建筑設(shè)備自動化-第二章課件

第二章

計算機(jī)控制系統(tǒng)

與通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7/27/2023基本內(nèi)容：計算機(jī)控制系統(tǒng)的原理、組成及分類；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、分類、通信協(xié)議、傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備。重點(diǎn)和難點(diǎn)：計算機(jī)控制系統(tǒng)的原理，DDC，DCS和FCS的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；BACnet協(xié)議及Lontalk協(xié)議的特點(diǎn)及應(yīng)用場合。7/27/2023第一節(jié)建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)一、計算機(jī)控制技術(shù)1.計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理控制過程：數(shù)據(jù)采集→比較→計算控制量→輸出控制信號性能指標(biāo)要求：穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)性能指標(biāo)：峰值時間，調(diào)節(jié)時間，超調(diào)量等實(shí)時性7/27/2023

2.計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成①硬件部分計算機(jī)：主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線、過程輸入設(shè)備、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備等現(xiàn)場儀表：測量、變送、執(zhí)行7/27/2023②軟件部分系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序；應(yīng)用軟件：過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人機(jī)接口程序、打印程序、公共服務(wù)程序、歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件等。7/27/20233、計算機(jī)控制系統(tǒng)分類按控制形式分：開環(huán)、閉環(huán)按控制規(guī)律分：順序控制常規(guī)控制（PID）先進(jìn)控制（最優(yōu)、預(yù)測）智能控制（模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)）7/27/2023按應(yīng)用分：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）監(jiān)督計算機(jī)控制（SCC）集散控制系統(tǒng)（DCS）－分布式控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）7/27/2023操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1.開環(huán)控制系統(tǒng)2.控制動作由操作人員完成7/27/2023直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）特點(diǎn)：1.閉環(huán)控制系統(tǒng)2.控制任務(wù)由計算機(jī)承擔(dān)3.一臺計算機(jī)通常要控制幾個甚至幾十個回路7/27/2023監(jiān)督計算機(jī)控制（SCC）特點(diǎn)：1.通常采用兩級計算機(jī)2.DDC用計算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)3.SCC用計算機(jī)承擔(dān)高級控制與管理任務(wù)7/27/2023分布式控制系統(tǒng)（DCS）-集散控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1.有多臺微型計算機(jī)2.分散控制，集中管理7/27/2023現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）7/27/2023計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）7/27/2023（1）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）①系統(tǒng)組成過程輸入通道過程輸出通道過程控制計算機(jī)7/27/2023

②基本算法PID：離散化：（T為采樣周期）7/27/2023位置式PID：增量式PID：其中：7/27/2023①體系結(jié)構(gòu)基本思想：分散控制、集中操作分三級：1、現(xiàn)場控制級2、監(jiān)控級3、企業(yè)管理級（2）集散控制系統(tǒng)（DCS）7/27/2023②基本組成現(xiàn)場I/O控制站：采集各種參數(shù)和狀態(tài)信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；信息的傳送與接收；現(xiàn)場控制操作員站：為操作人員提供人機(jī)界面，使操作員及時了解現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)，各種參數(shù)的值是否異常等，并可通過輸入設(shè)備對工藝過程進(jìn)行調(diào)節(jié)；處理歷史數(shù)據(jù)，完成報表、歷史趨勢曲線7/27/2023

工程師站：對系統(tǒng)進(jìn)行離線配置和組態(tài)管理計算機(jī)：收集各部門信息，進(jìn)行分析綜合，并作出決策，實(shí)現(xiàn)管理控制一體化數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)：傳送數(shù)據(jù)7/27/2023③數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)控制用通信網(wǎng)絡(luò)的要求：高的可靠性和安全性良好的實(shí)時性強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的拓卜結(jié)構(gòu)：總線型網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)星形網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：標(biāo)準(zhǔn)的：OSI工業(yè)應(yīng)用：Proway、MapBAS應(yīng)用：BACnet、Lontalk7/27/2023

