见，智能建筑是最具有生命力的 建筑。 我国智能建筑始建于9 0 年代，起步较迟，但发展速度较快。在步入信息社 会的今天，智能大厦越来越受到我国政府和企业的重视。智能建筑由楼宇自动 化系统( b a s ) 、办公自动化系统( o a s ) 、通信自动化系统( c a s ) - - - 部分组成。其中， 楼宇自动化系统作为智能建筑的一个重要组成部分，其系统构成与运行直接影 响到整个智能建筑系统运行的成败。随着信息和控制技术的高速发展，人们对 建筑物的使用功能、环境和管理水平的要求也不断提高，楼宇自控系统的规模 不断扩大，同时对该系统的可靠性和灵活性也提出越来越高的要求。传统的封 闭和集中体系结构已经不能满足人们的需求，建筑物内部要求实现控制与管理 的一体化、网络化和全分布、全开放的控制体系结构。 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，它的出现使传 统的自动控制领域产生了革命性的变革，形成了新型的网络集成或全分布控制 系统。现场总线控制系统是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备 作为网络接点，用总线连接，实现数据传输与相互交换，从而实现自动控制功 能。现场总线的发展促进了控制网络与信息网络的集成，极大地改变了人们的 生产方式和生活方式，扩大了传统控制领域的范畴。 目前，世界范围内形成了许多较有影响的总线标准：h a r t 、c a n 、l o n w o r k s 、 f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 等。每一种总线标准都有它的适用范围， 如：f f 主要用于过程自动化领域：p r o f i b u s 适合于加工自动化、可编程控制器 第一章绪论 等。l o n w o r k s 现场总线系统作为最早应用于建筑物设备自动化系统中的总线技 术之一，其显著的开放性、可靠性和灵活性，使得其无论在工业网络控制，还 是在智能楼宇和家庭智能化方面均有着得天独厚的优势。 l o n w o r k s 技术符合国际发展潮流，适合我国国情，为智能建筑的系统一体 化集成提供了强有力的技术平台，为我国智能建筑行业的技术人员开发我们自 己的智能建筑系列产品留下了很大的空间。随着全世界出现成千上万的应用开 发商和几百万设备的安装，l o n w o r k s 系统已成为楼宇和家庭自动化、工业、运 输和公共设备控制网首屈一指的开放式解决方案。所有这些都表明l o n w o r k s 技 术在楼宇自动化等领域有着广泛的应用前景，而基于l o n w o r k s 技术的楼宇自动 化系统是今后智能建筑控制系统的重要发展方向。因此，对基于l o n w o r k s 现场 总线的楼宇自控系统及其集成的研究在学术研究方面和实际工程建设中都具有 很强的现实意义。 1 3 国内外智能楼宇的发展现状 1 3 1 智能楼宇中自动化系统的发展现状 楼宇自动化系统，其实质是运用计算机技术、通讯技术、控制技术和图形 显示技术，对整个大厦的建筑设备空调、照明、供电、供水、电梯、消防 等设备进行自动化控制与管理，从而提高大厦的技术与信息含量，增强其整体 竞争力。随着信息技术的迅速发展，人们对各类建筑物的使用功能要求越来越 高，楼宇自动化系统越来越复杂。早在2 0 世纪5 0 年代初期，一些发达国家就 在楼宇中采用电子器件组成控制系统，各种仪表、信号灯以及操作按键通过各 种线路接至分散在现场的机电设备上，用来集中监控设备的运行情况，并对各 种机电系统实现手动或自动控制【l 】。到了上一世纪6 0 年代末，开始出现数字式 自动化系统，并逐步采用专用计算机系统进行管理、控制和显示。随着微电子 技术的发展，2 0 世纪8 0 年代中期开始，采用计算机构成的控制系统，达到常规 控制技术无法达到的性能指标，从而为实现楼字的智能化打下了良好的基础。 自1 9 8 4 年美国建成第一座智能建筑以来，在世界范围内，智能建筑以一种 崭新的面貌和技术，迅速在各地展开。如今，智能建筑经过多年的发展，已进 入了“绿色建筑”新境界的更高智能阶段1 2 1 1 3 1 。在真正实现以人为本的前提下，通 过对楼字设备的控制和管理，实现节约能源、保护环境和可持续发展的目标， 2 第一章绪论 对设备的控制和管理总的精神是强调高效率、低能耗、低污染。另一方面，随 着信息技术产业的急速发展，智能建筑的内涵和面貌同新月异，作为智能建筑 核心的楼宇系统集成，要求的是网络化的集成，而不再是仅仅以处理器或服务 器为中心。计算机环境也正从客户机服务器模式逐步向浏览器服务器和 c 1 i e n t n e t w o r k 的方向转变。集成系统的开发也不再是面向过程，而是面向对象， 密切结合应用需求，强调综合集成。从信息交互原理上来看，已经从简单的状 态信息组合和基于监控的处理，发展到基于内容的处理和融合，以及基于虚拟 和多媒体技术的人机接口。 1 3 2l o n w o r k s 总线技术的发展现状 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司在1 9 9 3 年推出的局部操作网络技术，它 具有很强的开放性、兼容性、灵活性、安全性、可靠性和可互操作性，使得其 产品应用非常广泛。它广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、 污水处理、火灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等。 到目前为止，全世界己有4 5 0 0 多家公司利用l o n w o r k s 技术生产各种各样 的l o n w o r k s 产品，以满足现代化楼宇、工厂、交通运输系统、城市基础设施( 水、 电、气等) 、家庭等环境自动化系统的分布式控制网络建设要求。