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1、第 章建筑电气总线技术及其应用 2 3 1现场总线技术的技术特点3 2建筑电气总线技术3 3现场总线技术的应用3 4LonWorks技术及其应用 3 5BACnet总线技术的应用 3 6DeviceNet现场总线技术的应用 3 7CAN总线的应用 3 8自动化网络结构 本章主要内容 3 现场总线技术 fieldbus 是一种开放式 新型全分布控制系统 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 4 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
2、制信号进行转换 传递 特点 精度差 受干扰信号影响大 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 5 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 DirectDigitalControl DDC 技术 随后产生了各种以DDC技术为基础的集散控制系统 DistributedControlSystem DCS 数字化作为一种趋势从工业生产的决策层 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 FieldbusControlSystem FCS 6 3 1
3、 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 7 3 1 3现场总线技术的优点 1 节省硬件数量与投资2 节省安装维护费用 系统具有远程监控功能和故障诊断功能 用户具有高度的系统集成主动权 现场设备更换和系统扩展更为方便 系统的准确性与可靠性高 易于系统调整 为企业信息系统的构建创造了重要条件 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 Communic
4、ation 即3C技术 发展汇聚的结果 IEC对现场总线一词的定义为 现场总线是一种应用于生产现场 在现场设备之间 现场设备与控制装置之间实行双向 串行 多节点数字通信的技术 9 传感器变送器 控制单元 温度 压力 流量 屏蔽抗干扰传输技术 直流到几百赫低频范围 0 5V电压 4 20mA电流 短距离范围 几十米 传感器变送器 温度 压力 流量 控制单元 A D现场仪表 距离范围大 1000米 模拟控制信号传输特征 数字化 现场总线 数字方式传输 Sensor Transmitter 10 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 11 图3 1现场总线
5、的几种连接方式 12 点对点方式 每个现场仪表都单独接到低速 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 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 再引到控制室中去 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 13 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 InternationalOrganizationforStandardization OpenSystemInterconnection 模
6、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 14 图3 2ISO OSI模型 15 Layer1 PhysicalLayer ThePhysicallayerdefinesthetypeofelectricalsignal andtypeofconnectors suchasRS 232orRJ 45 tobeusedfortheNetworkInte
7、rfaceCard NIC 16 Layer2 DataLinkLayer TheDataLinklayerdefinestheframeformat suchasstartoffame endofframe sizeofframe andtypeoftransmission 17 Layer3 NetworkLayer ThefunctionoftheNetworklayeristoperformrouting Routingdeterminestherouteorpathwayformovinginformation 18 TheNetworklayerchecksthelogicalad
8、dressofeachframeandforwardstheframetothenextrouterbasedonalookuptable Thenetworklayerisresponsiblefortranslatingeachlogicaladdresstoaphysicaladdress 19 Layer4 TheTransportlayerprovidesforthereliabletransmissionofdatainordertoensurethateachframereachesitsdestination 20 If afteracertainperiodoftime th
9、eTransportlayerdoesnotreceiveanacknowledgmentfromthedestination itretransmitstheframeandagainwaitsforacknowledgmentfromthedestination 21 Layer5 TheSessionlayerestablishesalogicalconnectionbetweentheapplicationsoftwocomputersthatarecommunicatingwitheachother Itallowstwoapplicationontwodifferentcomput
10、erstoestablishandterminateasession 22 Whenaworkstationconnectstoaserver theserverperformstheloginprocess requestingausernameandpassword Thisisanexampleofestablishingasession 23 Layer6 ThePresentationlayerreceivesinformationfromtheApplicationlayerandconvertsittoaformacceptablebythedestination 24 Laye
11、r7 TheApplicationlayerenablesuserstoaccessthenetworkwithapplicationssuche mail andTelnet 25 图3 3典型的现场总线协议模型 图3 2ISO OSI模型 26 典型的现场总线协议模型 见图3 3 采用四层结构 物理层 数据链路层 总线访问子层和应用层 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 27 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
12、性及完整性 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 28 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 周期式 立即响应式 一次性方式及使用者请求方式等 现场总线的通信模型特点 结构简单 执行协议直观 价格低廉等 且能满足工业现场应用的性能要求 29 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
13、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 目前几种主要的建筑电气总线 30 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1 5Mbps不等 最远通信距离可达2700m 节点总数可达32000个 31 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
14、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 其应用范围包括工业控制 楼宇自动化 航空 航天等 32 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 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
15、作的各种元器件 几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要 EuropeInstallBus EIB ElectricalInstallBus EIB 形象 33 EIB总线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 CarrierSenseMultipleAccess CollisionAvoid 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 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
16、市场上提供的主要以双绞线系统为主 34 EIB总线的主要适用范围 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 35 3 2 3CAN总线 CAN是控制器局域网络 ControllerAreaNetwork 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 36 1 CAN总线网络的主要特点 CAN协议采用了ISO OSI模型中的物理层 链路层与应用层三层结构 CAN的最高通信速率为1Mbps 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