（3）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)①現(xiàn)場總線的含義現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，是多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。7/27/2023②現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本組成7/27/2023③現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)分散型控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)截止于控制器或現(xiàn)場控制單元，現(xiàn)場信號仍然是一對一的模擬信號傳輸。而現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，即延伸到傳感器、變送器或執(zhí)行器等?，F(xiàn)場設(shè)備互連一對信號傳輸線將N個現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)連接在一起，相互之間能夠進(jìn)行雙向信號傳輸。7/27/2023互操作性來自不同制造廠的現(xiàn)場設(shè)備，不僅可以互相通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需的控制回路，共同實(shí)現(xiàn)控制策略。分散的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線廢棄了DCS的現(xiàn)場控制單元和控制器，把DCS控制器的功能塊分散給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。

通信線供電現(xiàn)場總線常用線為雙絞線，通信線供電方式允許現(xiàn)場儀表直接從通信線上獲取能量。

開放式互連網(wǎng)絡(luò)即可以與同類網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同類型網(wǎng)絡(luò)互連。通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，能把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。7/27/2023現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS7/27/2023集散控制與現(xiàn)場總線控制的區(qū)別7/27/2023集散控制與現(xiàn)場總線控制的區(qū)別7/27/2023集散控制與現(xiàn)場總線控制的區(qū)別7/27/2023DCS和FCS的比較現(xiàn)場級設(shè)備與控制器之間采取一對一（所謂的I/O接線方式，傳遞4-20mA或20VDC信號。采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級的信號（4-20mA或20VDC），使用一根電纜連接所有現(xiàn)場設(shè)備。7/27/20237/27/2023④BAS常用的現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線FF（FoundationField-bus）局部操作網(wǎng)LonWorks(LocalOperatingNetwork)過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（ProcessFieldBus）控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)7/27/20237/27/20237/27/2023應(yīng)用現(xiàn)場總線的集散控制系統(tǒng)7/27/2023二、計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形，總線形，環(huán)形，樹形，點(diǎn)對點(diǎn)BAS多采用總線式或環(huán)式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。且以總線機(jī)構(gòu)最為普遍。7/27/2023

BAS中采用總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性：對于集散系統(tǒng)，采用總線結(jié)構(gòu)把中央站和分站連接在同一通信信道，最能簡化線路敷設(shè)。采用總線結(jié)構(gòu)增掛和摘除分站都十分方便，增設(shè)設(shè)備或改變建筑物的使用意圖時，分站的增減都很容易。尤其對分期建造的BAS有利。在豐富軟件的支持下，可以為某些特殊的監(jiān)控對象或系統(tǒng)設(shè)置專用的二級操作站或遠(yuǎn)程操作終端。7/27/20232.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類按距離分：局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)按傳輸媒體分：有線網(wǎng)，無線網(wǎng)按數(shù)據(jù)交換方式分：共享形網(wǎng)絡(luò)，交換形網(wǎng)絡(luò)7/27/2023建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)是一種局域網(wǎng)。局域網(wǎng)的種類：構(gòu)成辦公自動化系統(tǒng)。構(gòu)成終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。構(gòu)成實(shí)時過程控制系統(tǒng)，并逐步將信息管理系統(tǒng)納入其中。7/27/20233.計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

協(xié)議是關(guān)于信息交換的術(shù)語，由語法、語義和定時三部分組成。開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型一個典型的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在工業(yè)和商業(yè)的控制系統(tǒng)上，按照布置所有的開放系統(tǒng)元件，使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議作為本系統(tǒng)語言，無需翻譯，可以相互通信。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的ISO7498所定義的開放系統(tǒng)互連模型OSI作為通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型，它詳細(xì)描述了軟件功能的七個層次。如表一所示：7/27/20237/27/2023

