（模式识别与智能系统专业论文）基于工业以太网的楼宇控制器的研究与开发.pdf

摘要 楼宇控制器是楼宇自动化系统的核心设备，负责对现场机电设备 的状态和参数进行监测和控制，同时，接受中央管理计算机的指令和 管理信息，并向上传递现场采集的数据，其性能直接影响到整个楼宇 自动化系统的性能。 目前，国内市场广泛采用的楼宇控制器大多是国外品牌，如美国 的h o n e y w e l l 、j o h n s o n ，德国的s i e m e n s 等，这些国外产品大都 基于现场总线技术，如c - b u s 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等，而且价格昂 贵。 针对以上问题，结合楼宇自动化系统具有机电设备地理位置分 散、信号类型多样的特点，本文采用“白项向下”的设计思想，设计 一种具有自主知识产权的基于r a b b i t 2 0 0 0 微处理器，由数据采集模 块、数据存储模块、输出控制模块和通信接口模块等组成的新型通用 楼宇控制器。楼宇控制器软件系统采用d y n a m i cc 语言开发，实现控 制器控制策略解释执行、网络通信处理、多路开关量和模拟量的循环 检测与控制。控制器的控制策略程序通过组态功能块编制，软件系统 的控制策略解释执行程序实现与图形组态界面各个功能块对应的算 法。网络通信处理程序对t c p i p 协议栈进行必要的裁减，有选择地 实现其中部分协议。控制器通过m o d b u s t c p 工业以太网协议与监控 计算机通信，并可以脱离监控计算机独立控制现场机电设备的运行。 系统调试及应用结果表明，开发的楼宇控制器实现了功能需求中 的所有功能，能够满足楼宇自动化系统的要求，具有很高的性能价格 比。 关键词工业以太网，楼宇控制器，楼宇自动化，t c p i p ，r a b b i t 2 0 0 0 a st h ek e r n e ld e v i c eo fb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m , t h eb u i l d i n g c o n t r o l l e rm o n i t o r sa n dc o n t r o l st h es t a t e sa n dp a r a m e t e r so ft h e 丘e l d e l e c u v m e c h a n i c a le q u i p m e n t , a n di tr e c e i v e st h eo r d e r sa n dm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nf i o mp ca n ds e n d st h ed a t aa c q u i r e di nt h e 五e l d a tp r e s e n t ，m a j o r i t yb u i l d i n gc o n t r o l l e r si nt h ed o m e s t i cm a r k e t sa r e o v 黜l sb r a n d , s u c ha sh o n e y w e l la n dj o h n s o ni na m e r i c a , s i e m e n si n g e r m a n ye t c ，b a s e do nf i e l db u sw i t he x p e n s i v ep r i u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , c a r r y i n go nt h er e a c a r c ht ot h ep r o b l e mo f w i d e s p r e a de l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n ta n ds i g n a ld i v e r s i t y , t h i sp a p e r d e s i g n san e w - s t y l eb u i l d i n gc o n t r o l l e rb a s e do nr a b b i t 2 0 0 0w i t h a u t o n o m o u si n t e l l e c t u a lp r o p e r t i e sa c c o r d i n gt ot h ei d e ao f t o p - d o w n t h i sk i n do f b u i l d i n gc o n t r o l l e ri sc o n s t i t u t e db yd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e , d a t as t o r a g em o d u l e ，o u t p u tc o n t r o lm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e m o d u l e n es o f t w a r es