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北京邮电大学硕士论文 基于l o n w o r k s 系统的楼宇自控系统设计及应用 摘要 随着计算机技术、通信技术的高速发展，新的工业总线现场总线也 随之诞生。它的出现意味着工业控制系统已从集散控制系统( d c s ) 过渡到现 场总线控制系统( f c s ) 。 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) 总线就是其中一种优秀的现场总线 技术。它是由美国e c h e l o n 公司1 9 9 3 年推出的一种局部操作网络。在其支持 下，诞生了新一代的智能化低成本的现场测控产品。本文探讨了这一技术， 并将其成功地运用到了北京某大厦b a ( 楼宇自动化) 系统中。 本文从b a 系统和l o n w o r k s 的发展与现状阐述了l o n w o r k s 应用于楼宇 自动化的意义；通过介绍b a 系统的组成与功能及l o n w o r k s 现场总线控制系 统后，本文对l o n w o r k s 技术应用于b a 系统进行了可行性分析；凭借目标大 楼b a 系统的功能需求及设计依据，本文从系统的硬件结构、软件设计等全 面地进行了设计和调试，并给出了空调机组控制系统的具体实现方案；本文 在对上位机界面设计上也做了大量的工作。 论文的主要贡献与创新在于：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，构建了基于l o n w o r k s 总线的楼宇自动化 系统网络结构；给出了空调控制系统的硬件实现和相应的软件设计。最后， 在分析实际工程实时监控软件的功能需求和设计内容基础上，采用i n t o u c h 7 1 软件进行了组态设计，使得监控软件界面友好而生动。 关键词：楼宇自动化系统l o n w o r k sl o n 网络现场总线监控软件 l l 北京邮电大学硕士论文 b u i l d i n ga u t o m 已盯i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g na n d a p p u c a t i o nb a s e do nt h el o n w o r k ss y s t e m a sc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e e nr a p i d l yd e v e l o p e d ，a n e wi n d u s t r yb u sc a l l e df i e l d b u sc o m e si n t ob e i n g f i e l d b u sm e a n st h ei n d u s t r y c o n t r o ls y s t e mt h a ti sf r o md i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) t of i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ( f c s ) l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s ) i st h eo n eo ft h ee x c e l l e n tf i e l d b u s ，w h i c h i s p r e s e n t e db ye c h e l o nc o m p a n yo fu s ai n 1 9 9 3 u n d e ri t s s u p p o r tn e w i n t e l l i g e n ta n dl o wc o s tm o n i t o r i n gp r o d u c t sw e r eb o r n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e t e c h n o l o g ya n ds u c c e s s f u l l yu s e di ti n t ot h eb a s o fo n eb u i l d i n go ft h eb e i ji n g c i t y t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h es i g n i f i c a n c ei nl o n w o r k sa p p l i e dt ot h eb u i l d i n g a u t o m a t i o nf r o mt h eb as y s t e ma n dt h el o n w o r k sd e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n t s i t u a t i o n ；a f t e ri n t r o d u c i n gt h ec o m p o s i t i o na n d t h ef u n c t i o no ft h eb a s y s t e ma n d t h el o n w o r k sf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i s i nt h el o n w o r k st e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h eb as y s t e m ；r e l i e do nt h ef u n c t i o n d e m a n da n dt h ed e s i g nb a s i so ft h eg o a lb u i l d i n gb a s y s t e m ，t h i sa r t i c l ec a r r i e so n t h e d e s i g n a n dt h ed e b u g g i n gf r o mt h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n d e l a b o r a t e st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o np l a no ft h ea i rc o n d i t i o n i n gu n i tc o n t r o ls y s t e m ； t h i sa r t i c l eh a sa l s od o n et h em a s s i v ew o r kt oo nt h ei n t e r f a c eo ft h es u p e r v i s o r s o f t w a r e t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h et h e s i sl i e si n ：o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h