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1、第2章,2.1 建筑设备自动化系统的技术基础 2.1.1 计算机控制技术 2.1.2 计算机通信网络技术 2.2 建筑设备自动化控制系统的集成技术 2.2.1 智能建筑系统集成的内容 2.2.2 智能建筑系统集成的模式 2.2.3 智能建筑的综合布线技术,2.1.1 计算机控制技术,1.计算机控制系统的基本原理 2.计算机控制系统的组成 3.计算机控制系统的分类,1.计算机控制系统的基本原理,(1)数据采集 对被控参数实时检测并转化成标准信号输入到计算机。 (2)控制 计算机对采集的数据信息进行分析、求偏差并按照已确定的控制算法进行运算，发出相应的控制指令，产生调节作用施加与被控对象。,图2-
2、1 计算机控制系统的基本框图,2.计算机控制系统的组成,(1)硬件部分 硬件主要包括主机、外围设备、过程输入输出通道、人机联系设备等。 (2)软件部分 对于计算机控制系统而言，除了硬件组成部分以外，软件同样必不可少。,图2-2 计算机控制系统的组成框图,(1)硬件部分,1)主机。 2)外围设备。 3)过程输入输出通道。 模拟量输入通道(AI)。它将测量变送器输出的、反映生产过程的被控参数(如温度、压力、流量、物位、湿度等)的标准电流信号DC 010mA或DC 420mA转变为二进制数字信号，经接口送与计算机。其组成如图2-3所示。,数字量输入通道(DI)。它将反映生产过程或设备的、具有二进制逻
3、辑“1”和“0”特征的状态参数信号(如电气开关的闭合/断开、指示灯的亮/灭、继电器或接触器的吸合/释放、电机的起动/停止等)采集并输送给计算机。其对应的二进制逻辑“1”和“0”数字信号均代表生产过程或设备的一个状态，这些状态作为控制的依据。它主要由输入调理电路、输入缓冲器和输入地址译码器等组成，如图2-5所示。输入调理电路接受反映生产过程或设备的、具有二进制逻辑“1”和“0”特征的状态参数信号。由于采集状态参数信号时，可能存在的瞬间高压、过电流、接触抖动等现象，必须把采集到的 模拟量输出通道(AO)。它是计算机控制系统实现连续,数字量输出通道(DO)。它是计算机控制系统实现断续控制的关键部分，
4、主要由输出寄存器、地址译码器和输出驱动器等组成，如图2-9所示。 4)人机联系设备。,图2-3 模拟量输入通道的组成,图2-4 信号的采样过程,图2-5 数字量输入通道的组成结构,图2-6 输入调理电路的结构形式 a)小功率输入调理电路 b)大功率输入调理电路,图2-7 数字量输入接口,图2-8 模拟量输出通道的组成结构,图2-9 数字量输出通道的组成结构,图2-10 数字量输出接口,图2-11 输出驱动器的结构形式,3.计算机控制系统的分类,(1)操作指导控制系统 操作指导控制系统是指计算机的输出只是对系统的过程参数进行采集、处理，然后输出反映生产过程的数据信息，并不直接用来控制生产对象。
5、(2)直接数字控制系统(DDC) 直接数字控制DDC(Direct Digital Control)系统是用一台计算机对多个参数进行实时数据采集，按照一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到执行机构，直接对生产过程施加连续调节作用，使被控参数按照工艺要求的规律变化。 (3)计算机监控系统 计算机监控(SCC，Supervisory Computer Control)系统采用两级计算机模式。,(4)分布式控制系统(DCS) 分布式控制系统(Distributed Control System)又称集散控制系统。 (5)现场总线控制系统 现场总线控制系统(FCS，Field-bus Contro
