建筑弱电应用技术课题1计算机网络与建筑智能化系统集成[武汉理工]

1 建筑弱电应用技术 课题1计算机网络与建筑智能化系统集成 主编 喻建华陈旭平副主编 沈永跃 2 课题1计算机网络与建筑智能系统集成 1 3 课题1计算机网络与建筑智能系统集成 4 知识点 计算机网络概述 局域网 建筑智能化系统集成概述 管理网络层 控制网络层以及现场网络层 能力目标 1 了解计算机网络的组成与类型 2 了解建筑智能化系统集成的原则及方式 3 熟悉管理网络层 控制网络层以及现场网络层的有关概念 课题1计算机网络与建筑智能系统集成 5 随着科学技术的进步 计算机及其网络技术以及现代控制技术得到了广泛应用 它们在推动人类社会进步的同时 也改变着人们工作 学习和生活的方式 从而促使人们对社会的信息化 工作与生活的自动化 居住环境的舒适化与安全化的要求越来越高 并使智能建筑以及与之配套的建筑智能化系统得到飞速发展 智能建筑的特征是复杂性 集成化 开放性和先进性 它将各种与信息相关的建筑设备通过建筑内的网络系统 综合布线系统 连接起来 并保持这些设备与建筑的协调 从而构成舒适的信息化空间 以适应人们在信息社会中快节奏和开放性的需要 课题1计算机网络与建筑智能系统集成 6 为了解决各个子系统之间以及硬件设备之间的互连和互操作性问题 构成智能建筑的各个子系统应具有开放式结构 所采用的协议和接口都要标准化和规范化 也就是说 软件与硬件的连接方式 交换信息的内容和格式 子系统之间的互控和联动功能 各子系统的扩展方法等方面都必须标准化和规范化 以便将各自分离的设备 功能和信息处理等集成到相互关联 统一和协调的系统之中 达到资源的充分共享 并实现集中和便利的管理 这就是智能建筑系统集成问题 课题1计算机网络与建筑智能系统集成 7 1 1计算机网络概述 1 1 1计算机网络的含义计算机网络是由两台以上的计算机按照约定的协议 通过媒体连接而成的集合 计算机网络的功能非常广泛 但概括起来有如下两个方面的基本功能 1 通信即在计算机之间传递数据 这是计算机网络最基本的功能 它使地理上分散的计算机能连接起来互相交换数据 就像电话网使得相隔两地的人们互相通话一样 2 资源共享包括硬件 软件和信息资源的共享 这是计算机网络最具吸引力的功能 它极大地扩充了单机的可用资源 并使获得资源的费用大为降低 时间大为缩短 在上述基本功能的基础上可产生出许多其他的功能 8 1 1 2计算机网络的分类 1 按所用的通信手段可分为有线网络 无线网络 光纤网络和人造卫星网络等 2 按应用角度可分为专用网络 公用数据网络和综合业务数据网络 ISDN 等 3 按网络覆盖范围的大小可分为局域网 LAN 城域网 MAN 和广域网 WAN 局域网覆盖范围一般在10km以内 属于一个部门或单位 不租用电信部门的线路 城域网的覆盖范围一般为一个城市或地区 从几千米到上百千米 广域网的覆盖范围更大 一般从几十千米到几百千米 可覆盖一个地区 一个国家甚至全球 广域网一般要租用电信部门的线路 1 1计算机网络概述 9 1 1 3计算机网络的基本组成计算机网络是一个复杂的系统 不同的网络组成不尽相同 但不论是简单的网络还是复杂的网络 基本上都是由计算机与外部设备 网络连接设备 传输介质 网络协议以及网络软件等组成 1 计算机与外部设备计算机网络中的计算机包括主机 服务器 工作站和客户机等 计算机在网络中的作用主要是处理数据 计算机外部设备包括终端 打印机 大容量存储系统 电话等 1 1计算机网络概述 10 2 网络连接设备网络连接设备用来进行计算机之间的互联并完成计算机之间的数据通信 它负责控制数据的发送 接收或转发 包括信号转换 格式变换 路径选择 差错检测与恢复 通信管理与控制等 计算机网络中的网络连接设备有很多种 主要包括网络接口卡 NIC 集线器 HUB 路由器 Router 网关 Gateway 等 此外 为了实现通信 调制解调器 多路复用器等也经常在网络中使用 1 1计算机网络概述 11 3 传输介质计算机之间要实现通信 必须先用传输介质将它们连接起来 传输介质构成网络中两台设备之间的物理通信线路 用于传输数据信号 网络中的传输介质一般分为有线和无线两种 