第5章智能化建筑内控制信号网络

1、第第5 5章章 智能化建筑内控制信号网络智能化建筑内控制信号网络 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 控制信号网络传输特征5.1.1 噪声和抗干扰5.1.2 模拟控制信号传输方式5.1.3 数字控制信号传输方式5.2 BACnet网络协议5.2.1 BACnet的服务对象5.2.2 BACnet的体系结构5.2.3 BACnet的物理层和数据链路层协议5.3现场总线5.3.1 现场总线基本概念5.3.2 LonWorks总线5.3.3 CAN总线5.3.4 Modbus总线 本章导读 智能化建筑内的控制信号传输网有别于一般的信息网。本章首先就控制信号传输特征、控制信号传输的噪声和抗干扰、

2、控制信号传输的方式等基本问题进行了讨论。 其次，对当前主流的控制信号传输网络协议体系和现场总线技术进行了介绍，内容包括BACnet标准、LonWorks总线、CAN总线、Modbus总线等。 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 楼宇自动化系统（楼宇自动化系统（Building Automation System，BAS）是自动控制技术应用的一个分支，它的发展是随着自动控制技术的不断进步和完善而日趋成熟。随着现场总线技术FCS在工业控制领域的日趋成熟，FCS也被应用于BAS。BAS的技术目的：的技术目的：

3、从技术和应用角度，无论是BACnet通信协议还是Lonworks技术，都是追求开放的通信接口开放的通信接口和高速、可靠的高速、可靠的信息传输信息传输，以便及时地获取更多的信息从而对建筑设备进以便及时地获取更多的信息从而对建筑设备进行全面的监控与管理行全面的监控与管理。BAS的相关技术方法：的相关技术方法： 同时数据库技术、多媒体技术数据库技术、多媒体技术等的发展是BAS在数据处理分析方面日益增强，人机界面人机界面更加友好从而为建筑物设备提供更为强大的控制与管理平台。 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 BAS的发展：的发展：随着工业以太网

4、工业以太网、基于基于WEB的控制方式的控制方式等新技术的涌现以及人们对节能管理节能管理、数据分析挖掘数据分析挖掘等高端需求的深化，BAS仍然在一个不断的自我完善与发展之中。对对BAS的相关讨论的相关讨论：BAS最为重要的含义在于不仅仅是某一台或者某一部分设备的自动化，而是放眼于整个系统，能够有效的把所有设备的信息整合起来，形成一个控制网络。因此因此BAS系统中系统中的通信显得尤为重要的通信显得尤为重要。5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 两种典型的网络结构在两种典型的网络结构在BAS中的应用：中的应用：（1）典型的两层网络架构：）典型的两

5、层网络架构： 这种架构包括两层，下层是现场控制网络层现场控制网络层，作用是完成设备的实时控制；上层是信息管理层网络信息管理层网络；两层网络之间通过通信控制器连接。 这种架构是现在大多数BAS采用的架构，例如Lonworks现场总线技术。（2）三层网络结构的）三层网络结构的BAS三层网络结构在上层的以太网网络和下层的现场总线网络层之间增加了中间层控制网络。这个中间层网络连接大型通用控制器，用于完成较为复杂的控制功能。5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 中央管理计算机BAS监控计算机现场控制器现场装置现场装置现场控制器现场装置现场装置管理总线

6、控制总线现场总线管理层设备层控制层图5-1三层网络结构的BAS 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 在BAS产品的设计、开发过程中，越来越多的厂商在上层协议方面更多的倾向于遵循开放性的开放性的BACnet标准。BAS网络可以分为控制网络架构和信息网络架构。在控制网络架构层面上分布了若干被监控的弱电子系统。目前用户对系统集成的要求越来越高，也越来越迫切。各弱电子系统来自不同厂商的产品，为了使这些产品可以集成到一个平台下，需要一个开放的通信协议。BACnet就是这样一个标准。 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章

