现场总线技术及其应用

1第三章现场总线技术及其应用2现场总线技术(fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络，它是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技术，己受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。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33.1.1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。由于其精度差、受干扰信号影响大，因而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。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。420世纪80年代初期，计算机和微处理器有了突破性的发展，产生了直接数字技术（DirectDigitalControl，DDC）技术。随后在计算机网络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）。随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的成熟和发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、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FCS（Fieldbuscontrolsystem）。53.1.2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63.1.3现场总线技术的优点现场总线具有的数字化、开放性、分散性、互操作性和互换性及对现场设备环境的适应性等特点决定和派生了其一系列优点：1.节省硬件数量与投资2.节省安装费用3.节省维护开销74．系统具有优异的远程监控功能和强大的（远程）故障诊断功能5．用户具有高度的系统集成主动权6．现场设备更换和系统扩展更为方便7．提高系统的准确性与可靠性8．易于系统调整9．为企业信息系统的构建创造了重要条件83.1.4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。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。9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H2H2H2............CVC图3-1现场总线的几种连接方式101.点对点方式每个现场仪表，包括智能变送器、支持维护的装置及手持通信器等，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。2.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，然后再引到控制室中去。3.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。113.1.5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。12应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层12345677136542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13典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看，现场总线有很大特色。141.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。2.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。153.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。现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。4.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，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。16现场总线的通信模型具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。173.2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。以下就是目前几种主要的建筑电气总线。183.2.1LonWorks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。它由美国埃斯郎（Echelon）公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。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15Mbps不等，最远通信距离可达2700m（通信速率为78kbps，双绞线），节点总数可达32000个。19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，远远超过了任何其他测控现场总线，其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销售额中，40%是工业控制，30%是楼宇自动化。203.2.2EIB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），总部设在比利时的布鲁塞尔。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，各类产品品种多达4000多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。21EIB和其它现场总线协议一样，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（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，而且EIB有自己的优先权定义以保证信号按照一定的次序先后传送。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。目前在中国市场上提供的主要以双绞线系统为主。22经过对这些年EIB在中国的应用情况的分析，可以看出它主要适用于：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233.2.3CAN总线CAN是控制器局域网络(ControlAreaNetwork)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。241.CAN总线网络的主要特点⑴CAN协议遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层，链路层与应用层的三层结构。⑵CAN的最高通信速率为1Mb/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。⑶CAN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，每帧信息均有CRC效验和其他检错措施，通信误码率极低。25⑷CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统，且无主从之分。⑸CAN总线可以工作在多主方式，网络上任一节点均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分主从，通信方式灵活。⑹CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。⑺CAN不能支持防爆区。262.CAN总线的控制方式CAN自诞生以来，以其独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。CAN总线作为一种建筑电气总线在智能楼宇中的控制方式见图3-4。27图3-4CAN总线控制方式DDC冷却系统DDC制冷系统DDC冷冻水系统DDC热力系统DDC空气调节系统DDC空气处理系统DDC变风量（VAV）系统DDC整体式空调机DDC电梯、自动扶梯系统DDC风机盘管DDC送风系统DDC排风系统DDC排水及污水处理系统DDC生活给水系统DDC供配电设备监视系统DDC照明系统v分站分站CANBUS283.2.4BACNET总线BACnet是ADataCommunicationProtocolforBuildingAutomationandControlNetwork的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。1987年，美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE）的标准项目委员会调集了全球20多位业内著名专家，经过8年半时间，在1995年6月，ASHARE正式通过全球首个楼宇自控行业通讯标准——BACnet。BACnet标准的目的是——为计算机控制暖通空调和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议，从而使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。29BACnet是一个开放的建筑电器气总线，选用一种成熟的局域网技术，其标准是遵从和参照国际标准化组织的开放系统互联模型，采用了4层结构：应用层、网络层、数据链路层和物理层。BACnet标准体系结构与OSI/ISO的参照图，如图3-5所示。30图3-5BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图ISO8802-2(IEEE802.2)类型1ISO8802-3(IEEE802.3)ARCNETMS/TP（主从/令牌传递）EIA-485（RS485）PTP（点对点协议）EIA-232（RS232）LonTalkBACnet应用层BACnet网络层数据链路层应用层网络层物理层BACnet协议的层次对应ISO的层次311.BACnet的基本内容楼宇设备的表示模型——对象用来表示楼宇设备（如输入