有线传输介质是指利用电缆或光缆等来充当传输通路的传输介质 包括同轴电缆 双绞线 光缆等 无线传输介质是指利用电波或光波等充当传输通路的传输介质 包括微波 红外线 激光等 1 1计算机网络概述 12 4 网络协议在计算机网络技术中 一般把通信规程称为协议 Protocol 所谓协议 就是在设计网络系统时预先作出的一系列约定 规则和标准 数据通信必须完全遵照约定来进行 网络协议是通信双方共同遵守的一组通信规则 是计算机工作的基础 如应按什么格式组织和传输数据 如何区分不同性质的数据 传输过程中出现差错时应如何处理等 现代网络系统的协议大都采用层次型结构 这样就把一个复杂的网络协议和通信过程分解为几个简单的协议和过程 同时也极大地促进了网络协议的标准化 一般来说 网络协议一部分由软件实现 另一部分由硬件实现 一部分在主机中实现 另一部分在网络连接设备中实现 1 1计算机网络概述 13 1 1 4TCP IP协议TCP IP的原意为传输控制协议 网际协议 它是Internet的基础数据通信协议 也是用于多个网络设备之间信息交换的基础协议 其他一切在Internet上运行的网络协议都必须在TCP IP的基础上运行 TCP IP协议实际上是一个协议族 TCP和IP是其中最著名的两个协议 其他协议包括用户数据报协议 UDP 互联网控制报文协议 ICMP 以及地址解析协议 ARP 等 在TCP IP中定义了分组组成以及路由器怎样将每个分组传送到其目的地 连接到互联网上的每台计算机都必须遵守TCP IP协议的约定 运行TCP IP软件 使用TCP IP格式 这样才能在互联网上通信 并且保证计算机收到的分组仍然是源端发送的TCP IP格式分组 1 1计算机网络概述 14 1 1 5网络软件同计算机一样 网络的工作也需要网络软件的控制 网络软件一方面控制网络的工作 分配 管理网络资源 协调用户对网络资源的访问 另一方面则帮助用户更容易地使用网络 完成网络协议规定的功能 1 1计算机网络概述 15 1 2 1局域网 LAN 的组成与分类局域网的组成包括硬件和软件两大部分 如表1 1所示 1 2局域网 表1 1局域网的组成 16 图1 1所示是一个最简单的办公室局域网的构成 图1 1一个简单网络的构成 1 2局域网 17 由于图中的计算机相互间均为平等关系 不存在特殊地位的计算机 因此它是对等网 如果在网络中为了集中统一地管理所有的用户 专门设置一台 或几台 具有管理作用的特殊计算机 称为服务器 其他的计算机须听命于该服务器 网络中的用户资料和资源的访问控制等数据都保存在该服务器上 其他计算机需先登录到服务器上 只有经过服务器验证和允许后 才能获得网络中的功能 网络所提供的服务 即成为服务器的客户 这些计算机称为客户机 这种结构的网络称为客户 服务器网络 Client Server 简写为C S 1 2局域网 18 此外 还有一种基于服务器的网络结构 例如 在Internet中 用户用浏览器访问或近或远的Web站点服务器 其关系也类似于客户 服务器结构 只是服务器所管理的对象的要求要简单些 服务器 Sever 只需向网页浏览者 Browse用户 提供网页 一种文件格式的内容 即可 不需要对用户开放服务器的其他资源 如打印机 文件夹或为访问的用户建立的数据库等 而用户端对一般用户也不进行身份认证 只要安装浏览器即可访问 这种结构称为 Web浏览 B S结构 要构建这类网络结构 可以用UNIX Linux 或Windows服务器等作为网站服务器 普通用户只要安装微软公司的IE浏览器 再加上接入到Internet的通信线路即可 使用起来极为简单 1 2局域网 19 1 2 2局域网拓扑结构拓扑结构是指网络站点间互联的方式 也指网络形状 局域网常见的拓扑结构有星形 环形 总线形和树形等 如图1 2所示 其中树形拓扑结构是总线形拓扑结构的一般化 或者说总线形是树形拓扑结构的特例 目前局域网中广泛应用的是星形拓扑结构 1 2局域网 20 图1 2网络的拓扑结构 a 星形 b 总线形 c 环形 d 树形 e 网形 1 2局域网 21 局域网常见的拓扑结构如表1 2所示 表1 2局域网常见的拓扑结构 1 2局域网 