y s t e m , d e v e l o p e db yd y n a m i cc l a n g u a g e ，i s c o m p o s e db yt h r e ep a r t s ：i n t e r p r e t a t i o na n de x e c u t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y , p r o c e s s i n g o fc o m m u n i c a t i o n , a n dc y c l ed e t e c t i o na n dc o n t r o lo f m u l t i - c h a n n e ld i g i t a la n da n a l o gs i g n a l s 皿1 cc o n t r o ls t r a t e g yo fb u i l d i n g c o n t r o l l e ri se s t a b l i s h e d b y s e v e r a lf u n c t i o n b l o c k s ，w h i c h a r e c o r r e s p o n d i n gt oa l g o r i t h m sr e a l i z e di nt h em o d u l eo fi n t e r p r e t a t i o na n d e x e c u t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y 1 1 嵋t c l 。s t a c ki sr e d u c e d , a n ds e v e r a l p r o t o c o l s a r or e a l i z e d m o d b u s t c p , ak i n do fm d u s t r i a le t h e r n e t p r o t o c o l ，i su s e da st h ec o m m u n i c a t i o n 一o m c o lb e t w e c nt h ec o n t r o l l e r a n d s u p e r v i s i o nc o m p u t e r 1 1 圮r u n n i n g s t a t eo ft h e矗e l d e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n tc a nb em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e db yt h e b u i l d i n gc o n t r o l l e rw i t h o u tt h es u p p o r to f t h es u p e r v i s i o nc o m p u t e r a sc a l lb es h o w e di nt h er e s u l to fd e b u g g i n ga n dt e s t i n gt ot h e b u i l d i n gc o n t r o l l e r , a l lt h ed e m a n d e df u n c t i o n sh a v eb e e ni m p l e m e n t e d , a n dt h eb u i l d i n gc o n t r o l l e rs a t i s f i e st h er e q u e s to fb u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e mw i t hh i g hc o s t - p e r f o r m a n c e k e yw o r d si n d u s t r i a l e t h e r n e t ，b u i l d i n gc o n t r o l l e r , b u i l d i n g a u t o m a t i o n , t c p i p , r a b b i t 2 0 0 0 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：越日期；2 竺坌年月三翌日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交 学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本课题来源于校企合作项目“智能建筑工程的楼宇控制器”论文首先论述 楼宇控制器的研究背景和研究意义，分析国内外楼宇控制器的研究现状。然后， 结合楼宇自动化系统的特点，提出基于m o d b u s , r r c p 工业以太网协议标准的楼宇 控制器的总体设计方案，着重研究楼宇控制器的硬件系统和软件系统设计。 1 1研究背景及意义 楼宇自动化技术是智能建筑领域研究的热点。它是随着建筑物的环境设备， 尤其是暖通空调系统，即供热、通风、空气调节与制冷系统的发展而出现的【1 嘲 其目的是充分、有效地发挥设备潜力，提高系统的整体性能，降低设备运行能耗 和系统运行、维护费用，实现建筑物自动控制【3 卅。 