为了保证来自 于如此众多厂家的产品是真正开放的且满足l o n w o r k s 的技术要求，使多家产品 能在一个l o n w o r k s 分布式控制网络系统中实现即插即用，相互兼容，1 9 9 4 年由 全球1 2 家著名工业集团发起，由1 5 0 家公司参加，成立了一个被称为l o n m a r k 的互操作性协会。协会的主要任务是制定和推广l o n w o r k s 技术的设计指导和标 准，并帮助生产厂商和最终用户制造和使用可互操作的l o n w o r k s 产品。现在， 已经有h o n e y w e l l 、s b t 、j o h n s o n 、c o n t r o l s 、a n d o v e r 、p h i l i p s 、l i g h t i n g 、g e 等加入了l o n m a r k 协会，对h a v c 、a c c e s s 、l i g h t i n g 、f i r e 、e l e v a t o r 、h o m e & u t i l i t y 、 i n d u s t r i a ls y s t e mi n t e g r a t i o n 领域提供技术支援。 l o n w o r k s 网络协议已成为诸多组织、行业的标准。消费电子制造商协会 ( c e m a ) 将l o n w o r k s 协议作为家庭网络自动化的标准( e i a 7 0 9 ) 。1 9 9 9 年1 0 月 a n s i 接纳l o n w o r k s 网络的基础协议作为一个开放工业标准，包含在 a n s i e i a 7 0 9 1 中【4 1 。国际半导体原料协会( s e m i ) b ：，q 确采纳l o n w o r k s 网络技术 作为其行业标准，还有许多国际行业协会采纳l o n w o r k s 协议标准，这将巩固 l o n w o r k s 产品在诸行业领域应用的地位，这也是笔者选用l o n w o r k s 总线技术 3 第一章绪论 构建楼宇自控系统的主要原因。我国近几年也掀起了研究和应用现场总线技术 的热潮，中国计算机协会工控专委会成立了l o n w o r k s 控制网络协作网，成员已 达4 0 多个，建设部也成立了l o n w o r k s 用户协作网，大型建筑业过程控制系统 已逐渐推广现场总线系统。 1 4 在本课题中，笔者完成的主要内容 对于本课题的研究，笔者所完成的主要内容如下： 对目前国际上比较流行的几种现场总线技术进行分析比较和总结，归纳 出笔者选择基于l o n w o r k s 总线技术构建智能楼宇系统集成的优越性。 深入分析l o n w o r k s 现场总线技术，对l o n w o r k s 的技术原理、开发工具、 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 l o n w o r k s 技术主要包括：l o n t a l k 协议；n e u r o n 神经元芯片； l o n w o r k s 收发器；l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 开发工具；因篇幅原因，本章主 要简述国内外几种常用的现场总线技术及其适用场合，重点分析l o n t a l k 协议和 n e u r o n 神经元芯片技术。 2 1 现场总线的技术特点 现场总线是计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的结合， 是当今自动控制技术发展的热点。它的出现代表了一种有突破意义的新的控制 思想，开辟了一个新的时代，是控制领域的一场革命，使传统的控制系统无论 在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃。 概括起来，现场总线具有以下主要特点： 现场设备智能化。 现场设备( 传感器、驱动器、执行机构等设备) 是带有串行通信接口的智能化 ( 可编程或可参数4 l ) i 赂t 1 7 1 。设备或仪表智能化可使控制站的部分控制功能下移 分散到各个现场设备仪表中，从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于 执行复杂的高层次的控制算法。 数字化通信取代模拟信号。 传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一( 一个i o 点对设备的 一个测控点) ，所谓i o 接线方式，信号传递4 - 2 0 m a ( 模拟量信息) 或2 4 vd c ( 开 关量信息) 信号。而现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备( 智能 化、带有通信接口) 连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。 分布式的f c s 系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想【8 】。 与传统的d c s 相比，f c s 有其自身的优点。f c s 系统具有高度的分散性， 它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与 功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体。 现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器 可从现场设备获取大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可 实现设备远程控制、参数化及故障诊断工作。 5 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸。 