22 1 2 3网络互联设备常用的局域网的互联设备有中继器 集线器 交换机 路由器和网关 1 中继器 Repeater 中继器又称重发器 它实质上是数字信号的再生放大器 用于将通信电缆上传输的数据信号经过放大和整形后 再发送到其他电缆段上 因此 使用中继器扩展的网络 不管范围增加多大 该网络在逻辑上和物理上都是同一网络整体 但考虑到网络的传输延迟和负载情况 不能无限制使用中继器进行网络扩展 中继器按照接口个数可分为双口中继器和多口中继器 1 2局域网 23 2 集线器 HUB 集线器又称集中器 它实质上是多口的中继器 作为中心节点用于连接多条传输介质构成局域网 当连接集线器的某条传输介质发生故障时 不会影响到其他节点间的正常通信 集线器的端口数从4口 8口 16口到24口 甚至32口 3 交换机 交换器 Switch 通常所说的局域网交换机拥有许多端口 每个端口都有自己的专用带宽 可以连接不同网段的设备 交换机各个端口之间的通信是同时的 并行的 因此能大大提高信息的吞吐量 为了实现交换机之间的互联或与高档服务器的连接 局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口 如100M以太网端口 FDDI端口等 1 2局域网 24 4 路由器 Router 路由器是一种网络互联设备 用于局域网之间 局域网与广域网之间以及广域网之间的连接 它可提供路由选择 流量控制 数据过滤和子网隔离等功能 可连接不同类型的局域网并完成它们之间的协议转换 5 网关 Gateway 网关又称高层协议转发器 用于连接不同类型且差别较大的网络系统 也可用于属于同一物理网而在逻辑上不同的网络间的互联 还可用于网络和大型主机系统的互联或者不同网络应用系统间的互联 1 2局域网 25 1 2 4智能建筑计算机网络构成示例智能建筑计算机网络构成如图1 3所示 图1 3智能建筑计算机网络构成示例 1 2局域网 26 随着现代通信 计算机网络 自动控制等技术的发展 建筑智能化系统逐渐增多 监控对象也越来越多 为了实现各智能化系统之间信息共享以及相互协调 互控和联动的功能 需要将各个分离的系统有机地集成在一个相互关联 统一和协调的系统之中 这种解决方案就是系统集成 系统集成是以计算机网络为核心 综合配置建筑内各智能化系统 全面实现对通信网络系统CNS 信息网络系统INS 建筑管理系统BMS 安全防范系统SAS 建筑设备监控系统BAS 火灾自动报警系统FAS 等的综合管理 实现系统集成的关键在于解决各系统之间的互联性和互操作性 这就需要解决各系统之间的接口 协议 应用软件等问题 1 3建筑智能化系统集成概述 27 1 3 1DCS集散控制模式智能建筑的控制方式和结构先后经历了CCS集中控制模式 图1 4 DCS集散控制模式 图1 5 和FCS现场总线控制模式 图1 6 三个阶段 目前广泛采用的集散型计算机控制系统又称为分布式控制系统 DistributedControlSystem 简称DCS 它的特征是集中管理 分散控制 即以分布在现场被控设备处的多台微型计算机控制装置 即DDC 完成对被控设备的实时监测和控制 以安装于中央监控室的中央管理计算机完成集中操作 显示 报警 打印与优化控制 从而形成分级分布式控制 近年来出现的现场总线控制系统 FieldBusControlSystem 简称FCS 则是新一代分布式控制系统 1 3建筑智能化系统集成概述 28 图1 4集中型控制系统 CCS 体系结构 1 3建筑智能化系统集成概述 29 图1 5集散型控制系统 DCS 体系结构 1 3建筑智能化系统集成概述 30 图1 6现场总线控制系统 FCS 体系结构 1 3建筑智能化系统集成概述 31 1 3 2建筑智能化系统的网络结构建筑智能化系统一般采用分布式系统和多层次的网络结构 根据系统的规模 功能要求及选用产品的特点来确定采用单层 两层或三层的网络结构 但不同网络结构均应满足分布式系统集中监视操作和分散采集控制 分散危险 的原则 三层网络结构包括管理网络层 控制网络层和现场设备网络层 如图1 7所示 管理网络层完成系统集中监控和各种系统的集成 