楼宇自动化系统以1 9 8 4 年1 月在美国康涅狄格州h a r t f o r d 的c i t yp l a c e 大楼 的竣工为诞生标志随后，在全球蓬勃发展起来，以美国和日本最为突出。我国 智能建筑起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末期才有较大发展，但其迅猛的发展速 度令世人瞩目，如北京的发展大厦、上海招商大厦、珠海机场、深圳的天安数码 城、新世界商务中心等。据国外媒体预测，近期在中国兴建的大型建筑将占全球 的5 0 0 4 ，2 1 世纪全世界的智能建筑将有5 0 以上在中国建成网。 楼字自动化系统具有设备地理位置分散、信号类型多样的特点，并逐渐与企 业管理系统融合，向数字化城市方向发展睁”。楼宇控制器作为楼宇自动化系统 的核心设备，主要负责对现场机电设备的状态和参数进行监测和控制，同时，接 受中央管理计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据，其性能直接 影响到整个楼宇自动化系统的性能嗍。 我国在楼宇自动化领域的研究起步较晚，如果仍沿袭国外楼宇自动化技术的 发展历程，势必受制于人。由于工业以太网技术是计算机控制技术的发展趋势 9 - 1 0 l ，通过对基于工业以太网的楼宇控制器的研究与开发，可以缩小我国仪表工 业以及楼宇自动化技术与国外先进水平之间的差距，实现公司自主产品研发的突 破，并应用于公司智能建筑工程中，逐步摆脱对国外同类产品的依赖，为公司创 造更大的经济效益和社会效益 1 2国内外研究现状 微电子技术、计算机技术以及通信技术的迅猛发展促使控制系统产生重大变 磺士学位论文第一章绪论 革，从模拟仪表控制系统到数字化、智能化、全分散的现场总线控制系统，再到 近年来新出现并得到迅速发展的工业以太网控制系统，无不体现出人类对先进控 制系统的不懈追求和探索。 楼宇自动化技术是计算机控制技术的一个重要领域，经历了气动系统、电气 控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等几个发展阶段【1 1 1 2 1 目前，楼字自动化系统广泛采用集散控制系统体系结构( d i s t r i b u t e dc o n l l o l s y s t e m , d c s ) 【1 3 1 ，楼字自动化集散控制系统体系结构如图1 1 所示，由三层结 构组成：现场控制层、生产监控层、生产管理层。 图凰 生 产 管 理 j 学理同( e t h e m e tt c p i p )i 中央管理计算机。 层 、 j 斟$ 斟 生 产 监 控 层 ! 型网( p e e r t o p e e r n e t w o r k i 、审申一申申唪 现 场 控 制 层 空调、照明、音乐广播、给摔水子系统等现场机电设备 图1 - 1 楼宇自动化粜数控制系统体系结构图 第一层：现场控制层 现场控制层由楼宇控制器和现场设备组成。当i o 点分散、系统规模比较大 的时候，根据监控功能或者机电设备的空间分布，可以划分若干相对比较独立的 子系统，如空调温度调节子系统、灯光控制子系统、音乐广播子系统、给排水子 系统等，并设立子系统工作站对子系统进行监控和管理 第二层：生产监控层 生产监控层由中央监控计算机监视现场控制层的信息，协调各个分站的操作 关系，控制回路状态和修改参数等。各个分站通过控制总线网络相连，不同产品 使用不同的控制总线网络协议。 第三层：生产管理层 采用以太网及t c p i p 协议进行通讯，通过网关接口或者o p c 协议连接其它 遵循t c p 肿协议的管理计算机，实现管理层上的信息共享。 2 焉士学位论文第一章绪论 目前，国内中小型企业大多只有第一、二层在国外，即使世界上目前最优 秀的集散控制系统，也最多局限在第一、二、三层，而没有与经营管理层融合， 从而导致楼宇自动化系统与企业管理系统的脱离，成为一个“信息孤岛” 现场总线技术引入楼宇自动化系统之后，楼宇自动化系统在体系结构上有所 改进，出现了现场总线控制系统体系结构( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m , f c s ) 【m 1 如图i - 2 所示。 圉i - 2 楱宇自动化现场总线控制系统体系结构目 楼字控制器通过现场总线连接到中央管理计算机，相对d c s 而言，f c s 更 加适应恶劣的现场环境，具有更高的可靠性【1 6 , - 嘲。但是，由于现场总线是设各 级的低速数据总线，而随着仪器仪表智能化的进一步提高，将有大量图像和视频 信息需要在现场级控制网络上进行传送。多种现场总线标准并存【1 争蚓等各种限 制以及信息传输量逐渐增大、管控一体化的需求等都对现场总线提出新的挑战 珥渊。 以太网在商业办公领域的广泛应用为解决现场总线遇到的难题创造了契机 泌五7 】，各大现场总线的支持厂家也都纷纷加大工业以太网的研究力度。 基于以太网的楼宇自动化系统物理结构如图1 3 所示。在现场，监控设备( 传 感器、控制器) 通过的以太网楼宇控制器( 下称网络控制器) 连接到以太网为基 础的管控一体化物理平台上。在任意一台连接到管控网上的p c 机，以w e b 浏览 器作为管理监控站访问网络控制器。