传统的现场层设备与控制器之间的通信能力有限，难以实现设备之间及系 统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企 业信息集成及企业综合自动化的实现。现场总线技术采用计算机数字化通信技 术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信 息沟通覆盖范围一直延伸到生产现场。 2 2 国内外几种主流的现场总线概述 2 2 1l o n w o r l s 总线 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡 导，于19 9 0 年正式公布而形成的。其通信协议l o n t a l k 支持i s o o s i 的全部7 层模型，这是l o n 总线最杰出的特点。l o n t a l k 协议通过神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 上的硬件和固件实现，提供介质存取、事物确认和对等通信服务；还有一些先 进服务如接收认证、优先级传输、单一广播组播消息发送等。网络拓扑结构可 以采用总线型、星型、环形和混合型，实现真正自由组合。另外，它采用面向 对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率 从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持 双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了 相应的本质安全防爆产品。其编址方法提供了巨大的网络寻址能力( 系统支持 3 2 3 8 5 个网络设备) 。 高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得l o n w o r k s 产品应用非常广 泛，如灌溉管理、电路板诊断、分散和过程控制、电梯控制、能源管理、环境 监视、污水处理、火灾报警、采暖通风和家庭网络自动化等。 2 2 2c a n 总线 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称。它是德国b o c s h 公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的，起初是专门为汽车工业设计的， 目的是为了节省接线的工作量，后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。 目前c a n 已由i s o 技术委员会批准为国际标准，在现场总线中，它是唯一被国 际标准化组织批准的现场总线【9 1 。c a n 协议也遵循i s o o s i 模型，采用了其中 的物理层和数据链路层，而应用层的功能由处理器来完成。c a n 采用多主工作 6 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现 点对点、_ 点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 总线可采用双绞线， 同轴电缆或光纤作力传输介质。通信速率可达1 m b p s 4 0 m ，直接通信距离最远 可达1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设备数最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧有效字节为8 个，传输距离短，受干 扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的 联系，使总线上的其它节点及通信不受影响。可见，c a n 是所有总线中信号传 输最为可靠的。 2 2 3p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线是德国国家标准d i n 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 17 0 的现场总线标 准 6 1 。p r o f i b u s 在实际应用中成绩斐然，在众多总线中居于前列，广泛用于各种 行业。目前的p r o f i b u s 有3 种系列：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s p a 。 p r o f i b u s d p 应用于现场级，是一种高速低成本通信，适用于设备级控制系统与 分散式i o 的实时通信；p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌结构、 实时多主网络；p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，它采用了i e c l l 5 8 2 传输技 术，可实现总线供电和本质安全防爆。p r o f i b u s 总线访问协议是一种混合的协议， 包括主站之间的令牌传递方式( t o k e nr i n g ) 和主站与从站之间的主从方式。主站 在一个限定的时间框内( 令牌占有时间) 有总线访问权。从站仅按照主站的询问作 出应答，它没有总线访问权。主、从站在任何时候都可以增设或拆除，改变之 后现场总线数据链路层将自动对令牌环重新组态。 p r o f i b u s 总线重点应用于制造业、流程工业、交通、冶金、楼宇自动化等领域。 2 2 4 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到了广泛 支持和具有良好发展前景的技术。