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文檔簡介
1、1,第三章 現(xiàn)場總線技術及其應用,2,現(xiàn)場總線技術(fieldbus)是80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通信網(wǎng)絡,它是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通信為主要內(nèi)容的綜合技術,己受到世界范圍的關注而成為自動化技術發(fā)展的熱點,并將導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設備的深刻變革。 通常將用于樓宇自動化領域的現(xiàn)場總線,如LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、Modbus等總線,稱之為建筑電氣總線。,3.1 概述,3,3.1.1 現(xiàn)場總線的演變過程,20世紀70年代以前,控制系統(tǒng)中
2、多采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉(zhuǎn)換、傳遞。由于其精度差、受干擾信號影響大,因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。 70年代末,隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),微處理器技術得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng),控制效果得到提高,但是盡管如此,還是屬于集中式控制系統(tǒng)。,4,20世紀80年代初期,計算機和微處理器有了突破性的發(fā)展,產(chǎn)生了直接數(shù)字技術(Direct Digital Control,DDC)技術。隨后在計算機網(wǎng)絡技術的帶動下,產(chǎn)生了各種以DDC技術為基礎的集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)。 隨著控制
3、技術、計算機網(wǎng)絡技術和通信技術的成熟和發(fā)展,數(shù)字化作為一種趨勢正在從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場設備。從而形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus control system)。,5,3.1.2 現(xiàn)場總線技術的技術特點,1. 現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡 2. 現(xiàn)場總線是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡 3. 現(xiàn)場總線是數(shù)字通信網(wǎng)絡 4. 現(xiàn)場總線是現(xiàn)場設備互連網(wǎng)絡 5. 現(xiàn)場設備的互操作性與互用性 6. 現(xiàn)場總線是結(jié)構(gòu)和功能高度分散的系統(tǒng) 7. 對現(xiàn)場環(huán)境的適應性,6,3.1.3 現(xiàn)場總線技術的優(yōu)點,現(xiàn)場總線具有的數(shù)字化、開放性、分散性、互操作性和互
4、換性及對現(xiàn)場設備環(huán)境的適應性等特點決定和派生了其一系列優(yōu)點: 1.節(jié)省硬件數(shù)量與投資 2.節(jié)省安裝費用 3.節(jié)省維護開銷,7,4系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠程監(jiān)控功能和強大的(遠程)故障診斷功能 5用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權 6現(xiàn)場設備更換和系統(tǒng)擴展更為方便 7提高系統(tǒng)的準確性與可靠性 8易于系統(tǒng)調(diào)整 9為企業(yè)信息系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了重要條件,8,3.1.4 現(xiàn)場總線技術的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),現(xiàn)場總線是控制(Control)技術、計算機(Computer)與通信(Communication)(即3C技術)發(fā)展匯聚的結(jié)果。 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有點對點方式、樹型方式、帶橋方式3種。 其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。,9,圖3-
5、1 現(xiàn)場總線的幾種連接方式,10,1. 點對點方式 每個現(xiàn)場儀表,包括智能變送器、支持維護的裝置及手持通信器等,單獨接到低速(31.25kbps)現(xiàn)場總線H1上,用于現(xiàn)場儀表比較分散或傳輸信息量大的場合,接法與420mA接線方式相似。 2. 樹形方式 幾個現(xiàn)場儀表,一般按地理區(qū)域進行集中,接到一根“局部運行” 的現(xiàn)場總線上,然后再引到控制室中去。 3. 帶橋方式 接到低速總線H1上的現(xiàn)場設備,通過“橋”和多路轉(zhuǎn)換器合并接到高速總線H2上,然后再接到控制室中去。,11,3.1.5 現(xiàn)場總線的通信模型,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡互連模型既參照ISOOSI模型(如圖3-2所示),又具有自己的特點。協(xié)議是分層的,但
6、層次之間的調(diào)用關系不一定象OSI那樣嚴格,層次也可簡化,以提高協(xié)議的工作效率;既要遵循OSI模型體系結(jié)構(gòu)原則,又要考慮FCS的特點,滿足FCS的特殊要求;在現(xiàn)場總線參數(shù)模型中,既遵循開放系統(tǒng)集成的原則,又充分體現(xiàn)FCS的特點和特殊要求。,12,圖3.3 典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型,圖3.2 ISO/OSI模型,13,典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型(見圖3-3)采用OSI模型中的三個典型層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層,在省去36層后,考慮到現(xiàn)場總線的通訊特點,設置一個現(xiàn)場總線訪問子層。它具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點,也滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的性能要求。與OSI參考模型的相應層次相比,現(xiàn)場總線標準的物
7、理層、數(shù)據(jù)鏈路層與其有相同的含義。從總線訪問子層看,現(xiàn)場總線有很大特色。,14,1. 物理層 該層規(guī)定了現(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì)、傳輸速率、每條線路可接儀表數(shù)量、最大傳輸距離、電源、連接方式及信號類型等。 2. 數(shù)據(jù)鏈路層 該層規(guī)定了物理層和應用層間的接口,其中包括:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、傳輸差錯控制、多主站使用的規(guī)范化等。該層將通過幀數(shù)據(jù)檢驗保證信息傳輸?shù)恼_性及完整性。,15,3. 總線訪問子層 該層定義了過程控制的基本內(nèi)容。其中,包括現(xiàn)場總線內(nèi)部信息的存取方法及信息在網(wǎng)內(nèi)同一節(jié)點或不同節(jié)點的其它設備間的傳送方法?,F(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的基礎是功能塊,由各功能塊完成數(shù)據(jù)采集、控制或輸出。每個功能塊都包含一個算法功能和