由于以太网采用的是以以太网交换机为中心 的星型拓扑结构，在管控平台上可以根据控制点的种类，用以太网交换机划分在 一定控制区域，一个控制区域内设置有一台或多台区域服务器，对内网的网络控 制器进行统一管理并提供相应算法调度以实现多个控制点间的控制联动和管理 自动化，而这种星型的拓扑结构又使得该系统有很好的可扩展性，可以随意在平 3 硕士学位论文第一章绪论 台上添加新的交换设备或在己有v l a n ( v t r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，虚拟局域 网) 内增加监控点。这种新型控制网络形式的出现，将本地控制和远程控制融合 在一起，通过i n t e r a c t 的w e b 服务器就可以进行控制和维护。 国外对工业以太网系统产品的研究起步较早。目前，已有的具有以太网接口 和t c p i p 协议的智能设备大多处于实验阶段。s e n a 公司开发了一个小型的实 验室系统，全球的i n t e m e t 用户可以在网上通过压浏览器访问并控制实验室的智 能设备，对台灯亮度、窗帘开度进行控制网。o p t 0 2 2 公司，应用嵌入式i n t e m e t 技术，研制开发了“以太网i ，o 系统”- - - - s n a pe t h e r n e ti ，o 系统，通过i n t e r n e t 对分布在现场的的进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。目前o p t 0 2 2 公司的s n a pe t h e m e ti o 系统已经升级到s n a pu l t i m a t eb r a i n ，它不但可以运 行控制程序，还具有强大的通讯处理能力，可以和各种采用m o d b u s t c p 、s n m p 、 s m t p 等协议的设备通讯l 2 9 1 。t e x a s 智能仪表公司推出了基于w e b 的以太网 w i ，用来将现场设备连接到w e b 上，i n t e m e t 上的w e b 服务器通过设备的u l 也 就可以接触到实时数据和设备的图像信息。i c i c t a n 等人设计了一个实验训练系 统，允许i n t e m e t 上的用户通过w e b 浏览器远程、有效地操作控制仪器设备哪! 。 此外，n i 和s c h n e i d e r 电器也都提供了以太网到现场问的通讯，s i x n e t 也提 供了自己的以太网i o 模块。 图l - 3 基于以太网的楼字自动化系统体系结构 国内对工业以太网的研究起步较晚，相关研究还停留在理论研究阶段。无论 国内还是国外，已有的基于工业以太网的产品只是用于实验室研究，很少用于工 业现场。 从楼宇控制器的市场占有率来看，在国际上影响较大的公司有美国的 4 硬士学位论文第一章绪论 h o n e y w e l l 、j o h n s o nc o n t r o l 、德国的s i e m e n s 、瑞典的t a c 等。国内较有 影响力的有清华同方、浙大中控等。 美国h o n e y w e l l 公司的e x c e l5 0 0 0 系统，是一套专门用于楼宇自动化系统的 集散控制系统。管理层采用共享总线型网络拓扑结构的以太网，传输速率为 1 0 r o p s ；控制层采用c - b u s ( r s - 4 8 5 ) 总线，各个楼宇控制器直接挂在控制总 线( 第三方楼宇控制器需要通过网关接入控制总线) 上，总线( c b u s ) 的传输 率为1 m b p s 。楼字控制器包括e x c e l l 0 微型控制器，用于确定风量，控制风机盘 管和变风量调节器；e x c e l 2 0 微型控制器，用于空调器、新风机组、照明等的控 制与编程；e x c e l 8 0 b 1 0 0 b 中型控制器和f , x c e l 5 0 0 6 0 0 大型控制器。 美国j o h n s o nc o n t r o l 公司的楼宇控制器产品类型更加多样化，有网络控 制器，由一系列电子、电气和气动模块组成，起控制和通信作用；网络扩展器， 用于扩展网络控制器的f o 监控点；变风量控制器，主要控制变风量空调，也可 以控制采暖和照明；空气处理机组控制器，用于控制各个空调器；智能照明控制 器，主要用于控制照明设备。 德国s m e 卜珞公司的楼字控制器包括模块化控制器m b c l 2 和设备控制器 m e c l 2 两种类型。既可以作为网络控制器，也可以独立运行 这些产品大多基于集散控制系统体系结构，采用串行通信接口标准，互操作 性较差，传输速率相对较慢，而且，国外产品价格昂贵，占有很高的市场份额， 国内系统集成商在产品选型上受制于人 针对以上问题，开发一种基于工业以太网技术的通用楼宇控制器，采集处理 多种不同类型的信号，实现温度、压力、流量、电磁阀门的开关状态等信号的检 测以及阀门开度、电机转速、电磁阀门的开关、灯光启停等控制。控制器可联网 运行或脱机运行，具有很高的性能价格比，为以太网应用于工业现场提供现实依 据，符合楼宇自动化系统的发展趋势。 1 3 论文内容及结构安排 论文在详细了解国内外楼宇自动化技术和相关产品的研究现状的基础上，结 合楼字自动化系统的特点，分析基于工业以太网的楼字控制器开发的功能需求， 提出楼字控制器的总体开发方案。