3 第三章_建筑电气总线技术及其应用

第３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43.1.1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。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)。63.1.2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73.1.3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３.系统具有远程监控功能和故障诊断功能４.用户具有高度的系统集成主动权５．现场设备更换和系统扩展更为方便６．系统的准确性与可靠性高７．易于系统调整８．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(Communication)（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,Transmitter10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服务器桥多路转换器专用数字通讯H1树形拓扑点对点带桥H1数字控制系统现场总线现场设备H1H2H1............CVC图3-1现场总线的几种连接方式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。133.1.5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。14ApplicationLayerPresentationLayerSessionLayerTransportLayerNetworkLayerDataLinkLayerPhysicalLayer7654321图3.2ISO/OSI模型15Layer1:PhysicalLayer:ThePhysicallayerdefinesthetypeofelectricalsignal,andtypeofconnectors(suchasRS–232orRJ–45)tobeusedfortheNetworkInterfaceCard(NIC).16Layer2:DataLinkLayer:TheDataLinklayerdefinestheframeformat,suchasstartoffame,endofframe,sizeofframe,andtypeoftransmission.17Layer3:NetworkLayer:ThefunctionoftheNetworklayeristoperformrouting.Routingdeterminestherouteorpathwayformovinginformation.18TheNetworklayerchecksthelogicaladdressofeachframeandforwardstheframetothenextrouterbasedonalookuptable.Thenetworklayerisresponsiblefortranslatingeachlogicaladdresstoaphysicaladdress.19Layer4:TheTransportlayerprovidesforthereliabletransmissionofdatainordertoensurethateachframereachesitsdestination.20If,afteracertainperiodoftime,theTransportlayerdoesnotreceiveanacknowledgmentfromthedestination,itretransmitstheframeandagainwaitsforacknowledgmentfromthedestination.21Layer5:TheSessionlayerestablishesalogicalconnectionbetweentheapplicationsoftwocomputersthatarecommunicatingwitheachother.Itallowstwoapplicationontwodifferentcomputerstoestablishandterminateasession.22Whenaworkstationconnectstoaserver,theserverperformstheloginprocess,requestingausernameandpassword.Thisisanexampleofestablishingasession.23Layer6:ThePresentationlayerreceivesinformationfromtheApplicationlayerandconvertsittoaformacceptablebythedestination.24Layer7:TheApplicationlayerenablesuserstoaccessthenetworkwithapplicationssuche-mail,andTelnet.25应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层76543217136542总线访问子层物理层应用层数据链路层图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。293.2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。目前几种主要的建筑电气总线：303.2.1LonWorks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，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．323.2.2EIB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：⑴住房建筑尤其是独立型住宅如别墅等⑵公用建筑中的部分单体建筑如报告厅、会议室、大堂等⑶大空间的单体建筑如影剧院、体育场馆等⑷大范围公共区域的电气控制如住宅小区、广场等⑸桥梁、道路等远距离照明控制353.2.3CAN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