7、智能化建筑内控制信号网络 BACnet是各设备厂商遵守的协议是各设备厂商遵守的协议，是专门为楼宇控制制定的标准，它对DDC的数字/模拟量、输入输出量都加以定义使其外部特性同一，目的是解决控制设备与被控设备间的通信问题，而与CPU的选择无关，对实现该标准的技术手段无任何要求，也就是说也就是说BACnet标标准的应用对硬件不加以限制准的应用对硬件不加以限制。但为了保证有效的互操作，BACnet不仅仅定义了通信过程，也定义了控制设备内不仅仅定义了通信过程，也定义了控制设备内部数据的格式部数据的格式。 从实现的复杂程度来讲，BAC标准是比较复杂的通信协议，但针对某一个特定功能的控制设备不需要实现但针对

8、某一个特定功能的控制设备不需要实现全部的全部的BACnet标准标准。5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 第5章 智能化建筑内控制信号网络 随着总线技术的应用，在底层技术上各个厂商广泛应用Lonworks技术。楼宇自动化是对智能建筑内所有的动力设备、楼宇设备进行自动监测和控制的系统，它通常是由中央管理站、通信控制器、DDC、传感器和执行器等组成的分散式控制系统，也是一个开放的网络通信系统。BACnet定义的是设备的外部特性，而定义的是设备的外部特性，而LonWorks定义的定义的是控制器内部的指令集是控制器内部的指令集。Lonworks的核心内容是Lonworks通信协议，

9、各种产品只要严格按照Lonworks协议操作并通过Lonworks认证，原则上都可以实现互通、互操作，而不受来自不同厂家生产的影响。LonWorksLonWorks技术技术 5.1.1 5.1.1 噪声和抗干扰噪声和抗干扰 在理想情况下，一个系统的性能仅由系统得结构来决定。然而在许多场合，系统却达不到额定的性能指标，有的甚至不能正常工作。究其原因常常是噪声干扰造成的。所谓噪声是指系统中出现的非期望电信号。噪声对系统产生的不良影响称之为干扰。在检测系统中，噪声干扰会使测量指示产生误差；在控制系统中，噪声干扰可能导致误操作。 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控

10、制信号网络传输特征 串模干扰和共模干扰串模干扰和共模干扰 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 5.1.1 5.1.1 噪声和抗干扰噪声和抗干扰图5-2 串模干扰和共模干扰 串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。共模干扰是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压，也称为共态干扰。 5.1.2 5.1.2 模拟控制信号传输方式模拟控制信号传输方式 1 1、模拟量的采集、模拟量的采集模拟量的采集是通过模拟量输入通道经滤波、采样、量化、编码后输入现场控制器的过程。 2 2、模拟量的输出、模拟量的输出

11、 模拟量的输出通道时楼宇自控系统实现控制输出的关键，通过输出通道，把计算机输出的数字信号通过把计算机输出的数字信号通过D/AD/A转转换成模拟信号来驱动相应的执行机构换成模拟信号来驱动相应的执行机构。 模拟量的输出可为电压信号，也可为电流信号。工业上的标准信号范围是05V，15V，010mA和420mA等。 一般电压信号实现简单，但是容易受到地电平等干扰，不适宜远距离传输；电流不易受到噪声的干扰，比较适合远距离传输，不过在接收端需要变换为电压信号。第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 5.1.3 5.1.3 数字控制信号传输方式数字控制信号

12、传输方式 现场控制器数字量的采集和输出现场控制器数字量的采集和输出第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 数字量的采集主要是对开关状态量通过数字量输入通道送到现场控制器现场控制器的传递过程，输入的通道包括调理调理电路、输入缓冲器和地址译码电路、输入缓冲器和地址译码。 数字量信号的输出是指由控制器控制器CPUCPU发出控制信号，对现场的控制元件进行驱动。数字量的输出由输出锁存器、输出驱动电路及输出口地址译码电路组成。 测控系统的公共数字传输通道称为总线总线，有片内总线、仪表内部总线和仪表外部总线之分。注意：这部分是针对现场控制器而言注意：这部分

13、是针对现场控制器而言5.1.3 5.1.3 数字控制信号传输方式数字控制信号传输方式 1 1、基带传输和调制传输、基带传输和调制传输对数字信号不加调制，以其基本形式进行的传输，称之为基带传输。对于更远距离的数据传输，由于噪声的影响，基带传输已无能为力，因此需要采用对基带信号加以调制的方法来进行传输。这一过程涉及到调制和解调,关键设备是调制解调器。2 2、并行传输和串行传输、并行传输和串行传输将并行数据通过某种机制转换为串行数据将并行数据通过某种机制转换为串行数据，经由通信介质逐位发送出去，而在接收方通过某种机制将串行数据恢复为并行数据的串行通信方式，可以大量地节约电缆导线。 第5章 智能化建筑

