现场总线技术及其应用课件

1、现场总线技术及其应用,1,第三章 现场总线技术及其应用,现场总线技术及其应用,2,现场总线技术(fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络，它是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术，己受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、Modbus等总线，称之为建筑电气总线。,3.1 概述,现场总线技术及其应用,3

2、,3.1.1 现场总线的演变过程,20世纪70年代以前，控制系统中多采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递。由于其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。 70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。,现场总线技术及其应用,4,20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了突破性的发展，产生了直接数字技术（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的

3、集散控制系统（Distributed Control System，DCS）。 随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的成熟和发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。从而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（Fieldbus control system）。,现场总线技术及其应用,5,3.1.2 现场总线技术的技术特点,1. 现场总线是开放互连网络 2. 现场总线是现场通信网络 3. 现场总线是数字通信网络 4. 现场总线是现场设备互连网络 5. 现场设备的互操作性与互用性 6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统 7

4、. 对现场环境的适应性,现场总线技术及其应用,6,3.1.3 现场总线技术的优点,现场总线具有的数字化、开放性、分散性、互操作性和互换性及对现场设备环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点： 1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销,现场总线技术及其应用,7,4系统具有优异的远程监控功能和强大的（远程）故障诊断功能 5用户具有高度的系统集成主动权 6现场设备更换和系统扩展更为方便 7提高系统的准确性与可靠性 8易于系统调整 9为企业信息系统的构建创造了重要条件,现场总线技术及其应用,8,3.1.4 现场总线技术的网络结构,现场总线是控制(Control)技术、计算机(Com

5、puter)与通信(Communication)（即3C技术）发展汇聚的结果。 现场总线的网络拓扑结构有点对点方式、树型方式、带桥方式3种。 其结构如图3-1所示。,现场总线技术及其应用,9,图3-1 现场总线的几种连接方式,现场总线技术及其应用,10,1. 点对点方式 每个现场仪表，包括智能变送器、支持维护的装置及手持通信器等，单独接到低速(31.25kbps)现场总线H1上，用于现场仪表比较分散或传输信息量大的场合，接法与420mA接线方式相似。 2. 树形方式 几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到控制室中去。 3. 带桥方式 接到低速总线H

6、1上的现场设备，通过“桥”和多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控制室中去。,现场总线技术及其应用,11,3.1.5 现场总线的通信模型,现场总线网络互连模型既参照ISOOSI模型（如图3-2所示），又具有自己的特点。协议是分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS的特点和特殊要求。,现场总线技术及其应用,12,图3.3 典型的现场总线协议模型,图3.2 ISO/OSI模型,现场总线技术及其应用,13,

7、典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，在省去36层后，考虑到现场总线的通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看，现场总线有很大特色。,现场总线技术及其应用,14,1. 物理层 该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。 2. 数据链路层 该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输差错控制、多主站

8、使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性。,现场总线技术及其应用,15,3. 总线访问子层 该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。 4. 应用层 它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方

9、式等。,现场总线技术及其应用,16,现场总线的通信模型具有结构简单、 执行协议直观、价格低廉等优点，也满足 工业现场应用的性能要求。,现场总线技术及其应用,17,3.2 建筑电气总线技术,自80年代以来，有几种类型的现场总线技术 已经发展成熟并且在一些特定的应用领域显示了 其自身的优势。这些现场总线具有各自的特点， 有的已经逐渐形成自己的产品系列，占有相当大 的市场分额，显示了较强的生命力。对现场总线 技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作 用。 以下就是目前几种主要的建筑电气总线。,现场总线技术及其应用,18,3.2.1 LonWorks总线,LonWorks是局域操作网络（Local O

10、perating Network）的简称， 是又一具有强劲实力的现场总线技术。它由美国埃斯郎（Echelon）公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISOOSI模型的全部7层通讯协议，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，其通讯速率从 300bps至 15M bps不等，最远通信距离可达2700m（通信速率为78kbps，双绞线），节点总数可达32000个。,现场总线技术及其应用,19,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，被誉为通用控制网络。 LonWorks技

11、术自1991年推出后，发展很快，到1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多万个节点，远远超过了任何其他测控现场总线，其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销售额中，40%是工业控制，30%是楼宇自动化 。,现场总线技术及其应用,20,3.2.2 EIB总线,1990年，以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、JUNG等共七家欧洲著名的电气产品制造商为核心组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA（EIB Associate，欧洲安装总线协会），总部设在比利时的布鲁塞尔。 该协会的成立极大的推动了EIB标

