建筑智能化技术22课件

2.2.1计算机控制系统模拟信号的数字化步骤：采样（抽样）、量化和编码(1)采样1)定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号。2)要求用时间离散的采样序列代替原来时间连续的模拟信号，要求离散的采样序列能不失真地恢复出原模拟信号。3)奈奎斯特采样定理若采样频率fs不低于连续信号最高截止频率fm的2倍时(即fs≥2fm)，采样得到的信号能完全表达原信号的所有信息。2.2.1计算机控制系统模拟信号的数字化14)对象连续的模拟信号(时间上连续，幅度上连续)。5)方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值（称为样值），每个样值即为原模拟信号的瞬时值。6)结果得到一个时间上不连续（离散）的信号，称为原信号的PAM（PulseAmplitudeModulation）脉冲幅度调制信号。(幅度连续，波形离散)tf(t)PAM信号0采样4)对象5)方法6)结果tf(t)PAM信号0采样2(2)量化1)定义对连续变化的样值幅度进行离散化处理，即将信号可能取值分成若干级，每个信号按四舍五入就近取某级的值。2)对象：PAM信号样值。3)方法：1234量化值

量化级2.501230线性量化示意图A.规定幅度等级；B.对每一个量化级规定一个量化值；C.对处于同一量化级内的PAM样值，不论其实际大小如何，均取值为该量化级的量化值。

(2)量化1234量化值量化级2.5034)结果：量化的PAM信号5)量化PAM和原PAM的关系：存在量化误差(数学)

存在量化噪声(信号)6)降低量化误差的方法：增加量化级数；根据信号的大小划分不同的量化级(非线性量化)。4)结果：量化的PAM信号4(3)编码1)定义：给一特定事物一特定符号，即用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度。2)对象：量化的PAM样值幅度3)方法确定编码位数确定码型4)结果

PCM信号(PulseCodeModulation)——脉冲编码调制信号(3)编码5模拟信号数字化的三个过程采样量化编码定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号对连续变化的样值幅度进行离散化处理用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值规定幅度等级；对每一个量化级规定一个量化值；对处于同一量化级内的PAM样值，均取值为该量化级的量化值。编码位数的确定；码型的确定。对象连续的模拟信号PAM信号量化的PAM样值结果PAM信号量化的PAM样值PCM信号模拟信号数字化的三个过程采样量6tf(t)T/85T/86T/87T/8TT/43T/8T/2056782341量化级量化值编码8765431.50.51111111111110000000000000PCMt10tf(t)T/85T/86T/87T/8TT/43T/8T/基本计算机控制系统A/D计算机D/A控制对象r(t)e(t)e(k)u(k)u(t)y(t)直接数字控制系统

DDC——DirectDigitalControl计算机监督控制系统

SCC——SupervisoryComputerControl可编程逻辑控制器

PLC——ProgammableLogicController基本计算机控制系统A/D计算机D/A控制对象8(1)直接数字控制系统——DDC

A/DCPUD/A采样对象执行器A.计算机在参与闭环的控制过程中，不需要中间环节（调节器），而用计算机的输出（断续的形式）去直接控制调节阀门等执行机构。B.DDC系统中的计算机能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，且不需改变硬件，只通过程序改变就能有效地实现较复杂的控制。(1)直接数字控制系统——DDCA/DCPUD/A采样对9

DDC一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过计算机或编程器对其进行编程和对系统参数进行修改。DDC一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过计算10a.计算机模块通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等；经过运算，输出模块输出控制信号，驱动执行机构完成对控制对象的控制；可通过远程驱动模块和远程执行器实现远程控制。C.模块化DDC控制器的组成结构a.计算机模块经过运算，输出模块输出控制信号，驱动执行机11b.通信模块将测量值和状态监测信号送到中央管理计算机数据库，供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模块送入DDC控制器计算机模块，实现系统的直接调控。

DDC控制器的通信方式点对点(PeertoPeer)方式：通信速率达115.2kbps。

RS485方式：总线长度长度达1.2km。b.通信模块12c.内部总线一般采用VME总线，支持多CPU的16位/32位总线。d.电源模块采用隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可靠接地，隔离共模干扰；具有过压/欠压显示功能；带有板内微处理器，提供高质量的24VDC稳压电源；长寿命后备锂电池。c.内部总线13e.输入/输出模块模拟输入模块(AI)

