现场总线技术及其应用.ppt

1 第三章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 3 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 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 DirectDigitalControl DDC 技术 随后在计算机网络技术的带动下 产生了各种以DDC技术为基础的集散控制系统 DistributedControlSystem 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 Fieldbuscontrolsystem 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 对现场环境的适应性 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 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 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 Computer 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 9 图3 1现场总线的几种连接方式 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4 20mA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H1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 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ISO OSI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 12 图3 3典型的现场总线协议模型 图3 2ISO OSI模型 13 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3 6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 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 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式等 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 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 18 3 2 1LonWorks总线 LonWorks是局域操作网络 LocalOperatingNetwork 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ISO OSI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15Mbps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 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 20 3 2 2EIB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 EIBAssociate 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 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 TwistPair 电力线 PowerLine 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 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 23 3 2 3CAN总线 CAN是控制器局域网络 ControlAreaNetwork 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 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 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 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 27 图3 4CAN总线控制方式 28 3 2 4BACNET总线 BACnet是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork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 从而使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作 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 30 图3 5BACnet体系结构与OSI ISO的参照图 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 确认服务 ConfirmedService 和 非确认服务 UnconfirmedService 两类 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 ISO8802 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 33 BACnet标准的局域网 LAN 接口表3 1 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 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 ProtocolImplementationConformanceStatement 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 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标准是最佳的方案 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 37 3 2 5DeviceNet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 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 一种低成本 高可靠性的数据网络 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 40 3 2 6Modbus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 RemoteTerminalUnit 方式 2 ASCII方式 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 2 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 6Modbus通信格式 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 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 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 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 DistributeControlSystem 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 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 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 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 48 3 4LonWorks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现场总线网络功能最为强大 市场效率最高的总线 49 3 4 1LonWorks总线技术概述 LonWorks LocalOperatingNetwork 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 neuronchips 构成各个智能监控节点 node 通过网络收发器 TranReceiver 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 