12、准的发展，迄今为止，已有一百多家制造商成为了EIBA的会员，按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作的各种元器件，各类产品品种多达4000多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。,现场总线技术及其应用,21,EIB和其它现场总线协议一样，采用的是串行异步的传输方式，为了提高可靠性和达到最大传输速率，EIB应用了CSMA/CA（具有避免冲突的载波侦听多路访问），通过这种总线访问技术，使得在多个总线元件同时发送信号时就不会发生信号丢失现象，而且EIB有自己的优先权定义以保证信号按照一定的次序先后传送。 EIB总线目前可支持双绞线（Twist Pair）、电力线（Power Line）

13、、无线电（Radio）和红外线（Infrared ）四种传输介质。 目前在中国市场上提供的主要以双绞线系统为主。,现场总线技术及其应用,22,经过对这些年EIB在中国的应用情况的分析，可以看出它主要适用于： 住房建筑尤其是独立型住宅如别墅等 公用建筑中的部分单体建筑如报告厅、会议室、大堂等 大空间的单体建筑如影剧院、体育场馆等 大范围公共区域的电气控制如住宅小区、广场等 桥梁、道路等远距离照明控制,现场总线技术及其应用,23,3.2.3 CAN总线,CAN是控制器局域网络(Control Area Network)的简称，它最早是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，起初它是为汽

14、车的检测和控制而设计的，后来逐步发展到用于其它工业部门，值得指出的是，CAN是目前唯一被批准为国际标准的现场总线，得到了Motorola、Intel、Philip、NEC等公司的支持，并广泛应用在离散控制领域。,现场总线技术及其应用,24,1.CAN总线网络的主要特点, CAN协议遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理层，链路层与应用层的三层结构。 CAN的最高通信速率为1Mb/s（通信距离为40m），其最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），最多可挂接设备数达110个。传输介质可以是双绞线，光纤等。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的

15、概率低，每帧信息均有CRC效验和其他检错措施，通信误码率极低。,现场总线技术及其应用,25, CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。 CAN总线可以工作在多主方式，网络上任一节点均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分主从，通信方式灵活。 CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。 CAN不能支持防爆区。,现场总线技术及其应用,26,2. CAN总线的控制方式,CAN自诞生以来，以其独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。 CAN总线作为一种建筑电气总线在智能楼宇中的控制方式见图3-4。,现场总线技术及其应用,

16、27,图3-4 CAN总线控制方式,现场总线技术及其应用,28,3.2.4 BACNET总线,BACnet是A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。 1987年，美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE）的标准项目委员会调集了全球20多位业内著名专家，经过8年半时间，在1995年6月，ASHARE正式通过全球首个楼宇自控行业通讯标准BACnet 。 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

17、厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。,现场总线技术及其应用,29,BACnet是一个开放的建筑电器气总线，选用一种成熟的局域网技术，其标准是遵从和参照国际标准化组织的开放系统互联模型，采用了4层结构：应用层、网络层、数据链路层和物理层。 BACnet标准体系结构与OSI/ISO的参照图，如图3-5所示。,现场总线技术及其应用,30,图3-5 BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图,现场总线技术及其应用,31,1. BACnet的基本内容,楼宇设备的表示模型对象 用来表示楼宇设备（如输入/输出，控制环等）和与控制过程有关的逻辑实体（如数据文件、应用程序等）。 访问对象的操作服务 分为“确

18、认服务（Confirmed Service）”和“非确认服务（Unconfirmed Service）” 两类。,现场总线技术及其应用,32,传输互操作语义的通信系统局域网 用来传输BACnet服务数据单元。 BACnet标准根据性能价格比定义了4种局域网和1个远程连接技术： ISO 8802-3（以太网），ARCNET，MS/TP，LonTalk和PTP。 BACnet标准对应的这4种局域网接口见表3-1。,现场总线技术及其应用,33,BACnet标准的局域网（LAN）接口 表3-1,现场总线技术及其应用,34,报文的语法与结构编码 其作用是将信息表示成无二义性的二进制数码“1”和“0”位串

19、，以便在网络传输介质上传输 。 协议的验证和测试 一致性说明（Protocol Implementation Conformance Statement，PICS） 其作用是描述实现BACnet标准的设备具有哪些BACnet特性和功能的文档。,现场总线技术及其应用,35,2. BACnet协议与常用的网络协议（如Ethernet和TCP/IP）的区别,BACnet协议侧重与监控设备之间的通信数据结构。 Ethernet和TCP/IP则强调网络设备间的数据传输，而且Ethernet和TCP/IP可以在BACnet设备之间传送BACnet信息。 在信息管理方面、在上层网之间的互连采用BACnet标

20、准是最佳的方案。,现场总线技术及其应用,36,3. BACnet的优势, 独立于任何制造商，也不需要专用芯片，并得到众多制造商的支持。 有完善和良好的数据表示和交换方法。 按BACnet标准制造成的产品有严格的一致性等级。 产品有良好的互操作性，有利于系统的扩展和集成 。,现场总线技术及其应用,37,*3.2.5 DeviceNet总线,DeviceNet是由Allen-Bradley公司（Rockwell自动化）开发的一种基于CAN的开放的现场总线标准。 DeviceNet是一个开放性的协议，每个 ODVA成员都有资格发行基于 DeviceNet标准开发的后续产品。 DeviceNet总线标