14、内控制信号网络 5.1 5.1 控制信号网络传输特征控制信号网络传输特征 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 第5章 智能化建筑内控制信号网络 针对楼宇自控系统用户的上述普遍需求，也为了促进楼宇自控系统走上健康、稳定、持续发展的道路，美国采暖、美国采暖、制冷和空调工程师协会制冷和空调工程师协会ASHRAEASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)专门研究制定一个BAS系统生产商和用户都能普遍接受的技术标准。要求这个标准技术先进、真正开放、易于扩展，并且

15、容易实现。ASHARE于1995年6月正式制定和发布了世界上第一个楼宇自动控制系统技术标准BACnetBACnet。它符合当今世界开放、互联、共享、合作开放、互联、共享、合作的技术发展趋势，代表着21世纪智能建筑中BAS系统的主流技术和发展方向。 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象第5章 智能化建筑内控制信号网络 在楼宇自控系统中，各种设备之间如果要进行数据交换，为了能够实现设备的互操作，所交换的数据所交换的数据必须使用一种所有设备都能理解的”共同语言“。BACnet的最为成功之处在于采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象（对象（ObjectObjec

16、t）来表示任意的楼宇自控来表示任意的楼宇自控设备的功能设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇自控设备的方式。在BACnet中，所谓对象就是在网路设备之间传输的一组数所谓对象就是在网路设备之间传输的一组数据数据结构据数据结构，对象的属性就是数据结构中的信息，设备可以从数据结构中读取信息，可以向数据结构写入信息，这些就是对对象属性的操作。5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象（的服务对象（1 1）第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 对象名称应用实例模拟输入模拟输入 Analog InputAnalog Input传感器输

17、入传感器输入模拟输出模拟输出 Analog OutputAnalog Output控制输出控制输出模拟值模拟值 Analog ValueAnalog Value设定点或其它模拟控制系统参数设定点或其它模拟控制系统参数数字输入数字输入 Binary InputBinary Input开关输入开关输入数字输出数字输出 Binary OutputBinary Output继电器输出继电器输出数字值数字值 Binary ValueBinary Value数字控制系统参数数字控制系统参数时序表时序表 CalendarCalendar为按事件执行程序定义的日期列表为按事件执行程序定义的日期列表命令命令 C

18、ommandCommand为完成诸如日期设置等特定操作而向多个设备的多个对象为完成诸如日期设置等特定操作而向多个设备的多个对象写多个变量写多个变量设备设备 DeviceDevice其属性表示设备支持的对象和服务以及设备商和固定版本其属性表示设备支持的对象和服务以及设备商和固定版本5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象（的服务对象（2 2） 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 对象名称对象名称应用实例应用实例事件登记事件登记 描述可能处于错误状态的事件（例如描述可能处于错误状态的事件（例如“输入超出范围输入超出范围”），

19、或者其它设备需），或者其它设备需要报警。该对象可直接通知一个设备，也可用一个通知类（要报警。该对象可直接通知一个设备，也可用一个通知类（Notification Notification ClassClass）对象通知多个设备）对象通知多个设备Event Event EnrollmentEnrollment设备支持的可读写数据文件设备支持的可读写数据文件文件文件 FileFile提供在一个读单一操作下，访问多个对象的多个属性提供在一个读单一操作下，访问多个对象的多个属性组组 GroupGroup提供标准化地访问一个控制环提供标准化地访问一个控制环环环 LoopLoop表述一个多状态过程的状态，

20、如冰箱的开、关和除霜周期表述一个多状态过程的状态，如冰箱的开、关和除霜周期多态输入多态输入 表述一个多状态过程的期望状态，如冰箱的开始冷却时间、开始除霜时间等表述一个多状态过程的期望状态，如冰箱的开始冷却时间、开始除霜时间等Multi-state Multi-state InputInput包含一个设备列表。如果一个事件登记对象确定有一个警告或报警报文需要包含一个设备列表。如果一个事件登记对象确定有一个警告或报警报文需要发送，则将送给列表中的设备发送，则将送给列表中的设备多态输出多态输出允许设备中的一个程序开始、停止、装载、卸载，以及报告程序当前状态等允许设备中的一个程序开始、停止、装载、卸载