控制网络层完成建筑设备的自动控制 现场设备网络层完成末端设备控制和现场仪表设备的信息采集和处理 1 3建筑智能化系统集成概述 32 图1 7建筑智能化系统的三层网络系统结构 1 3建筑智能化系统集成概述 33 西门子公司的Apogee控制管理系统是典型的三层网络结构 如图1 8所示 1 管理级网络MLN ManagementLevelNetwork 支持Client Server结构 采用高速以太网连接 速率可达10M 100Mbps 运行TCP IP协议 操作员可以在任何拥有足够权限的工作站实施监测设备状态 控制设备启停 修正设定值 改变末端设备开度等操作 1 3建筑智能化系统集成概述 34 图1 8Apogee控制管理系统的网络结构 1 3建筑智能化系统集成概述 35 2 楼宇级网络BLN BuildingLevelNetwork 每条楼宇级网络最多可连接99个DDC控制器 如最常用的模块式楼宇控制器 MBC 和模块式设备控制器 MEC 楼宇级网络是工业级的PeertoPeer网络 使用24AWG双绞屏蔽线 最快支持115kbps的通信速率 模块式楼宇控制器 MBC 和模块式设备控制器 MEC 工作于楼宇级网络 BLN 上 控制器可以独立工作或联网以完成复杂的控制 监视和能源管理功能 MBC对分散的楼层级网络 FLN 装置和其他现场系统 如制冷机 锅炉 消防设施 人身安全设施 安防设施和照明设备 进行中央监视和控制 MEC可以连接楼层级网络 FLN 设备并提供中央监控功能 1 3建筑智能化系统集成概述 36 3 楼层级网络FLN FloorLevelNetwork 每条楼层级网络最多可连接32个点扩展模块 PXB 或终端设备控制器 TEC 楼层级网络最快支持38 4kbps的通信速率 点扩展模块提供有效的方法来控制和监视远程信息点 终端设备控制器 TEC 是对变风量 VAV 定风量 CAV 双风道 风机盘管 通风单元等末端装置提供控制的控制器的统称 终端设备控制器可独立或联网工作 以完成复杂的HVAC控制 监视和能量分配 典型的终端设备控制器包括终端盒控制器 TerminalBoxController 定风量控制 ConstantVolumeController 双风道控制器 DualDuctController 等 1 3建筑智能化系统集成概述 37 管理网络层又称中央管理工作站 具有监控系统的运行参数 检测可控的子系统对控制命令的响应情况 显示和记录各种测量数据 运行状态 故障报警等信息 数据报表和打印等功能 1 4 1管理网络层的结构管理网络层中服务器与操作站之间大多数都采用客户机 服务器 Client Server 或浏览器 服务器 Browser Server 的体系结构 客户机和服务器指的是一个通信中所涉及的两个应用 主动启动通信的应用称为客户机 而被动等待通信的应用称为服务器 一个服务器常常可以处理多个客户机 1 4管理网络层 38 C S模式的优点 1 C S模式有很强的实时处理能力 与B S模式相比 C S结构更适合于对数据库进行实时处理和大批量的数据更新 2 C S模式的面向对象技术十分完善 并且有很多与之配套的开发工具 而且这些开发工具已经做得非常完善 3 由于C S模式必须安装客户机软件 系统相对封闭 这反而使它的保密性能优于B S模式 1 4管理网络层 39 B S模式的优点 1 Web支持底层的TCP IP协议 使Web网与目前使用的几乎所有局域网都可以做到无缝连接 从而解决了异构网络间的连接问题 2 由于Web采用了 瘦客户 技术 使系统的开放性得到很大的改善 3 界面统一 全部为浏览器方式 操作相对简单 由上述可知 由于对实时性的要求 目前系统架构还多采用客户机 服务器方式 在需要远程监控的场所可在系统中增加Web服务器 即增加B S模式 1 4管理网络层 40 现在许多新型系统的操作站主机就是普通PC机 采用WindowsNT或WindowsXP操作系统 以太网卡插在PC机内 在这种情况下 如果操作站的台数比较多 可以采用客户机 服务器的方式 即一台或多台计算机作为服务器使用 为网络提供资源 而其他计算机是客户机 操作站 使用服务器提供的资源 