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​现场总线控制系统

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现场总线控制系统

以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)是以网络为基础的开放型控制系统。现场总线是控制现场智能化设备之间的数字式、双向传输、多结点和多分支结构的数字通信网络,也被称为开放式、数字化多点通信的底层控制网络。集散型控制系统(DCS)是把控制网络连接到现场控制器(DDC)。而现场总线控制系统则把通信线一直连接到现场设备。它把单个分散的测量控制设备变成网络结点,以现场总线为纽带,组成一个集散型的控制系统。它适应了控制系统向分散化、网络化、标准化和开放性发展的趋势,是继集散型控制系统(DCS)之后的新一代控制系统。

更重要的是新型的现场总线控制系统(FCS)用公开的、标准化的通信网络代替了集散型控制系统(DCS)的专用网络,实现了不同厂商现场设备之间的兼容与互换性。

21现场总线系统的结构特点

集散型控制系统(DCS)中的现场控制器输入端连着传感器、变送器,输出端连着执行器。由控制器完成对现场设备的控制。传输的是模拟量信号和开关量信号,是一对一的物理连接。

随着电子技术、计算机技术、通信技术、控制技术等的不断发展,自动控制系统的现场仪表与装置的技术水平迅速提高,出现了大量的智能化现场设备。智能化的现场设备不仅能检测、转换、传递现场参数(温度、湿度、压力等),接收控制、驱动信号执行调节、控制功能外,还含有运算、控制、校验和自诊断功能,智能化的现场设备自身就能完成基本的控制功能。这种智能化现场设备具有很强的通信能力。通过标准化的网络,将智能化的现场设备联系在一起,构成现场总线控制系统,实现了彻底的集散控制。现场总线系统的特点有以下几个方面。

1.系统的开放性

现场总线为开放式的互连网络,既能与同类网络互连,也能与不同类型网络互连。开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接,通信协议的公开,使遵守同一通信协议不同厂家的设备之间可以实现互换。用户可按自己的需要,选用不同供应商的产品,通过现场总线构筑自己所需要的自动化系统。

2.互操作性与互换行

互操作性是指不同生产厂家性能类似的设备不仅可以相互通信,并能互相组态,相互替换构成的控制系统。

3.现场设备的智能化与功能自治性

现场总线系统将传感测量、计算与转换、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成;仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的完好状态。

4.分散的系统结构

现场总线系统把集散控制系统(DCS)中的现场控制功能分散到现场仪表,取消了DCS中的DDC,它把传感测量、补偿、运算、执行和控制等功能分散到现场设备中完成,体现了现场设备功能的独立性。构成新的分散控制的系统结构,简化了系统结构,提高了可靠性。现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线可以挂接多个设备,当需要增加现场控制设备时,可就近连接在原有的双绞线上,既节省了投资,也减少了安装的工作量。

用户可以选择不同厂商所提供的设备来集成系统,避免因选择了某一品牌的产品而限定了以后使用设备的选择范围,也不会出现系统集成中协议、接口不兼容等问题。

5.现场总线控制系统的优点

>智能变送器DDC直接进行数据通信;

>总线取代传感器与DDC间的单独布线;

>现场仪表的功能与精度大为提高;

>多功能仪表大量出现;

>设备的选择范围大大扩展。

2.5.2楼字自动化中的现场总线技术

20世纪80年代以来,出现了多种现场总线,目前国际上流行的现场总线有40多种。比较著名的有:IEC61158、Control Net、ProfiBus(Process Field Bus)、P-Net、FF HSE、Swift Net、World FIP、Interbus等。在楼宇自动化系统中,国际上流行的有LonWorks和CAN两种现场总线标准。

1.LonWorks总线

这是一种具有强大功能的现场总线技术。它是由美国Echelon公司于1990年正式公布而形成的现场总线标准。LonWorks总线采用了ISO/OSI模型的全部7层通信协议,采用了面

向对象的设计方法。它把单个分散的测量控制设备变成网络结点,通过网络实现集散控制。

通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通信速率从300kbps至1.5Mbps不等,直接通信距离可达2700m(78kLps,双绞线);支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等多种通信介质,并开发了相应的安全防爆产品。