建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：

TCP/IP協(xié)議,BACnet協(xié)議,Lontalk協(xié)議①

TCP/IP協(xié)議主要用于Internet的數(shù)據(jù)交換，一系列協(xié)議集合的總稱。TCP：面向連接的協(xié)議。IP：以數(shù)據(jù)報的形式傳輸數(shù)據(jù)。TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)：物理層（數(shù)據(jù)鏈路層）、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。7/27/2023概述

BACnet通信協(xié)議是由美國供熱、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）發(fā)起制定并得到美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）的批準(zhǔn)，由樓宇自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)商、用戶參與制定的一個開放性標(biāo)準(zhǔn)。是一個完全開放的建筑設(shè)備自控網(wǎng)。主要包括建筑設(shè)備自動控制功能及其數(shù)據(jù)信息的表示方式、五種LAN通信協(xié)議及它們之間的通信協(xié)議組成。②

BACnet協(xié)議7/27/2023BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)：由一系列與軟件及硬件相關(guān)的通信協(xié)議組成，規(guī)定了計算機(jī)控制器之間所有對話方式。BACNet參考并簡化了OSIRM（開放系統(tǒng)互連參考模式），形成包容許多局域網(wǎng)的簡單而實(shí)用的四級體系結(jié)構(gòu)。7/27/2023

BACnet協(xié)議的信息數(shù)據(jù)表示方式：

BACnet協(xié)議信息數(shù)據(jù)表示方式定義了18種標(biāo)準(zhǔn)對象類型（通過“對象”把DDC內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成通用的、明確的、抽象化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信），通過不同對象的組合實(shí)現(xiàn)DDC不同的控制功能。7/27/2023設(shè)備對象：每一臺設(shè)備都具有一個設(shè)備對象，它的屬性用以描述該設(shè)備的全部特性。為各種對象定義了123種屬性。7/27/2023BACnet數(shù)據(jù)通信協(xié)議的服務(wù)功能：定義：是一個BACnet設(shè)備向其它BACnet設(shè)備進(jìn)行申請、獲取信息，命令其它BACnet設(shè)備執(zhí)行某種操作或通知事件已經(jīng)發(fā)生的方法。BACnet定義了35種服務(wù)功能，分為6組。報警與事件服務(wù)、文件訪問服務(wù)、對象訪問服務(wù)、遠(yuǎn)程設(shè)備管理服務(wù)、虛擬終端服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)安全性。這些服務(wù)又分為兩種類型：一種是確認(rèn)服務(wù)（C），令一種是不確認(rèn)服務(wù)（U）。7/27/2023

BACnet協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：BACnet采用5種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳送：Ethernet、BACnet、MS/TP（主從/令環(huán)牌）、PTP（點(diǎn)對點(diǎn)）、LonTalk。為BACnet制定的通信協(xié)議，用于單元控制器及其它IO設(shè)備之間。用于RS-232口直接或通過MODEM從遠(yuǎn)程工作站撥號。選用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原因：用各種不同的局域網(wǎng)性價比適應(yīng)不同場合的要求。對于不同要求的系統(tǒng)，采用不同的通信速率和通信量的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)，選用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以適應(yīng)不同的要求。7/27/2023

BACnet與企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)Internet的互聯(lián)必須采用IP協(xié)議的方式進(jìn)行，需要附加傳輸層協(xié)議。在BACnet中引入分組裝拆器（PAD）進(jìn)行BACnet/IP通信。7/27/20231#2#3#7/27/20237/27/2023③Lontalk協(xié)議

Lontalk協(xié)議是LonWorks技術(shù)所使用的通信協(xié)議，是LonWorks技術(shù)的核心技術(shù)之一。

LonWorks

技術(shù)概述

LonWorks技術(shù)由美國Echelon公司20世紀(jì)90年代初開發(fā)推出的點(diǎn)對點(diǎn)雙向通信的單層分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

Lonworks技術(shù)基于LonTalk協(xié)議采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式把控制單元連接成開放的測控網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模式。

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LonWorks組成

LonWorks的技術(shù)組成包括LonWorks節(jié)點(diǎn)、路由器、LonTalk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器、LonWorks網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具和節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具。