8、運算中所需的數(shù)據(jù)庫以及由用戶定義的該功能塊的唯一標識符。 4. 應用層 它向用戶提供了一個簡單的接口,其中定義了讀、寫、解釋或執(zhí)行一個信息或一條命令的方法。其中很大部分是定義信息的語法。此外,應用層還定義了信息傳輸?shù)姆绞?,如:周期式、立即響應式、一次性方式及使用者請求方式等?16,現(xiàn)場總線的通信模型具有結(jié)構(gòu)簡單、 執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點,也滿足 工業(yè)現(xiàn)場應用的性能要求。,17,3.2 建筑電氣總線技術,自80年代以來,有幾種類型的現(xiàn)場總線技術 已經(jīng)發(fā)展成熟并且在一些特定的應用領域顯示了 其自身的優(yōu)勢。這些現(xiàn)場總線具有各自的特點, 有的已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列,占有相當大 的市場分額,
9、顯示了較強的生命力。對現(xiàn)場總線 技術的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會繼續(xù)發(fā)揮較大的作 用。 以下就是目前幾種主要的建筑電氣總線。,18,3.2.1 LonWorks總線,LonWorks是局域操作網(wǎng)絡(Local Operating Network)的簡稱, 是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術。它由美國埃斯郎(Echelon)公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導,于1990年正式公布而形成的。 它采用了ISOOSI模型的全部7層通訊協(xié)議,采用面向?qū)ο蟮脑O計方法,通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置,其通訊速率從 300bps至 15M bps不等,最遠通信距離可達2700m(通信速率為78kbps
10、,雙絞線),節(jié)點總數(shù)可達32000個。,19,支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì),并開發(fā)了相應的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品,被譽為通用控制網(wǎng)絡。 LonWorks技術自1991年推出后,發(fā)展很快,到1996年已有2600家生產(chǎn)商,使用并且安裝了200多萬個節(jié)點,遠遠超過了任何其他測控現(xiàn)場總線,其應用范圍包括工業(yè)控制,樓宇自動化,航空/航天等,幾乎囊括了測控應用的所有范疇,在其銷售額中,40%是工業(yè)控制,30%是樓宇自動化 。,20,3.2.2 EIB總線,1990年,以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、JUNG等共七家歐洲著名的電氣產(chǎn)品制造商為核心組成聯(lián)盟,制定
11、了EIB技術標準并成立了中立的非商業(yè)性組織EIBA(EIB Associate,歐洲安裝總線協(xié)會),總部設在比利時的布魯塞爾。 該協(xié)會的成立極大的推動了EIB標準的發(fā)展,迄今為止,已有一百多家制造商成為了EIBA的會員,按照開放的EIB標準生產(chǎn)能夠相互兼容和交互操作的各種元器件,各類產(chǎn)品品種多達4000多種,幾乎覆蓋了建筑中各個行業(yè)和各種用途的需要。,21,EIB和其它現(xiàn)場總線協(xié)議一樣,采用的是串行異步的傳輸方式,為了提高可靠性和達到最大傳輸速率,EIB應用了CSMA/CA(具有避免沖突的載波偵聽多路訪問),通過這種總線訪問技術,使得在多個總線元件同時發(fā)送信號時就不會發(fā)生信號丟失現(xiàn)象,而且EI
12、B有自己的優(yōu)先權定義以保證信號按照一定的次序先后傳送。 EIB總線目前可支持雙絞線(Twist Pair)、電力線(Power Line)、無線電(Radio)和紅外線(Infrared )四種傳輸介質(zhì)。 目前在中國市場上提供的主要以雙絞線系統(tǒng)為主。,22,經(jīng)過對這些年EIB在中國的應用情況的分析,可以看出它主要適用于: 住房建筑尤其是獨立型住宅如別墅等 公用建筑中的部分單體建筑如報告廳、會議室、大堂等 大空間的單體建筑如影劇院、體育場館等 大范圍公共區(qū)域的電氣控制如住宅小區(qū)、廣場等 橋梁、道路等遠距離照明控制,23,3.2.3 CAN總線,CAN是控制器局域網(wǎng)絡(Control Area N
13、etwork)的簡稱,它最早是由德國的Bosch公司及幾個半導體生產(chǎn)商開發(fā)出來的,起初它是為汽車的檢測和控制而設計的,后來逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)部門,值得指出的是,CAN是目前唯一被批準為國際標準的現(xiàn)場總線,得到了Motorola、Intel、Philip、NEC等公司的支持,并廣泛應用在離散控制領域。,24,1.CAN總線網(wǎng)絡的主要特點, CAN協(xié)議遵循 ISO/OSI模型,采用了其中的物理層,鏈路層與應用層的三層結(jié)構(gòu)。 CAN的最高通信速率為1Mb/s(通信距離為40m),其最遠通信距離可達10km(通信速率為5kbps),最多可掛接設備數(shù)達110個。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,光纖等。 CAN
14、的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個,這樣傳輸時間短,受干擾的概率低,每幀信息均有CRC效驗和其他檢錯措施,通信誤碼率極低。,25, CAN采用點對點,一點對多點及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方式,可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng),且無主從之分。 CAN總線可以工作在多主方式,網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可以在任意時刻向其他節(jié)點發(fā)送信息,從不分主從,通信方式靈活。 CAN采用非破壞性的總線仲裁技術。 CAN不能支持防爆區(qū)。,26,2. CAN總線的控制方式,CAN自誕生以來,以其獨特的設計思想,良好的功能特性和極高的可靠性越來越受到工業(yè)界的青睞。 CAN總線作為一種建筑電氣總線在智能樓宇中的控制方式見圖3-
15、4。,27,圖3-4 CAN總線控制方式,28,3.2.4 BACNET總線,BACnet是A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的簡稱,是一種為樓宇自控網(wǎng)絡制定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。 1987年,美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會組織(ASHARE)的標準項目委員會調(diào)集了全球20多位業(yè)內(nèi)著名專家,經(jīng)過8年半時間,在1995年6月,ASHARE正式通過全球首個樓宇自控行業(yè)通訊標準BACnet 。 BACnet標準的目的是為計算機控制暖通空調(diào)和制冷系統(tǒng)及其他系統(tǒng)規(guī)定通信服務和協(xié)議,從而使不同廠家的產(chǎn)品可以在