21、准和CANopen协议相比较, 可知两种协议可以实现相类似的功能，但是DeviceNet却更强调不同的优先权。,现场总线技术及其应用,38,DeviceNet总线的特点, 采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持。 每个DeviceNet最多可连接64个节点，每个节点可以支持无限多的I/O。主干线/分支线结构。 使用短帧传送，可选的数据传输波特率为125kbps、250kbps及500kbps。 适用于点对点、多主或主/从等各种通信方式。 带电更换网络节点，在线修改网络配置。当一个节点发生严重错误时具有自动关闭输出的功能，以免影响总线上其他节点。 一

22、种低成本、高可靠性的数据网络。,现场总线技术及其应用,39, 用无破坏性的总线优先权仲裁技术，实现按优先级发送信息。 基于生产者/客户网络模式，这是最现代化的网络技术。 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。 电源结构的可调整性，以满足各类应用的需要以及大电流容量（每个电源最大容量可达到16A）。 适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、人机终端这样的智能设备。 具有通信错误分级检测机制，通信故障的自动判别和恢复功能。,现场总线技术及其应用,40,*3.2.6 Modbus总线,Modbus是Modicon公司为该公司生产的PLC设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种

23、现场总线。 Modbus通过24种总线命令实现PLC与外界的信息交换,具有Modbus接口的PLC可以很方便的进行组态。 Modbus传输协议定义了控制器可以识别和使用的信息结构，而不需考虑通信网络的拓扑结构。 Modbus有两种传送方式 (1)RTU（Remote Terminal Unit）方式 (2)ASCII方式,现场总线技术及其应用,41,Modbus的RTU消息帧格式(见表3-2) 它没有起始位，也没有停止位，而是以至少3.5个字符间隔时间（T1-T2-T3-T4）标志开始和结束的，信息帧由地址域、功能域、数据域和CRC效验域构成，所有字符由16进制组成。,RTU消息帧格式 表3-

24、2,现场总线技术及其应用,42,控制器与PLC之间通信,通信内容包括主站对从站的读取和写入 ，其数据通信的一般格式如图3-6所示。 Modbus规定，只有主站具有主动权，从站只能被动的响应，包括回答出错信息 。,图3-6 Modbus通信格式,现场总线技术及其应用,43,3.3 现场总线技术在智能建筑中的应用,智能大厦包括通讯自动化系统、办公自动化系统和楼宇管理自动化系统、它的发展历程，是伴随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通讯技术和现代图形显示技术的进步，从简单监控发展到全面营管理的过程。,现场总线技术及其应用,44,早期的超高层大楼一般设备非常多，诸如空调系统、给排水系统、变配电系统、

25、保安系统、消防系统、停车场系统等、各种专业系统同时共存，仅靠中央监控室操作和控制这些系统，不仅满足不了可靠性要求，而且难以实现。 20世纪80年代开始，微电脑技术的崛起，再加上信号传送技术的进步，基本上实现了所有设备都可以显示于大楼内的中央监控室，并且较容易地进行操作和管理，从而提高了效率，形成了智能大厦的雏形。,现场总线技术及其应用,45,随着计算机及网络技术的发展，出现了计算机集散式控制系统（Distribute Control System）DCS。 这种集中管理与分散控制相结合的控制方式能够适应智能建筑“实时检测与控制的设备品种多且分散”的特点，而且可靠性、经济性、可扩展性等均比较强，

26、基于这种系统，智能大厦得到了空前发展，国内外的智能大厦几乎无一例外地采用了DCS系统。,现场总线技术及其应用,46,由于DCS系统整体上采用分级控制，主站工作量仍较大，中央管理计算机担负着整个建筑的能量控制与管理、防火与保安的监控及环境的控制与管理等关键任务，24小时不间断工作，不能失效，所以必须采用双机冗余等措施提高主机可靠性、加之多级网络协议不统一，DCS的开放性和互操作性也较差。 鉴于DCS结构存在的固有缺陷，随着现代控制技术的发展出现了现场总线控制。,现场总线技术及其应用,47,现场总线控制系统的特点： 一方面突破了DCS系统专用通信网络的局限，采用基于公开化、标准化的解决方案，克服了

27、封闭系统所造成的缺陷。 另一方面又把DCS系统集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。 将现场总线技术应用于智能建筑，不仅提高了系统的准确性与可靠性，使用户具有高度的系统集成主动权，而且其设备标准化，功能模块化，因而设计简单，易于重构，并可节省硬件数量与投资、节省安装费用及维护开销，现场总线技术目前已广泛应用于智能建筑，必将取代传统的集散式控制系。,现场总线技术及其应用,48,3.4 LonWorks技术及其应用,在目前国际上40多种现场总线技术中,最适合构成智能大厦的应是Lonworks技术。 Lonworks现场总线以其独特的特点已成为目前所有现有的