e r e q u e s to ft h ec o n t r o ln e t w o r ko fb a s ，t h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fb a s ，a n d t h ef e a s i b i l i t yo fl o n w o r k st e c h n o l o g ya p p l i e dt ob a s ，t h et h e s i sh a sb u i l dt h e b a sn e t w o r ks t r u c t u r eb a s e do nl o n w o r k sb yc o m b i n a t i o nw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t i i i 北京邮电大学硕士论文 t h eh a r d w a r ed e s i g na n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ed e s i g no ft h ea i r c o n d i t i o n e r c o n t r o ls y s t e ma r e p r o v i d e d f i n a l l y , o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ef u n c t i o n d e m a n da n d d e s i g nc o n t e n to ft h ea c t u a lp r o j e c t sr e a l t i m es u p e r v i s o rs o f t w a r e ，t h e t h e s i sa d o p t si n t o u c h7 1s o f t w a r et od e s i g nt h ec o n f i g u r a t i o n t h ei n t e r f a c eo ft h e s u p e r v i s o rs o f t w a r ei sf r i e n d l ya n d v i v i d k e y w o r d s ：b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ( b a s ) l o n w o r k s l o n f i e l d b u s m o n i t o r i n g s o f t w a r e i v 一 北京邮l u 大学硕1 论文 声明 独创性( 或创新性) 声明 术人声明所呈交的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。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的t k l 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：麦笔赵 本人承担一切相关责任。 日期：幽z 三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：耋熬 同期：坦22 ： 导师签名：i - 凄氅龟磁k l 一 只期：叁叵乙上芝一 一 1 1 引言 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 智能建筑是信息时代的必然产物，是高科技与现代建筑艺术的巧妙集成。随 着全球信息化与经济国际化的深入发展，智能建筑已成为各国综合经济实力的具 体象征。放眼全球，智能建筑已向“智能街区”、“智能化大厦群”、“智能化城市一 发展。 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( a 峪) 三部分组成1 1 1 。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，使得人们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斛2 l 。 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 自r o l n e t 、d e v i c e n e t 等i 射。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。 有理由相信，基于l o n w o r k s 现场总线技术的楼宇自动化系统集成是今后智 一 北京邮电大学硕士论文 能建筑控制系统集成的一个重要发展方向。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 2 楼宇自动化系统( b a s ) 的发展与现状 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i3 1 。到上一世纪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，从而为实现楼宇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【”。在真正实现以人为本的前提下，通过对 楼宇设备的控制和管理，实现节约能源、保护环境和可持续发展的目标，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日新月异，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 l 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。 2 一 北京邮电大学硕士论文 1 3 l 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 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 l 、s y s t e mi n t e g r a t i o n 领域提供技术支援【5 j o 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 圳) 。1 9 9 9 年1 0 月 a n s i 接纳l o n w o r k s 网络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【6 l 。国际半导体原料协会( s e m i ) 日j 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。 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 现场总线控制系统应用于楼宇自动化的意义 由于现场总线所具有的与一般总线的不同特点，尤其是现场总线系统结构的 3 一固 北京邮电大学硕士论文 简化，使控制系统从设计、安装、检修和维护，处处体现优越性i s 。 