以r a b b i t 2 0 0 0 微处理器为核心，开发楼宇控 制器的硬件系统。控制器具有以太网接口和r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 串行通信接口，控 制器还具有8 路数字量输入、8 路数字量输出以及a d 、d a 转换功能。软件系 统利用功咖功i cc 语言开发，节省购买嵌入式实时操作系统的成本，同时提高程 序设计的灵活性，实现f o 处理，控制策略处理以及网络通信处理功能出于节 约系统硬件资源考虑，对t c p i p 协议栈进行必要的裁减。按照t c p i p 四层模型， s 硬士学位论文第一章绪论 有选择地实现其中部分协议，包括i p 、a r p 、u d p 、t c p 等协议，应用层采用 m o d b u s 协议通信，抽取部分主要的m o d b u s 功能码予以实现，控制器按照m o d b u s 功能码执行指定的操作。最后调试楼宇控制器的硬件系统和软件系统，以测试其 功能是否完备、性能是否稳定，确保其各项功能满足楼字自动化系统的要求，并 给出一个具体的工程应用实例。 论文后续章节安排如下； 第二章是楼字控制器的开发方案。结合楼宇自动化系统的特点，分析楼字控 制器应该具备的功能需求；针对功能需求，给出基于工业以太网的楼宇控制器硬 件整体结构，通用模数转换电路开发方案，组态控制策略开发方案，t i 捌口协 议栈精简方案，选择h 幻d b i 撼代p 作为工业以太网通信协议，并论证m o d b u s t c p 应用于楼字自动化系统的可行性。 第三章是楼宇控制器硬件系统。将楼宇控制器的硬件从整体上划分为核心板 和接口板两大部分。核心板主要包括c p u 模块、f l a s h 模块、s r a m 模块、通信 接口电路、时钟和复位电路；接口板包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数 字量输入模块、数字量输出模块，并分别给出详细的电路设计方法；最后从噪声 抑制措旌、隔离措施和p c b 设计几个方面讨论硬件抗干扰技术 第四章是楼宇控制器的软件系统。采用种改进的c 语言d y n a m i cc 语 言开发，包括系统配置程序、网络通信程序、输入输出处理程序、控制策略处理 程序几个模块。着重论述嵌入式t ( ：p ，口协议栈的实现，按照t c p 口四层模型， 有选择地实现其中部分协议，包括i p 、a r p 、u d p 、t c p 等协议 第五章是楼宇控制器的系统调试及应用，结合设计心得，论述硬件系统各个 模块的调试原则、调试工具、调试方法以及软件系统的调试过程。针对常见的错 误，详细地分析错误的原因，并提供解决办法，最后给出一个具体的工程应用实 倒。调试及应用结果表明硬件与软件系统完成了设计的功能，满足楼宇自动化系 统的要求，具有较高的性能价格比。 最后为结论与展望。总结论文的研究内容和研究成果，分析系统的不足之处， 提出改进措施。 6 硬士学位论文 第二章棱宇控制嚣开发方案 第二章楼宇控制器开发方案 本章在功能需求分析的基础上，提出系统的开发方案，并论证方案的可行性。 2 1 功能需求分析 楼字控制器通过执行控制策略程序，实现楼宇自动化现场机电设备多种类型 信号的监测和控制，同时，通过通信网络接受中央管理计算机的指令和管理信息， 并向上传递现场采集的数据，具体功能需求如下。 该控制器是一种基于工业以太网的现场级楼宇控制器，具备一个以太网通信 接口，实现与监控计算机通信以及多个各自相对独立又相互协同的基于以太网的 楼宇控制器相互之间的通信，实现大规模复杂系统的控制。用户可以通过以太网 向控制器下载各种楼宇机电设备控制方案策略，通过控制器实时监控现场状况； 也可以随时将保存在控制器中的控制方案策略上传、修改、更新。 由于微处理器的硬件资源非常有限而且宝贵，如果采用以太网通信，显然难 以将全部的t c p f l p 协议栈逐一予以实现，需要对t c p i p 协议栈进行必要的裁减， 有选择地实现部分必要的协议。 另外，楼宇自动化系统工程中有多种设备需要监控，这些设备不仅地理位置 分散，而且除各种开关量信号外，每一台设备同时具备多种类型的模拟信号需要 采集，如电阻信号，由热电阻产生；电压信号，由热电偶、压力、湿度传感器产 生，规格有l 5 v d e 、o 5 v d e 、o 1 0 v d c ；电流信号，由各种温度或者各 种电量、化学量传感器产生，一般均采用4 2 0 m a d e 标准。而且，每一种类型 的模拟信号可能只有一两点需要采集。已有的模数转换装置都致力于如何提高模 数转换的转换精度，提高分辨率以及降低量化误差，但相关研究以及成熟的模数 转换装置都只是针对于单一通道或单一信号的数字化处理，对于楼宇自动化系统 中多通道多类型模拟输入信号的模数转换需要对每种类型信号分别采用不同的 信号调理电路，导致电路复杂，成本高。而且，楼字自动化系统对精确度以及量 化误差要求较低，所以开发的重点是提高模数转化电路的通用性。因此，要求控 制器能够对多种标准电信号采用统一的信号调理和模数转换电路，通过软件设置 参数的方式实现不同类型的模拟信号的信号调理电路的动态切换。 