16、同一個系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)工作。,29,BACnet是一個開放的建筑電器氣總線,選用一種成熟的局域網(wǎng)技術,其標準是遵從和參照國際標準化組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型,采用了4層結(jié)構(gòu):應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 BACnet標準體系結(jié)構(gòu)與OSI/ISO的參照圖,如圖3-5所示。,30,圖3-5 BACnet體系結(jié)構(gòu)與OSI/ISO的參照圖,31,1. BACnet的基本內(nèi)容,樓宇設備的表示模型對象 用來表示樓宇設備(如輸入/輸出,控制環(huán)等)和與控制過程有關的邏輯實體(如數(shù)據(jù)文件、應用程序等)。 訪問對象的操作服務 分為“確認服務(Confirmed Service)”和“非確認服務(Unconfirme
17、d Service)” 兩類。,32,傳輸互操作語義的通信系統(tǒng)局域網(wǎng) 用來傳輸BACnet服務數(shù)據(jù)單元。 BACnet標準根據(jù)性能價格比定義了4種局域網(wǎng)和1個遠程連接技術: ISO 8802-3(以太網(wǎng)),ARCNET,MS/TP,LonTalk和PTP。 BACnet標準對應的這4種局域網(wǎng)接口見表3-1。,33,BACnet標準的局域網(wǎng)(LAN)接口 表3-1,34,報文的語法與結(jié)構(gòu)編碼 其作用是將信息表示成無二義性的二進制數(shù)碼“1”和“0”位串,以便在網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)上傳輸 。 協(xié)議的驗證和測試 一致性說明(Protocol Implementation Conformance Stateme
18、nt,PICS) 其作用是描述實現(xiàn)BACnet標準的設備具有哪些BACnet特性和功能的文檔。,35,2. BACnet協(xié)議與常用的網(wǎng)絡協(xié)議(如Ethernet和TCP/IP)的區(qū)別,BACnet協(xié)議側(cè)重與監(jiān)控設備之間的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 Ethernet和TCP/IP則強調(diào)網(wǎng)絡設備間的數(shù)據(jù)傳輸,而且Ethernet和TCP/IP可以在BACnet設備之間傳送BACnet信息。 在信息管理方面、在上層網(wǎng)之間的互連采用BACnet標準是最佳的方案。,36,3. BACnet的優(yōu)勢, 獨立于任何制造商,也不需要專用芯片,并得到眾多制造商的支持。 有完善和良好的數(shù)據(jù)表示和交換方法。 按BACnet標準制
19、造成的產(chǎn)品有嚴格的一致性等級。 產(chǎn)品有良好的互操作性,有利于系統(tǒng)的擴展和集成 。,37,*3.2.5 DeviceNet總線,DeviceNet是由Allen-Bradley公司(Rockwell自動化)開發(fā)的一種基于CAN的開放的現(xiàn)場總線標準。 DeviceNet是一個開放性的協(xié)議,每個 ODVA成員都有資格發(fā)行基于 DeviceNet標準開發(fā)的后續(xù)產(chǎn)品。 DeviceNet總線標準和CANopen協(xié)議相比較, 可知兩種協(xié)議可以實現(xiàn)相類似的功能,但是DeviceNet卻更強調(diào)不同的優(yōu)先權。,38,DeviceNet總線的特點, 采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約,使用CAN規(guī)約芯片,得到國際上
20、主要芯片制造商的支持。 每個DeviceNet最多可連接64個節(jié)點,每個節(jié)點可以支持無限多的I/O。主干線/分支線結(jié)構(gòu)。 使用短幀傳送,可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率為125kbps、250kbps及500kbps。 適用于點對點、多主或主/從等各種通信方式。 帶電更換網(wǎng)絡節(jié)點,在線修改網(wǎng)絡配置。當一個節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時具有自動關閉輸出的功能,以免影響總線上其他節(jié)點。 一種低成本、高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。,39, 用無破壞性的總線優(yōu)先權仲裁技術,實現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息。 基于生產(chǎn)者/客戶網(wǎng)絡模式,這是最現(xiàn)代化的網(wǎng)絡技術。 支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送。 電源結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性,以滿足各類應用
21、的需要以及大電流容量(每個電源最大容量可達到16A)。 適用于連接低端工業(yè)設備,又能連接像變頻器、人機終端這樣的智能設備。 具有通信錯誤分級檢測機制,通信故障的自動判別和恢復功能。,40,*3.2.6 Modbus總線,Modbus是Modicon公司為該公司生產(chǎn)的PLC設計的一種通信協(xié)議,從其功能上看,可以認為是一種現(xiàn)場總線。 Modbus通過24種總線命令實現(xiàn)PLC與外界的信息交換,具有Modbus接口的PLC可以很方便的進行組態(tài)。 Modbus傳輸協(xié)議定義了控制器可以識別和使用的信息結(jié)構(gòu),而不需考慮通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。 Modbus有兩種傳送方式 (1)RTU(Remote Termin
22、al Unit)方式 (2)ASCII方式,41,Modbus的RTU消息幀格式(見表3-2) 它沒有起始位,也沒有停止位,而是以至少3.5個字符間隔時間(T1-T2-T3-T4)標志開始和結(jié)束的,信息幀由地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC效驗域構(gòu)成,所有字符由16進制組成。,RTU消息幀格式 表3-2,42,控制器與PLC之間通信,通信內(nèi)容包括主站對從站的讀取和寫入 ,其數(shù)據(jù)通信的一般格式如圖3-6所示。 Modbus規(guī)定,只有主站具有主動權,從站只能被動的響應,包括回答出錯信息 。,圖3-6 Modbus通信格式,43,3.3 現(xiàn)場總線技術在智能建筑中的應用,智能大廈包括通訊自動化系統(tǒng)、辦公自
23、動化系統(tǒng)和樓宇管理自動化系統(tǒng)、它的發(fā)展歷程,是伴隨著現(xiàn)代計算機技術、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代通訊技術和現(xiàn)代圖形顯示技術的進步,從簡單監(jiān)控發(fā)展到全面營管理的過程。,44,早期的超高層大樓一般設備非常多,諸如空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、停車場系統(tǒng)等、各種專業(yè)系統(tǒng)同時共存,僅靠中央監(jiān)控室操作和控制這些系統(tǒng),不僅滿足不了可靠性要求,而且難以實現(xiàn)。 20世紀80年代開始,微電腦技術的崛起,再加上信號傳送技術的進步,基本上實現(xiàn)了所有設備都可以顯示于大樓內(nèi)的中央監(jiān)控室,并且較容易地進行操作和管理,從而提高了效率,形成了智能大廈的雛形。,45,隨著計算機及網(wǎng)絡技術的發(fā)展,出現(xiàn)了計算機集散式