28、现场总线网络功能最为强大，市场效率最高的总线。,现场总线技术及其应用,49,3.4.1 LonWorks总线技术概述,LonWorks（Local Operating Network）是全分布式监控系统专用网络，它使用了具有分布控制与通信联网功能的大规模集成的神经芯片（neuron chips），构成各个智能监控节点（node），通过网络收发器（Tran Receiver）及网络通信媒体将各种节点构成全分布式局部操作网络（简称LON网）。,现场总线技术及其应用,50,1LonWorks网络的技木特点, 智能节点作为现场总线网络控制器 多种网络拓扑结构：总线形、星形、环形、自由形。 多种网络系统

29、结构：主从式、对等式及 Client Server式。 多种传输媒体：双绞线、动力电源线、无线、光纤、红外、电话线等。 介质访问方法：带预测P坚持CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）。 网络通信协议：基于IS0/OSI七层参考模型的网络通信协议LonTalk通信协议，系统开放。 同异型网络的互连方便。,现场总线技术及其应用,51,LonWorks的通讯介质访问控制方式,当某一节点有信息要发送而试图占用通道时，首先在一个固定的周期Beta l检测通道是否处于网络空闲。为了支持优先级，还要增加优先级时间片，优先级越高的所加的时间片就越少。随后再根

30、据网络积压参数BL产生一个随机等待时间片w，按理拾到w之间的随机数W=BL*16。当延时结束时，网络仍空闲，节点以概率p=1/w发送报(如图3-7)。,图3-7 LonWorks的优先级带预测P坚持CSMA概念示意图,现场总线技术及其应用,52,2LonWorks网络的结构模型,LonWorks采用开放式ISO/OSI模型的全部七层通讯协议结构，具备了局域网的基本功能,与异型网的兼容性比任何现存的现场总线都好，被誉为通用控制网络，它还提供了与LAN的接口，从而实现了二者的有机结合。 其各层功能如图3-8所示。,现场总线技术及其应用,53,图3-8 LonWorks分层模型,现场总线技术及其应用

31、,54,（1）LonWorks节点 一个典型的现场控制节点主要包括以下几部分功能模块：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。 LonWorks智能节点主要分两种类型：以神经元芯片为核心的控制节点和采用MIP（Modular Information Processor）结构的控制节点 。 LonWorks节点软件用Neuron C语言编写，开发出基于通用型智能网络节点的Agent软件体，使其具有自主性、协作性、和适应性的特点。,3LonWorks网络的技术组成,现场总线技术及其应用,55,图3-9 神经元节点的结构框图,图3-9为一个典型的现场控制节点。,现场总线技术及其应用,5

32、6,（2）神经元芯片,LonWorks技术的核心是神经元芯片，它包括一套完整的通信协议，即LonTalk协议。 神经元芯片是由流水线作业的3个CPU组成，完全相同的3个8bit CPU各有分工，CPU-1负责通讯媒体访问控制(物理层、数据链路层)，CPU-2负责网络(网络层、传输层、会话层、表示层)，CPU-3负责与用户进程相接口的应用层。 神经元芯片的结构框图如图3-10所示,现场总线技术及其应用,57,图3-10 神经元芯片的结构框图,现场总线技术及其应用,58,几种常见的神经元芯片比较如表3-3所示：,表3-3 几种常见的神经元芯片比较,现场总线技术及其应用,59,（3）LonWorks

33、路由器,路由器是LonWorks技术的重要组成部分，也是其它现场总线所不具备的。 它使LonWorks总线突破了传统现场总线的限制，使其通信不受通信介质、通信距离和通信速率的限制。 LonWorks路由器包括中继器、桥接器等。 采用RTR-10路由器核心模块构成的路由器框图如图3-11所示。,现场总线技术及其应用,60,图3-11 路由器框图,现场总线技术及其应用,61,（4）LonWorks 通信协议,LonWorks技术采用LonTalk通信协议，该协议为七层协议，通过网络变量直接面向对象通信。该协议具有以下特点： 发送的报文都是很短的数据，一般是几个字节到几十个字节； 通信带宽不高，一般

34、从几kb/s到20Mb/s； 网络上各节点往往是低成本、低维护的单片机； 多节点； 多介质； 可靠性高； 实时性高。,现场总线技术及其应用,62,LonTalk协议的网络地址采用三层结构，即：域(Domain)、子网(Subnet)和节点(Node)。 域：为第一层结构，它保证在不同域中通信的彼此独立性。 子网：为网络地址结构的第二层，每一个域最多有255个子网，一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组。 节点：为网络地址的第三层，每个子网最多可以有127个节点。 所以一个域最多可以有255127=32385个节点。,现场总线技术及其应用,63,（5）LonWorks 收发器,LonWorks技

