現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.ppt

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1 第三章現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用 2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) fieldbus 是80年代末 90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的 用于過(guò)程自動(dòng)化 制造自動(dòng)化 樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò) 它是一種開(kāi)放式 新型全分布控制系統(tǒng) 這項(xiàng)以智能傳感 控制 計(jì)算機(jī) 數(shù)字通信為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) 己受到世界范圍的關(guān)注而成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn) 并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革 通常將用于樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的演變過(guò)程 20世紀(jì)70年代以前 控制系統(tǒng)中多采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 傳遞 由于其精度差 受干擾信號(hào)影響大 因而整個(gè)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(shù)得到很大發(fā)展 微處理器功能強(qiáng) 體積小 可靠性高 通過(guò)適當(dāng)?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(jì)80年代初期 計(jì)算機(jī)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(shù) DirectDigitalControl DDC 技術(shù) 隨后在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的帶動(dòng)下 產(chǎn)生了各種以DDC技術(shù)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng) DistributedControlSystem DCS 隨著控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的成熟和發(fā)展 數(shù)字化作為一種趨勢(shì)正在從工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的決策層 管理層 監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS Fieldbuscontrolsystem 5 3 1 2現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn) 1 現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放互連網(wǎng)絡(luò)2 現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)3 現(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)4 現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò)5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互操作性與互用性6 現(xiàn)場(chǎng)總線是結(jié)構(gòu)和功能高度分散的系統(tǒng)7 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 6 3 1 3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線具有的數(shù)字化 開(kāi)放性 分散性 互操作性和互換性及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)決定和派生了其一系列優(yōu)點(diǎn) 1 節(jié)省硬件數(shù)量與投資2 節(jié)省安裝費(fèi)用3 節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷 7 4 系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和強(qiáng)大的 遠(yuǎn)程 故障診斷功能5 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)展更為方便7 提高系統(tǒng)的準(zhǔn)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(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線是控制 Control 技術(shù) 計(jì)算機(jī) Computer 與通信 Communication 即3C技術(shù) 發(fā)展匯聚的結(jié)果 現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式 樹(shù)型方式 帶橋方式3種 其結(jié)構(gòu)如圖3 1所示 9 圖3 1現(xiàn)場(chǎng)總線的幾種連接方式 10 1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表 包括智能變送器 支持維護(hù)的裝置及手持通信器等 單獨(dú)接到低速 31 25kbps 現(xiàn)場(chǎng)總線H1上 用于現(xiàn)場(chǎng)儀表比較分散或傳輸信息量大的場(chǎng)合 接法與4 20mA接線方式相似 2 樹(shù)形方式幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表 一般按地理區(qū)域進(jìn)行集中 接到一根 局部運(yùn)行 的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備 通過(guò) 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(chǎng)總線的通信模型 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)互連模型既參照ISO OSI模型 如圖3 2所示 又具有自己的特點(diǎn) 協(xié)議是分層的 但層次之間的調(diào)用關(guān)系不一定象OSI那樣嚴(yán)格 層次也可簡(jiǎn)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(diǎn) 滿足FCS的特殊要求 在現(xiàn)場(chǎng)總線參數(shù)模型中 既遵循開(kāi)放系統(tǒng)集成的原則 又充分體現(xiàn)FCS的特點(diǎn)和特殊要求 12 圖3 3典型的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型 圖3 2ISO OSI模型 13 典型的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型 見(jiàn)圖3 3 采用OSI模型中的三個(gè)典型層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 在省去3 6層后 考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊特點(diǎn) 設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線訪問(wèn)子層 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 執(zhí)行協(xié)議直觀 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 也滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能要求 與OSI參考模型的相應(yīng)層次相比 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的物理層 數(shù)據(jù)鏈路層與其有相同的含義 從總線訪問(wèn)子層看 現(xiàn)場(chǎng)總線有很大特色 14 1 物理層該層規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)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(hào)類型等 2 數(shù)據(jù)鏈路層該層規(guī)定了物理層和應(yīng)用層間的接口 其中包括 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 傳輸差錯(cuò)控制 多主站使用的規(guī)范化等 該層將通過(guò)幀數(shù)據(jù)檢驗(yàn)保證信息傳輸?shù)恼_性及完整性 15 3 總線訪問(wèn)子層該層定義了過(guò)程控制的基本內(nèi)容 其中 包括現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)或不同節(jié)點(diǎn)的其它設(shè)備間的傳送方法 現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是功能塊 由各功能塊完成數(shù)據(jù)采集 控制或輸出 每個(gè)功能塊都包含一個(gè)算法功能和運(yùn)算中所需的數(shù)據(jù)庫(kù)以及由用戶定義的該功能塊的唯一標(biāo)識(shí)符 4 應(yīng)用層它向用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口 其中定義了讀 寫 解釋或執(zhí)行一個(gè)信息或一條命令的方法 其中很大部分是定義信息的語(yǔ)法 此外 應(yīng)用層還定義了信息傳輸?shù)姆绞?