它是由以f i s h e r - r o s e m e n t 公司为首，联合 f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制定的i s p 协议和以美国h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制定的w o r l d f i p 协议，于1 9 9 4 年合并统 一而成的现场总线技术【4 】，【5 1 。它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础，取其物理 层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主 要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语 7 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 言规定了通用的功能块集。 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本 质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别 为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合 i e c l1 5 8 2 标准。其物理媒介的信号传输采用曼切斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容，包括f f 通信协议，用于完成开放互联模 型中的第2 7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特征、参数、属性及操作接 口的d d l 设备描述语言、设备描述字典、控制工程量转化等应用的功能块、实 现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网 络系统的集成技术。 f f 总线适用于石油、化工、钢铁、电站连续生产过程和部分批量生产，其 相应的f c s 产品适合连续的生产过程自动化。 2 2 5h a r t 总线 h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基 金会【1 2 1 。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在 现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程 中的过渡性产品，然而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较 快发展。 它规定了一系列命令，按命令方式工作。它有3 类命令，第1 类称为通用 命令，这是所有设备都理解、执行的命令；第2 类称为一般行为命令，所提供 的功能可以在许多现场设备( 尽管不是全部) 中实现，这类命令包括最常用的现场 设备的功能库；第3 类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能， 这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在 一个现场设备中通常可发现同时存在这3 类命令。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准语言 来描述设备特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设 备描述字典，主设备运用d d l 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设 备开发专用接口。但这种模拟数字混合信号制导致难以开发出一种能满足各公 8 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 司要求的通信接口芯片。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并 可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 2 2 6 小结 从以上的介绍可以看出，每一种现场总线都有其主应用领域，如：p r o f i b u s 、 f f 总线是从支持p l c 控制发展起来的，它们更适合化工、钢铁、电站等连续生 产过程和部分批量生产的过程控制领域。在智能建筑控制方面，由于国际标准 化组织迟迟未定出关于楼宇自动化控制网络的标准规范，所以目前尚未有一个 国际统一的标准。当前在该领域有两种技术应用最为广泛：一是美国供热、制 冷与空调工程师协会( a m e r i c a ns o c i e t y o f h e a t i n g ，r e f r i g e r a t i n g ，a n d a i r c o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ，a s h r a e ) 制定的b a c n e t 标准协议；二是e c h e l o n 公司提 出的l o n w o r k s 总线技术。世界各大楼宇白控公司一致认为这两种技术是当前“最 先进的”、“有非常大的潜在能力的”技术。 2 3l o n w o r k s 协议分析 2 3 1l o n w o r k s 协议简介 l o n w o r k s 协议，也称为l o n t a l k 协议和a n s i e i a7 0 9 1 控制联网标准，是 l o n w o r k s 系统的核心。协议提供一系列通信服务，使设备中的应用程序能在网 上对其他设备收发报文而无需知道网络拓扑结构、名称、地址或其他设备的功 能。l o n w o r k s 协议也可以提供端到端的报文确认、报文鉴别以及为提供绑定 ( b o u n d e d ) 事务处理时间的优先级发送。