传统的工业应用方案采用代码编程方式，开发周期长，程序编制、调试复杂， 容易出错，专业知识水平要求较高，不利于用户开发、修改应用方案，尤其对于 非软件开发人员而言，更增加了难度【3 1 】，由此产生了组态控制思想。但是，目 前的组态软件大多是面向监控计算机的人机界面开发的组态软件；面向控制器的 7 磺士学位论文第二章楼字控制器开发方案 组态软件需要嵌入式实时操作系统的支持，将控制策略程序编译为可执行文件之 后在嵌入式操作系统上运行，对微处理器要求很耐竭。因此，考虑能否开发一 种无需操作系统支持的、适用于低端微处理器的、无需编译为可执行文件、解释 执行的组态控制策略实现方法 2 - 2开发方案 针对以上功能需求分析，楼宇控制器整体上划分为硬件系统和软件系统两大 部分，下面给出各个部分的开发方案，包括硬件系统总体结构、通用模数转换电 路开发方案、组态控制策略开发方案、t c p i p 协议栈精简方案、工业以太网协 议选择。 2 2 1硬件系统总体结构 如图2 - l 所示，楼宇控制器硬件系统分为核心扳、接口板和底板三大部分， 左侧虚线框内是核心板，右侧虚线框内是接口板。 田2 - l 楼宇控制嚣硬件结构框图 核心板包括两块f l a s h 程序存储器，一个用于存储控制器的组态控制策略， 一个用于存储控制器的嵌入式软件系统；数据存储器s l 认m 用于存储一些动态 变量、数组、桩时变量等内容。c p u 通过扩展数据总线和扩展地址总线获取接 口板采集的现场数据，控制接口板的动作。接口板包括a i 模块、a o 模块、d 1 模块、d o 模块。 j ，d i 模块采集现场数据，通过扩展数据总线传送到微处理 0 硕士学位论文第二章樱宇控制器开发方案 器。微处理器上电后始终运行嵌入式软件系统，解释执行组态控制策略，并对 a i ，d i 采集的现场数据作初步处理。 d ：，1 ) c 电源模块负责为整个控制器供电，底板作为核心板和接口板的载体， 主要作用是为各个接口板提供工作电源和数据双向传输的通道。 为配合不同现场设备的需要，控制器具备r s - 2 3 2 和r 5 - 4 8 5 接口，实现控 制器与串口设备的通信。楼宇控制器通过以太网驱动器r t l 8 0 1 9 a s 连接r j 4 5 接口接入以太网。通过以太网接口上传数据到监控计算机过程数据库，进行实时 显示、数据管理、优化计算、报警打印等。监控计算机通过以太网发送控制命令 到控制器，控制器通过a o ，d o 控制执行器的动作 2 2 2通用模数转换电路开发方案 模数转换电路作用是将反映现场或过程参数实时变化的物理量转换成计算 机能够接收和识别的离散数字代码。 由于楼宇自动化系统中要监视和控制的现场模拟信号很多，且变化缓慢，所 以没有必要一种模拟信号就用一个a d 转换器和占用一条与监控计算机联系的 通路。可以采用多路开关切换模拟信号输入通道和信号调理电路，将电阻信号、 4 2 0 m a 电流信号、啦s v 电压信号等各种类型电信号全部转换成0 - q 0 vd c 标 准电压信号，放大滤波后再进行模数转换，把多种类型的模拟信号用一条通路监 视和控制，模数转换电路结构如图2 2 所示： i 电阻电压i 转换电路 信号调理低通模数 褰 通道选择 f 电流电压1 放大 电路选择 1 转换电路r 电路 滤波转换 多路开关电路电路 j 屿| 舢1 0 v l 一 电压信号 图2 - 2 模数转换电路结构图 通用模数转换电路具备8 路模拟量输入通道，通过多路开关选通其中一路模 拟量信号输入到信号调理电路；根据输入的模拟信号的类型，通过多路开关配置 信号调理电路，将各种类型的电信号全部转换为电压信号；电压信号经过放大电 路转换为0 - 1 0 v 范围的电压信号后，经过低通滤波，送入模数转换器实现数字 化处理。 输入的模拟信号类型有电阻信号、电流信号，电压信号 由于铂电阻温度传摩器的电阻值随温度变化基本呈线性关系，在测温范围 磺士学位论文 第二章楼宇控制嚣开发方案 内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度较高，但铂在高温下，易受 还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，所以铂电阻 温度传感器是中低温区最常用的一种温度检测器。而n t c 热敏电阻温度系数很 大，灵敏度可比热电阻及热电偶高一至二个数量级，且阻值随温度的上升而下降， 适用于高温环境下的温度测量，使用热敏电阻传感器的温度装置电路比较简单。 因此，温度测量传感器选择p t l 0 0 0 和n t c 2 0 k 两种类型的温度传感器。 在电阻信号转换为电压信号的信号调理电路配置一个可调恒流源，根据欧姆 定律，电阻阻值和电流值的乘积就是电压信号。 对于电阻信号，由于n t c 2 0 k 热敏电阻温度特性曲线呈非线性，所以，需 要并联一个1 0 k 电阻使之线性化；由于多路开关内阻非零，当通过电阻测量温 度时，需要消除多路开关内阻的影响，这可以通过如下方法解决：首先，获取温 度传感器的电阻值( 包含多路开关内阻) 转换后的电压值，然后测量只有多路开 关，没有温度传感器的电路两端电压值，将两次测量结果做差，即可消除多路开 关内阻的影响。对于4 - 2 0 m a 电流信号，通过接入一个2 5 0 t 2 精密电阻，将电流 信号转换为1 - 5 v 范围的电压信号，然后送入放大电路。