服务器和客户机之间通常可以采用ARCNet或Ethernet连接 但用以太网连接的比较多 这是由于Ethernet有较多的网络适配器 网络交换机 SWITCHHUB 可供选择 更为重要的是其价格便宜 本来 相对于采用 载波侦听多路访问 冲突检测 技术的以太网 采用 令牌传递 技术的ARCNet本质上具有较好的实时性 但由于技术的进步 以太网的速度大大提高 再配合通信优先级等措施 已完全可满足实时性的要求 ARCNet Ethernet所使用的电缆不能互换 1 4管理网络层 41 以太网最早由Xerox 施乐 公司创建 并在1980年由DEC Intel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准 以太网是应用最为广泛的局域网 包括标准以太网 10Mbps 快速以太网 100Mbps 千兆以太网 1000Mbps 和10G以太网 它们都符合IEEE802 3系列标准 在管理网络层采用以太网已成为各楼控产品厂家的共识 在解决了实时性和抗干扰等问题后 工业以太网将来甚至可能统治控制网络层和现场网络层 以太网能够在自动控制领域迅速发展的原因是它的成本低 传输速率快 技术成熟 应用广泛 且有丰富的硬件 软件资源 1 4管理网络层 42 1 4 2管理网络层的配置管理网络层的配置应符合下列规定 1 宜采用10BASE T 100BASE T方式 选用双绞线作为传输介质 2 服务器与客户机 操作站 之间的连接宜选用交换式集线器 3 管理网络层的服务器和至少一个客户机 操作站 应位于监控中心内 交换式集线器也称为以太网交换机 以其为核心设备连接站点或者网段 符合结构化组网的要求 10BASE T 100BASE T以集线器HUB为中心构成的网络是物理上为星形而逻辑上为共享型拓扑结构的以太网 10BASE T 100BASE T使用以太网交换机后 就构成了交换型以太网 1 4管理网络层 43 在交换型以太网中 交换机的各端口 站与站 站与网段或者网段与网段 之间同时可以形成多个数据通道 端口之间帧的输入和输出已不再受到媒体访问控制协议CSMA CD的约束 于是 系统总带宽就不再是只有10Mbps 10BASE T环境 或100Mbps 100BASE T环境 而是与交换机所具有的端口数有关 可以认为 若每个端口为10Mbps 则整个系统带宽可达10nMbps 其中n为端口数 1 4管理网络层 44 交换型以太网与共享型以太网相比有以下优点 1 每个端口上可以连接站点 也可以连接一个网段 均独占10Mbps 或100Mbps 带宽 2 系统最大带宽可以达到端口带宽的n倍 其中n为端口数 3 交换机连接了多个网段 网段内通信都是独立的 被隔离的 4 被交换机隔离的独立网段上数据流信息不会在其他端口上广播 具有一定的数据安全性 5 若端口支持全双工传输方式 则端口上媒体段的长度不受CSMA CD制约 并可延伸距离 1 4管理网络层 45 交换机工作时 实际上允许多组端口间的通道同时工作 它的功能就不仅仅包括一个网桥的功能 而是可以认为具有多个网桥的功能 在管理体制允许 建筑设备监控系统BAS 火灾自动报警系统FAS和安全防范系统SAS共用一个控制中心或三个控制中心相距不远的情况下 BAS SAS FAS可统一组网 构成的建筑管理系统BMS如图1 9所示 图中各子系统以BAS为核心 运行在BAS的中央监控计算机上 不另设BMS工作站 并能够满足基本功能 且实现起来相对简单 造价较低 具体一点说 就是BMS集成建立在某一家BAS的网络平台上 并通过通信接口模块 或网关 将不同专业的广义BAS子系统集成到这个网络平台上 以实现第三方系统与BAS的互连 1 4管理网络层 46 图1 9BMS集成系统结构图 1 4管理网络层 47 例如 可以利用西门子公司楼宇控制系统软件ApogeeInsight作为系统集成平台 在该平台上将各电子信息系统组成一个相互关联 完整 协调的集成网络系统 从而实现系统信息的共享和合理分配 FAS采用Cerberus消防系统 由于生产BA系统的西门子公司拥有与第三方系统的公司产品匹配成熟的网关技术 