50 1 LonWorks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 CarrierSenseMultipleAccess 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 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Betal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 7LonWorks的优先级带预测P 坚持CSMA概念示意图 52 2 LonWorks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 53 图3 8LonWorks分层模型 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 ModularInformationProcessor 结构的控制节点 LonWorks节点软件用NeuronC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 3 LonWorks网络的技术组成 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 56 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8bitCPU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 57 图3 10神经元芯片的结构框图 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 59 3 LonWorks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 60 图3 11路由器框图 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 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255 127 32385个节点 63 5 LonWorks收发器 LonWorks技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 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 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 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 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 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 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 节点开发工具NodeBuilderNodeBuilder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 69 节点和网络安装工具LonBuilderNodeBuilder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NeuronC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 70 网络管理工具LonManageLonManage主要由一系列的软件开发包和接口卡组成 包括 LonManageDDE LonManageProfile LonMaker和LonManage协议分析仪 LNS LonWorksNetworkService 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 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 72 3 4 2LonWorks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 73 图3 12LonWorks技术构成的楼宇自动化系统结构 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 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 76 在上述结构中 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 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 78 该系统具有以下特点 1 每一住户室内装有一个用户监测器 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 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32385 256 8290560户 拥有海量用户规模 80 该系统的优势 1 克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 81 3 4 3LonWorks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 82 1 楼宇自动化对控制系统的要求 楼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 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 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 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 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 能进行远程访问等 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 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 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 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NeuronC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 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 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 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 94 图3 15中山医院肿瘤防治中心BAS系统网络结构图 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 96 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 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 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 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网络节点 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 100 PSD913在一块芯片上集成了512KBFLASHRAM 16KBSRAM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 101 Lonworks节点软件用NeuroC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 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 16 103 图3 16开关量型节点 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 0 5V 0 10V可调 模拟量输出电压 0 2 5V 0 5V可调 如图3 17 105 光电隔离 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 cp0 cp4 四路开关量输出 光电隔离 IO4 IO7 TMPN3150 A0 A15 D0 D7 PSD913 后备电池 PC1 PC0 图3 17模拟量型节点 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 18 107 