LonWorks節(jié)點(diǎn)：Neuron芯片節(jié)點(diǎn)和基于Neuron的HostBase節(jié)點(diǎn)。

Neuron芯片（神經(jīng)元芯片）節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、固件和I/O接口電路組成，具備通信和控制功能為一體。核心技術(shù)7/27/2023

Neuron芯片：

Neuron芯片固化有OSI模型的全部七層協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)完整的Lonworks的LONTALK通信協(xié)議。其上集成有三個8位CPU：其中一個CPU完成OSI模型第一和第二層功能，稱為介質(zhì)訪問處理器；一個CPU是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)和用戶代碼；還有一個CPU是網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)元芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。7/27/2023每個Neuron芯片幾乎都具有應(yīng)用CPU、I/O處理單元和通信處理器等功能模塊。7/27/2023每個Neuron芯片都有一個48bit的永久性固化序號ID，用作安裝調(diào)試階段的節(jié)點(diǎn)地址。7/27/20237/27/2023LonTalk協(xié)議是LonWorks系統(tǒng)的靈魂，它固化于神經(jīng)元芯片中，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。執(zhí)行ISO/OSI參考模型，提供全部七層服務(wù)。七層結(jié)構(gòu)自下而上依次稱為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層及應(yīng)用層。

主要功能是管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信，分配節(jié)點(diǎn)地址，運(yùn)行內(nèi)含的沖突檢測/回避算法，控制物理的/電氣的連接等。LonTalk協(xié)議：7/27/2023

LonWorks技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活，組網(wǎng)方便。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)具有自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以是總線型、星型、樹型、復(fù)合型等，實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)對點(diǎn)通訊。LonWorks

技術(shù)支持多種通訊介質(zhì)和多種傳輸速率。支持的通訊介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜、光纖、無線微波、紅外線、超聲波等，甚至多種介質(zhì)能在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。完善的開發(fā)工具。無主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。開發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間短，易于維護(hù)。7/27/2023

LonWorks的介質(zhì)訪問控制算法原則：盡量避免或者盡可能減少碰撞來設(shè)計。LonWorks的MAC算法使得信道在極少發(fā)生碰撞的情況下以其最大能力工作，仍然具有優(yōu)異的性能。將重發(fā)等待時間隨機(jī)化，可減少碰撞發(fā)生。7/27/2023

NeuronC語言，從ANSIC派生而來，并對其進(jìn)行了補(bǔ)充和刪減，便于開發(fā)人員高效開發(fā)分布式LonWorks。

LonWorks互操作性的實(shí)現(xiàn)

LonWorks系統(tǒng)的互操作標(biāo)準(zhǔn)是由LonMark互操作協(xié)會制定的一套標(biāo)準(zhǔn)（LonMark

）。凡產(chǎn)品按該規(guī)定生產(chǎn)，就可以結(jié)合在一起，互相通訊和工作。同類產(chǎn)品，不同廠家生產(chǎn)，可以相互替換，實(shí)現(xiàn)了互操作。這樣的產(chǎn)品飾以LonMark標(biāo)記。

LonWorks的應(yīng)用編程高級語言7/27/20237/27/2023BACnet和LonWorks的比較在建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)中，BACnet和LonMark標(biāo)準(zhǔn)互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時控制域和管理信息域的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)作。兩者盡管目標(biāo)不一致，但在應(yīng)用時卻有交叉。7/27/2023

BACnet協(xié)議是為實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)互聯(lián)而制定的標(biāo)準(zhǔn)。BACnet有比LonMark更為大量的數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)作高級復(fù)雜的大信息量，有更強(qiáng)大的過程處理、組織處理能力。適于大型智能建筑，大型智能建筑其分為若干區(qū)域，此時很有可能幾個不同的系統(tǒng)（不同廠家的）存在。如果希望可以在一個用戶界面進(jìn)行整個系統(tǒng)的操作，