2.CAN总线

CAN总线最早是由德国Bosch公司推出的控制局域网络,开始主要用于汽车内部测量与执行机构之间的数据通信。CAN总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准。并得到Motorola、Intel、Philip、Siemens和NEC等公司的支持,被广泛应用于离散控制领域。CAN协议建立在国际标准化组织的开放系统互连模型的基础上,它的模型结构只有3层—ISO底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN总线信号传输介质为双绞线,以1Mbps传输,最远直接传输距离可达40m;以5kbps传输,最远直接传输距离可达10km,最多可挂接设备数110个。

2.5.3LonWorks总线

LonWorks技术为现场总线控制系统的集中管理、分散控制的方式提供了很强的实现手段。设备供应商提供了多种以LonWorks总线技术为基础的现场总线控制系统。

2.5.3.1概述

LonWorks采用开放式ISO/OSI模型的全部7层通信协议结构,被誉为通用控制网络,各层功能见表2.5。

表2.5LonWorks模型分层

image.png表2.5LonWorks模型分层

2.5.3.2LonWorks总线技术

LonWorks 技术主要由LonWorks结点和路由器,LonTalk协议,LonWorks收发器,LonWorks网络和结点开发器几部分组成。

1.LonWorks结点

一个典型的现场控制结点主要包括以下几部分功能模块:应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。LonWorks智能结点主要分以下两种类型。

(1)神经元结点

神经元结点是以神经元芯片为核心的控制结点,采用MIP结构。神经元结点充分利用了神经元芯片自身的强大功能,增加收发器便构成了一个典型的现场控制结点,其组成结构如图2.48所示。

image.png

图2.48神经元结点结构框图(2)HoseBase 结点

神经元芯片仅是8位总线CPU,功能有限,对于复杂控制需求显得力不从心。HoseBase结构很好地解决了这一问题,将神经元芯片作为通信协议处理器,用高性能主机实现复杂测控功能,其典型的组成结构如图2.49所示。

图2.49 Hose Base 结点结构框图

图2.49 Hose Base 结点结构框图

2.路由器

路由器是LonWorks技术的重要组成部分,使LonWorks总线突破了传统现场总线的限制,使其通信不受通信介质、通信距离和通信速率的限制。在LonWorks技术中,路由器包括中继器、桥接器、路由器等几种。

3.神经元芯片

神经元芯片是LonWorks技术的核心,神经元芯片拥有3个处理器,一个用于完成开放互连模型中第一和第二层的功能,称为媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第三到第六层的功能,称为网络处理器,进行网络变量的寻址、处理、路径选择、背景诊断、网络管理等功能,并负责网络通信控制,收发数据包等;第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。芯片中还有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。神经元芯片还有11个输入/输出接口,这样一片神经元芯片就能完成现场的控制功能和组网功能。

神经元芯片主要有MC143150和MC143120两大系列,MC143150系列支持外部存储器,适合更为复杂的应用;MC143120则不支持外部存储器,它本身带有ROM。四种型号神经元

芯片的比较见表2.6。

表2.6四种型号的神经元芯片比较

表2.6四种型号的神经元芯片比较

4.LonWorks通信

LonWorks技术的一个重要特征是它支持多种通信介质(双绞线、电力线、电源线、光纤、无线和红外)。根据通信介质的不同,LonWorks技术可分为以下多种总线收发器。

(1)双绞线收发器

双绞线是使用最为广泛的一种介质,用于双绞线介质的收发器有以下3种。

①直接驱动收发器

直接驱动收发器是使用神经元芯片的通信端口作为收发器。直接驱动收发器支持的最大通信速率是1.25Mbps,该速率下一条通道最多能连接64个结点,通信距离最长可达30m。

②EIA-485收发器

EIA-485接口是现场总线中常用的电气接口,LonWorks同样支持该电气接口。LonMark协议建议使用EIA-485的通信速率是39kbps。

③变压器耦合驱动

变压器耦合驱动能满足系统的高性能要求。目前相当多的网络收发器采用变压器耦合的方式。

(2)电源线收发器

电源线收发器是指通信线和电源线共用一对双绞线。这对于一些电力资源匮乏的地区具有重要的意义。采用通信线和电源线共用一对双绞线可以节约一对双绞线,也便于系统的安装和维护。由于电源线收发器采用的是直流供电,可以和变压器耦合的双绞线直接连接。