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Lonworks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 108 109 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0 5VD A输出 四路脉冲输入等功能 节点带32KEPROM 32KNVRAM 因而可掉电保护数据五年以上 其功能框图为图3 20 110 111 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 21 112 113 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 22 114 6 系统总体设计方案 只包含Lonworks网的系统设计方案 115 所有节点均采用神经芯片 网络上传递的数据为 报警信号输入 DI 系统时钟信号 三表读数 温度输入等模入信号 A D 电压输出等控制信号 D A 数据的传递方式 各种不同数据可以分为不同的优先级别 各优先级别以不同的方式及不同的时间间隔发送 此方案的优点是 结构单一 网络的配置与管理简单 缺点 由于多对一通讯 容易引起网络的阻塞 116 117 基于Lonworks网和由80C196节点构成的主从式RS 485网的混合设计方案 网络主干采用Lonworks网 支干为主从式RS 485网 Lonworks网络与主从式RS 485网网关用作支路数据收集器 此方案的优点是 分级数据传递 避免了网络的拥挤 若需要 可进行分级控制 缺点 结构复杂化 数据多层转发 传输延时加大 118 S 485主从式 各主节点80C196按地址巡检各从节点的数据 数据的巡检周期 报警信号 DI 模入和模出均为不断巡检 三表读数按需要 可一天或几天一次 RS 485主从式通讯应尽可能少的传输数据 各房间有状态变化时 才传输变化的数据 Lonworks协议 系统时间 报警信号 DI 模入和模出均为网络变量传递 三表读数为消息方式 传输周期参见方案一 如图3 24 119 120 3 5BACnet总线技术的应用 BACnet标准的诞生 结束了楼宇自动化领域众多厂家各自为政的局面 BACnet作为一种标准的开放式数据通信协议 使不同厂家的楼宇设备能够实现互操作 即在一个系统中 允许混用不同厂家的设备 并能为这些设备提供统一的数据通信的服务和协议的操作平台 121 分散建筑之间采用BACnet实现分布式网络集成的典型方案如图3 25所示 该楼宇自动化系统 BAS 对现场仪表盘和控制器能实现分个人的控制功能 而不再是必须依靠中央控制器 且利用集成网络所提供的技术 快速 便利地传递和控制数据 通过网关在数据网络和控制网络之间提供界面 122 图3 25采用BACnet的楼宇自动化系统 123 3 6DeviceNet现场总线技术的应用 124 3 6 1DeviceNet现场总线协议 1 DeviceNet的通信模式和信息交换DeviceNet使用先进的生产者 消费者通信模式 与传统的源 目的通信模式相比 它利用很窄的带宽就可以传送多个消费者需要的相同的数据 提高了通信效率 125 DeviceNet网络的通信方式 1 主 从通信 2 多主通信 3 点对点对等通信 4 以上三种通信方式的组合形式其中点对点数据交换 使任何DeviceNet产品都可生产和消费报文 作为生产者或消费者 或同时作为生产者和消费者 通常可将主 从通信方式定义为点对点的子集 126 2 非破坏性逐位仲裁机制DeviceNet现场总线采用了CAN总线先进的非破坏性逐位仲裁机制 CSMA NBA CarrierSenseMultipleAccesswithNon destructiveBitwiseArbitration 这使线路的使用率达到100 CAN节点的发送过程可以被网络上其他所有节点监听并应答 在总线空闲时任何节点都可以尝试发送 提供了网络固有的点对点的通信能力 127 CAN规范定义了两种总线状态 显性 逻辑0 和 隐性 逻辑1 一个显性位和一个隐性位同时发送的结果在总线上将呈现显性 在仲裁区传送期间 每个发送器在发送的同时都监视总线上的当前电平 并与它已经发送的位电平进行比较 如果值相等那么这个节点可以继续发送 如果发送了一个隐性位1 而在总线上监视到一个显性位0 那么此发送节点将失去仲裁权 停止发送数据 只有一个节点赢得仲裁并继续这一帧的发送 失去仲裁权的节点可以在当前发送完成后再次尝试发送数据 因此同时发送的多个节点中 具有最低值标识符的节点将获得仲裁优先权 128 与以太网所使用的冲突检测 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 相比 DeviceNet总线发送的数据通过非破坏性逐位仲裁机制解决冲突问题 而不会损失数据或带宽 起始位 标识位 位 控制区 数据区 序列 分界 位 分界 帧结束 帧间隔 RTR CRC CRC ACK ACK 129 3 DeviceNet报文格式 I O报文 如图3 26 它适用于实时性要求较高的I O端子的信号输出 I O报文数据帧中的8位数据场不包含任何与协议有关的位 只有当I O报文为大报文经过分割后形成的I O报文片段时 数据位域中有一位由报文分割协议使用 图3 26I O报文的格式 130 2 显式报文 如图3 27 它适用于两个设备间多用途的点对点报文传递 是典型的请求 响应通讯方式 常用于节点的配置 问题诊断等过程中 显示报文通常使用优先极低的连接标识符 并且该报文的相关信息包含在显示报文数据帧的数据位域中 包括要执行的服务和相关对象的属性及地址 图3 27显式报文的格式 131 根据传送的报文的性质和预先定义的优先级别 DeviceNet将报文分为4组 每组对应的标识符及其含义见表3 4 其中11位标识符值越小则其代表的信息的优先级别越高 这种信息组设计方法使总线优先级可任意分布 而不仅仅和节点地址有关 132 DeviceNet信息组表3 4 133 其中的信息组1通常用于传送实时性要求比较高的I O报文 信息组2用于传送预定义非连接报文 信息组3用于传送设备配置及在线参数修改的显式报文 信息组4用于传送离线连接报文信息 6位的源 目的MACID 媒体访问控制标识符 是分配给网络上每个DeviceNet节点的唯一的标识符 十进制数值0 63 134 4 DeviceNet的对象模型为管理和实现DeviceNet产品组件的属性 数据 服务 方法或步骤 和行为提供了一个模板 对象模型 为每个属性提供了4个数字组成的寻址方案 它们分别是节点地址 MACID 对象类标识符 ClassID 实例编号 InstanceID 和属性编号 AttributeID 这四级地址与显式报文连接相结合 将数据从DeviceNet网络上的一个节点传送到另外一节点 135 DeviceNet对象类的分类 必需对象类 就是每个节点都必须具备的一些对象 可选类对象 是指制造商可以自己根据具体情况自行决定是否要具备的一些对象类 一种典型的DeviceNet网络节点的对象模型见图3 28 136 图3 28DeviceNet网络节点的对象模型 137 有关的术语 1 类 是指表现出相同类型系统成分的对象的集合 对象又被称为对象类 2 对象实例 是指在分类内某一特定对象的具体表示 一个分类的每个实例不但有一组相同的属性也有自身的一组特定属性值 3 属性 是一个对象和 或对象分类的特性 简言之 属性提供状态信息或管理对象的操作 3 服务 用来触发对象 分类实现一个任务对象 4 行为 则表示了它如何响应特定的事件 138 3 6 2DeviceNet协议的应用 以断路器为例设计一个DeviceNet网络的从节点 实现传输协议的转换功能 一端与断路器控制器通信接口相连接 通过RS 485以Modbus为通信协议进行通信 另一端与DeviceNet现场总线相连接 以DeviceNet为通信协议进行通信 协议转换器作为整个DeviceNet网络的一个从站 和其他DeviceNet节点一起组成DeviceNet网络 139 1 系统的总体设计 图3 29断路器协议转换器的总体设计原理图 140 协议转换器应具有如下主要功能 1 能够在DeviceNet的125K 250K 500K三种波特率下进行数据传输 2 具有误接线保护功能 3 具有看门狗电路以保证协议程序的顺利执行 4 提供DevicNet通信波特率拨码盘 节点地址选择开关 5 提供DeviceNet的状态LED显示 6 采用RS 485接口芯片实现Modbus的消息帧的收发 7 采用电压调节芯片 从DeviceNet网络电源获得5V电源 对系统各个部分供电 8 能够适应Modbus从1200bps至38400bps的不同通信速率 141 主要器件 单片机可采用集成CAN控制器的单片机 这样做的优点是可以减少分立元件 提高系统可靠性 调试起来也较为方便 可以选用一般的单片机 不过这时要另加一个独立的CAN控制器 这样做的优点是单片机的选择较为灵活 142 CAN控制器在选用CAN通信控制器 又被称作CAN协议芯片 时有两种方案 选用外接独立CAN通信控制器 选用内置的CAN通信控制器 即微处理器和CAN控制器集成在一起的 143 CAN芯片的供应商很多 可供选择的CAN控制器芯片 如 Philips公司的82C200和SJA1000 Intel公司的82527和82526 Microchip公司的MCP2510和MCP2515 SIEMENS公司的81C90 91 NEC公司的72005等等 其中SJA1000是Philips公司新推出的82C200的替代产品 在国内应用的最为广泛 可供选择的内置CAN控制器的微处理器芯片 如 三菱公司的M16C 6N系列 带双口CAN 和M16C 1N系列 Ph