如 周期式 立即響應(yīng)式 一次性方式及使用者請(qǐng)求方式等 16 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 執(zhí)行協(xié)議直觀 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 也滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能要求 17 3 2建筑電氣總線技術(shù) 自80年代以來(lái) 有幾種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并且在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了其自身的優(yōu)勢(shì) 這些現(xiàn)場(chǎng)總線具有各自的特點(diǎn) 有的已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列 占有相當(dāng)大的市場(chǎng)分額 顯示了較強(qiáng)的生命力 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)發(fā)揮并將會(huì)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 1LonWorks總線 LonWorks是局域操作網(wǎng)絡(luò) LocalOperatingNetwork 的簡(jiǎn)稱 是又一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 它由美國(guó)埃斯郎 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉 東芝公司共同倡導(dǎo) 于1990年正式公布而形成的 它采用了ISO OSI模型的全部7層通訊協(xié)議 采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置 其通訊速率從300bps至15Mbps不等 最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)2700m 通信速率為78kbps 雙絞線 節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)32000個(gè) 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(kāi)發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品 被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò) LonWorks技術(shù)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(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了任何其他測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)總線 其應(yīng)用范圍包括工業(yè)控制 樓宇自動(dòng)化 航空 航天等 幾乎囊括了測(cè)控應(yīng)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(dòng)化 20 3 2 2EIB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 制定了EIB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并成立了中立的非商業(yè)性組織EIBA EIBAssociate 歐洲安裝總線協(xié)會(huì) 總部設(shè)在比利時(shí)的布魯塞爾 該協(xié)會(huì)的成立極大的推動(dòng)了EIB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 迄今為止 已有一百多家制造商成為了EIBA的會(huì)員 按照開(kāi)放的EIB標(biāo)準(zhǔn)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(dá)4000多種 幾乎覆蓋了建筑中各個(gè)行業(yè)和各種用途的需要 21 EIB和其它現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到最大傳輸速率 EIB應(yīng)用了CSMA CA 具有避免沖突的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn) 通過(guò)這種總線訪問(wèn)技術(shù) 使得在多個(gè)總線元件同時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)就不會(huì)發(fā)生信號(hào)丟失現(xiàn)象 而且EIB有自己的優(yōu)先權(quán)定義以保證信號(hào)按照一定的次序先后傳送 EIB總線目前可支持雙絞線 TwistPair 電力線 PowerLine 無(wú)線電 Radio 和紅外線 Infrared 四種傳輸介質(zhì) 目前在中國(guó)市場(chǎng)上提供的主要以雙絞線系統(tǒng)為主 22 經(jīng)過(guò)對(duì)這些年EIB在中國(guó)的應(yīng)用情況的分析 可以看出它主要適用于 住房建筑尤其是獨(dú)立型住宅如別墅等 公用建筑中的部分單體建筑如報(bào)告廳 會(huì)議室 大堂等 大空間的單體建筑如影劇院 體育場(chǎng)館等 大范圍公共區(qū)域的電氣控制如住宅小區(qū) 廣場(chǎng)等 橋梁 道路等遠(yuǎn)距離照明控制 23 3 2 3CAN總線 CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò) ControlAreaNetwork 的簡(jiǎn)稱 它最早是由德國(guó)的Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出來(lái)的 起初它是為汽車的檢測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的 后來(lái)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(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線 得到了Motorola Intel Philip NEC等公司的支持 并廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域 24 1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn) CAN協(xié)議遵循ISO OSI模型 采用了其中的物理層 鏈路層與應(yīng)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(yuǎn)通信距離可達(dá)10km 通信速率為5kbps 最多可掛接設(shè)備數(shù)達(dá)110個(gè) 傳輸介質(zhì)可以是雙絞線 光纖等 CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu) 每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè) 這樣傳輸時(shí)間短 受干擾的概率低 每幀信息均有CRC效驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施 通信誤碼率極低 25 CAN采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方式 可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng) 且無(wú)主從之分 CAN總線可以工作在多主方式 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)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(shù) 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(lái) 以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想 良好的功能特性和極高的可靠性越來(lái)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(jiàn)圖3 4 27 圖3 4CAN總線控制方式 28 3 2 4BACNET總線 BACnet是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork的簡(jiǎn)稱 是一種為樓宇自控網(wǎng)絡(luò)制定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議 1987年 美國(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)組織 ASHARE 的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)調(diào)集了全球20多位業(yè)內(nèi)著名專家 經(jīng)過(guò)8年半時(shí)間 在1995年6月 ASHARE正式通過(guò)全球首個(gè)樓宇自控行業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn) BACnet BACnet標(biāo)準(zhǔn)的目的是 為計(jì)算機(jī)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(wù)和協(xié)議 從而使不同廠家的產(chǎn)品可以在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)工作 29 BACnet是一個(gè)開(kāi)放的建筑電器氣總線 選用一種成熟的局域網(wǎng)技術(shù) 其標(biāo)準(zhǔn)是遵從和參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型 采用了4層結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 BACnet標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)與OSI ISO的參照?qǐng)D 如圖3 5所示 30 圖3 5BACnet體系結(jié)構(gòu)與OSI ISO的參照?qǐng)D 31 1 BACnet的基本內(nèi)容 樓宇設(shè)備的表示模型 對(duì)象用來(lái)表示樓宇設(shè)備 如輸入 輸出 控制環(huán)等 和與控制過(guò)程有關(guān)的邏輯實(shí)體 如數(shù)據(jù)文件 應(yīng)用程序等 訪問(wèn)對(duì)象的操作 服務(wù)分為 確認(rèn)服務(wù) ConfirmedService 和 非確認(rèn)服務(wù) UnconfirmedService 兩類 32 傳輸互操作語(yǔ)義的通信系統(tǒng) 局域網(wǎng)用來(lái)傳輸BACnet服務(wù)數(shù)據(jù)單元 BACnet標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能價(jià)格比定義了4種局域網(wǎng)和1個(gè)遠(yuǎn)程連接技術(shù) ISO8802 3 以太網(wǎng) ARCNET MS TP LonTalk和PTP BACnet標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的這4種局域網(wǎng)接口見(jiàn)表3 1 33 BACnet標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) LAN 接口表3 1 34 報(bào)文的語(yǔ)法與結(jié)構(gòu) 編碼其作用是將信息表示成無(wú)二義性的二進(jìn)制數(shù)碼 1 和 0 位串 以便在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上傳輸 協(xié)議的驗(yàn)證和測(cè)試 一致性說(shuō)明 ProtocolImplementationConformanceStatement PICS 其作用是描述實(shí)現(xiàn)BACnet標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)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(luò)協(xié)議 