对于o 巧v 和o - - 1 0 v 范 围的电压信号，则直接送入放大电路。 信号放大电路核心元件选择a d 6 2 0 ，针对不同范围的电压信号，通过一个 多路开关选择放大电阻，配置信号放大电路，将输入的电压信号全部转换成 0 , - , 1 0 v 范围电压信号。 由于输入信号变化缓慢，属于低频信号，r c 滤波器电路简单，抗干扰性强， 低频性能好，并且选用标准的阻容元件易得，所以放大后的信号通过r c 低通滤 波电路滤除高频噪声，再送入模数转换器实现数字化处理。 模数转换器选择a d l 6 7 4 。由于a d l 6 7 4 输出1 2 位数字量转换结果，而模 数转换器和c p u 的接口为8 位数据总线，所以首先读取高8 位的数字量，然后 再读取低4 位的数字量，将读取的数据移位处理之后，进行逻辑或得到1 2 位的 采样数据，送入c p u 进一步处理。 2 2 3组态控制策略开发方案 组态控制策略采用i e c 6 1 1 3 1 - 3 规定的功能方块图语言编制，组态功能块开 发工具选择v i s u a lb a i s c6 0 。将实现特定功能及所需的外部接口数据封装为一个 功能块，数据接口由输入和输出数据两部分组成，支持多输入和单输出，组态功 能块如图2 - 3 所示 功能块间的连线定义了功能块间的数据传递关系。在程序编制时，将功能块 a 的输出通过连线连接到功能块b 的某输入端，则a 的运算结果将成为b 运算 硬士学位论文第二章楼宇控制器开发方案 时将要处理的一个数据输入项。在监控计算机编制的组态功能块控制策略只是一 种图形界面表现形式，不是本文研究的重点。本文重点研究各个组态功能块对应 的算法实现以及组态控制策略程序在楼字控制器内是如何解释执行的 暑署 图2 - 3 组态功能堤示意图 组态控制策略的每个功能块对应一个f o 输入输出通道，或常数值，或算法 函数，如逻辑函数( 与、或、非等) 、时间函数( 延时、定时、计数等) 、算术函 数( 加、减、乘、除、指数、对数等) 、控制函数( p m 等) 等。图形组态界面 的功能块输入数据对应该功能块算法函数的参数表列。 每个功能块分配一个唯一的功能块号，具有特定数目和特定类型的参数。图 形界面组态控制策略程序无需编译成为可执行文件，而是按照功能块号的大小顺 序，将各个功能块运行所需要的参数信息生成参数表数据文件。参数表数据文件 通过以太网下载到楼宇控制器的程序存储空间，并按照功能块号的大小顺序存 储。 控制器执行控制策略程序时，根据功能块号的大小获取功能块的类型和功能 块运行参数。 2 2 4t c p i p 协议栈精简方案 t c p i p 是一项应用广泛的工业标准，利用它可以互联所有的计算机和网络。 t c p i i p 协议栈各层协议如图2 - 4 所示，需要说明的是，各层协议没有严格界限划 分，也有人把a r p 、r a r p 放在链路层 普通计算机由于资源丰富，可以实现t c p i p 协议栈的全集。但是楼宇控制 器硬件资源非常有限，因此，需要对t c p i p 协议栈进行必要的裁减，有选择地 实现部分必要的协议 3 3 - m 。 口协议是t c p i p 协议栈中最为核心的协议之一，所有的t c p 、u d p 及i c 数据都以口数据报格式传输。 由于以太网设备不能识别3 2 位口地址，而是以4 8 位m a c 地址传输以太 网数据包。因此，m 驱动器必须把目的主机的m 地址转换成目的主机的m a c 地址这两种地址之间存在静态的或算法的映射，地址解析协议( a d d r e s s r e , o l u t i o np r o t o c o l ，a r p ) 就是用来确定这些映射的协议。 磺士学位论文第二章棱宇控制器开发方案 在t c p i p 协议栈中，网络层口提供的是一种不可靠的服务。它只是尽可能 快地把分组从源主机发送到目的主机，但是并不提供任何可靠性保证。而传输层 的t c p 是面向连接的协议，即通信的两点之间必须建立可靠的连接，采用超时 重传、发送和接收端到端的确认分组等机制，在不可靠的m 层上提供这种可靠 的服务嗍。开发中采用基于t c p 的流式套接字实现控制器与监控计算机的通信 图2 - 4t c p i p 协议栈备屡协议 u d p 是面向消息的协议，通信时不需要建立连接，数据的传输是不可靠的， 一般用于多点通信和实时的数据业务，比如语音广播等。在局域网内部，当传输 数据量较小时，u d p 协议可以保证数据无差错地传输，并且其传输速率是t c p 无法与之比拟的1 3 6 1 。因此，开发中使用基于u d p 的数据报套接字实现楼宇控制 器之间的通信以及楼宇控制器的控制策略和运行参数的下载。 综上所述，精简t c p 仰协议栈必须实现的协议有口、a r p 、u i ”、t c p 。 控制器功能升级对，可以扩展实现h t i p 、s m t p 、f t p 等应用层协议，将控制 器升级为w e b 服务器。 2 2 5工业以太冈协议选择 所谓工业以太网就是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材料 的选用、产品的强度、适应性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本 质安全等方面能满足工业现场的需求网工业以太网技术并不是要将所有的工 业网络全部改成以太网，而是要将原有的工业网络应用层定义的数据信息封包在 以太网的网络层和传输层中。 