35、术的一个重要特征是它支持多种介质通信。根据通信介质的不同，LonWorks技术可分为以下多种总线收发器： 双绞线收发器 双绞线是使用最为广泛的一种介质，用于双绞线介质的收发器主要以下三种：,现场总线技术及其应用,64,直接驱动收发器 直接驱动是使用神经元芯片的通信端口作为收发器，同时加入电阻和瞬态抑制器作为电流限制和ESD保护 。 这种方式适合于网络上的所有节点在同一个大设备中使用同一个电源。 EIA-485收发器 EIA-485接口是现场总线中常用的电气接口，LonWorks同样也支持该电气接口。使用EIA-485共模电压比直接驱动要好，但不如变压器耦合驱动。 变压器耦合驱动收发器 变压器耦

36、合驱动能满足系统的高性能、高共模隔离要求，并具有噪声隔离的作用 。目前相当多的网络收发器采用变压器耦合的方式。,现场总线技术及其应用,65, 电源线收发器 电源线是指通信线和电源线缆共用一对双绞线。使用电源线的意义在于所有节点通过一个48V直流中央电源供电，这对于一些电力资源匮乏的地区具有非常重要的意义；同时采用通信线和电源线缆共用一对双绞线可以节约一对双绞线，也便于系统的安装和维护。由于电源线收发器采用的是直流供电，可以和变压器耦合的双绞线直接连接。,现场总线技术及其应用,66,电力线收发器 电力线接收器是将通信数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他交直流电力线上，

37、甚至是没有电力的双绞线。这种方式减少了施工布线等建设费用，是一种将神经元节点加入到电力线中简单、有效的方法。 但该方法会遇到电力线通信的普遍问题电力线间歇性噪声大等问题，因此需要采用一定的技术加以解决。,现场总线技术及其应用,67, 其他收发器 除上述收发器外，LonWorks技术中还广泛采用无线收发器、光纤收发器等，以满足特殊情况需要。,现场总线技术及其应用,68,（6）LonWorks开发工具,LonWorks技术包含了一系列开发工具，使节点开发和系统联网开发快速有效主要有节点开发工具NodeBuilder、节点和网络安装工具LonBuilder、网络管理工具LonManage和LNS技术

38、。 节点开发工具NodeBuilder NodeBuilder只能完成节点开发的功能，不具备网络的功能，它只有一个在线仿真器。,现场总线技术及其应用,69, 节点和网络安装工具LonBuilder NodeBuilder是LonWorks技术中最主要的一个开发工具，它包括以下几部分： 节点开发器：用于Neuron C语言编程开发和网络通信仿真等。 网络管理器：用于现场总线风格的逻辑地址分配与连接、子网和网络通道定义、路由器安装、优先级设定等网络安装、维护工作。 协议分析器和报文统计器：用于截获网络上所有节点的通信报文，分析当前网络报文流量等网络状态信息。,现场总线技术及其应用,70, 网络管理

39、工具LonManage LonManage主要由一系列的软件开发包和接口卡组成，包括：LonManageDDE、LonManage Profile、LonMaker和LonManage协议分析仪。 LNS(LonWorks Network Service) LNS是Echelon公司最新开发出来的LonWorks总线开发工具，它为用户提供了一个强大的客户/服务器网络构架，是未来LonWorks总线的可互操作性基础。,现场总线技术及其应用,71,4网络管理,LonWorks技术需要网络管理工具实现其网络安装、网络维护和网络监控等功能。 网络安装：主要用于网络建设初期网络地址的动态分配，通过网络变

40、量和显示报表进行设备间的通信。 网络维护：是指在系统运行过程中对设备增加或删除的管理与实现，通过数据库修改网络信息即可实现设备的增减，而不必修改网络上的其他设备。 网络监控：为用户提供了一个系统的检测和控制服务，用户可以在因特网上以远程方式监控整个系统。,现场总线技术及其应用,72,3.4.2 LonWorks技术在智能建筑中的应用,目前LonWorks技术己经被广泛应用在智能大厦、家庭自动化、保安系统，办公设备、运输设备、工业过程控制等行业，成为发展最快的现场总线之一，尤其在建筑领域，该技术已成为国际公认的标准。 由LonWorks技术构成的楼宇自动化系统结构如图3-12 。,现场总线技术及