21、，以及报告程序当前状态等Multi-state Multi-state OutputOutput定义一个操作时间表。通过对指定对象表中的对象写入相应的内容实现，可定义一个操作时间表。通过对指定对象表中的对象写入相应的内容实现，可以设定例外情况，如假期等。可以使用日历表对象设定例外情况以设定例外情况，如假期等。可以使用日历表对象设定例外情况5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象第5章 智能化建筑内控制信号网络 BACnet网络中的设备之间的通信，实际上就是设备的应实际上就是设备的应用程序将相应的对象数据结构装入设备的应用层协议数据用程序将相应的对象数据结构装入设备的

22、应用层协议数据单元（单元（APDUAPDU）中，按照特定的规范传输给相应的设备）中，按照特定的规范传输给相应的设备。对象数据结构中携带的信息就是对象的属性值，接收设备中的应用程序对这些属性进行操作，从而完成信息通信的目的。 一个一个BACnetBACnet设备包含哪些对象取决于该设备的类型和特设备包含哪些对象取决于该设备的类型和特性性。每个每个BACnetBACnet设备至少有一个对象，但不要求有所有的设备至少有一个对象，但不要求有所有的对象对象。例如windows工作站没有传感器输入输出，所以不会有Analog Input 和Analog Output对象。对象的属性对象的属性 第5章 智能

23、化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象当前值是 68当前值？网络BACnet设备模拟输入对象68. 0 F当前值 68描述“室外空气湿度”设备类型“10K 热敏电阻”脱离服务 FALSE单位华氏温度图5-3一个模拟输入对象的示意图 对象的属性对象的属性 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象从图5-3的热敏电阻当中可以看到，一个对象包含一些属性，什么是属性？属性是用

24、来说明对象属性是用来说明对象！在图5-3中，前3个属性：对象标识符对象标识符、对象名称对象名称、对对象类型象类型是所有对象都必须的。具体说来：对象标识符：指明对象的类型是模拟输入和器件号 #1;对象名称：文本字符串，对象的名称；对象类型：指明对象的类型是模拟输入，模拟输入，它和对象标它和对象标识符结合起来确定该对象。识符结合起来确定该对象。表5.2 模拟输入对象的属性 对象的属性和服务的对象的属性和服务的第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象从以上的分析讨论中，基于面向对象

25、的方法：设备设备包含一个或者若干个对象对象；对象包含若干个属性；属性用来描述说明对象。那么涉及到对象和对象之间（那么涉及到对象和对象之间（当然也是不同的设备之当然也是不同的设备之间的关系，例如把一个设备的一些属性传给另一个设间的关系，例如把一个设备的一些属性传给另一个设备，或者一个设备发出一个控制指令给另一个设备备，或者一个设备发出一个控制指令给另一个设备）的关系或者操作用什么的关系或者操作用什么手段手段来实现？来实现？这种手段是这种手段是对象的方法，对象的方法，也称为也称为服服务（务（Service）！）！对象的属性是对象的属性是“静态静态”的概念；的概念；而对象的服务时而对象的服务时“动态

26、动态”的概念！的概念！对象的服务对象的服务第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象 服务就是一个服务就是一个BACnet设备可以用来向其他设备可以用来向其他BACnet设备请求获得信息，命令其他设备执行某种操作或者设备请求获得信息，命令其他设备执行某种操作或者通知其他设备有事情发生的方法。通知其他设备有事情发生的方法。 在BACnet设备中要运行一个“应用程序”，负责发出服务请求和处理收到得服务请求。这个应用程序这个应用程序实际上就是一个执行设备操作的软件。实际上就是一个执行

27、设备操作的软件。收服务请求和进行服务应答收服务请求和进行服务应答 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象图5.4 BACnet设备接收服务请求和进行服务应答的示意图 服务回答数据是服务请求读属性网络BACnet 设备应用程序对象对象对象请求应答请求应答BACnetBACnet服务的分类服务的分类P143-145P143-145第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象