1 、节省投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、计算、控 制和报警功能，因而可减少变送器的数量，既不需要单独的调节器、计算单元等 功能单元及其复杂接线。此外，还可以使用通用的工业p c 机作为监控站，从而 节省了大批的硬件费用。 2 、减少安装费用 现场总线的接线非常简单，一对双绞线或电缆( 如同轴电缆) 上通常可以挂接 多个设备，可以减少一半到三分之二的隔离器、端子柜、d o 终端、i o 卡件及 i o 柜子。这样就节省了i o 装置及装置室的空间，连接设计与接头校对的工作 量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有 的电缆。 3 、节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相 关的诊断维护送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便 尽早分析故障原因并快速排除故障，缩短了因为维护而停工的时间，同时由于系 统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 、提高了系统的可靠性 由于现场总线采用数字化传输信号，与传统的d c s 底层现场设备到控制站 的4 - 2 0 m a 模拟信号传输相比，从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传 送误差。同时，由于系统的结构简化，控制功能分散到现场，设备与连线减少， 现场仪表内部功能加强，因而也就减少了信号的往返传输，提高了系统的效率和 可靠性。 5 、易于集成 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免了因选择了某一 品牌的产品后所有设备的选型受制于该品牌厂商的局面，也不会为系统集成中不 兼容的协议、接口而费神。用户牢牢掌握着系统集成的主动权。 4 一 北京邮电大学硕士论文 1 5 课题来源和论文研究所完成的主要工作 本论文的课题研究工作是建立在北京中鼎大厦的楼宇自动化系统及系统集 成工程建设的基础上进行的。 对于本项课题的研究，笔者完成的主要工作有： 1 、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。深 入学习和掌握了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、体系结构 和技术特点进行了分析和讨论，尤其对i _ o n t a l k 协议下的信息交换机制、神经元 芯片及相应的n e u r o nc 语言等作了深入的剖析。 2 、简要介绍了楼宇自动化系统的组成与功能，以及各子系统的协调和集中 管理要求，并列出了系统设计所必须遵循的国家标准和行业标准。 3 、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 项目的b a 系统功能需求，构建了基于l o n w o r k s 总线的楼宇自动化系统网络结 构。给出了具体空调控制系统的硬件实现和相应的软件设计。 4 、研究了l n s 网络与上位机组态软件i n t o u c h 7 1 的结合，并对各个组态部 分进行设计和实现。设计出的上位监控界面友好、生动，便于操作者进行监测和 管理 5 一 北京邮电大学硕士论文 第二章l o n w o r k s 现场总线技术 2 1 现场总线技术 根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义，现场总线是“安装在制造和过程 控制领域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通 信的数据总线”1 7 1 。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化的、智能化的测 量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现信息相互交换，共同完成自动 控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息 集成的数字化网络技术，是一种数字通信协议，它使得自控系统和设备有了通信 能力。基于这项技术的自动化系统就称为f i 骂伊i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 2 1 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： 1 、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 何编程或可参数化) 设备【川。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。 2 、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的。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。 6 一 北京邮电大学硕士论文 3 、分布式的f c s 更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想1 9 j 分布式的f c s 具有高度的分散性，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。 4 、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 、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 1 2 几种常用于楼宇自动化的现场总线 自年代末以来，现场总线技术已逐渐形成其影响。其中有几种在楼宇自 动化领域显示了自己的优势，也显示了较强的生命力嘲。 1 、e i b 总线 欧洲安装总线( e u r o p e a ni n s t a l l i n gb u s ，e i b ) 是一个在欧洲占主导地位的 楼宇自动化( b a ) 和家庭自动化( e a ) 标准。e i a 是e i b 的管理机构，目前在 全球已经拥有1 1 0 多家生产厂商。美国消费电子制造协会( c o n s u m e re l e c t r o n i c m a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n , c e m a ) 批准e i b 为家庭网络标准( e i a - 7 7 回。 e i b 采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线作为其通信介质。在很多场合， 主要还是使用双绞线和电力线。以用户为导向，具有开放性、互操作性和灵活性 的e i b 协议摈弃了控制中心思想，有效地应用于包括照明、安防、时间事件管理 等住宅楼宇领域的所有分支。 