24、控制系統(tǒng)(Distribute Control System)DCS。 這種集中管理與分散控制相結(jié)合的控制方式能夠適應智能建筑“實時檢測與控制的設備品種多且分散”的特點,而且可靠性、經(jīng)濟性、可擴展性等均比較強,基于這種系統(tǒng),智能大廈得到了空前發(fā)展,國內(nèi)外的智能大廈幾乎無一例外地采用了DCS系統(tǒng)。,46,由于DCS系統(tǒng)整體上采用分級控制,主站工作量仍較大,中央管理計算機擔負著整個建筑的能量控制與管理、防火與保安的監(jiān)控及環(huán)境的控制與管理等關鍵任務,24小時不間斷工作,不能失效,所以必須采用雙機冗余等措施提高主機可靠性、加之多級網(wǎng)絡協(xié)議不統(tǒng)一,DCS的開放性和互操作性也較差。 鑒于DCS結(jié)構(gòu)存在的固
25、有缺陷,隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制。,47,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點: 一方面突破了DCS系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡的局限,采用基于公開化、標準化的解決方案,克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷。 另一方面又把DCS系統(tǒng)集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。 將現(xiàn)場總線技術應用于智能建筑,不僅提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性,使用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權,而且其設備標準化,功能模塊化,因而設計簡單,易于重構(gòu),并可節(jié)省硬件數(shù)量與投資、節(jié)省安裝費用及維護開銷,現(xiàn)場總線技術目前已廣泛應用于智能建筑,必將取代傳統(tǒng)的集散式控制系。,48,3.4 LonWorks技術及其應用
26、,在目前國際上40多種現(xiàn)場總線技術中,最適合構(gòu)成智能大廈的應是Lonworks技術。 Lonworks現(xiàn)場總線以其獨特的特點已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡功能最為強大,市場效率最高的總線。,49,3.4.1 LonWorks總線技術概述,LonWorks(Local Operating Network)是全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡,它使用了具有分布控制與通信聯(lián)網(wǎng)功能的大規(guī)模集成的神經(jīng)芯片(neuron chips),構(gòu)成各個智能監(jiān)控節(jié)點(node),通過網(wǎng)絡收發(fā)器(Tran Receiver)及網(wǎng)絡通信媒體將各種節(jié)點構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(簡稱LON網(wǎng))。,50,1LonWorks網(wǎng)絡的技木
27、特點, 智能節(jié)點作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制器 多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu):總線形、星形、環(huán)形、自由形。 多種網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu):主從式、對等式及 Client Server式。 多種傳輸媒體:雙絞線、動力電源線、無線、光纖、紅外、電話線等。 介質(zhì)訪問方法:帶預測P堅持CSMA(Carrier Sense Multiple Access,載波監(jiān)聽多路訪問)。 網(wǎng)絡通信協(xié)議:基于IS0/OSI七層參考模型的網(wǎng)絡通信協(xié)議LonTalk通信協(xié)議,系統(tǒng)開放。 同異型網(wǎng)絡的互連方便。,51,LonWorks的通訊介質(zhì)訪問控制方式,當某一節(jié)點有信息要發(fā)送而試圖占用通道時,首先在一個固定的周期Beta l檢測通道是否處于網(wǎng)絡空閑。
28、為了支持優(yōu)先級,還要增加優(yōu)先級時間片,優(yōu)先級越高的所加的時間片就越少。隨后再根據(jù)網(wǎng)絡積壓參數(shù)BL產(chǎn)生一個隨機等待時間片w,按理拾到w之間的隨機數(shù)W=BL*16。當延時結(jié)束時,網(wǎng)絡仍空閑,節(jié)點以概率p=1/w發(fā)送報(如圖3-7)。,圖3-7 LonWorks的優(yōu)先級帶預測P堅持CSMA概念示意圖,52,2LonWorks網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)模型,LonWorks采用開放式ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議結(jié)構(gòu),具備了局域網(wǎng)的基本功能,與異型網(wǎng)的兼容性比任何現(xiàn)存的現(xiàn)場總線都好,被譽為通用控制網(wǎng)絡,它還提供了與LAN的接口,從而實現(xiàn)了二者的有機結(jié)合。 其各層功能如圖3-8所示。,53,圖3-8 LonWor
29、ks分層模型,54,(1)LonWorks節(jié)點 一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點主要包括以下幾部分功能模塊:應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。 LonWorks智能節(jié)點主要分兩種類型:以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點和采用MIP(Modular Information Processor)結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點 。 LonWorks節(jié)點軟件用Neuron C語言編寫,開發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡節(jié)點的Agent軟件體,使其具有自主性、協(xié)作性、和適應性的特點。,3LonWorks網(wǎng)絡的技術組成,55,圖3-9 神經(jīng)元節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖,圖3-9為一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點。,56,(2)神經(jīng)元芯片,LonWo