41、其应用,73,图3-12 LonWorks技术构成的楼宇自动化系统结构,现场总线技术及其应用,74,一种基于Lonworks的智能建筑的系统方案（图3-13）:,图3-13 基于LonWorks的智能建筑的系统方案示例,现场总线技术及其应用,75,上图所示的是两级Lonworks网络结构形式,一路是路由器，一路是智能节点，它将每一住户设计为一个 Lonworks智能节点，由该智能节点对各住户室内进行实时监控，完成安全防范系统的大部分功能。 Lonworks 总线技术规定：一个Lonworks网络最多可以有255个子网，而每个子网最多可以有127个节点。,现场总线技术及其应用,76,在上述结构中

42、，每127个节点需要一个路由器以支持更多的节点。所以Lonworks网络其节点数最多可以达到 255 127= 32385。 虽然该系统结构简单，不失为一种较好的结构形式，但也存在着一些缺点： （1）由于神经元芯片的I/O口较少，要完成每一住户所需的所有控制功能，还必须对神经元芯片进行扩展，以增加其 I/O能力。 （2）智能节点的造价较高,相应使得整个智能社区的成本也较高。,现场总线技术及其应用,77,基于LonWorks技术的数字化社区系统方案（图3-14）,图3-14 基于LonWorks技术的数字化社区系统方案示例,现场总线技术及其应用,78,该系统具有以下特点: 1.每一住户室内装有一

43、个用户监测器，负责整个住户室内安全状态信息的监测和传送。 2.对每一幢居民楼使用一个智能通信节点，主要负责采集整幢居民楼中每一住户室内的报警信号数据以及水、电、气三表的使用情况，并将这些数据通过LonWorks网络上传至中央监控计算机。,现场总线技术及其应用,79,3.整个系统还包括一个安装在智能社区管理中心的中央监控计算机，它主要用于负责对整个智能社区智能节点的组网、报警信息的实时显示、报警历史信息的查询、三表数据的计量与统计以及社区住户信息的管理等任务。 4.智能社区用户数量最多可以达到323852568290560户，拥有海量用户规模。,现场总线技术及其应用,80,该系统的优势： 1.克

44、服了分布式控制系统体系结构所存在的固有缺陷。 2.在网络通信中以网络变量的形式共享网络数据，使得网络上的智能节点之间的通信效率大大提高，从而提高了控制系统的实时性。 3.系统的可靠性高。 4.采用了现场总线技术，增强了系统的开放程度和互操作性，同时还进一步扩展了系统功能。,现场总线技术及其应用,81,3.4.3 LonWorks智能楼宇自动化系统的设计和实施,现代智能建筑自动化系统是计算机、通信和自动控制技术有机结合的整体。一个智能建筑自动化系统往往包含成千上万个现场传感器、执行器，这些传感器、执行器通过智能控制节点实施现场监控。,现场总线技术及其应用,82,1.楼宇自动化对控制系统的要求,楼

45、宇自动化对控制系统的要求包括从系统规模、系统可靠性、灵活性、系统性能、系统集成、安装维护、诊断等各个方面对系统提出的要求。 系统规模及子系统连接 楼宇自动化系统一般包括：暖通、空调、照明、给排水、供配电、电梯，以及保安门禁、火灾报警等监测控制。系统规模因大厦规模及其功能要求而异。,现场总线技术及其应用,83, 系统可靠性 系统可靠性要求包括可靠传送信息，控制回路的可靠连接，容错能力及故障隔离和恢复。为了能可靠地传输信息，系统结构和网络协议需能提供多种服务，包括无确认信息服务，确认服务和发送授权。 系统的灵活性 系统的灵活性主要是指系统扩充和修改是否方便，对系统结构和网络的要求是： 要有足够的可

46、扩展的编址空间，连接线缆的距离容易延伸，节点连线容易，网络拓扑结构灵活，可支持多种通信媒体(甚至可采用无线连接)，容易增减设备。,现场总线技术及其应用,84,LonWorks的自由拓扑结构、电源线和无线通信媒体使网络扩展和修改非常方便，采用路由器、重发器，可以非常容易地延伸网络连接线缆(或无线连接)的距离。 此外，网络安装维护工具在系统范围内可对节点数据库进行更新，并对每个节点内部非易失性存储器中保存的节点信息、节点互连关系信息等进行更新，保证其一致性。,现场总线技术及其应用,85, 系统性能 系统性能与许多因素有关，包括:最大数据速度：根据收发器、通信媒体和藕合电路的性能价格比，数据速率能在

47、一定范围内进行选择(从几Kbps到超过1Mbps)对于大多数应用场合是需要的。 系统集成 从系统集成的角度要求首先是协议的一致性，即不同厂商的设备要能够在同一系统中协调运作(互操作)。还有就是应用层接口的一致性，即应用对象和配置参数均采用标准的应用层界面。此外要采用一体化的开发和安装调试工具，即节点设计、节点互连、网络分析均采用系统级的安装调试工具来解决。,现场总线技术及其应用,86, 系统安装调试和诊断 系统安装调试和诊断对于系统结构的要求包括：能支持各种通信媒体；实验室安装调试和现场安装任务可以很灵活地分开；能方便灵活选择安装参数；系统配置参数有标准的格式；很容易增加和减少设备；能进行远程