故标准网关采用RS485接口将消防系统接入Apogee 并进行数据交换 本例中 对安保系统采用了两级集成 即由安防集成系统将视频监控系统 电子巡查系统和出入口控制系统集成在一起 再由安防集成系统通过RS232通信接口方式与BMS进行大集成 在BMS集成平台上对安防各子系统的控制和管理均通过安防小集成转发服务来完成 这样可保证安防系统的相对独立 提高系统可靠性 1 4管理网络层 48 控制网络层的功能是实现建筑设备的自动控制 它由通信总线和控制器组成 通信总线的通信协议多采用TCP IP BACnet LonTalk和ModBus等国际标准 1 5 1控制网络的通信协议1 ModBusModBus由美国Modicon公司开发 事实上是一种工业标准 很多生产厂商的照明 供配电 柴油发电机 锅炉 冷水机等控制系统以及一些PLC控制器都采用ModBus现场总线 ModBus协议支持传统的RS232 RS422 RS485和以太网设备 可以方便地在各种网络体系结构内进行通信 各种设备 PLC 控制面板 变频器 I O设备等 都能使用ModBus协议来启动远程操作 同样的通信能够在串行链路和TCP IP以太网络上进行 而网关则能够实现各种使用ModBus协议的总线或网络之间的通信 1 5控制网络层 49 2 BACnet标准BACnet标准是由ASHRAE 美国暖通空调制冷工程师学会 发起制定 并得到ANSI 美国国家标准局 的批准 由建筑设备监控系统的生产商 用户参与制定的一个开放性标准 它也是由ASHRAE学会综合几个局域网LAN的协议而制定的 并尽可能采用了LAN网络不同时期成熟的技术 BACnet标准的目的是为计算机控制暖通空调和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议 从而使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作 1 5控制网络层 50 BACnet标准具有以下特点 1 采纳了5种标准或协议 Ethernet ARCnet MS TP PTP LonTalk 它们大多数是应用广泛的行业标准或国家标准 2 BACnet协议与常用的网络协议 如Ethernet和TCP IP 有很大区别 它侧重于监控设备之间的通信数据结构 而Ethernet和TCP IP则强调网络设备间的数据传输 且Ethernet和TCP IP可以在BACnet设备之间传送BACnet信息 因此在信息管理方面 在上层网之间的互连采用BACnet标准是最佳的方案 1 5控制网络层 51 BACnet作为世界上第一个楼宇自动控制网络的数据通信协议 它代表了智能建筑发展的主流趋势 BACnet不是软件或硬件 也不是固件 严格地说 BACnet并不是现场总线 而是一种网络协议 BACnet详细阐述了系统组成单元之间相互分享数据时实现的途径 使用的通信介质 可以使用的功能以及信息如何翻译等全部规则 相对其他现场总线 BACnet标准最大的优点是可以与Ethernet LonWorks等网络进行无缝集成 但BACnet主要应用于解决不同厂家的楼宇自控系统间的通信问题 不太适用于智能传感器 执行器等末端设备 BACnet控制方式如图1 10所示 其局域网接口见表1 3 1 5控制网络层 52 图1 10BACnet控制方式 1 5控制网络层 53 表1 3BACnet标准的局域网 LAN 接口 1 5控制网络层 54 3 LonWorks在20世纪80年代后期 埃施朗公司 Echelon 开始开发LonWorks技术平台 LonWorks技术已经成为控制网的通用标准 有几千家公司以它为基础来开发产品 包括ABB BTE Carrier Schneider Honeywell Johnson Controls等 为了保证来自于众多厂家的产品是真正开放的并且满足LonWorks的技术要求 使众多厂家的产品能在一个LonWorks分布式控制网络系统中实现即插即用 在1994年由全球12家著名工业集团发起 由150家公司参加 成立了LonMark互操作性协会 凡是经LonMark协会测试满足LonMark标准要求的产品才能标上专用标志 