2 、k n x 总线 欧洲的三个制造商协会e l b a ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u sa s s o c i a t i o n ) ， 7 一 北京邮电大学硕士论文 a o ( a a t i b u sc l u bi n t e r n a t i o n a l ) ，e h s a ( e u r o p e a nh o u s es y s t e ma s s o c i a t i o n ) 为了 在家庭和建筑的应用中实现一个标准，一个系统平台，统一的多供货市场及多供 货商产品的互连，而推出了称之为“k n x 总线”的现场总线技术。k n x 总线标 准是在已有的e i b 技术基础上，吸收了b a t i b u s 和e h s 的配置机制和物理媒介。 由于k o r m e x 标准的基本元素主要出自e i b a ，因此e l b a 在k o n n e x 中占据主导 地位。 在k n x 网络中，所有的服务形成一个事实上完全分布的系统。k n x 通过 数据点的标准和功能的模块化，建立了一个功能强大的工作模型。 3 、l o n w o r k 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1 9 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i 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，j 一播组播消息发送等。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) ；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。 由于l o n w o r k s 总线技术的诸多优点给楼宇自动化控制带来了新的革命，使 得该总线技术已逐步成为楼宇自动化控制的主导。本项目正是在这种背景下孕育 而生的。该项目的实际运用也验证了l o n w o r k s 技术在楼宇自动化控制中的可行 性和优越性。 4 、c 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。起初，它是德国 8 北京邮电大学硕士论文 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专门用于汽车工业设计的， 目的是为了节省接线的工作量。后来由于自身的特点，c a b 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【1 0 l 。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、数据链路层与应用层。c a n 采用冬主工作方式，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、一点对 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 l ，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，c a n 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 是所有总线中最。 为可靠的。 5 、h a r t 总线 h a r t 是h j i g h w a y a d d r c s s a b l er e m o t e t 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 金会嘲。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。 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。 下表列出了l o n w o r k s 总线与其他一些总线技术的比较。 9 一 北京邮电大学硕士论文 表2 - 1l o n w o r k s 总线与其他一些总线技术的比较 瘫鐾 i o n w b r k sb a c n e tc a ni e e e 1 8 8 支持网络管理是 不 不 不 连接设备( 重复器，桥，路由器) 全部全部 无重复器 芯片( 组) 有没有 有有 应用领域全部智能大厦自动化仪器制造 o s i 协议层1 71 ，2 ，3 。7l ，2 ，71 ，2 ，7 系统类型 - 网络网络总线总线 寻址方式 全部 全部b r o a d c a s tu n i c a s t ，b a d c a s t 最大传输率( m b s ) 1 2 51 01 8 。 从以上的比较可以看出，每一种现场总线都有其主要应用领域。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阐络的标准规 范，所以目前尚未有个国际统一的标准。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 yo fh e a t i n g r e f r i g e r a t i n ga n d a i rc 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l o n w o r k s 总线技术世界各大楼宇自控公司一致认为这 两种技术是当前“最先进的”、“有非常大的潜在能力的”技术。 2 2l o n w o r k s 总线技术 l o n w o r k 是一项具有强劲实力的全新现场总线技术。它改变了以往控制领域 的传统通信方式，即将一个基于指令的系统变成了一个基于信息的系纠5 1 。它采 用了1 s o o s i 模型的全部7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络 通信设计简化为参数设置。其通信速率从3 0 0 b p s 到1 2 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 , 5 0 双绞线) ，支持双绞线、同轴电缆、光纤等多种通信介 质目前己发展到了第三代的l o n w o r k s 技术，其应用系统结构如- f t l l 】： 1 0 懑 露 北京邮电大学硕士论文 围2 - 1 第三代l o n w o r k s 技术应用系统结构 l o n w o r k s 技术所用的协议为l o n t a l k 协议，它是o s i 参考模型面向现场对 象应用的一个子集。它比现场总线历来推荐的功能覆盖面更广，如支持多介质、 大网络。这为工厂制造自动化的测、控、管一体化提供了全局性的解决方案。 l o n w o r k s 的通信协议被固化在一个神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 中，这个芯片 l o n w o r k s 智能设备中的主要组成部分。 l o n w o r k s 提供一个开放性强的局部操作网络( l o n ) ，但l o n w o r k s 控制网 络有不同于一般的io n ，它是针对控制对象研制的新型网络。