对网络管理服务的支持使远程网管工 具能通过网络和其他设备相互作用，例如网络地址和参数的重新配置、应用程 序的下载、报告网络问题以及设各应用程序的起始停止复位等。 l o n w o r k s 协议( o s i _ 针对控制网络的七层协议) 提供了下列功能，如 图2 1 所示。 第1 层物理层 由于控制网络应用要求能够支持多种媒体( 以适应不同的安装需要和简化 系统扩展) ，l o n w o r k s 平台支持一系列的不同物理介质，包括有源和无源的自 由拓扑双绞线、电力线、无线、红外、光纤和同轴电缆。 第2 层链路层( 介质存取& 数据帧) 9 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 ，3j 2l 簟1i ， 廒用和囊示晨 、 瞳例：t 终野j i l t 州 冀蹙最窑按、：q 绢嚣理。程迁瞧滟 i j j ；似，电川：k 程垃艇雠列镩冶谚 会话j i ：寿承一；f 越 传- 晨 确认曩：确一、1 x ? 点或 ：播 认证 ：董务鸫 事务控翻子屡 ，魁娩_ 5 ，f l 霉丝，2 。艇 一臻 晨 置适按、仝域f ”撩、没臼。娃、正三年： j k 、矗学? 捧t 秘 e 甚 曩 彰：馘、敞撕_ ；、c r c 幸绮滋检静蟛 m a c 子j f 鬣；j 能口一哏持c s m a 、；，突也免、，选能纯先鲤毫f i ：p 究捻测 稳曩曩 多砷令厦、特加硬玲议 图2 - ll o n t a l k 提供的七层协议功能 介质存取方案对控制网络至关重要，系统性能将取决于存取方案的先进性。 l o n w o r k s 协议使用了可预测的p 保持c s m a 、冲突避免、可选的优先级和冲 突检测存取方案。可以通过信道、节点或某个特定节点的变量来调整这些选项， 从而在不影响控制系统其余部分的情况下优化并提高网络性能。应用级别的定 论可通过专用的应用软件来增强。 第3 层网络层( 目标寻址) 该层确保消息或数据包可从一个源设备正确发送到一个或多个目标设备。 主要功能包括无连接、全域广播、没有分段、无环拓扑、自学习路由器。 第4 层传输层( 端到端的可靠性) 传输层确保数据传输的完整性，包括多种服务( 如确认和非确认点对点和 组播) 、认证服务器和传输控制子层( 常规的排序和重复检测) 。有效的实施手 段使得l o n t a l k 数据包非常小，这有助于节省网络带宽和加快通讯速度。 第5 层会话层( 远程操作) 会话层负责建立、协调和终止应用程序之间的会话、交换和对话。该层还 负责处理会话和连接。 第6 层表示层( 数据解释) 该层也称作语法层，通常是操作系统的一部分。该层定义了在什么位置将 1 0 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 输入和输出数据从一种显示格式转换为另一种格式。l o n t a l k 协议用网络变量、 消息或外部组帧的方式传输语法，因此提供了巨大灵活性。 第7 层应用层( 传感器执行器应用兼容性) 该层确定通讯双方服务质量和数据语法以及用户身份认证和保密性。该层 不是纯粹意义的应用层，尽管某些应用可以实现应用层的功能。l o n t a l k 协议在 更低层提供了其中的某些功能，从而使得开发应用程序和创建可互操作产品变 得容易，并且大幅度降低了复杂性。 表2 1 显示了典型的l o n t a l k 数据包大小： 表2 - 1l o n t a l k 的各层数据包大小 协议层8 位字节数 第二层报头 2 第三层地址信息4 第四层服务类型 1 第五层报头2 第六层报头 2 数据 2 到2 1 8 第二层c r c2 2 3 2l o n w o r k s 协议中最重要的一些技术分析 ( 1 ) 信道类型 l o n w o r k s 协议不依赖介质，所以l o n w o r k s 设备能在任何物理传输介质上 通信。这使得网络设计者能够充分利用控制网上各种可用的信道。协议还提供 一些可修改的配置参数，以便为某一特殊的应用在性能、安全和可靠性等各方 面取得折衷。 信道是特定的物理通信介质，l o n w o r k s 设备通过专用于该信道的收发器 与其连接。每种信道在所连接设备的最大数量、通信比特率和物理距离限值等 各方面有不同的特点。表2 2 是几个广泛应用的信道类型的特点的小结。 第二章l o n w o r k s 现场总线技术概述 表2 2 几个广泛应用的信道类型特点小结 信道 介质数据速率兼容的收发器 最人设备 最大距离 类型数量 t p f t - 双绞线、自由拓扑 f t t - 1 0 a ；l p t - ll 5 0 0 米( 自由拓扑) 或者总线拓扑、可 7 8 k b p s ；f t 31 2 0 & t f 6 4 1 2 8 2 2 0 0 米( 总线拓 1 0 选信道电源 3 1 5 0 扑) t p ，x f - 1 2 5 0 双绞线、总线拓扑 1 2 5 m b p s t p t x f 12 5 06 4 1 2 5 米 视环境而 p l 2 0 电力线 5 4 k b p s p l3 1 2 0 & p l 视环境而定 定 i p 之上的由i p 网络由i p 网 i p 1 0 由i p 网络决定由i p 网络决定 l o n 、r k s 决定络决定 特别提出的是自由拓扑双绞线信道( t p f t - l o ) ，它允许设备能够用双绞线 线缆连接，不论其配置如何没有对短截线长度、设备间距、分支长度等的 限制，只是每个网段的电缆最大长度有限制。 ( 2 ) 介质访问 所有网络协议都使用介质访问控制( m a c ) 算法让设备能决定何时能安全 地发送一个数据包。m a c 算法设计用于消除冲突或使其最小化。当两个或更多 的设备在同一时间试图发送数据时，就发生冲突。消除冲突的m a c 算法通常 用于小型的网络，因为这些算法在规模上和大型网络不相称。象以太网之类的 现代