即LonMark标志 表示此类产品在LonWorks控制网络上的互操作性 1 5控制网络层 55 LonWorks技术具有一个完整的开发系统平台 包含着一整套设计 配置和支持控制的软 硬件开发工具 LonWorks技术的组成包括硬件部分的神经元 NEURON 芯片 LonTalk通信协议 LonWorks路由器 网络开发工具和节点开发工具 LonWorks技术的核心是神经元芯片 它是智能的 高效率的多处理器芯片 具备通信与控制功能 在每个神经元芯片里都固化了LonTalk协议 覆盖了ISO OSI标准全部的七层通信协议 神经元芯片由三个8bit的中央处理器CPU组成 1 5控制网络层 56 LonWorks技术已经在楼宇自动化 供配电 空调控制 消防监控等领域获得广泛应用 具体地说 LonWorks具有以下优点 1 网络结构灵活 组网方便 支持总线形 星形 树形 自由拓扑形等多种网络拓扑形式 2 支持多种传输介质 包括双绞线 同轴电缆 电力线 光纤 无线射频等 3 完善的开发工具 提供完善的系统开发环境 采用开放的NeuronC语言 4 无主的网络系统 LonWorks网络中各节点的地位相同 网络管理可设在任一节点处 并可安装多个网络管理器 5 开发LonWorks网络节点的时间较短 易于维护 1 5控制网络层 57 LonWorks采用的LonTalk协议固化在Echelon公司的Neuron芯片中 节省了开发LonWorks网络节点的时间 也方便维护 同其他现场总线一样 LonWorks也有自身的缺点 首先 LonWorks在实时性 处理大量数据的能力上有些欠缺 其次 由于LonWorks依赖于Echelon公司的Neuron芯片 所以它的完全开放性也受到一些质疑 尽管如此 它在楼宇自动化领域获得了广泛的应用 世界上有两万多家OEM厂商生产LonWorks相关产品 其种类已达3500多种 LonWorks总线控制方式如图1 11所示 它与BACnet总线的比较见表1 4 1 5控制网络层 58 图1 11LonWorks总线控制方式 1 5控制网络层 59 表1 4LonWorks与BACnet总线比较表 1 5控制网络层 60 在智能建筑领域目前主要流行LonWorks和BACnet技术 前者适用于信息量较小 传送速率小于1 25Mbit s的场合 后者对传送速率要求较高 数据网络信息量大的更为适宜 随着工业以太网技术的发展 TCP IP在控制网络 现场网络中的应用也日益广泛 1 5控制网络层 61 1 5 2控制器 分站 控制网络层的控制器 分站 一般采用直接数字控制器 DDC 可编程逻辑控制器 PLC 或兼有DDC PLC特性的混合型控制器HC HybridController DDC控制器和PLC控制器虽然都能完成控制功能 但两者还是有一些差别 DDC控制器比较适用于以模拟量为主的过程控制 追求控制精度 PLC控制器比较适用于以开关量控制为主的工厂自动化控制 追求开关动作响应时间 由于民用建筑的环境控制 冷热源系统 暖通空调系统等 主要是过程控制 所以除有特殊要求外 建议采用DDC控制器 每个控制器 分站 在管理网络层故障时应能继续独立工作 在设计网络时 监控点数 硬件点 应留有裕量 不宜小于10 1 5控制网络层 62 1 5 3控制网络的配置管理网络层由于各服务器和工作站通常数量较少且布置较集中 故比较适合于采用星形或逻辑总线形的网络结构 但控制网络层中被控设备往往数量较多且布置较分散 从布线方便的角度考虑 应优先采用总线拓扑网络结构 并且使用双绞线作为传输介质 控制网络层可包括并行工作的多条通信总线 每条通信总线可通过网络通信接口与管理网络层 中央管理工作站 连接 也可通过管理网络层服务器的RS232通信接口或内置通信网卡直接与服务器连接 控制器 分站 之间的通信应为对等式 peertopeer 直接数据通信 控制器 分站 可与现场网络层的智能现场仪表和分布式智能输入输出模块进行通信 1 5控制网络层 63 现场设备网络层用来完成对末端设备的控制和现场仪表设备的信息采集和处理 一般中型及以上系统的现场网络层都由通信总线连接微控制器 