48、访问等。,现场总线技术及其应用,87,2.LonWorks智能楼宇自动化系统的设计和实施, 智能节点设计 一般说来，使用LonWorks技术组成的自动控制网络中，检测、控制点可分为四类，即数字量(开关量)输入/输出，模拟量输入/输出。在节点设计时，可以根据应用要求和器件能力，选择各种输入输出的优化组合，形成系列产品。 现以VACOM威世达公司的VCN通用智能节点系列产品为基础分别做一简要说明。,现场总线技术及其应用,88, 数字量（开关量）输入节点 这类节点在设计过程中主要考虑：如何将各种各样的数字量和开关量转换成Neuron芯片能够接收的信号，并且这类信号在输入通道上要加光电隔离器，以提高节

49、点运行的安全性和可靠性。 数字量输出节点 在设计这类节点时，主要是要解决外部高电压、大电流的提供问题。在电路中，同样也需要进行光电隔离，来提高节点的可靠性和安全性。,现场总线技术及其应用,89, 模拟量输入节点 主要用于采集网络中的模拟信号。 由于模拟信号种类繁多，所以节点的设计应根据不同的应用场合及其需要选择适当的转换器来实现模拟量到数字量的转换。 注意：在模拟量输入节点的前端应增加信号整理电路。 模拟量输出节点 和模拟量输入节点一样。 注意：在实际的设计中还要增加输出信号整理电路。,现场总线技术及其应用,90,（2）智能楼宇自动化系统实施,建立控制逻辑 即定义监控对象，确定监控点，以及监控

50、对象与其他设备的通信方式。 选择控制节点及其它设备 选择节点主要考虑采用何种节点以适合应用要求。节点可分为两大类：通用节点和专用节点。 通用节点：即可以通过使用Neuron C编程监测控制多个输入/输出点。 专用控制节点：即已经定义为某种专用的输入/输出（如DI、DO、AI、AO）。,现场总线技术及其应用,91, 通信类型 即采用何种通信媒体（双绞线自由拓扑结构、信道电源线、供电线、无线），要根据实际的需要和可能考虑。 网络结构设计 即确定每一个控制节点的位置，网络中使用节点的数量，及路由器、网桥和重发器的数量，网络的构型，以及人机界面，是否采用主监控PC等。 布线、安装、调试,现场总线技术及

51、其应用,92,LonWorks技术体现了控制网络技术发展的最新趋势。由于其技术的特点，以及它被工业界的广泛接受，成为控制网络的实际主流标准，使得基于LonWorks平台开发真正一体化的智能建筑管理控制系统，不但是现实可行的，而且是具有广阔前景的。,现场总线技术及其应用,93,应用实例:,图3-15为中山医院肿瘤防治中心基于 Lonworks技术设计的BAS系统网络结构图。,现场总线技术及其应用,94,图3-15 中山医院肿瘤防治中心BAS系统网络结构图,现场总线技术及其应用,95,*3.4.4现场总线技术在科研课题中的应用实例,建筑智能化系统控制网络硬件及软件开发,现场总线技术及其应用,96,

52、本课题由国家建设部、湖南省科技厅和建设厅作为2000年科研项目立项；从1999年11月至2000年12月，通过不懈地努力与攻关，终于完成了系统各个部分的研制开发和系统总调、测试等工作，并且初步具备了系统产业化的能力。该项目主要技术填补国内空白，技术水平达到国际先进，国内领先地位，系统的不少设计思想具有独创性。,现场总线技术及其应用,97,本系统采用Lonworks技术作为控制网络主干，研究、开发一系列高可靠性、低成本的网络智能控制节点及路由器设备；同时，实现性能优良的控制网络应用软件平台，形成一套自主开发的楼宇自动化控制网络系统。可与传统的RS-485等控制设备互连，具有较强的通用性和兼容性。

53、它可以满足楼宇自动化和复杂的工业过程控制中多个控制点的多变量、多耦合环境，各节点具备较强的独立控制功能；控制系统具有可重构性与可扩展性。,现场总线技术及其应用,98,网络节点由TMPN3150、PSD913、FTT-10、光电隔离外围电路等元件构成。神经芯片TMPN3150与MC143150兼容，它是Lonworks技术的核心。该芯片内部有三个微处理器：MAC处理器、网络处理器和应用处理器。MAC处理器完成OSI 七层协议的第一、二层，即介质访问功能。网络处理器完成OSI 协议第3-6 层的网络协议。应用处理器完成用户的应用程序，其中包含用户程序对操作系统的服务调用。,1.Lonworks 网