受控对象中有许多连续性的物理量，用仪表检测后可通过AI模块送入DDC进行进行处理。其标准电信号有：电阻信号：100Ω、500Ω、1kΩ、10kΩ、20kΩ；电压信号：1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC等；电流信号：4-20mADC。模拟输出模块(AO)

输出4-20mADC电流信号或1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC电压信号，用以操作调节阀、风门、转速等。e.输入/输出模块14数字输入模块(DI)

输入各种限位开关、继电器、电气联动机构、电磁阀门联动触点的开、关状态等二位信号。数字输出模块(DO)

用于电机启/停、电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等开关控制。脉冲输入模块(PI)

转速计、涡轮流量计、脉冲电量表等脉冲信号的输入。数字输入模块(DI)15(2)计算机监督控制系统——SCC

A/DCPUD/A采样对象DDC

SCC一般作为上位机监督下位DDC的计算机，构成二级控制系统。一级为监控级SCC，完成高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值，送给DDC级计算机直接控制生产过程。两台计算机之间通过接口进行信息交换，当DDC出现故障时，可由SCC机代替。(2)计算机监督控制系统——SCCA/DCPUD/A采样16(3)可编程逻辑控制器PLCPLC由如下四部分组成A.控制功能部件：接受输入信息，按存储器存储的数据和指令进行数据和逻辑运算，并将结果送到输出部件。B.存储器：RAM存放临时程序或信息；ROM存放已经成熟的程序和其它必要信息。C.输入/输出部分：包括输入／输出模块、光电隔离及接口电路。D.编程器：

(3)可编程逻辑控制器PLC172.2.2集散控制系统——DCS（1）集散控制系统特点

DCS(DistributedControlSystem)又称分散式或分布式控制系统。具有如下特点：A.采用分级递阶式控制；B.采用物理上的分散结构，实现了分散控制；C.具有计算机通信系统，可实现综合控制；D.可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作。2.2.2集散控制系统——DCS（1）集散控制系统特点18(2)DCS系统结构(2)DCS系统结构19服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线DDC/PLCDCS结构图网关操作员站工程师站监控级中速总线通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUS低速总线服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet20由现场控制器（DDC）和其它现场设备组成。

DDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制。

DDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUSA.现场控制级(DDC)由现场控制器（DDC）和其它现场设备组成。通信接口DDC/21对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。一般它带有操作员站和工程师站。a.操作员站实现在线监督b.工程师站对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护。网关操作员站工程师站监控级中速总线B.监控级对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。22管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信息网联网，实现信息共享。服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线C.中央管理级管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监23(3)DCS的通信网络A.中央监控计算机与DDC之间的通信能适应现场恶劣环境；传输速率不低于9600bps；传输距离不大于1.2km，可采用UTP作为传输介质；抵抗高电压入侵。B.多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信在具有多台中央管理计算机的DCS系统中，常用网络型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。(3)DCS的通信网络242.2.3现场总线控制系统FCS(1)现场总线产生的原因模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度低，易受干扰。集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。DCS虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。

FCS正是顺应以上潮流而诞生。2.2.3现场总线控制系统FCS(1)现场总线产生的原因25(2)现场总线控制系统定义现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一种全数字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用于连接现场智能仪表。

FCS放弃了DCS所必需的I/O模块和现场控制站，控制功能分散到现场设备上。(2)现场总线控制系统定义26(3)DCS与FCS结构示意图操作站现场控制站现场自动化设备(测量、执行)DCS结构示意图操作站现场自动化设备(测量、计算、执行、报警、趋势等)FCS结构示意图控制室现场(3)DCS与FCS结构示意图操作站现场控制站现场自动化27(4)现场总线的优点

A.全数字化

B.全分布

C.双向传输

D.自诊断

E.节省布线及控制室空间

F.多功能仪表

G.开放性

H.互操作性

I.智能化与自治性(4)现场总线的优点28(5)现场总线主要特征

A.数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关量信号；

B.在车间级与设备级通信的数字化网络；

C.工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；

D.使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层；

E.工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。(5)现场总线主要特征29(6)现场总线的要求A.传输速度快B.响应时间短指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。C.巡回时间短系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。(6)现场总线的要求30(7)现场总线与局域网的区别项目现场总线局域网功能连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。是一种实时控制网络。用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。是一种高速信息网络。