分布式智能输入输出模块和传感器 电量变送器 照度变送器 执行器 阀门 风阀 变频器等智能现场仪表组成 现场网络层内的通信多采用TCP IP BACnet LonTalk和ModBus等国际标准 现场网络层是现场总线控制系统FCS思想的体现 现场总线技术的发展则为FCS提供了必要的技术手段 1 6现场网络层 64 1 6 1现场总线控制系统现场总线技术的出现导致了传统控制系统结构的变革 形成了新型的网络集成式全分布控制系统 现场总线控制系统FCS FieldbusControlSystem 这是继集中式控制系统 集散控制系统DCS后的新一代控制系统 1 现场总线控制系统的结构现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式 传统模拟控制系统采用一对一的设备连接 按控制回路分别进行连接 位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间 控制器与位于现场的执行器 开关之间均为一对一的物理连接 DCS系统虽然在一定程度上实现了分散控制 但并不是彻底的分散 控制功能是通过各个集中的过程控制站如DDC或者PLC来完成 许多方面的性能与FCS相比有较大的差距 1 6现场网络层 65 2 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统的主要特点可以归纳如下 1 系统的开放性现场总线系统对相关标准具有一致性 公开性 强调对标准的共识与遵从 通信协议一致公开 各不同厂家的设备之间可实现信息交换 通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统 2 互操作性和互用性系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性 互操作性指互连设备间 系统间信息的传送与沟通 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换 1 6现场网络层 66 3 现场设备的智能化和功能自治性现场总线将传感测量 控制等功能分散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设备的运行状态 4 系统结构的高度分散性现场总线构成了一种新的全分散型控制系统的体系结构 从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可靠性 5 对现场环境的适应性作为网络底层的现场总线对现场环境有较强的适应性 是专门为现场环境设计的 它支持双绞线 同轴电缆 光缆 无线和电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现供电与通信 1 6现场网络层 67 3 现场总线系统的优点传统的现场控制技术 如BITBUS RS485 RS422等 的不足之处主要有 主从结构网络上只能有一个主节点 其余为从节点 无法构成多主结构或冗余系统 其潜在的危害是一旦主节点出现故障则整个系统将处于瘫痪状态 数据通信方式为命令响应型 在许多实时性要求较高的场合 这是致命的弱点 错误处理能力不强 不能提供类似LAN的网络管理 NetworkManagement 功能 从而不能对整个系统进行实时 有效 方便的监控和维护 而由于现场总线的上述特点 特别是现场总线系统结构的简化 使得控制系统从设计 安装 投运到正常生产以及检修维护都体现出如下优越性 1 6现场网络层 68 1 分布式的FCS系统更好地体现了DCS系统 信息集中 控制分散 的思想 具有高度的分散性 可以由现场设备组成自治的控制回路 现场设备具有相当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 2 FCS提高了系统的准确性和可靠性 现场总线设备的智能化 数字化从根本上提高了测量与控制的精确度 减少了传送误差 由于免去了D A与A D变换 使仪表精度也得到极大的提高 FCS的结构比DCS简化 有的FCS系统省略了DCS中控