如Ethernet和TCP IP 的區(qū)別 BACnet協(xié)議側(cè)重與監(jiān)控設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Ethernet和TCP IP則強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸 而且Ethernet和TCP IP可以在BACnet設(shè)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(biāo)準(zhǔn)是最佳的方案 36 3 BACnet的優(yōu)勢(shì) 獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)制造成的產(chǎn)品有嚴(yán)格的一致性等級(jí) 產(chǎn)品有良好的互操作性 有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和集成 37 3 2 5DeviceNet總線 DeviceNet是由Allen Bradley公司 Rockwell自動(dòng)化 開(kāi)發(fā)的一種基于CAN的開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放性的協(xié)議 每個(gè)ODVA成員都有資格發(fā)行基于DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的后續(xù)產(chǎn)品 DeviceNet總線標(biāo)準(zhǔn)和CANopen協(xié)議相比較 可知兩種協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)相類似的功能 但是DeviceNet卻更強(qiáng)調(diào)不同的優(yōu)先權(quán) 38 DeviceNet總線的特點(diǎn) 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(guó)際上主要芯片制造商的支持 每個(gè)DeviceNet最多可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持無(wú)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(diǎn)對(duì)點(diǎn) 多主或主 從等各種通信方式 帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 在線修改網(wǎng)絡(luò)配置 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能 以免影響總線上其他節(jié)點(diǎn) 一種低成本 高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 39 用無(wú)破壞性的總線優(yōu)先權(quán)仲裁技術(shù) 實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息 基于生產(chǎn)者 客戶網(wǎng)絡(luò)模式 這是最現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 支持選通 輪詢 循環(huán) 狀態(tài)變化和應(yīng)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(yīng)用的需要以及大電流容量 每個(gè)電源最大容量可達(dá)到16A 適用于連接低端工業(yè)設(shè)備 又能連接像變頻器 人機(jī)終端這樣的智能設(shè)備 具有通信錯(cuò)誤分級(jí)檢測(cè)機(jī)制 通信故障的自動(dòng)判別和恢復(fù)功能 40 3 2 6Modbus總線 Modbus是Modicon公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議 從其功能上看 可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線 Modbus通過(guò)24種總線命令實(shí)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(jìn)行組態(tài) Modbus傳輸協(xié)議定義了控制器可以識(shí)別和使用的信息結(jié)構(gòu) 而不需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Modbus有兩種傳送方式 1 RTU RemoteTerminalUnit 方式 2 ASCII方式 41 Modbus的RTU消息幀格式 見(jiàn)表3 2 它沒(méi)有起始位 也沒(méi)有停止位 而是以至少3 5個(gè)字符間隔時(shí)間 T1 T2 T3 T4 標(biāo)志開(kāi)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(yàn)域構(gòu)成 所有字符由16進(jìn)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(duì)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(dòng)權(quán) 從站只能被動(dòng)的響應(yīng) 包括回答出錯(cuò)信息 圖3 6Modbus通信格式 43 3 3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用 智能大廈包括通訊自動(dòng)化系統(tǒng) 辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和樓宇管理自動(dòng)化系統(tǒng) 它的發(fā)展歷程 是伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù) 現(xiàn)代控制技術(shù) 現(xiàn)代通訊技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)的進(jìn)步 從簡(jiǎn)單監(jiān)控發(fā)展到全面營(yíng)管理的過(guò)程 44 早期的超高層大樓一般設(shè)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(chǎng)系統(tǒng)等 各種專業(yè)系統(tǒng)同時(shí)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(shí)現(xiàn) 20世紀(jì)80年代開(kāi)始 微電腦技術(shù)的崛起 再加上信號(hào)傳送技術(shù)的進(jìn)步 基本上實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)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(jìn)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(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)集散式控制系統(tǒng) DistributeControlSystem 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(yīng)智能建筑 實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制的設(shè)備品種多且分散 的特點(diǎn) 而且可靠性 經(jīng)濟(jì)性 可擴(kuò)展性等均比較強(qiáng) 基于這種系統(tǒng) 智能大廈得到了空前發(fā)展 國(guó)內(nèi)外的智能大廈幾乎無(wú)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(jí)控制 主站工作量仍較大 中央管理計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)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(guān)鍵任務(wù) 24小時(shí)不間斷工作 不能失效 所以必須采用雙機(jī)冗余等措施提高主機(jī)可靠性 加之多級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不統(tǒng)一 DCS的開(kāi)放性和互操作性也較差 鑒于DCS結(jié)構(gòu)存在的固有缺陷 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制 47 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 一方面突破了DCS系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限 采用基于公開(kāi)化 標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng) 將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于智能建筑 不僅提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 使用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) 而且其設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化 功能模塊化 因而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(fèi)用及維護(hù)開(kāi)銷 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于智能建筑 必將取代傳統(tǒng)的集散式控制系 48 3 4LonWorks技術(shù)及其應(yīng)用 在目前國(guó)際上40多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中 最適合構(gòu)成智能大廈的應(yīng)是Lonworks技術(shù) Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線以其獨(dú)特的特點(diǎn)已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)功能最為強(qiáng)大 市場(chǎng)效率最高的總線 49 3 4 1LonWorks總線技術(shù)概述 LonWorks LocalOperatingNetwork 是全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò) 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 neuronchips 構(gòu)成各個(gè)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn) node 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器 TranReceiver 及網(wǎng)絡(luò)通信媒體將各種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(luò) 簡(jiǎn)稱LON網(wǎng) 50 1 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技木特點(diǎn) 智能節(jié)點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制器 