6、l System)是一种全数字、半双工、串行双向通信系统。 (6)建筑物自动化系统的现场总线 随着现场总线技术在工业自动化领域的广泛应用，一些现场总线技术凭借其优势，逐渐在一些应用领域形成较大的影响。 (7)计算机集成制造系统CIMS(Computer Integration Manufacture System) 计算机集成制造系统不但承担着面向过程控制和优化的任务，而且基于获得的生产过程信息，完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理，如图2-17所示。,图2-12 操作指导控制系统原理图,图2-13 DDC控制系统原理图,图2-14 SCC+DDC控制系统原理图,1)现场I/O控制站
7、。 实时采集表征生产过程的各种参数(如温度、压力、流量、物位、湿度、电流、电压、功率等)和状态信号(如设备的起/停、电气开关的闭/开、触点的吸合/释放、灯的亮/灭等)，经数字化处理后，送入存储器储存，从而形成一个反映生产现场实际工况，而且对所采集到的数据信息进行实时更新的实时映象(动态数据库)。 将其采集到的实时数据信息通过通信网络上送至操作员站、工程师站及其他现场I/O控制站，以便实现全系统范围内的控制、监督和管理；同时，现场I/O控制站还可以接受来自操作员站、工程师站的下传指令，实现对现场I/O控制站工艺参数设定值的变更，以及现场工况的人工调控。 担任现场的闭环负反馈控制、批量控制、顺序控
8、制等任务。,2)操作员站。 3)工程师站。 4)DCS的通信网络。,图2-15 DCS控制系统原理图,1)现场总线控制系统的基本组成。 2)现场总线控制系统的特点。 现场通信网络。现场总线将通信线一直延伸到生产现场的生产设备，构成现场智能仪表互连的通信网络，信号传输全数字化，抗干扰力强，精度高。避免了传统的DC 420mA模拟信号在传输过程中的信号衰减、精度下降、噪声干扰的引入等问题。 现场设备互连。由于现场智能节点之间通过一对信号传输线互连，一对信号传输线使得N个现场智能节点能够双向传输信号。这种一对N的形式使得系统的接线简单，投资/安装费用下降，维护简便，增加或减少现场智能节点容易实现，只
9、需将其挂接到信号传输线上或从信号传输线上直接拆除。,互操作性。由于现场总线设备实现了功能模块及其参数的标准化，因此设备间有很好的互操作性。来自不同制造厂家的现场设备可以异构，组成统一的系统。用户可以自由地选择性能价格比最优的、不同品牌的现场设备，将它们集成在一起，实现“即插即用”，克服DSC产品互不兼容，方便了用户。 分散的系统结构。FCS废弃了DCS的I/O控制站，将其I/O单元和控制功能块分散给现场仪表，用户通过选用现场仪表，并对其统一组态，就可以控制回路，从而构成虚拟控制站。每个现场仪表作为一个智能节点，能够完成数据信息的采集、运算，执行控制指令和通信等功能，任何一个节点发生故障仅影响局
10、部而不会危及全局，从而实现了彻底的分散，提高了系统的可靠性、灵活性和自治性。,开放式互连网络。现场总线为开放式互连网络，所有的技术和标准均是公开的，面向所有的用户和制造商。因此，用户根据需求可以自由地集成不同制造商的通信网络，既可以与同类网络互连，也可以与不同网络互连，极大地方便用户共享网络数据库的信息资源。 通信线供电。该方式允许现场智能节点直接从通信线(现场总线常用的信号传输线为双绞线)上摄取能量，节省电源、低功耗、本质安全。,图2-16 FCS控制系统原理图,1)基金会现场总线FF(Foundation Field-bus)FF以ISO/OSI开放系统互连参考模型为基础，取其物理层、数据
11、链路层、应用层作为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 2)局部操作网络LonWorks(Local Operating Network)LonWorks是由美国Echelon公司在1991年推出的实时测控网络，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。 3)过程现场总线PROFIBUS(Process Field Bus)PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。 4)控制局域网络CAN(Control Area Network)CAN是