28、的服务对象BACnet定义了35个服务，分为6个类别：1、报警与事件服务：来处理BACnet设备监测条件变化；2、文件访问服务：提供读写文件的方法；3、对象访问服务：读出、修改和写入属性的值；4、远程设备管理服务：提供对BACnet设备进行维护和设备监测的工具；5、虚拟终端的服务：提供实现面向字符的数据双向交换的机制；6、安全性服务：提供实体验证、数据加密等功能。从另一个角度，从另一个角度，BACnet的服务分为确认和不确认服务两类，的服务分为确认和不确认服务两类，前者有一个带数据的服务应答。前者有一个带数据的服务应答。远程设备管理服务远程设备管理服务 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2

29、 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 5.2.1 BACnet5.2.1 BACnet的服务对象的服务对象5.2.2 BACnet5.2.2 BACnet的体系结构的体系结构 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 BACnet的层次 对应于OSI的层次 BACnet应用层 应用层 BACnet网络层 网络层 IEEE802.2 MS/TP PTP 数据链路层 Ethernet Arcnet LonTalk EIA485 EIA232 物理层 图5-5 BACnet的OSI模型 BACnet作为一种开放性协议，它仍然采用OSI模

30、型的“分层”通信体系结构。BACnet标准协议体系结构为一个包含4个层次的分层体系结构，这四个层次相对于OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如图5-5所示。 5.2.3 BACnet5.2.3 BACnet的物理层和数据链路层协议的物理层和数据链路层协议 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.2 BACnet5.2 BACnet网络协议网络协议 BACnet标准目前的五种类型的数据五种类型的数据链路链路/ /物理层技术规范物理层技术规范：(1) ISO 8802-3类型1定义的逻辑链路控制（LLC）协议，加上ISO 8802-3介质访问控制（MAC）协议。(2) ISO 8802

31、-2类型1定义的逻辑链路控制（LLC）协议，加上ARCNET（ATA/ANSI 878.1）。(3)主从/令牌传递（MS/TP）协议加上EIA-485协议。(4)点对点（PTP）协议加上 EIA-232协议。(5) LonTalk协议。拓扑结构上，支持星型和总线型拓扑物理介质上，支持双绞线、同轴电缆、光缆。LonTalk是与前面四种技术规范不同的协议，前面四种是国际规范，而而LonTalkLonTalk是是EchelonEchelon公司的现场总线公司的现场总线LonworksLonworks的的协议，而协议，而LonworksLonworks在楼宇自动化方面都较大的市场份额在楼宇自动化方面都

32、较大的市场份额。5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 IEC对现场总线(Fieldbus)一词的定义为：现场总线现场总线是一种是一种应用于生产现场应用于生产现场，在现场设备之间在现场设备之间、现场设现场设备与控制装置之间备与控制装置之间实行实行双向双向、串行串行、多节点数字通多节点数字通信信的技术的技术。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。 5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现

33、场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 现场总线技术将专用微处理器微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算数字计算和数字通信数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统网络系统，并按公开、规范的通信协通信协议议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现现场仪表与远程监控计算机之间场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络网络节点节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可

34、以相互沟通以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。什么是现场总线什么是现场总线 5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系

35、统成为“信息孤岛”。 要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成底层网络底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。现场总线的发展背景现场总线的发展背景5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 工业领域现场自动化的发展过程：（1） 50年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备

36、简单测控功能的基地式气动仪表基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即各测控点只能成为封闭状态；（2）随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表单元组合式仪表，出现了集中控制室。注：以上两个阶段都属于纯粹的模拟信号处理的阶段注：以上两个阶段都属于纯粹的模拟信号处理的阶段!现场控制系统的发展过程之一现场控制系统的发展过程之一5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 （3）由于模拟信号（如002

37、01MPa的气压信号，010mA、420mA的直流电流信号，l5V直流电压信号等）的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制（直接数字控制（Direct Digital Control）即）即DDC;由于当时的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式数字控制系统集中式数字控制系统现场控制系统的发展过程之二现场控制系统的发展过程之二5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络

38、5.35.3现场总线现场总线 （4）随着计算机可靠性的提高，价格的下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统集散控制系统。即如今被许多企业采用的DCS系统系统。 DCS系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。 但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在

39、很多困难。 现场控制系统的发展过程之三现场控制系统的发展过程之三5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 （5）新型的现场总线控制系统现场总线控制系统则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化公开化、标准化标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把DCS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，依靠把控制功能彻底下放到现场，依