多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線形 星形 環(huán)形 自由形 多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主從式 對(duì)等式及Client Server式 多種傳輸媒體 雙絞線 動(dòng)力電源線 無(wú)線 光纖 紅外 電話線等 介質(zhì)訪問(wèn)方法 帶預(yù)測(cè)P 堅(jiān)持CSMA CarrierSenseMultipleAccess 載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn) 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 基于IS0 OSI七層參考模型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 LonTalk通信協(xié)議 系統(tǒng)開(kāi)放 同異型網(wǎng)絡(luò)的互連方便 51 LonWorks的通訊介質(zhì)訪問(wèn)控制方式 當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)有信息要發(fā)送而試圖占用通道時(shí) 首先在一個(gè)固定的周期Betal檢測(cè)通道是否處于網(wǎng)絡(luò)空閑 為了支持優(yōu)先級(jí) 還要增加優(yōu)先級(jí)時(shí)間片 優(yōu)先級(jí)越高的所加的時(shí)間片就越少 隨后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓參數(shù)BL產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)等待時(shí)間片w 按理拾到w之間的隨機(jī)數(shù)W BL 16 當(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí) 網(wǎng)絡(luò)仍空閑 節(jié)點(diǎn)以概率p 1 w發(fā)送報(bào) 如圖3 7 圖3 7LonWorks的優(yōu)先級(jí)帶預(yù)測(cè)P 堅(jiān)持CSMA概念示意圖 52 2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型 LonWorks采用開(kāi)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(chǎng)總線都好 被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò) 它還提供了與LAN的接口 從而實(shí)現(xiàn)了二者的有機(jī)結(jié)合 其各層功能如圖3 8所示 53 圖3 8LonWorks分層模型 54 1 LonWorks節(jié)點(diǎn)一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)主要包括以下幾部分功能模塊 應(yīng)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(diǎn)主要分兩種類型 以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)和采用MIP ModularInformationProcessor 結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn) LonWorks節(jié)點(diǎn)軟件用NeuronC語(yǔ)言編寫 開(kāi)發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Agent軟件體 使其具有自主性 協(xié)作性 和適應(yīng)性的特點(diǎn) 3 LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)組成 55 圖3 9神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖 圖3 9為一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn) 56 2 神經(jīng)元芯片 LonWorks技術(shù)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(gè)CPU組成 完全相同的3個(gè)8bitCPU各有分工 CPU 1負(fù)責(zé)通訊媒體訪問(wèn)控制 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 CPU 2負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層 會(huì)話層 表示層 CPU 3負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)程相接口的應(yīng)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(jiàn)的神經(jīng)元芯片比較如表3 3所示 表3 3幾種常見(jiàn)的神經(jīng)元芯片比較 59 3 LonWorks路由器 路由器是LonWorks技術(shù)的重要組成部分 也是其它現(xiàn)場(chǎng)總線所不具備的 它使LonWorks總線突破了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)采用LonTalk通信協(xié)議 該協(xié)議為七層協(xié)議 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量直接面向?qū)ο笸ㄐ?該協(xié)議具有以下特點(diǎn) 發(fā)送的報(bào)文都是很短的數(shù)據(jù) 一般是幾個(gè)字節(jié)到幾十個(gè)字節(jié) 通信帶寬不高 一般從幾kb s到20Mb s 網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)往往是低成本 低維護(hù)的單片機(jī) 多節(jié)點(diǎn) 多介質(zhì) 可靠性高 實(shí)時(shí)性高 62 LonTalk協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地址采用三層結(jié)構(gòu) 即 域 Domain 子網(wǎng) Subnet 和節(jié)點(diǎn) Node 域 為第一層結(jié)構(gòu) 它保證在不同域中通信的彼此獨(dú)立性 子網(wǎng) 為網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)的第二層 每一個(gè)域最多有255個(gè)子網(wǎng) 一個(gè)子網(wǎng)可以是一個(gè)或多個(gè)通道的邏輯分組 節(jié)點(diǎn) 為網(wǎng)絡(luò)地址的第三層 每個(gè)子網(wǎng)最多可以有127個(gè)節(jié)點(diǎn) 所以一個(gè)域最多可以有255 127 32385個(gè)節(jié)點(diǎn) 63 5 LonWorks收發(fā)器 LonWorks技術(shù)的一個(gè)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(shù)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 64 直接驅(qū)動(dòng)收發(fā)器直接驅(qū)動(dòng)是使用神經(jīng)元芯片的通信端口作為收發(fā)器 同時(shí)加入電阻和瞬態(tài)抑制器作為電流限制和ESD保護(hù) 這種方式適合于網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)大設(shè)備中使用同一個(gè)電源 EIA 485收發(fā)器EIA 485接口是現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)要好 但不如變壓器耦合驅(qū)動(dòng) 變壓器耦合驅(qū)動(dòng)收發(fā)器變壓器耦合驅(qū)動(dòng)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(dāng)多的網(wǎng)絡(luò)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(duì)雙絞線 使用電源線的意義在于所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)48V直流中央電源供電 這對(duì)于一些電力資源匱乏的地區(qū)具有非常重要的意義 同時(shí)采用通信線和電源線纜共用一對(duì)雙絞線可以節(jié)約一對(duì)雙絞線 也便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù) 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(hào)或擴(kuò)頻信號(hào) 然后通過(guò)耦合器耦合到220V或其他交直流電力線上 甚至是沒(méi)有電力的雙絞線 這種方式減少了施工布線等建設(shè)費(fèi)用 是一種將神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)加入到電力線中簡(jiǎn)單 有效的方法 但該方法會(huì)遇到電力線通信的普遍問(wèn)題 電力線間歇性噪聲大等問(wèn)題 因此需要采用一定的技術(shù)加以解決 67 其他收發(fā)器除上述收發(fā)器外 LonWorks技術(shù)中還廣泛采用無(wú)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(kāi)發(fā)工具 LonWorks技術(shù)包含了一系列開(kāi)發(fā)工具 使節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)快速有效主要有節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具NodeBuilder 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安裝工具LonBuilder 網(wǎng)絡(luò)管理工具LonManage和LNS技術(shù) 節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具NodeBuilderNodeBuilder只能完成節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的功能 不具備網(wǎng)絡(luò)的功能 它只有一個(gè)在線仿真器 69 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安裝工具LonBuilderNodeBuilder是LonWorks技術(shù)中最主要的一個(gè)開(kāi)發(fā)工具 它包括以下幾部分 節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)器 用于NeuronC語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)通信仿真等 網(wǎng)絡(luò)管理器 用于現(xiàn)場(chǎng)總線風(fēng)格的邏輯地址分配與連接 子網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通道定義 路由器安裝 