30、rks技術的核心是神經(jīng)元芯片,它包括一套完整的通信協(xié)議,即LonTalk協(xié)議。 神經(jīng)元芯片是由流水線作業(yè)的3個CPU組成,完全相同的3個8bit CPU各有分工,CPU-1負責通訊媒體訪問控制(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層),CPU-2負責網(wǎng)絡(網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層),CPU-3負責與用戶進程相接口的應用層。 神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-10所示,57,圖3-10 神經(jīng)元芯片的結(jié)構(gòu)框圖,58,幾種常見的神經(jīng)元芯片比較如表3-3所示:,表3-3 幾種常見的神經(jīng)元芯片比較,59,(3)LonWorks路由器,路由器是LonWorks技術的重要組成部分,也是其它現(xiàn)場總線所不具備的。 它使LonWor
31、ks總線突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制,使其通信不受通信介質(zhì)、通信距離和通信速率的限制。 LonWorks路由器包括中繼器、橋接器等。 采用RTR-10路由器核心模塊構(gòu)成的路由器框圖如圖3-11所示。,60,圖3-11 路由器框圖,61,(4)LonWorks 通信協(xié)議,LonWorks技術采用LonTalk通信協(xié)議,該協(xié)議為七層協(xié)議,通過網(wǎng)絡變量直接面向?qū)ο笸ㄐ?。該協(xié)議具有以下特點: 發(fā)送的報文都是很短的數(shù)據(jù),一般是幾個字節(jié)到幾十個字節(jié); 通信帶寬不高,一般從幾kb/s到20Mb/s; 網(wǎng)絡上各節(jié)點往往是低成本、低維護的單片機; 多節(jié)點; 多介質(zhì); 可靠性高; 實時性高。,62,LonTalk協(xié)議
32、的網(wǎng)絡地址采用三層結(jié)構(gòu),即:域(Domain)、子網(wǎng)(Subnet)和節(jié)點(Node)。 域:為第一層結(jié)構(gòu),它保證在不同域中通信的彼此獨立性。 子網(wǎng):為網(wǎng)絡地址結(jié)構(gòu)的第二層,每一個域最多有255個子網(wǎng),一個子網(wǎng)可以是一個或多個通道的邏輯分組。 節(jié)點:為網(wǎng)絡地址的第三層,每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。 所以一個域最多可以有255127=32385個節(jié)點。,63,(5)LonWorks 收發(fā)器,LonWorks技術的一個重要特征是它支持多種介質(zhì)通信。根據(jù)通信介質(zhì)的不同,LonWorks技術可分為以下多種總線收發(fā)器: 雙絞線收發(fā)器 雙絞線是使用最為廣泛的一種介質(zhì),用于雙絞線介質(zhì)的收發(fā)器主要以下三種
33、:,64,直接驅(qū)動收發(fā)器 直接驅(qū)動是使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)器,同時加入電阻和瞬態(tài)抑制器作為電流限制和ESD保護 。 這種方式適合于網(wǎng)絡上的所有節(jié)點在同一個大設備中使用同一個電源。 EIA-485收發(fā)器 EIA-485接口是現(xiàn)場總線中常用的電氣接口,LonWorks同樣也支持該電氣接口。使用EIA-485共模電壓比直接驅(qū)動要好,但不如變壓器耦合驅(qū)動。 變壓器耦合驅(qū)動收發(fā)器 變壓器耦合驅(qū)動能滿足系統(tǒng)的高性能、高共模隔離要求,并具有噪聲隔離的作用 。目前相當多的網(wǎng)絡收發(fā)器采用變壓器耦合的方式。,65, 電源線收發(fā)器 電源線是指通信線和電源線纜共用一對雙絞線。使用電源線的意義在于所有節(jié)點通過
34、一個48V直流中央電源供電,這對于一些電力資源匱乏的地區(qū)具有非常重要的意義;同時采用通信線和電源線纜共用一對雙絞線可以節(jié)約一對雙絞線,也便于系統(tǒng)的安裝和維護。由于電源線收發(fā)器采用的是直流供電,可以和變壓器耦合的雙絞線直接連接。,66,電力線收發(fā)器 電力線接收器是將通信數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號或擴頻信號,然后通過耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上,甚至是沒有電力的雙絞線。這種方式減少了施工布線等建設費用,是一種將神經(jīng)元節(jié)點加入到電力線中簡單、有效的方法。 但該方法會遇到電力線通信的普遍問題電力線間歇性噪聲大等問題,因此需要采用一定的技術加以解決。,67, 其他收發(fā)器 除上述收發(fā)器外,LonWor
35、ks技術中還廣泛采用無線收發(fā)器、光纖收發(fā)器等,以滿足特殊情況需要。,68,(6)LonWorks開發(fā)工具,LonWorks技術包含了一系列開發(fā)工具,使節(jié)點開發(fā)和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)開發(fā)快速有效主要有節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder、節(jié)點和網(wǎng)絡安裝工具LonBuilder、網(wǎng)絡管理工具LonManage和LNS技術。 節(jié)點開發(fā)工具NodeBuilder NodeBuilder只能完成節(jié)點開發(fā)的功能,不具備網(wǎng)絡的功能,它只有一個在線仿真器。,69, 節(jié)點和網(wǎng)絡安裝工具LonBuilder NodeBuilder是LonWorks技術中最主要的一個開發(fā)工具,它包括以下幾部分: 節(jié)點開發(fā)器:用于Neuron C
36、語言編程開發(fā)和網(wǎng)絡通信仿真等。 網(wǎng)絡管理器:用于現(xiàn)場總線風格的邏輯地址分配與連接、子網(wǎng)和網(wǎng)絡通道定義、路由器安裝、優(yōu)先級設定等網(wǎng)絡安裝、維護工作。 協(xié)議分析器和報文統(tǒng)計器:用于截獲網(wǎng)絡上所有節(jié)點的通信報文,分析當前網(wǎng)絡報文流量等網(wǎng)絡狀態(tài)信息。,70, 網(wǎng)絡管理工具LonManage LonManage主要由一系列的軟件開發(fā)包和接口卡組成,包括:LonManageDDE、LonManage Profile、LonMaker和LonManage協(xié)議分析儀。 LNS(LonWorks Network Service) LNS是Echelon公司最新開發(fā)出來的LonWorks總線開發(fā)工具,它為用戶提供
37、了一個強大的客戶/服務器網(wǎng)絡構(gòu)架,是未來LonWorks總線的可互操作性基礎。,71,4網(wǎng)絡管理,LonWorks技術需要網(wǎng)絡管理工具實現(xiàn)其網(wǎng)絡安裝、網(wǎng)絡維護和網(wǎng)絡監(jiān)控等功能。 網(wǎng)絡安裝:主要用于網(wǎng)絡建設初期網(wǎng)絡地址的動態(tài)分配,通過網(wǎng)絡變量和顯示報表進行設備間的通信。 網(wǎng)絡維護:是指在系統(tǒng)運行過程中對設備增加或刪除的管理與實現(xiàn),通過數(shù)據(jù)庫修改網(wǎng)絡信息即可實現(xiàn)設備的增減,而不必修改網(wǎng)絡上的其他設備。 網(wǎng)絡監(jiān)控:為用戶提供了一個系統(tǒng)的檢測和控制服務,用戶可以在因特網(wǎng)上以遠程方式監(jiān)控整個系統(tǒng)。,72,3.4.2 LonWorks技術在智能建筑中的應用,目前LonWorks技術己經(jīng)被廣泛應用在智能大廈