其特点是与通信 介质无关，优化成适于实时控制通信，以数据交换率和响应时间来衡量网络性能。 可以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统更高效、更灵活、更易于维 护和扩展。 2 2 1l o n t a i k 协议 1 、概述 l o n w o r k s 协议称为l o n t a l k 协议和a n s i e i a 7 0 9 1 控制网络标准，是 l o n w o r k s 系统的核心。该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序 可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上 其它设备的报文。l o n t a l k 协议能提供端到报文确认，报文认证、打包业务和优 先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进 1 1 一 北京邮电大学硕士论文 行交互。 l o n t a l k 协议遵循由国际标准化组织( i s o ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模 型。它提供了o s i 参考模型所定义的全部7 层服务，支持灵活寻址。为了确保满 足控制网络的可靠性和鲁棒性的通信标准，l o n t a l k 协议为控制应用提供了一个 高可靠、高性能、高抗干扰性的通信机制。表2 - 2 给出了对应7 层o s l 参考模型 的l o n t a l k 协议为每层提供的服务1 5 。 表2 - 2l o n w o r k s 模型分层 模型分层作用服务 7应用层网络应用层标准网络变量类型：组态性能，文件传送 6表达层数据表示网络变量：外部帧传送 5会话层远程传输控制 请求响应，确认 4传输层端端传输可靠性单路多路应答服务：重复信息服务，复制检 3网络层报文传递单路，多路寻址，路径 成帧。数据编码，c r c 校验 2数据链路访问与成帧 冲突回避肿裁，优先级 1物理层电气连接媒体特殊细节( 如调制) ，收发种类物理连接 2 、物理信道 l o n t a l k 协议支持以不同通信介质分段的网络，它支持的介质包括双绞线、 电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。每个l o n w o r k s 节点都需要物理地连 接到信道( c h a n n e l ) 上，信道是数据包的物理传输介质；l o n w o r k s 网络由一个或 多个信道组成。 不同信道通过路由器相互连接，路由器是连接两个信道，并控制两个信道之 间数据包传送的器件，路由器有四种不同的安装算法：配置路由器( c o n f i g u r e d r o u t e r ) 、自学习路由器( k 锄i n g r o u t e o 、网桥( b r i d g c ) 和重复器( r e p e a t e r ) 可以 任选一种算法来安装路由器。 下表列举了常用的几类物理信道的特征【1 9 l ： 一 北京邮电大学硕士论文 表2 - 3 几类广泛应用的信道的特征 信道类型 介质数据速率最多节点数最大距离 1 1 p ，x f - 1 2 5 0双绞线 1 2 5 m b p s 6 4 1 2 5 m ( 总线长度) 1 甲，x f - 7 8 双绞线 7 8 k 聪 6 4 1 3 3 0 m ( 总线长度) 双绞线，灵活6 4 ( 假如通过链路 仰f f - 1 0 7 8 k b l n5 0 0 m ( 节点到节点) 拓扑 供电可达1 2 8 1 p l 广2 x 电力线 5 k b p s 5 视环境而定 由网桥或重复器连接的信道的集合称为段( s e g m e n t ) 。节点可以看见相同段 上的其它节点发送的包。而智能路由器( 配置路由器和自学习路由器) 则根据设置 决定是否将数据包继续向前传送故可用来分离段中的网络交通，从而增加整个 相同的容量和可靠性。 3 、l o n t a l k 协议的寻址方式 为了简化路由选择，l o n t a l k 协议定义了分级的地址形式：域( d o m a i n ) 、子 网( s u b n e t ) 、和节点地址。除此之外，为了进一步简化多个分散节点的编址，还 定义了另一个地址，这就是组地址i 切。 第一层域是一个或多个通道上的节点的逻辑集合，只有在同一个域里的节点 才能互相通信。也就是说，在同一个通道上的节点可以完全通过赋予不同的域名 而执行不同的网络应用，实现不同的网络应用之间完全独立，互不干扰地运行。 某个节点可同时分属于一个或两个域，作为两个域的节点可用作两个域之间的网 关( g a t e w a y ) 。l o n t a l k 协议不支持两个域之间的通信，但借助网关的程序设计可 以实现两个域之间的数据传送。 第二层子网是域中节点的逻辑集合，每个域最多有2 5 5 个子网，每个子网的 节点数最多为1 2 7 个。子网中的所有节点必须是在同一个区段上，子网不能跨越 智能路由器。如果一个节点分属于两个域，那么它必须在同一个子网中。 节点是编址的第三层，子网中的每个节点都被赋予一个唯一的节点数，该数 是7 位的二进制数，这样每个子网最多可配置的节点数是1 2 7 个节点。 组是一个域中的节点的一个逻辑集合。作为一个组的节点无须考虑它在域中 所处的物理位置，一个域中最多可指定2 5 6 个组，而且对采用应答服务或请求 1 3 一 北京邮电大学硕士论文 响应服务的组节点数最多为6 4 个：对采用非应答服务的组节点数不限制。单独 的一个节点可同属于多个组( 最多1 5 个组) 。组编址的好处是降低随同消息发送 的地址信息的字节数，同时也使同一组中的多个节点可同时接收网上发出的单个 消息。节点的组不仅可跨越同一个域中的多个子网，而且可跨越多个通道。 在本文所依据的项目中建立了1 个域，1 7 个子网，1 7 4 个节点。 4 、l o n t a l k 协议的消息服务类型 针对可靠性及有效性，l o n t a l k 协议提供以下4 种消息服务类型： 应答服务( a c k d ) 应答服务也被称为端对端的应答服务，它是最可靠的服务类型。当一消息发 送到一个节点或一组节点时，发送节点将等待所有应收到该消息的节点发回应 答。如果发送节点在预定的某个时间内未收到所有应收应答，则发送节点时间溢 出，并重发该消息。重发消息的次数以及时间溢出值可选择设定。应答由网络处 理器产生，应用处理器不必过问。 请求响应服务( r e q u e s t r e s p o n s e ) 请求响应服务也是最可靠的服务类型。当一请求消息发送到一个节点或一 组节点时，发送节点等待所有收到该消息的节点发回响应。同样，它也有时间溢 出值以及重发次数可选择设定。响应可包括数据，所以这种服务类型特别适合远 程过程调用或客户，服务i 器r ( c l i e n t s e r v e r ) 应用。 重发服务 重发服务( i j n a c k d - r p d 也被称为非应答重发服务，它的可靠性较应答服 务为低。某个消息被多次发往一个节点或一组节点，无应答或响应。当对大的节 点组广播时，为避免接收过多响应造成网络过载，通常采用该服务类型。 非应答服务 非应