優(yōu)先級(jí)設(shè)定等網(wǎng)絡(luò)安裝 維護(hù)工作 協(xié)議分析器和報(bào)文統(tǒng)計(jì)器 用于截獲網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的通信報(bào)文 分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)報(bào)文流量等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息 70 網(wǎng)絡(luò)管理工具LonManageLonManage主要由一系列的軟件開(kāi)發(fā)包和接口卡組成 包括 LonManageDDE LonManageProfile LonMaker和LonManage協(xié)議分析儀 LNS LonWorksNetworkService LNS是Echelon公司最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的LonWorks總線開(kāi)發(fā)工具 它為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)大的客戶 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架 是未來(lái)LonWorks總線的可互操作性基礎(chǔ) 71 4 網(wǎng)絡(luò)管理 LonWorks技術(shù)需要網(wǎng)絡(luò)管理工具實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)安裝 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能 網(wǎng)絡(luò)安裝 主要用于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期網(wǎng)絡(luò)地址的動(dòng)態(tài)分配 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量和顯示報(bào)表進(jìn)行設(shè)備間的通信 網(wǎng)絡(luò)維護(hù) 是指在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)設(shè)備增加或刪除的管理與實(shí)現(xiàn) 通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)修改網(wǎng)絡(luò)信息即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的增減 而不必修改網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)和控制服務(wù) 用戶可以在因特網(wǎng)上以遠(yuǎn)程方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng) 72 3 4 2LonWorks技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用 目前LonWorks技術(shù)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用在智能大廈 家庭自動(dòng)化 保安系統(tǒng) 辦公設(shè)備 運(yùn)輸設(shè)備 工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè) 成為發(fā)展最快的現(xiàn)場(chǎng)總線之一 尤其在建筑領(lǐng)域 該技術(shù)已成為國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn) 由LonWorks技術(shù)構(gòu)成的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 12 73 圖3 12LonWorks技術(shù)構(gòu)成的樓宇自動(dòng)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(jí)Lonworks網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式 一路是路由器 一路是智能節(jié)點(diǎn) 它將每一住戶設(shè)計(jì)為一個(gè)Lonworks智能節(jié)點(diǎn) 由該智能節(jié)點(diǎn)對(duì)各住戶室內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 完成安全防范系統(tǒng)的大部分功能 Lonworks總線技術(shù)規(guī)定 一個(gè)Lonworks網(wǎng)絡(luò)最多可以有255個(gè)子網(wǎng) 而每個(gè)子網(wǎng)最多可以有127個(gè)節(jié)點(diǎn) 76 在上述結(jié)構(gòu)中 每127個(gè)節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)路由器以支持更多的節(jié)點(diǎn) 所以Lonworks網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可以達(dá)到255 127 32385 雖然該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不失為一種較好的結(jié)構(gòu)形式 但也存在著一些缺點(diǎn) 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(duì)神經(jīng)元芯片進(jìn)行擴(kuò)展 以增加其I O能力 2 智能節(jié)點(diǎn)的造價(jià)較高 相應(yīng)使得整個(gè)智能社區(qū)的成本也較高 77 基于LonWorks技術(shù)的數(shù)字化社區(qū)系統(tǒng)方案 圖3 14 圖3 14基于LonWorks技術(shù)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(diǎn) 1 每一住戶室內(nèi)裝有一個(gè)用戶監(jiān)測(cè)器 負(fù)責(zé)整個(gè)住戶室內(nèi)安全狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)和傳送 2 對(duì)每一幢居民樓使用一個(gè)智能通信節(jié)點(diǎn) 主要負(fù)責(zé)采集整幢居民樓中每一住戶室內(nèi)的報(bào)警信號(hào)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(guò)LonWorks網(wǎng)絡(luò)上傳至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī) 79 3 整個(gè)系統(tǒng)還包括一個(gè)安裝在智能社區(qū)管理中心的中央監(jiān)控計(jì)算機(jī) 它主要用于負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)智能社區(qū)智能節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng) 報(bào)警信息的實(shí)時(shí)顯示 報(bào)警歷史信息的查詢 三表數(shù)據(jù)的計(jì)量與統(tǒng)計(jì)以及社區(qū)住戶信息的管理等任務(wù) 4 智能社區(qū)用戶數(shù)量最多可以達(dá)到32385 256 8290560戶 擁有海量用戶規(guī)模 80 該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 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(luò)通信中以網(wǎng)絡(luò)變量的形式共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 使得網(wǎng)絡(luò)上的智能節(jié)點(diǎn)之間的通信效率大大提高 從而提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 3 系統(tǒng)的可靠性高 4 采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放程度和互操作性 同時(shí)還進(jìn)一步擴(kuò)展了系統(tǒng)功能 81 3 4 3LonWorks智能樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施 現(xiàn)代智能建筑自動(dòng)化系統(tǒng)是計(jì)算機(jī) 通信和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的整體 一個(gè)智能建筑自動(dòng)化系統(tǒng)往往包含成千上萬(wàn)個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器 執(zhí)行器 這些傳感器 執(zhí)行器通過(guò)智能控制節(jié)點(diǎn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控 82 1 樓宇自動(dòng)化對(duì)控制系統(tǒng)的要求 樓宇自動(dòng)化對(duì)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(hù) 診斷等各個(gè)方面對(duì)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(dòng)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(zāi)報(bào)警等監(jiān)測(cè)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(cuò)能力及故障隔離和恢復(fù) 為了能可靠地傳輸信息 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需能提供多種服務(wù) 包括無(wú)確認(rèn)信息服務(wù) 確認(rèn)服務(wù)和發(fā)送授權(quán) 系統(tǒng)的靈活性系統(tǒng)的靈活性主要是指系統(tǒng)擴(kuò)充和修改是否方便 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的要求是 要有足夠的可擴(kuò)展的編址空間 連接線纜的距離容易延伸 節(jié)點(diǎn)連線容易 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活 可支持多種通信媒體 甚至可采用無(wú)線連接 容易增減設(shè)備 84 LonWorks的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電源線和無(wú)線通信媒體使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(luò)連接線纜 或無(wú)線連接 的距離 此外 網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)工具在系統(tǒng)范圍內(nèi)可對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新 并對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中保存的節(jié)點(diǎn)信息 