传统以太网标准只定义了物理层与数据链路层，作为完整的网络体系需要高 硕士学位论文第二章楼宇控制器开发方寨 层协议的支持当以太网用于信息技术时，应用层协议包括i r 兀p 、f t p 、s n m p 等常用协议。但它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信以及工程模型的 应用协议目前还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持的有r o c k w e l l a t m m m t i o n 和o d v a 联合开发的e t h e m e t i p 、f f 开发的礤难以及s c h n e i d e r e l e c t r i c 开发的m o 曲哪仃p 等。 ( 1 ) e t h e m e t i p e t h e m e t i p 是一种工业网络标准，口代表i n d u s t r i a lp r o t o c o l 。e t h e m e t l p 在 应用层采用开放的c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c o d 协议( 这与c o n t r o l n e t 和i ) c v i c c n e t 是相同的，三者都是面向对象的结构，共享相同的应用程序对象库) ， 用标准的以太网和t ( 驯口技术传输c i p 通讯数据包e l h e m e t i p 采用 p r o d u c e r c o n s u m e r 的通信模式，允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数 据。其控制部分用来实现实时的通信，信息部分则用来实现非实时的信息交换。 ( 2 ) h s e ( 磁啦s p e e de t h e m e t ，高速以太网) 现场总线基金会明确将h s e 定位成实现控制网络与互联网i n t e r n e t 的集成。 h s e 在低四层直接采用e t h e m e t + t c p i p ，在应用层和用户层直接采用f fh 1 的应用层服务和功能块应用进程规范。h s e 链接设备将h l 网段信息传送到以 太网的主干上并送到企业的e r p 和管理系统h s e 主机可以与所有的链接设备 和链接设备上挂接的h l 设备进行通信，使操作数据能传送到远程的现场设备， 并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。 ( 3 ) m o d b 岫扪r ( ：p 法国施耐德公司推出的透明工厂战略，使其成为工业以太网应用中的坚决倡 导者。其核心是m o d b m t c p 工业以太网协议。m o d b m t c p 并没有对m o d b m 协议本身进行修改，但是为了满足工业实对性需要，改变了数据的传输方法和速 率。m o d b u q t c p 协议以一种非常简单的方式将m o d b m 帧嵌入到t c p 帧中。这 是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼n q 应答的机制与 m o 曲嘴的主，从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确定性。利用t c p i p 协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好，利用网络浏览器就可以查看企 业网内部的设备运行情况【3 叼。 m o d b m r c p 是最先基于以太网的工业以太网协议，已经成为工业自动化网 络时代事实上的标准中国也把m o d b u v t c p 列为工业网络的标准f 姗国际上， i a n a ( i n t m l d a s i g n e d n u m b e r s a u t h o r i t y ，互联网编号分配管理机构) 专门给它 赋予t c p5 0 2 端n 4 0 j ，这样就可以将实时数据嵌入到网页中，通过在设备中嵌 入w e b 服务器，就可以将w e b 浏览器作为设备的操作终端。因此，本文开发的 楼宇控制器基于m o 曲l l s 们p 工业以太网协议。 硬士学位论文 第二章楼宇控制嚣开授方案 2 3m 0 d b u 扪r c p 网络通信模型 m o d b u s t c p 是将m o d b u s 协议作为应用层协议嵌入到低层t c p f l p 协议中构 成的。它实现在t c p i p 以太网上客户，服务器架构的m o d l m s 报文通信h 图2 - 5m o d b u s t c p 传输帧 m o d b u s 协议定义一个简单的与传输层无关的协议数据单元( p d u ) ，p d u 由 占用一个字节的功能码和最长2 5 2 个字节的数据域组成。对m o d b u sp d u 进行封 装，组成标准m o d b u s 传输帧，也叫应用数据单元( a d u ) 。如图2 5 所示，与 标准m o d l m s 帧相比，m o d b