实现方式可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。(7)现场总线与局域网的区别项目现场总线局域网功能连接自31(8)当前比较流行的现场总线A.Lonworks——局部操作网络B.BACnet——楼宇自动化与控制网络C.Profibus——过程现场总线D.HART——可寻址远程传感器高速通道E.CAN——控制局域网络F.FF——现场总线基金会G.ModbusH.Controllogix(8)当前比较流行的现场总线32(9)Lonworks总线1)楼宇自动化系统的特点A.测控点分散；B.被控设备种类多，且本身配有控制系统。

1992年美国的Echelon公司推出的实时测控网络——局部操作网络(LocalOperatingNetworks,Lonworks)。

Lonworks是专门为实时控制而设计的，是在控制层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到广泛应用。(9)Lonworks总线332)Lonworks模型分层

Lonworks采用开放式ISO/OSI模型全部7层通信协议结构，如下表：2)Lonworks模型分层343)Lonworks总线技术A.Lonworks结点a.神经元结点：以神经元芯片为核心的控制结点，采用MIP结构。b.HoseBase结点：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。3)Lonworks总线技术35B.路由器使Lonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通信介质、距离和速率的限制。C.神经元芯片a.Lonworks技术的核心，内部包括三个CPU：第1个CPU为介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的1、2层；第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的3-6层；第3个CPU为应用处理器，执行应用程序，实现LonTalk协议的第7层。b.种类

MC143120：不支持外部存储器，本身带有ROM。

MC143150：支持外部存储器，适合复杂应用B.路由器36D.Lonworks通信a.双绞线收发器直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速率为1.25Mbps时，最多64个结点，最大通信距离30m；

EIA-485(RS-485)收发器：39kbps；变压器耦合驱动：b.电源收发器通信线和电源线共用一对双绞线。c.电力线收发器将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到220V或其它交/直流电力线上。d.其它收发器无线收发器、光纤收发器等。D.Lonworks通信37E.Lonworks开发工具a.结点开发工具NodeBuilder

在线仿真器,只能完成结点开发功能，不具备网络功能。b.结点和网络安装工具LonBuilder

主要开发工具，由结点开发器、网络管理器、协议分析器、报文统计器、案例程序和开发板组成。c.网络管理工具LonManage

由一系列软件开发包和接口卡组成。d.LNS

为用户提供客户机/服务器网络结构。E.Lonworks开发工具38F.Lonworks的通信协议采用7层LonTalk通信协议,通过网络变量直接面向对象进行通信。F.Lonworks的通信协议394)Lonworks技术和RS485总线的区别LonworksRS485总线1现场总线，有完整的控制网络体系，包括从物理层到应用层以至网络操作系统的全部内容。

仅仅是网络物理层的一种规范。2支持多介质，如：双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线、红外等。不能支持多介质3开放性好，不同厂家的产品可在同一网络上协调工作。不同厂家的产品很难在一个网上工作。4支持总线式、星形、自由拓扑等多种拓扑结构。只支持总线式拓扑结构。5网络每段的长度可达2700米，每网络段可以有64个节点。网络每段一般只能达1000m，且每段只有32个节点。4)Lonworks技术和RS485总线的区别Lonwo40LonworksRS485总线6支持域、子网、节点等完整的网络结构。每个网络的一个域最多支持32385个节点。很难与此相比。7处理器有3个CPU，可以处理复杂的网络通信、应用程序。处理器只有一个CPU，很难处理复杂的网络通信、应用程序。8耐共模干扰的能力强，可以适应恶劣的环境。抗干扰能力差。9对等通信网络，各节点地位均等，无主节点，可靠性高、实时性好。一般为主从式结构。10维护容易，可直接从网络上下装程序。很难做到这一点。LonworksRS485总线6支持域、子网、节点等完整的网414)Lonworks在楼宇自动化系统中的应用智能变送器工程师站操作员站网关路由器空调系统控制器编程组态及控制照明配电系统控制器给排水系统控制器终端控制器网关变送器去其它Lonworks网络Lonworks去其它InternetLonworks4)Lonworks在楼宇自动化系统中的应用智能变送器工程42(10)BACnetBACnet(BuildingAutomationandControlNetwork)是由美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。规定了计算机控制器之间所有对话方式。

BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。(10)BACnet431)BACnet结构1)BACnet结构442)BACnet数据通信协议目的：使不同厂商生产的DDC通过网络可以实现数据交换。A.BACnet的18种标准对象定义了18种标准对象类型，通过不同对象的组合，实现DDC不同的控制功能，从而实现对DDC任务的描述。B.BACnet的18种标准对象的类型设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、通知对象、程序对象。2)BACnet数据通信协议45对象名称应用举例对象名称模拟输入(AI)传感器输入日历(Calendar)模拟输出(AO)控制输出环路(Loop)数字输入(DI)开关输入设备(Device)数字输出(DO)继电器输出文本(File)数字值(DV)数字控制系统参数通知等级(NotificationClass)模拟值(AV)设置的阈值或模拟控制系统参数事件登计(EventEnrollment)命令(Command)为完成诸如日期设定等待定操作而向多设备的多对象写多值多状态输入(MultiStateInput)时间表(Schedu1e)为按时间执行程序定义的日期列表多状态输出(MultiStateOutput)组(Group)程序(Program)对象名称应用举例对象名称模拟输入(AI)传感器输入日历46C.BACnet的标准属性a.BACnet定义了123种标准属性(对对象的进一步描述)。b.每个对象的属性分为必须和可选两种。c.BACnet对象必须的属性

对象标识符：标识设备内一个对象，32位编码；

对象名：唯一的设备对象名称，用字符串表示；

对象类型：标识对象类型。C.BACnet的标准属性473)BACnet服务功能用于访问和管理18种标准对象发出的信息，指定完成一定的操作，或通知发生了某些事件的手段。

BACnet共定义了35种服务功能，分为5大类：报警和事件服务(AlarmandEvent)；文件访问服务(Fi1eAccess);

对象访问服务(ObjectAccess);

远程设备管理服务(RemoteDeviceManagement)；虚拟终端服务(VirtualTerminal)。3)BACnet服务功能484)BACnet网络A.BACnet设备通过局域网传送符合BACnet标准二进制码的信息。B.BACnet采用五种网络技术进行信息数据传送.Ethernet、ARCnet、MS/TP(主从/令牌环)、PTP(点对点)、LonTalk。局域网标准数据速率EthernetISO/IEC8802-310--100MbpsARCnetATA/ANSI878.10.156--10MbpsMS/TPPSANSI/ASHRAE135-19959.6--78.4KbpsLonTalkPROPRIETARY4.8--1250Kbps4)BACnet网络局域网标准数据速率EthernetI495)BACnet类别和功能组A.BACnet的性能级根据设备的初始化功能和执行功能，性能级分1-6级，高的性能级别包含低的性能级别的功能。5)BACnet类别和功能组50B.BACnet的功能组a.BACnet定义了13个功能组时钟、手动工作站、微机工作站、事件发生、事件回应、数值改变发生、数值改变回应、重新初始化、虚拟操作者界面、虚拟终端、设备通信、时间控制、文件。b.功能组是性能级的补充，低性能级的设备要实现本性能级不具备的功能，可通过网络通信中的功能组从系统内获取有关数据来实现该功能，从而使低性能级设备可通过网络通信实现高性能级功能。B.BACnet的功能组516)采用BACnet的楼宇自动化系统

变风量空调系统变风量空调系统空气处理单元1#楼宇分表空调监控系统保安系统BAS照明系统编程系统冷热源系统给排水系统1#楼宇BACnet协议路由器Internet变风量空调系统变风量空调系统空气处理单元2#楼宇分表空调监控系统保安系统BAS照明系统编程系统冷热源系统给排水系统2#楼宇BACnet协议路由器路由器工作站工作站工作站数据库服务器BACnetBACnetBACnet6)采用BACnet的楼宇自动化系统变风量空调系统变风量527)LonWorks与BACnet混合应用计算机LAN控制器专用网络结构A计算机LAN控制器Lonworks网络结构B网关计算机BACnet控制器结构D网关BACnet网络(需要时设置)Lonworks网络计算机BACnet控制器Lonworks网络结构C网关7)LonWorks与BACnet混合应用计算机LAN控制53A.结构A