節(jié)點(diǎn)互連關(guān)系信息等進(jìn)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(guān) 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(jià)格比 數(shù)據(jù)速率能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行選擇 從幾Kbps到超過(guò)1Mbps 對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合是需要的 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(shè)備要能夠在同一系統(tǒng)中協(xié)調(diào)運(yùn)作 互操作 還有就是應(yīng)用層接口的一致性 即應(yīng)用對(duì)象和配置參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層界面 此外要采用一體化的開(kāi)發(fā)和安裝調(diào)試工具 即節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)互連 網(wǎng)絡(luò)分析均采用系統(tǒng)級(jí)的安裝調(diào)試工具來(lái)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(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求包括 能支持各種通信媒體 實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)安裝任務(wù)可以很靈活地分開(kāi) 能方便靈活選擇安裝參數(shù) 系統(tǒng)配置參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)的格式 很容易增加和減少設(shè)備 能進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)等 87 2 LonWorks智能樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一般說(shuō)來(lái) 使用LonWorks技術(shù)組成的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)中 檢測(cè) 控制點(diǎn)可分為四類 即數(shù)字量 開(kāi)關(guān)量 輸入 輸出 模擬量輸入 輸出 在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí) 可以根據(jù)應(yīng)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(dá)公司的VCN通用智能節(jié)點(diǎn)系列產(chǎn)品為基礎(chǔ)分別做一簡(jiǎn)要說(shuō)明 88 數(shù)字量 開(kāi)關(guān)量 輸入節(jié)點(diǎn)這類節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮 如何將各種各樣的數(shù)字量和開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換成Neuron芯片能夠接收的信號(hào) 并且這類信號(hào)在輸入通道上要加光電隔離器 以提高節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的安全性和可靠性 數(shù)字量輸出節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)這類節(jié)點(diǎn)時(shí) 主要是要解決外部高電壓 大電流的提供問(wèn)題 在電路中 同樣也需要進(jìn)行光電隔離 來(lái)提高節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性 89 模擬量輸入節(jié)點(diǎn)主要用于采集網(wǎng)絡(luò)中的模擬信號(hào) 由于模擬信號(hào)種類繁多 所以節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及其需要選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)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(diǎn)的前端應(yīng)增加信號(hào)整理電路 模擬量輸出節(jié)點(diǎn)和模擬量輸入節(jié)點(diǎn)一樣 注意 在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還要增加輸出信號(hào)整理電路 90 2 智能樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施 建立控制邏輯即定義監(jiān)控對(duì)象 確定監(jiān)控點(diǎn) 以及監(jiān)控對(duì)象與其他設(shè)備的通信方式 選擇控制節(jié)點(diǎn)及其它設(shè)備選擇節(jié)點(diǎn)主要考慮采用何種節(jié)點(diǎn)以適合應(yīng)用要求 節(jié)點(diǎn)可分為兩大類 通用節(jié)點(diǎn)和專用節(jié)點(diǎn) 通用節(jié)點(diǎn) 即可以通過(guò)使用NeuronC編程監(jiān)測(cè)控制多個(gè)輸入 輸出點(diǎn) 專用控制節(jié)點(diǎn) 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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 信道電源線 供電線 無(wú)線 要根據(jù)實(shí)際的需要和可能考慮 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即確定每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的位置 網(wǎng)絡(luò)中使用節(jié)點(diǎn)的數(shù)量 及路由器 網(wǎng)橋和重發(fā)器的數(shù)量 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型 以及人機(jī)界面 是否采用主監(jiān)控PC等 布線 安裝 調(diào)試 92 LonWorks技術(shù)體現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì) 由于其技術(shù)的特點(diǎn) 以及它被工業(yè)界的廣泛接受 成為控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際主流標(biāo)準(zhǔn) 使得基于LonWorks平臺(tái)開(kāi)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(shí)可行的 而且是具有廣闊前景的 93 應(yīng)用實(shí)例 圖3 15為中山醫(yī)院腫瘤防治中心基于Lonworks技術(shù)設(shè)計(jì)的BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)圖 95 3 4 4現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在科研課題中的應(yīng)用實(shí)例 建筑智能化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)硬件及軟件開(kāi)發(fā) 96 本課題由國(guó)家建設(shè)部 湖南省科技廳和建設(shè)廳作為2000年科研項(xiàng)目立項(xiàng) 從1999年11月至2000年12月 通過(guò)不懈地努力與攻關(guān) 終于完成了系統(tǒng)各個(gè)部分的研制開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)總調(diào) 測(cè)試等工作 并且初步具備了系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的能力 該項(xiàng)目主要技術(shù)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白 技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn) 國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位 系統(tǒng)的不少設(shè)計(jì)思想具有獨(dú)創(chuàng)性 97 本系統(tǒng)采用Lonworks技術(shù)作為控制網(wǎng)絡(luò)主干 研究 開(kāi)發(fā)一系列高可靠性 低成本的網(wǎng)絡(luò)智能控制節(jié)點(diǎn)及路由器設(shè)備 同時(shí) 實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件平臺(tái) 形成一套自主開(kāi)發(fā)的樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 可與傳統(tǒng)的RS 485等控制設(shè)備互連 具有較強(qiáng)的通用性和兼容性 它可以滿足樓宇自動(dòng)化和復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制中多個(gè)控制點(diǎn)的多變量 多耦合環(huán)境 各節(jié)點(diǎn)具備較強(qiáng)的獨(dú)立控制功能 控制系統(tǒng)具有可重構(gòu)性與可擴(kuò)展性 98 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shù)的核心 該芯片內(nèi)部有三個(gè)微處理器 MAC處理器 網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)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(wèn)功能 網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI協(xié)議第3 6層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 應(yīng)用處理器完成用戶的應(yīng)用程序 其中包含用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的服務(wù)調(diào)用 1 Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 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(luò)配置信息和作為通訊 應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等 節(jié)點(diǎn)片外存儲(chǔ)器固化了Lontalk協(xié)議與系統(tǒng)調(diào)度固件 并下載了自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序 一個(gè)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(shè)置11有個(gè)I O口 這11個(gè)I O口可以根據(jù)需要配制成RS 232口 并行口 