40、靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总线的发展过程之四现场总线的发展过程之四5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 各阶段测控仪表能力指数示意图各阶段测控仪表能力指数示意图5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于仪表的一是得益于仪表的微机化微机化，二是得益于设备的通信功能二是得益于设备的通信功能。 （1）把微处理器置入现场自控设备、使设备具

41、有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。 （2 在现场总线的环境下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的真正分散在现场的完整的控制系统控制系统，提高控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制异地远程自动控制，如操作远处的电气开关等。还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态对现场总线的理解之一对现场总线的理解之一5.3.1 5.3.1 现场总

42、线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络低带宽的底层控制网络。它可与因特网(Internet)、企业内部网(Intranet)相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网Intranet。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 由于现场总线所肩负的是测量控制的特殊任务，因而它具有自己的特点。它要求信息传输的实时性强，可靠性高它要求信息传输的实时性强，可靠性高，且多为短帧传送短帧传送，传输速率一般在几传输速率一般在几kbps至至1

43、0Mbps之间。 现场总线网络集成自动化系统应该是开放的。可以由不同设备制造商提供的遵从相同通信协议的各种测量控制设备共同组成。 对现场总线的理解之二：对现场总线的理解之二：底层的控制网络底层的控制网络5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 这些以微处理器芯片为基础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一，严重束缚了工厂底层网络的发展。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。 1984年，美国仪表协会(ISA)下属的标准与

44、实施工作组中的ISASP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线(Process Fieldbus)标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。 现场总线的发展现场总线的发展5.3.1 5.3.1 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP(Interop

45、erable System Protocol)组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。 1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了World FIP(Factory Instrumentation Protocol)组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。 但总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。现场总线的发展现场总线的发展5.3.1 5.3.1

46、 现场总线基本概念现场总线基本概念 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立了基金会现场总线 (Foundation Fieldbus，简标FF)，推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统相通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国Bosch公司推出CAN总线(contr

47、ol area network)，美国Echelon公司推出的Lon Works等。 众多行业需求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益，预计在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。现场总线的发展现场总线的发展5.3.2 LonWorks5.3.2 LonWorks总线总线 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 Lonworks 总线技术由美国Echelon 公司开发,是适合楼宇自动化系统的局域网络。采用LonTalk 通信协议,提供OSI模型定义的7 层服务,协议采用短帧报文,可靠性高,实时性好。 晶体振荡器电源存

48、储器I/O电路及A/D、D/ALonworks收发器传感器/执行器网络介质(双绞线等)Neuron图5-6 Lonworks基本控制节点原理图 5.3.2 LonWorks5.3.2 LonWorks总线总线 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。 集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理； 第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时

49、、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。 第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 LonTalkLonTalk协议的特点协议的特点第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 5.3.2 LonWorks5.3.2 LonWorks总线总线 LonTalk协议遵循ISO定义的开放系统互联OSI模型，并提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务：（1）Lontalk协议支持包括双绞线、电力线、无线、红协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质外线、

50、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质；（2） Lontalk协议可以运行在任何主处理器上协议可以运行在任何主处理器上，主处理器（微处理器、计算机）管理Lontalk协议的第六层和第七层并使用Lontalk协议管理第一层到第五层；（3） Lontalk协议使用网络变量与其它节点通信；（4） Lontalk协议支持总线型、星形、自由拓扑等多种拓扑结构型，方便了网络的构建。最大通信速率可以达最大通信速率可以达到到1.252Mbps（有效距离（有效距离1300m），支持非屏蔽双绞线），支持非屏蔽双绞线UTP的通信距离达到的通信距离达到2700m（通信速率达到（通信速率达到728.125kps）LonTal

51、kLonTalk协议协议 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 图5-7 Lonworks连接图 5.3.2 LonWorks5.3.2 LonWorks总线总线对对LonworksLonworks的讨论的讨论 第5章 智能化建筑内控制信号网络 5.35.3现场总线现场总线 Echelon公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术，1000多家公司已经推出了LonWorks产品，并进一步组织起LonMARK互操作协会，开发推广Lonworks技术与产品。 它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。 5.3.2 LonWorks5.3.2 LonWorks总线总线BACnetBACnet与与LonworksLonwo