38、、家庭自動化、保安系統(tǒng),辦公設備、運輸設備、工業(yè)過程控制等行業(yè),成為發(fā)展最快的現(xiàn)場總線之一,尤其在建筑領域,該技術已成為國際公認的標準。 由LonWorks技術構(gòu)成的樓宇自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-12 。,73,圖3-12 LonWorks技術構(gòu)成的樓宇自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),74,一種基于Lonworks的智能建筑的系統(tǒng)方案(圖3-13):,圖3-13 基于LonWorks的智能建筑的系統(tǒng)方案示例,75,上圖所示的是兩級Lonworks網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形式,一路是路由器,一路是智能節(jié)點,它將每一住戶設計為一個 Lonworks智能節(jié)點,由該智能節(jié)點對各住戶室內(nèi)進行實時監(jiān)控,完成安全防范系統(tǒng)的大部分功能。 Lon
39、works 總線技術規(guī)定:一個Lonworks網(wǎng)絡最多可以有255個子網(wǎng),而每個子網(wǎng)最多可以有127個節(jié)點。,76,在上述結(jié)構(gòu)中,每127個節(jié)點需要一個路由器以支持更多的節(jié)點。所以Lonworks網(wǎng)絡其節(jié)點數(shù)最多可以達到 255 127= 32385。 雖然該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,不失為一種較好的結(jié)構(gòu)形式,但也存在著一些缺點: (1)由于神經(jīng)元芯片的I/O口較少,要完成每一住戶所需的所有控制功能,還必須對神經(jīng)元芯片進行擴展,以增加其 I/O能力。 (2)智能節(jié)點的造價較高,相應使得整個智能社區(qū)的成本也較高。,77,基于LonWorks技術的數(shù)字化社區(qū)系統(tǒng)方案(圖3-14),圖3-14 基于LonWor
40、ks技術的數(shù)字化社區(qū)系統(tǒng)方案示例,78,該系統(tǒng)具有以下特點: 1.每一住戶室內(nèi)裝有一個用戶監(jiān)測器,負責整個住戶室內(nèi)安全狀態(tài)信息的監(jiān)測和傳送。 2.對每一幢居民樓使用一個智能通信節(jié)點,主要負責采集整幢居民樓中每一住戶室內(nèi)的報警信號數(shù)據(jù)以及水、電、氣三表的使用情況,并將這些數(shù)據(jù)通過LonWorks網(wǎng)絡上傳至中央監(jiān)控計算機。,79,3.整個系統(tǒng)還包括一個安裝在智能社區(qū)管理中心的中央監(jiān)控計算機,它主要用于負責對整個智能社區(qū)智能節(jié)點的組網(wǎng)、報警信息的實時顯示、報警歷史信息的查詢、三表數(shù)據(jù)的計量與統(tǒng)計以及社區(qū)住戶信息的管理等任務。 4.智能社區(qū)用戶數(shù)量最多可以達到323852568290560戶,擁有海量
41、用戶規(guī)模。,80,該系統(tǒng)的優(yōu)勢: 1.克服了分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)所存在的固有缺陷。 2.在網(wǎng)絡通信中以網(wǎng)絡變量的形式共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù),使得網(wǎng)絡上的智能節(jié)點之間的通信效率大大提高,從而提高了控制系統(tǒng)的實時性。 3.系統(tǒng)的可靠性高。 4.采用了現(xiàn)場總線技術,增強了系統(tǒng)的開放程度和互操作性,同時還進一步擴展了系統(tǒng)功能。,81,3.4.3 LonWorks智能樓宇自動化系統(tǒng)的設計和實施,現(xiàn)代智能建筑自動化系統(tǒng)是計算機、通信和自動控制技術有機結(jié)合的整體。一個智能建筑自動化系統(tǒng)往往包含成千上萬個現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器,這些傳感器、執(zhí)行器通過智能控制節(jié)點實施現(xiàn)場監(jiān)控。,82,1.樓宇自動化對控制系統(tǒng)的要求,樓宇自
42、動化對控制系統(tǒng)的要求包括從系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)可靠性、靈活性、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)集成、安裝維護、診斷等各個方面對系統(tǒng)提出的要求。 系統(tǒng)規(guī)模及子系統(tǒng)連接 樓宇自動化系統(tǒng)一般包括:暖通、空調(diào)、照明、給排水、供配電、電梯,以及保安門禁、火災報警等監(jiān)測控制。系統(tǒng)規(guī)模因大廈規(guī)模及其功能要求而異。,83, 系統(tǒng)可靠性 系統(tǒng)可靠性要求包括可靠傳送信息,控制回路的可靠連接,容錯能力及故障隔離和恢復。為了能可靠地傳輸信息,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡協(xié)議需能提供多種服務,包括無確認信息服務,確認服務和發(fā)送授權。 系統(tǒng)的靈活性 系統(tǒng)的靈活性主要是指系統(tǒng)擴充和修改是否方便,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡的要求是: 要有足夠的可擴展的編址空間,連接線纜的
43、距離容易延伸,節(jié)點連線容易,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)靈活,可支持多種通信媒體(甚至可采用無線連接),容易增減設備。,84,LonWorks的自由拓撲結(jié)構(gòu)、電源線和無線通信媒體使網(wǎng)絡擴展和修改非常方便,采用路由器、重發(fā)器,可以非常容易地延伸網(wǎng)絡連接線纜(或無線連接)的距離。 此外,網(wǎng)絡安裝維護工具在系統(tǒng)范圍內(nèi)可對節(jié)點數(shù)據(jù)庫進行更新,并對每個節(jié)點內(nèi)部非易失性存儲器中保存的節(jié)點信息、節(jié)點互連關系信息等進行更新,保證其一致性。,85, 系統(tǒng)性能 系統(tǒng)性能與許多因素有關,包括:最大數(shù)據(jù)速度:根據(jù)收發(fā)器、通信媒體和藕合電路的性能價格比,數(shù)據(jù)速率能在一定范圍內(nèi)進行選擇(從幾Kbps到超過1Mbps)對于大多數(shù)應用場合是
44、需要的。 系統(tǒng)集成 從系統(tǒng)集成的角度要求首先是協(xié)議的一致性,即不同廠商的設備要能夠在同一系統(tǒng)中協(xié)調(diào)運作(互操作)。還有就是應用層接口的一致性,即應用對象和配置參數(shù)均采用標準的應用層界面。此外要采用一體化的開發(fā)和安裝調(diào)試工具,即節(jié)點設計、節(jié)點互連、網(wǎng)絡分析均采用系統(tǒng)級的安裝調(diào)試工具來解決。,86, 系統(tǒng)安裝調(diào)試和診斷 系統(tǒng)安裝調(diào)試和診斷對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求包括:能支持各種通信媒體;實驗室安裝調(diào)試和現(xiàn)場安裝任務可以很靈活地分開;能方便靈活選擇安裝參數(shù);系統(tǒng)配置參數(shù)有標準的格式;很容易增加和減少設備;能進行遠程訪問等。,87,2.LonWorks智能樓宇自動化系統(tǒng)的設計和實施, 智能節(jié)點設計 一般說來