定時(shí) 計(jì)數(shù) 字節(jié)I O 位I O等形式 100 PSD913在一塊芯片上集成了512KBFLASHRAM 16KBSRAM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(chǔ)和可編程芯片 大大地減小了節(jié)點(diǎn)的體積 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 提高了可靠性 目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)此種設(shè)計(jì)方式的產(chǎn)品 所有節(jié)點(diǎn)均帶后備電池 可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù) 101 Lonworks節(jié)點(diǎn)軟件用NeuroC語(yǔ)言編寫 開(kāi)發(fā)出基于通用型智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Agent軟件體 使其具有自主性 協(xié)作性 和適應(yīng)性的特點(diǎn) 同時(shí) 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量與消息的兩種數(shù)據(jù)傳遞方式可以實(shí)現(xiàn)信息的分級(jí)傳遞 102 Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為三大類 開(kāi)關(guān)量型節(jié)點(diǎn) 模擬量型節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn) 各種類型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)功能原理如下 開(kāi)關(guān)量型節(jié)點(diǎn) 它具有八路光電隔離開(kāi)關(guān)量輸入 四路光電隔離開(kāi)關(guān)量輸出 四路脈沖輸入和一個(gè)通用RS 232串口 數(shù)據(jù)可掉電保護(hù)至少五年以上 如圖3 16 103 圖3 16開(kāi)關(guān)量型節(jié)點(diǎn) 104 模擬量型節(jié)點(diǎn) 它具有精度均為12位的A D四路 D A兩路 光電隔離開(kāi)關(guān)量輸入八路 光電隔離開(kāi)關(guān)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(diǎn) 模擬量輸入電壓 5V 10V 0 5V 0 10V可調(diào) 模擬量輸出電壓 0 2 5V 0 5V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(kāi)關(guān)量輸入 雙絞線 FTT 10收發(fā)器 cp0 cp4 四路開(kāi)關(guān)量輸出 光電隔離 IO4 IO7 TMPN3150 A0 A15 D0 D7 PSD913 后備電池 PC1 PC0 圖3 17模擬量型節(jié)點(diǎn) 106 時(shí)鐘節(jié)點(diǎn) 它采用已解決2000年問(wèn)題的時(shí)鐘芯片DS12C887 時(shí)間精度可精確到秒級(jí) 可掉電運(yùn)行十年以上 如圖3 18 107 2 Lonworks路由器 路由器在Lonworks技術(shù)中是一個(gè)主要的部分 這也是其它現(xiàn)場(chǎng)總線所不具備的 它使Lonworks總線突破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(luò)多功能節(jié)點(diǎn) 其主要構(gòu)成元件是Intel80C196KC單片機(jī)系統(tǒng)和RS 485電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1487 其軟件上模仿Lonworks技術(shù) 分為通訊 系統(tǒng)調(diào)度固件和可下載的應(yīng)用程序 單個(gè)節(jié)點(diǎn)可在線編程 IAP 節(jié)點(diǎn)具備隔離八路開(kāi)入 隔離四路開(kāi)出 八路模擬輸入 10位精度 三路PWM輸出 可轉(zhuǎn)換為0 5VD A輸出 四路脈沖輸入等功能 節(jié)點(diǎn)帶32KEPROM 32KNVRAM 因而可掉電保護(hù)數(shù)據(jù)五年以上 其功能框圖為圖3 20 110 111 4 Lonworks網(wǎng)絡(luò)與主從式RS 485網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)主要由三部分組成 神經(jīng)芯片3150 雙口RAM 80C196KC單片機(jī) 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(luò)接口 雙口RAM實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞 80C196KC可以通過(guò)對(duì)雙口RAM的設(shè)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(luò)的遠(yuǎn)程控制器 鑒于電話網(wǎng)絡(luò)的普及程度 開(kāi)發(fā)出由AT89C51單片機(jī)和MT8870雙音頻解碼芯片構(gòu)成 通過(guò)電話或手機(jī)遠(yuǎn)程控制空調(diào)等家電和企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)或停止的控制器 完善了系統(tǒng)的功能 該控制器有四路開(kāi)關(guān)量輸出 功能框圖如圖3 22 114 6 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 只包含Lonworks網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 115 所有節(jié)點(diǎn)均采用神經(jīng)芯片 網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)為 報(bào)警信號(hào)輸入 DI 系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào) 三表讀數(shù) 溫度輸入等模入信號(hào) A D 電壓輸出等控制信號(hào) 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(jí)別 各優(yōu)先級(jí)別以不同的方式及不同的時(shí)間間隔發(fā)送 此方案的優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)單一 網(wǎng)絡(luò)的配置與管理簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 由于多對(duì)一通訊 容易引起網(wǎng)絡(luò)的阻塞 116 117 基于Lonworks網(wǎng)和由80C196節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的主從式RS 485網(wǎng)的混合設(shè)計(jì)方案 網(wǎng)絡(luò)主干采用Lonworks網(wǎng) 支干為主從式RS 485網(wǎng) Lonworks網(wǎng)絡(luò)與主從式RS 485網(wǎng)網(wǎng)關(guān)用作支路數(shù)據(jù)收集器 此方案的優(yōu)點(diǎn)是 分級(jí)數(shù)據(jù)傳遞 避免了網(wǎng)絡(luò)的擁擠 若需要 可進(jìn)行分級(jí)控制 缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化 數(shù)據(jù)多層轉(zhuǎn)發(fā) 傳輸延時(shí)加大 118 S 485主從式 各主節(jié)點(diǎn)80C196按地址巡檢各從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的巡檢周期 報(bào)警信號(hào) 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(yīng)盡可能少的傳輸數(shù)據(jù) 各房間有狀態(tài)變化時(shí) 才傳輸變化的數(shù)據(jù) Lonworks協(xié)議 系統(tǒng)時(shí)間 報(bào)警信號(hào) DI 模入和模出均為網(wǎng)絡(luò)變量傳遞 三表讀數(shù)為消息方式 傳輸周期參見(jiàn)方案一 如圖3 24 119 120 3 5BACnet總線技術(shù)的應(yīng)用 BACnet標(biāo)準(zhǔn)的誕生 結(jié)束了樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域眾多廠家各自為政的局面 BACnet作為一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式數(shù)據(jù)通信協(xié)議 使不同廠家的樓宇設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互操作 即在一個(gè)系統(tǒng)中 允許混用不同廠家的設(shè)備 并能為這些設(shè)備提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信的服務(wù)和協(xié)議的操作平臺(tái) 121 分散建筑之間采用BACnet實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)集成的典型方案如圖3 25所示 該樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) BAS 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表盤和控制器能實(shí)現(xiàn)分個(gè)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(luò)所提供的技術(shù) 快速 便利地傳遞和控制數(shù)據(jù) 通過(guò)網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)之間提供界面 122 圖3 25采用BACnet的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) 123 3 6DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用 124 3 6 1DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議 1 DeviceNet的通信模式和信息交換DeviceNet使用先進(jìn)的生產(chǎn)者 消費(fèi)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(gè)消費(fèi)者需要的相同的數(shù)據(jù) 提高了通信效率 125 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信方式 1 主 從通信 2 多主通信 3 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等通信 4 以上三種通信方式的組合形式其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換 使任何DeviceNet產(chǎn)品都可生產(chǎn)和消費(fèi)報(bào)文 作為生產(chǎn)者或消費(fèi)者 或同時(shí)作為生產(chǎn)者和消費(fèi)者 通?？