54、络节点：,现场总线技术及其应用,99,神经芯片3150片内还有512字节的E2PROM、2048字节RAM可用于放置网络配置信息和作为通讯、应用数据缓冲区等。 节点片外存储器固化了Lontalk协议与系统调度固件，并下载了自主开发的系统节点应用程序。一个控制单元中需要有采集和控制的功能，为此在神经元芯片上特设置11有个I/O口。这11个 I/O口可以根据需要配制成RS-232口、并行口、定时/计数、字节I/O、位I/O等形式。,现场总线技术及其应用,100,PSD913在一块芯片上集成了512KB FLASH RAM、16KB SRAM和通用可编程器件并且具有后备电源接口，取代了传统的通用存储

55、和可编程芯片；大大地减小了节点的体积、简化了系统的设计、提高了可靠性。目前国内外尚未见此种设计方式的产品。所有节点均带后备电池，可对数据进行掉电保护。,现场总线技术及其应用,101,Lonworks节点软件用Neuro C语言编写，开发出基于通用型智能网络节点的Agent软件体，使其具有自主性、协作性、和适应性的特点；同时，节点软件包含PID控制、模糊控制、神经元控制等通用控制算法。节点通过网络变量与消息的两种数据传递方式可以实现信息的分级传递。,现场总线技术及其应用,102,Lonworks网络节点分为三大类：开关量型节点、模拟量型节点及网络时钟节点。各种类型节点结构功能原理如下： 开关量型

56、节点： 它具有八路光电隔离开关量输入，四路光电隔离开关量输出，四路脉冲输入和一个通用RS-232串口；数据可掉电保护至少五年以上。如图3-16：,现场总线技术及其应用,103,图3-16开关量型节点,现场总线技术及其应用,104, 模拟量型节点： 它具有精度均为12位的A/D四路，D/A两路；光电隔离开关量输入八路，光电隔离开关量输出四路；掉电数据可至少保存五年以上。模入、模出芯片均采用MAXIM公司的芯片，具有外接电路少，集成度高，稳定可靠的特点。模拟量输入电压：5V,10V, 05V,010V可调；。模拟量输出电压：02.5V, 05V可调。如图3-17：,现场总线技术及其应用,105,光

57、电隔离,MAX197,MAX530,数据锁存器,PC0,四路模拟量输入,两路模拟量输入,八路开关量输入,双绞线,FTT-10收发器,cp0cp4,四路开关量输出,光电隔离,IO4IO7,TMPN3150,A0A15,D0D7,PSD913,后备电池,PC1,PC0,图3-17 模拟量型节点,现场总线技术及其应用,106, 时钟节点： 它采用已解决2000年问题的时钟芯片DS12C887，时间精度可精确到秒级；可掉电运行十年以上。如图3-18,现场总线技术及其应用,107,2.Lonworks路由器：,路由器在Lonworks技术中是一个主要的部分，这也是其它现场总线所不具备的，它使Lonwor

58、ks总线突破传统现场总线的限制-不受通讯介质、通讯距离、通讯速率的限制。Lonworks路由器包括以下几种：中继器、桥接器、路由器。采用RTR-10路由器核心模块构成的路由器框图如图3-19所示：,现场总线技术及其应用,108,现场总线技术及其应用,109,3.主从式RS-485控制网络多功能节点：,其主要构成元件是Intel80C196KC单片机系统和RS-485电平转换芯片MAX1487。其软件上模仿Lonworks技术，分为通讯、系统调度固件和可下载的应用程序，单个节点可在线编程（IAP）。节点具备隔离八路开入、隔离四路开出、八路模拟输入（10位精度）、三路PWM 输出（可转换为05VD

59、/A输出）、四路脉冲输入等功能。节点带32K EPROM、32K NVRAM,因而可掉电保护数据五年以上。其功能框图为图3-20：,现场总线技术及其应用,110,现场总线技术及其应用,111,4.Lonworks网络与主从式RS-485网网关：,网关主要由三部分组成：神经芯片3150、双口RAM、80C196KC单片机。其中神经芯片、80C196KC分别完成同Lonworks网与RS-485网的网络接口；双口RAM实现两者之间的数据传递。80C196KC可以通过对双口RAM的设置，决定数据发送完或接收到神经芯片的一包有效数据。神经元芯片和80C196的通信采用查询方式或中断方式。功能框图如图3-21：,现场总线技术及其应用,112,现场总线技术及其应用,113,5.基于电话网络的远程控制器：,鉴于电话网络的普及程度，开发出由AT89C51单片机和MT8870双音频解码芯片构成，通过电话或手机远程控制空调等家电和企业生产设备启动或停止的控制器，完善了系统的功能。该控制器有四路开关量输出。功能框图如图3-22：,现场总线技术及其应用,114,6.系统总体设计方案, 只包含Lonworks网的系统