已过时，系统不开放，不能实现交互式操作，很难适应种类繁多的设备检测和控制要求，最终将被淘汰。B.结构B

用户不能自由选择。如果用户想对现有系统升级、改造，或想换用其它厂家的设备，只能用网关的方案。C.结构C和结构D

开始考虑用户的要求，即互操作性，用户可以在一个系统中实现不同厂家设备之间的互操作，允许混合配置各种设备。目前仅限于设备层，价格昂贵，但应用前景好。A.结构A54（11）五种现场总线性能对照表特性现场总线类型FFProfibusHARTCANLonWorks应用范围仪表PLC智能变送器汽车楼宇及工业自动化OSI网络层次1，2，7，81，2，71，2，71，2，71--7通信介质双绞线、电缆、光纤、无线等双绞线、光纤电源信号线双绞线、光纤双绞线、电力线、电缆、光纤、无线介质访问方式令牌、主从令牌、主从令牌、查询位仲裁P-P，CSMA纠错方式CRCCRCCRCCRCCRC通信速率Mbps11.25最大节点数3212815110248优先级有有有有有保密性————身份认证本安性是是是是是开发工具有有—有有（11）五种现场总线性能对照表特性现场总线类型FFProfi552.2.1计算机控制系统模拟信号的数字化步骤：采样（抽样）、量化和编码(1)采样1)定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号。2)要求用时间离散的采样序列代替原来时间连续的模拟信号，要求离散的采样序列能不失真地恢复出原模拟信号。3)奈奎斯特采样定理若采样频率fs不低于连续信号最高截止频率fm的2倍时(即fs≥2fm)，采样得到的信号能完全表达原信号的所有信息。2.2.1计算机控制系统模拟信号的数字化564)对象连续的模拟信号(时间上连续，幅度上连续)。5)方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值（称为样值），每个样值即为原模拟信号的瞬时值。6)结果得到一个时间上不连续（离散）的信号，称为原信号的PAM（PulseAmplitudeModulation）脉冲幅度调制信号。(幅度连续，波形离散)tf(t)PAM信号0采样4)对象5)方法6)结果tf(t)PAM信号0采样57(2)量化1)定义对连续变化的样值幅度进行离散化处理，即将信号可能取值分成若干级，每个信号按四舍五入就近取某级的值。2)对象：PAM信号样值。3)方法：1234量化值

量化级2.501230线性量化示意图A.规定幅度等级；B.对每一个量化级规定一个量化值；C.对处于同一量化级内的PAM样值，不论其实际大小如何，均取值为该量化级的量化值。

(2)量化1234量化值量化级2.50584)结果：量化的PAM信号5)量化PAM和原PAM的关系：存在量化误差(数学)

存在量化噪声(信号)6)降低量化误差的方法：增加量化级数；根据信号的大小划分不同的量化级(非线性量化)。4)结果：量化的PAM信号59(3)编码1)定义：给一特定事物一特定符号，即用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度。2)对象：量化的PAM样值幅度3)方法确定编码位数确定码型4)结果

PCM信号(PulseCodeModulation)——脉冲编码调制信号(3)编码60模拟信号数字化的三个过程采样量化编码定义将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号对连续变化的样值幅度进行离散化处理用一组二进制脉冲来代表已经量化的样值幅度方法以一定的时间间隔读取模拟信号的值规定幅度等级；对每一个量化级规定一个量化值；对处于同一量化级内的PAM样值，均取值为该量化级的量化值。编码位数的确定；码型的确定。对象连续的模拟信号PAM信号量化的PAM样值结果PAM信号量化的PAM样值PCM信号模拟信号数字化的三个过程采样量61tf(t)T/85T/86T/87T/8TT/43T/8T/2056782341量化级量化值编码8765431.50.51111111111110000000000000PCMt10tf(t)T/85T/86T/87T/8TT/43T/8T/6基本计算机控制系统A/D计算机D/A控制对象r(t)e(t)e(k)u(k)u(t)y(t)直接数字控制系统

DDC——DirectDigitalControl计算机监督控制系统

SCC——SupervisoryComputerControl可编程逻辑控制器

PLC——ProgammableLogicController基本计算机控制系统A/D计算机D/A控制对象63(1)直接数字控制系统——DDC

A/DCPUD/A采样对象执行器A.计算机在参与闭环的控制过程中，不需要中间环节（调节器），而用计算机的输出（断续的形式）去直接控制调节阀门等执行机构。B.DDC系统中的计算机能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，且不需改变硬件，只通过程序改变就能有效地实现较复杂的控制。(1)直接数字控制系统——DDCA/DCPUD/A采样对64

DDC一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过计算机或编程器对其进行编程和对系统参数进行修改。DDC一般不设置CRT显示器和操作键盘，但可通过计算65a.计算机模块通过输入模块完成数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等；经过运算，输出模块输出控制信号，驱动执行机构完成对控制对象的控制；可通过远程驱动模块和远程执行器实现远程控制。C.模块化DDC控制器的组成结构a.计算机模块经过运算，输出模块输出控制信号，驱动执行机66b.通信模块将测量值和状态监测信号送到中央管理计算机数据库，供实时显示、数据处理、优化计算、报警打印等。中央管理计算机的管理、控制指令同样可通过通信模块送入DDC控制器计算机模块，实现系统的直接调控。