蓪⒅?從通信方式定義為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的子集 126 2 非破壞性逐位仲裁機(jī)制DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線采用了CAN總線先進(jìn)的非破壞性逐位仲裁機(jī)制 CSMA NBA CarrierSenseMultipleAccesswithNon destructiveBitwiseArbitration 這使線路的使用率達(dá)到100 CAN節(jié)點(diǎn)的發(fā)送過(guò)程可以被網(wǎng)絡(luò)上其他所有節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)并應(yīng)答 在總線空閑時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都可以嘗試發(fā)送 提供了網(wǎng)絡(luò)固有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信能力 127 CAN規(guī)范定義了兩種總線狀態(tài) 顯性 邏輯0 和 隱性 邏輯1 一個(gè)顯性位和一個(gè)隱性位同時(shí)發(fā)送的結(jié)果在總線上將呈現(xiàn)顯性 在仲裁區(qū)傳送期間 每個(gè)發(fā)送器在發(fā)送的同時(shí)都監(jiān)視總線上的當(dāng)前電平 并與它已經(jīng)發(fā)送的位電平進(jìn)行比較 如果值相等那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送 如果發(fā)送了一個(gè)隱性位1 而在總線上監(jiān)視到一個(gè)顯性位0 那么此發(fā)送節(jié)點(diǎn)將失去仲裁權(quán) 停止發(fā)送數(shù)據(jù) 只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)贏得仲裁并繼續(xù)這一幀的發(fā)送 失去仲裁權(quán)的節(jié)點(diǎn)可以在當(dāng)前發(fā)送完成后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù) 因此同時(shí)發(fā)送的多個(gè)節(jié)點(diǎn)中 具有最低值標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)將獲得仲裁優(yōu)先權(quán) 128 與以太網(wǎng)所使用的沖突檢測(cè) CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 相比 DeviceNet總線發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)非破壞性逐位仲裁機(jī)制解決沖突問(wèn)題 而不會(huì)損失數(shù)據(jù)或帶寬 起始位 標(biāo)識(shí)位 位 控制區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū) 序列 分界 位 分界 幀結(jié)束 幀間隔 RTR CRC CRC ACK ACK 129 3 DeviceNet報(bào)文格式 I O報(bào)文 如圖3 26 它適用于實(shí)時(shí)性要求較高的I O端子的信號(hào)輸出 I O報(bào)文數(shù)據(jù)幀中的8位數(shù)據(jù)場(chǎng)不包含任何與協(xié)議有關(guān)的位 只有當(dāng)I O報(bào)文為大報(bào)文經(jīng)過(guò)分割后形成的I O報(bào)文片段時(shí) 數(shù)據(jù)位域中有一位由報(bào)文分割協(xié)議使用 圖3 26I O報(bào)文的格式 130 2 顯式報(bào)文 如圖3 27 它適用于兩個(gè)設(shè)備間多用途的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)報(bào)文傳遞 是典型的請(qǐng)求 響應(yīng)通訊方式 常用于節(jié)點(diǎn)的配置 問(wèn)題診斷等過(guò)程中 顯示報(bào)文通常使用優(yōu)先極低的連接標(biāo)識(shí)符 并且該報(bào)文的相關(guān)信息包含在顯示報(bào)文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位域中 包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對(duì)象的屬性及地址 圖3 27顯式報(bào)文的格式 131 根據(jù)傳送的報(bào)文的性質(zhì)和預(yù)先定義的優(yōu)先級(jí)別 DeviceNet將報(bào)文分為4組 每組對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符及其含義見(jiàn)表3 4 其中11位標(biāo)識(shí)符值越小則其代表的信息的優(yōu)先級(jí)別越高 這種信息組設(shè)計(jì)方法使總線優(yōu)先級(jí)可任意分布 而不僅僅和節(jié)點(diǎn)地址有關(guān) 132 DeviceNet信息組表3 4 133 其中的信息組1通常用于傳送實(shí)時(shí)性要求比較高的I O報(bào)文 信息組2用于傳送預(yù)定義非連接報(bào)文 信息組3用于傳送設(shè)備配置及在線參數(shù)修改的顯式報(bào)文 信息組4用于傳送離線連接報(bào)文信息 6位的源 目的MACID 媒體訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)符 是分配給網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)DeviceNet節(jié)點(diǎn)的唯一的標(biāo)識(shí)符 十進(jìn)制數(shù)值0 63 134 4 DeviceNet的對(duì)象模型為管理和實(shí)現(xiàn)DeviceNet產(chǎn)品組件的屬性 數(shù)據(jù) 服務(wù) 方法或步驟 和行為提供了一個(gè)模板 對(duì)象模型 為每個(gè)屬性提供了4個(gè)數(shù)字組成的尋址方案 它們分別是節(jié)點(diǎn)地址 MACID 對(duì)象類標(biāo)識(shí)符 ClassID 實(shí)例編號(hào) InstanceID 和屬性編號(hào) AttributeID 這四級(jí)地址與顯式報(bào)文連接相結(jié)合 將數(shù)據(jù)從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另外一節(jié)點(diǎn) 135 DeviceNet對(duì)象類的分類 必需對(duì)象類 就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須具備的一些對(duì)象 可選類對(duì)象 是指制造商可以自己根據(jù)具體情況自行決定是否要具備的一些對(duì)象類 一種典型的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象模型見(jiàn)圖3 28 136 圖3 28DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象模型 137 有關(guān)的術(shù)語(yǔ) 1 類 是指表現(xiàn)出相同類型系統(tǒng)成分的對(duì)象的集合 對(duì)象又被稱為對(duì)象類 2 對(duì)象實(shí)例 是指在分類內(nèi)某一特定對(duì)象的具體表示 一個(gè)分類的每個(gè)實(shí)例不但有一組相同的屬性也有自身的一組特定屬性值 3 屬性 是一個(gè)對(duì)象和 或?qū)ο蠓诸惖奶匦?簡(jiǎn)言之 屬性提供狀態(tài)信息或管理對(duì)象的操作 3 服務(wù) 用來(lái)觸發(fā)對(duì)象 分類實(shí)現(xiàn)一個(gè)任務(wù)對(duì)象 4 行為 則表示了它如何響應(yīng)特定的事件 138 3 6 2DeviceNet協(xié)議的應(yīng)用 以斷路器為例設(shè)計(jì)一個(gè)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能 一端與斷路器控制器通信接口相連接 通過(guò)RS 485以Modbus為通信協(xié)議進(jìn)行通信 另一端與DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線相連接 以DeviceNet為通信協(xié)議進(jìn)行通信 協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為整個(gè)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)從站 和其他DeviceNet節(jié)點(diǎn)一起組成DeviceNet網(wǎng)絡(luò) 139 1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 圖3 29斷路器協(xié)議轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計(jì)原理圖 140 協(xié)議轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有如下主要功能 1 能夠在DeviceNet的125K 250K 500K三種波特率下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 2 具有誤接線保護(hù)功能 3 具有看門狗電路以保證協(xié)議程序的順利執(zhí)行 4 提供DevicNet通信波特率撥碼盤 節(jié)點(diǎn)地址選擇開(kāi)關(guān) 5 提供DeviceNet的狀態(tài)LED顯示 6 采用RS 485接口芯片實(shí)現(xiàn)Modbus的消息幀的收發(fā) 7 采用電壓調(diào)節(jié)芯片 從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)電源獲得5V電源 對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分供電 8 能夠適應(yīng)Modbus從1200bps至38400bps的不同通信速率 141 主要器件 單片機(jī)可采用集成CAN控制器的單片機(jī) 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以減少分立元件 提高系統(tǒng)可靠性 調(diào)試起來(lái)也較為方便 可以選用一般的單片機(jī) 不過(guò)這時(shí)要另加一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)的選擇較為靈活 142 CAN控制器在選用CAN通信控制器 又被稱作CAN協(xié)議芯片 時(shí)有兩種方案 選用外接獨(dú)立CAN通信控制器 選用內(nèi)置的CAN通信控制器 即微處理器和CAN控制器集成在一起的 143 CAN芯片的供應(yīng)商很多 可供選擇的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的替代產(chǎn)品 在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的最為廣泛 可供選擇的內(nèi)置CAN控制器的微處理器芯片 如 三菱公司的M16C 6N系列 帶雙口CAN 和M16C 1N系列 Ph