45、,使用LonWorks技術組成的自動控制網(wǎng)絡中,檢測、控制點可分為四類,即數(shù)字量(開關量)輸入/輸出,模擬量輸入/輸出。在節(jié)點設計時,可以根據(jù)應用要求和器件能力,選擇各種輸入輸出的優(yōu)化組合,形成系列產(chǎn)品。 現(xiàn)以VACOM威世達公司的VCN通用智能節(jié)點系列產(chǎn)品為基礎分別做一簡要說明。,88, 數(shù)字量(開關量)輸入節(jié)點 這類節(jié)點在設計過程中主要考慮:如何將各種各樣的數(shù)字量和開關量轉(zhuǎn)換成Neuron芯片能夠接收的信號,并且這類信號在輸入通道上要加光電隔離器,以提高節(jié)點運行的安全性和可靠性。 數(shù)字量輸出節(jié)點 在設計這類節(jié)點時,主要是要解決外部高電壓、大電流的提供問題。在電路中,同樣也需要進行光電隔離,
46、來提高節(jié)點的可靠性和安全性。,89, 模擬量輸入節(jié)點 主要用于采集網(wǎng)絡中的模擬信號。 由于模擬信號種類繁多,所以節(jié)點的設計應根據(jù)不同的應用場合及其需要選擇適當?shù)霓D(zhuǎn)換器來實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 注意:在模擬量輸入節(jié)點的前端應增加信號整理電路。 模擬量輸出節(jié)點 和模擬量輸入節(jié)點一樣。 注意:在實際的設計中還要增加輸出信號整理電路。,90,(2)智能樓宇自動化系統(tǒng)實施,建立控制邏輯 即定義監(jiān)控對象,確定監(jiān)控點,以及監(jiān)控對象與其他設備的通信方式。 選擇控制節(jié)點及其它設備 選擇節(jié)點主要考慮采用何種節(jié)點以適合應用要求。節(jié)點可分為兩大類:通用節(jié)點和專用節(jié)點。 通用節(jié)點:即可以通過使用Neuron C編程
47、監(jiān)測控制多個輸入/輸出點。 專用控制節(jié)點:即已經(jīng)定義為某種專用的輸入/輸出(如DI、DO、AI、AO)。,91, 通信類型 即采用何種通信媒體(雙絞線自由拓撲結(jié)構(gòu)、信道電源線、供電線、無線),要根據(jù)實際的需要和可能考慮。 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計 即確定每一個控制節(jié)點的位置,網(wǎng)絡中使用節(jié)點的數(shù)量,及路由器、網(wǎng)橋和重發(fā)器的數(shù)量,網(wǎng)絡的構(gòu)型,以及人機界面,是否采用主監(jiān)控PC等。 布線、安裝、調(diào)試,92,LonWorks技術體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡技術發(fā)展的最新趨勢。由于其技術的特點,以及它被工業(yè)界的廣泛接受,成為控制網(wǎng)絡的實際主流標準,使得基于LonWorks平臺開發(fā)真正一體化的智能建筑管理控制系統(tǒng),不但是現(xiàn)實可行的,
48、而且是具有廣闊前景的。,93,應用實例:,圖3-15為中山醫(yī)院腫瘤防治中心基于 Lonworks技術設計的BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖。,94,圖3-15 中山醫(yī)院腫瘤防治中心BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖,95,*3.4.4現(xiàn)場總線技術在科研課題中的應用實例,建筑智能化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡硬件及軟件開發(fā),96,本課題由國家建設部、湖南省科技廳和建設廳作為2000年科研項目立項;從1999年11月至2000年12月,通過不懈地努力與攻關,終于完成了系統(tǒng)各個部分的研制開發(fā)和系統(tǒng)總調(diào)、測試等工作,并且初步具備了系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的能力。該項目主要技術填補國內(nèi)空白,技術水平達到國際先進,國內(nèi)領先地位,系統(tǒng)的不少設計思想具有獨創(chuàng)性。,
49、97,本系統(tǒng)采用Lonworks技術作為控制網(wǎng)絡主干,研究、開發(fā)一系列高可靠性、低成本的網(wǎng)絡智能控制節(jié)點及路由器設備;同時,實現(xiàn)性能優(yōu)良的控制網(wǎng)絡應用軟件平臺,形成一套自主開發(fā)的樓宇自動化控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。可與傳統(tǒng)的RS-485等控制設備互連,具有較強的通用性和兼容性。它可以滿足樓宇自動化和復雜的工業(yè)過程控制中多個控制點的多變量、多耦合環(huán)境,各節(jié)點具備較強的獨立控制功能;控制系統(tǒng)具有可重構(gòu)性與可擴展性。,98,網(wǎng)絡節(jié)點由TMPN3150、PSD913、FTT-10、光電隔離外圍電路等元件構(gòu)成。神經(jīng)芯片TMPN3150與MC143150兼容,它是Lonworks技術的核心。該芯片內(nèi)部有三個微處理器:
50、MAC處理器、網(wǎng)絡處理器和應用處理器。MAC處理器完成OSI 七層協(xié)議的第一、二層,即介質(zhì)訪問功能。網(wǎng)絡處理器完成OSI 協(xié)議第3-6 層的網(wǎng)絡協(xié)議。應用處理器完成用戶的應用程序,其中包含用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的服務調(diào)用。,1.Lonworks 網(wǎng)絡節(jié)點:,99,神經(jīng)芯片3150片內(nèi)還有512字節(jié)的E2PROM、2048字節(jié)RAM可用于放置網(wǎng)絡配置信息和作為通訊、應用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。 節(jié)點片外存儲器固化了Lontalk協(xié)議與系統(tǒng)調(diào)度固件,并下載了自主開發(fā)的系統(tǒng)節(jié)點應用程序。一個控制單元中需要有采集和控制的功能,為此在神經(jīng)元芯片上特設置11有個I/O口。這11個 I/O口可以根據(jù)需要配制成RS-232
51、口、并行口、定時/計數(shù)、字節(jié)I/O、位I/O等形式。,100,PSD913在一塊芯片上集成了512KB FLASH RAM、16KB SRAM和通用可編程器件并且具有后備電源接口,取代了傳統(tǒng)的通用存儲和可編程芯片;大大地減小了節(jié)點的體積、簡化了系統(tǒng)的設計、提高了可靠性。目前國內(nèi)外尚未見此種設計方式的產(chǎn)品。所有節(jié)點均帶后備電池,可對數(shù)據(jù)進行掉電保護。,101,Lonworks節(jié)點軟件用Neuro C語言編寫,開發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡節(jié)點的Agent軟件體,使其具有自主性、協(xié)作性、和適應性的特點;同時,節(jié)點軟件包含PID控制、模糊控制、神經(jīng)元控制等通用控制算法。節(jié)點通過網(wǎng)絡變量與消息的兩種數(shù)據(jù)傳遞
52、方式可以實現(xiàn)信息的分級傳遞。,102,Lonworks網(wǎng)絡節(jié)點分為三大類:開關量型節(jié)點、模擬量型節(jié)點及網(wǎng)絡時鐘節(jié)點。各種類型節(jié)點結(jié)構(gòu)功能原理如下: 開關量型節(jié)點: 它具有八路光電隔離開關量輸入,四路光電隔離開關量輸出,四路脈沖輸入和一個通用RS-232串口;數(shù)據(jù)可掉電保護至少五年以上。如圖3-16:,103,圖3-16開關量型節(jié)點,104, 模擬量型節(jié)點: 它具有精度均為12位的A/D四路,D/A兩路;光電隔離開關量輸入八路,光電隔離開關量輸出四路;掉電數(shù)據(jù)可至少保存五年以上。模入、模出芯片均采用MAXIM公司的芯片,具有外接電路少,集成度高,穩(wěn)定可靠的特點。模擬量輸入電壓:5V,10V, 0