(3)电力线收发器

电力线收发器是将通信数据调制成载波信号或扩频信号,然后通过耦合器耦合到220V或其他交/直流电力线上,甚至是没有电力的双绞线。这种方式减少了施工布线等建设投资,是一种将神经元结点加入到电力线中的简单、有效的方法。

(4)其他收发器

除上述收发器外,LonWorks技术中还广泛采用无线收发器、光纤收发器等,以满足特殊情况的需要。

5.LonWorks开发工具

LonWorks技术包含了一系列开发工具,使结点开发和系统连网开发的效率大为提高。

为产品供应商提供了开发自主产品的空间。

LonWorks主要的开发工具有结点开发工具NodeBuilder,结点和网络安装工具LonBuilder,网络管理工具LonManage和LNS技术。

(1)结点开发工具NodeBuilder NodeBuilder只能完成结点开发的功能,不具备网络的功能,它只有一个在线仿真器。

(2)结点和网络安装工具LonBuilder NodeBuilder是LonWorks技术中最主要的一个开发工具,它包括以下几部分:

>结点开发器;》网络管理器;

>协议分析器和报文统计器;

>案例程序和开发板。

(3)网络管理工具LonManage LonManage 主要由一系列的软件开发包和接口卡组成,包括LonManageDDE、LonManage Profile、LonMaker和LonMangager协议分析仪。

(4)LNS技术

LNS是Echelon公司开发出来的LonWorks总线开发工具,它为用户提供了一个强大的客户机/服务器网络构架,是LonWorks总线可互操作性的基础。使用LNS提供的网络服务,可以保证从不同网络服务器上提供的网络管理工具一起执行网络安装、网络维护和网络监测。

客户可以同时申请这些服务器所提供的网络服务。

6.LonWorks的通信协议

LonWorks 技术采用LonTalk通信协议,该协议为7层协议,通过网络变量直接面向对象进行通信。

LonTalk协议的网络地址采用3层结构:域(Domain)、子网(Subnet)和结点(Node)。

域为第一层结构,它保证在不同域中通信的彼此独立性。子网为网络地址结构的第二层,每一个域最多有255个子网,一个子网可以是一个或多个通道的逻辑分组。结点是网络地址的第三层,每个子网最多可以有127个结点。所以一个域最多可以有255×127=32385个结点。

LonTalk通信协议见表2.7。

表2.7LonTalk通信协议

表2.7LonTalk通信协议

3LonWork 在楼宇自动化系统中的应用随着社会的进步和科学技术的快速发展,楼宇的自动化水平越来越高。主要表现在楼宇自动化系统所包含的自动化设备和不同功能的子系统越来越多;另外,业主总是希望楼宇自动化系统具有更高的性能、更高的效率和相对低廉的系统维护费用。如果不同厂商提供的设备和子系统采用各自不同的通信协议,使得不同品牌的系统互连与信息交换非常困难,将会给系统集成、备品备件的准备及互换带来诸多困难,这对系统运行效率的提高、运行费用的降低都是不利的,也会对系统的改造与扩容造成巨大障碍。不管是系统集成商、系统的建设投资方还是运营管理者,都迫切需要具备广泛兼容能力的开放性控制技术。通过这样的技术,使得建筑物内的各种控制设备与系统能方便地集成,不同品牌的同类产品方便互换,为业主、用户和管理者创造更好的经济与社会效益。

LonWorks技术正是为了适应和满足上述需要而产生的,具备开放性和互操作性,对各种控制设备和不同系统间的通信与整个系统的集成创造了条件,因此被称做“智能控制网络”。该技术的标准与规范已被业界广泛接受,并在楼宇自动化领域取得了可观的进展与成果,在我国建筑领域受到广泛的关注与重视,国内智能建筑行业有专门机构进行LonWorks技术的推广工作。LonWorks还为产品生产商和用户提供一整套LonWorks开发工具,为产品开发和用户的系统优化与维护提供了便利。


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