12、由德国Bosch公司推出的，用于汽车内部的测控网络，其总线规范已成为ISO11898标准。,5)可寻址远程传感器高速通道HART(Highway Addressable Remote Transducer)是由美国Rosement公司研制的模拟信号/数字信号混用的过渡性产品，它在DC 420mA的模拟信号上叠加Bell202标准的双频信号(1200 Hz和2200Hz)实现了数字信号通信。,图2-17 CIMS控制系统原理图,2.1.2 计算机通信网络技术,1.计算机通信技术 2. 计算机网络拓扑结构 3.计算机网络分类 4.开放系统互连参考模型 5.TCP/IP 6.BACnet 7. Lo
13、nTalk协议 8.计算机网络的传输媒体 9.计算机网络的互连设备,1.计算机通信技术,(1)单工(Sinplex) 数据信息在信道上只能在一个方向上传送，信源只能发送，信宿只能接受，如无线电广播和电视广播。 (2)半双工(Half Duplex) 数据信息在信道上能在两个方向上传送，信源和信宿可交替发送和接受数据信息，但不能同时发送和接受，如航空、航海无线通信和对讲机通信。 (3)全双工(Full Duplex) 信源和信宿可同时在信道上双向发送和接受数据信息，但要求信道具备满足双向通信的双倍带宽，如电话通信。,图2-18 通信系统模型,(3)全双工(Full Duplex),1)无噪声条件
14、下，奈奎斯特公式 2)有噪声干扰作用下，香农计算公式,图2-19 周期方波频谱,2. 计算机网络拓扑结构,1)星形拓扑。 2)总线型拓扑。 3)环形拓扑。 4)树形拓扑。 5)星环形拓扑。,图2-20 星形拓扑结构,图2-21 总线型拓扑结构,图2-22 环形拓扑结构,图2-23 树形拓扑结构,图2-24 星环形拓扑结构,3.计算机网络分类,(1)按照距离分类 (2)按照传输媒体分类 (3)按数据交换方式分类,(1)按照距离分类,1)局域网(LAN，Local Area Network)：即在一个适中的地理范围内，通过物理信道，以适中的数据传输速率，使彼此相互独立的数字通信设备实现互连并进行通
15、信的一种数据通信系统。 2)广域网(WAN，Wide Area Network)：它是利用公共远程通信设施，实现用户之间的快速信息交换或者为用户提供远程信息资源的服务。 3)城域网(MAN，Metropolitan Area Network)城域网的覆盖范围在局域网和广域网之间，一般为550km。,(2)按照传输媒体分类,1)有线网：它使用导向型传输媒体来发送信息。 2)无线网：它使用非导向型传输媒体来进行通信。,(3)按数据交换方式分类,1)共享型网络：即网络上的计算机必须争得传输媒体的使用权后方能传输信息。 2)交换型网络：它的每个工作站都独立地占有一定带宽，采用分组交换的数据传输方式，网
16、络运行效能高。,4.开放系统互连参考模型,(1)物理层(Physical Layer) 物理层是OSI参考模型的第1层，向下是物理设备的接口，直接与传输媒体相链接，使比特流通过该接口从信源传递到信宿；向上为数据链路层提供服务(以建立物理链接和数据传输等方式提供服务)。 (2)数据链路层(Data Link Layer) 数据链路层是OSI参考模型的第2层，其主要任务是提供一种可靠的、通过传输媒体传输数据的方法。 (3)网络层(Network Layer) OSI参考模型的第3层是网络层，它主要承担把信息从一个网络节点传送到另一个网络节点。,(4)传输层(Transport Layer) 传输层是OSI参考模型的第4层，是高层和低层之间进行衔接的接口层，也是通信子网和资源子网的界面。 (5)会话层(Session Layer) OSI参考模型的第5层是会话层。 (6)表示层(Presentation Layer) 表示层是OSI参考模型的第6层，它负责处理传输数据的格式、语法、语义的问题，由于信源和信宿双方的数据表示不尽相同，所以需要建立数据交换的格式