53、5V,010V可調(diào);。模擬量輸出電壓:02.5V, 05V可調(diào)。如圖3-17:,105,光電隔離,MAX197,MAX530,數(shù)據(jù)鎖存器,PC0,四路模擬量輸入,兩路模擬量輸入,八路開關量輸入,雙絞線,FTT-10收發(fā)器,cp0cp4,四路開關量輸出,光電隔離,IO4IO7,TMPN3150,A0A15,D0D7,PSD913,后備電池,PC1,PC0,圖3-17 模擬量型節(jié)點,106, 時鐘節(jié)點: 它采用已解決2000年問題的時鐘芯片DS12C887,時間精度可精確到秒級;可掉電運行十年以上。如圖3-18,107,2.Lonworks路由器:,路由器在Lonworks技術中是一個主要的部分,
54、這也是其它現(xiàn)場總線所不具備的,它使Lonworks總線突破傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制-不受通訊介質(zhì)、通訊距離、通訊速率的限制。Lonworks路由器包括以下幾種:中繼器、橋接器、路由器。采用RTR-10路由器核心模塊構(gòu)成的路由器框圖如圖3-19所示:,108,109,3.主從式RS-485控制網(wǎng)絡多功能節(jié)點:,其主要構(gòu)成元件是Intel80C196KC單片機系統(tǒng)和RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1487。其軟件上模仿Lonworks技術,分為通訊、系統(tǒng)調(diào)度固件和可下載的應用程序,單個節(jié)點可在線編程(IAP)。節(jié)點具備隔離八路開入、隔離四路開出、八路模擬輸入(10位精度)、三路PWM 輸出(可轉(zhuǎn)換為05V
55、D/A輸出)、四路脈沖輸入等功能。節(jié)點帶32K EPROM、32K NVRAM,因而可掉電保護數(shù)據(jù)五年以上。其功能框圖為圖3-20:,110,111,4.Lonworks網(wǎng)絡與主從式RS-485網(wǎng)網(wǎng)關:,網(wǎng)關主要由三部分組成:神經(jīng)芯片3150、雙口RAM、80C196KC單片機。其中神經(jīng)芯片、80C196KC分別完成同Lonworks網(wǎng)與RS-485網(wǎng)的網(wǎng)絡接口;雙口RAM實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞。80C196KC可以通過對雙口RAM的設置,決定數(shù)據(jù)發(fā)送完或接收到神經(jīng)芯片的一包有效數(shù)據(jù)。神經(jīng)元芯片和80C196的通信采用查詢方式或中斷方式。功能框圖如圖3-21:,112,113,5.基于電話網(wǎng)絡
56、的遠程控制器:,鑒于電話網(wǎng)絡的普及程度,開發(fā)出由AT89C51單片機和MT8870雙音頻解碼芯片構(gòu)成,通過電話或手機遠程控制空調(diào)等家電和企業(yè)生產(chǎn)設備啟動或停止的控制器,完善了系統(tǒng)的功能。該控制器有四路開關量輸出。功能框圖如圖3-22:,114,6.系統(tǒng)總體設計方案, 只包含Lonworks網(wǎng)的系統(tǒng)設計方案:,115,所有節(jié)點均采用神經(jīng)芯片。網(wǎng)絡上傳遞的數(shù)據(jù)為:報警信號輸入(DI)、系統(tǒng)時鐘信號、三表讀數(shù)、溫度輸入等模入信號(A/D)、電壓輸出等控制信號(D/A)。數(shù)據(jù)的傳遞方式:各種不同數(shù)據(jù)可以分為不同的優(yōu)先級別;各優(yōu)先級別以不同的方式及不同的時間間隔發(fā)送。此方案的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)單一;網(wǎng)絡的配置
57、與管理簡單。缺點:由于多對一通訊,容易引起網(wǎng)絡的阻塞。,116,117, 基于Lonworks網(wǎng)和由80C196節(jié)點構(gòu)成的主從式RS-485網(wǎng)的混合設計方案:,網(wǎng)絡主干采用Lonworks網(wǎng);支干為主從式RS-485網(wǎng);Lonworks網(wǎng)絡與主從式RS-485網(wǎng)網(wǎng)關用作支路數(shù)據(jù)收集器。此方案的優(yōu)點是:分級數(shù)據(jù)傳遞,避免了網(wǎng)絡的擁擠;若需要,可進行分級控制。缺點:結(jié)構(gòu)復雜化;數(shù)據(jù)多層轉(zhuǎn)發(fā),傳輸延時加大。,118, S-485主從式:各主節(jié)點80C196按地址巡檢各從節(jié)點的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的巡檢周期:報警信號(DI)、模入和模出均為不斷巡檢;三表讀數(shù)按需要,可一天或幾天一次。RS-485主從式通訊應盡可
58、能少的傳輸數(shù)據(jù),各房間有狀態(tài)變化時,才傳輸變化的數(shù)據(jù)。 Lonworks協(xié)議:系統(tǒng)時間、報警信號(DI)、模入和模出均為網(wǎng)絡變量傳遞;三表讀數(shù)為消息方式。傳輸周期參見方案一。如圖3-24:,119,120,*3.5 BACnet總線技術的應用,BACnet標準的誕生,結(jié)束了樓宇自動化領域眾多廠家各自為政的局面。BACnet作為一種標準的開放式數(shù)據(jù)通信協(xié)議,使不同廠家的樓宇設備能夠?qū)崿F(xiàn)互操作,即在一個系統(tǒng)中,允許混用不同廠家的設備,并能為這些設備提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信的服務和協(xié)議的操作平臺。,121,分散建筑之間采用BACnet實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡集成的典型方案如圖3-25所示。 該樓宇自動化系統(tǒng)(BAS
59、)對現(xiàn)場儀表盤和控制器能實現(xiàn)分個人的控制功能,而不再是必須依靠中央控制器。且利用集成網(wǎng)絡所提供的技術,快速、便利地傳遞和控制數(shù)據(jù),通過網(wǎng)關在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡之間提供界面。,122,圖3-25 采用BACnet的樓宇自動化系統(tǒng),123,*3.6 DeviceNet現(xiàn)場總線技術的應用,124,3.6.1 DeviceNet現(xiàn)場總線協(xié)議,1DeviceNet的通信模式和信息交換 DeviceNet使用先進的生產(chǎn)者/消費者通信模式,與傳統(tǒng)的源/目的通信模式相比,它利用很窄的帶寬就可以傳送多個消費者需要的相同的數(shù)據(jù),提高了通信效率。,125,DeviceNet網(wǎng)絡的通信方式: (1)主/從通信 (2)多主通信 (3)點對點對等通信 (4)以上三種通信方式的組合形式 其中點對點數(shù)據(jù)交換,使任何DeviceNet產(chǎn)品都可生產(chǎn)和消費報文,作為生產(chǎn)者或消費者,或同時作為生產(chǎn)者和消費者,通常可將主/從通信方式定義為點對點的子集。,126,2. 非破壞性逐位仲裁機制 DeviceNet現(xiàn)場總線采用了CAN總線先進的非破壞性逐位仲裁機制(CSMA/NBA,Carrier Sense Multiple
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