DDC控制器的通信方式点对点(PeertoPeer)方式：通信速率达115.2kbps。

RS485方式：总线长度长度达1.2km。b.通信模块67c.内部总线一般采用VME总线，支持多CPU的16位/32位总线。d.电源模块采用隔离变压器，将其一次、二次线圈间的屏蔽层可靠接地，隔离共模干扰；具有过压/欠压显示功能；带有板内微处理器，提供高质量的24VDC稳压电源；长寿命后备锂电池。c.内部总线68e.输入/输出模块模拟输入模块(AI)

受控对象中有许多连续性的物理量，用仪表检测后可通过AI模块送入DDC进行进行处理。其标准电信号有：电阻信号：100Ω、500Ω、1kΩ、10kΩ、20kΩ；电压信号：1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC等；电流信号：4-20mADC。模拟输出模块(AO)

输出4-20mADC电流信号或1-5VDC、0-5VDC、0-10VDC电压信号，用以操作调节阀、风门、转速等。e.输入/输出模块69数字输入模块(DI)

输入各种限位开关、继电器、电气联动机构、电磁阀门联动触点的开、关状态等二位信号。数字输出模块(DO)

用于电机启/停、电磁阀门、继电器、指示灯、声报警器等开关控制。脉冲输入模块(PI)

转速计、涡轮流量计、脉冲电量表等脉冲信号的输入。数字输入模块(DI)70(2)计算机监督控制系统——SCC

A/DCPUD/A采样对象DDC

SCC一般作为上位机监督下位DDC的计算机，构成二级控制系统。一级为监控级SCC，完成高一级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值，送给DDC级计算机直接控制生产过程。两台计算机之间通过接口进行信息交换，当DDC出现故障时，可由SCC机代替。(2)计算机监督控制系统——SCCA/DCPUD/A采样71(3)可编程逻辑控制器PLCPLC由如下四部分组成A.控制功能部件：接受输入信息，按存储器存储的数据和指令进行数据和逻辑运算，并将结果送到输出部件。B.存储器：RAM存放临时程序或信息；ROM存放已经成熟的程序和其它必要信息。C.输入/输出部分：包括输入／输出模块、光电隔离及接口电路。D.编程器：

(3)可编程逻辑控制器PLC722.2.2集散控制系统——DCS（1）集散控制系统特点

DCS(DistributedControlSystem)又称分散式或分布式控制系统。具有如下特点：A.采用分级递阶式控制；B.采用物理上的分散结构，实现了分散控制；C.具有计算机通信系统，可实现综合控制；D.可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作。2.2.2集散控制系统——DCS（1）集散控制系统特点73(2)DCS系统结构(2)DCS系统结构74服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线DDC/PLCDCS结构图网关操作员站工程师站监控级中速总线通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUS低速总线服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet75由现场控制器（DDC）和其它现场设备组成。

DDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制。

DDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。通信接口DDC/PLCAIDIAODO过程对象过程对象现场控制级传感器执行器BUSA.现场控制级(DDC)由现场控制器（DDC）和其它现场设备组成。通信接口DDC/76对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。一般它带有操作员站和工程师站。a.操作员站实现在线监督b.工程师站对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护。网关操作员站工程师站监控级中速总线B.监控级对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。77管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信息网联网，实现信息共享。服务器中央监控计算机路由器中央管理级Ethernet10-100Mbps高速总线C.中央管理级管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监78(3)DCS的通信网络A.中央监控计算机与DDC之间的通信能适应现场恶劣环境；传输速率不低于9600bps；传输距离不大于1.2km，可采用UTP作为传输介质；抵抗高电压入侵。B.多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信在具有多台中央管理计算机的DCS系统中，常用网络型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求。(3)DCS的通信网络792.2.3现场总线控制系统FCS(1)现场总线产生的原因模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度低，易受干扰。集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。集散控制系统（DCS）于八、九十年代占主导地位。DCS虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。

FCS正是顺应以上潮流而诞生。2.2.3现场总线控制系统FCS(1)现场总线产生的原因80(2)现场总线控制系统定义现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一种全数字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用于连接现场智能仪表。

FCS放弃了DCS所必需的I/O模块和现场控制站，控制功能分散到现场设备上。(2)现场总线控制系统定义81(3)DCS与FCS结构示意图操作站现场控制站现场自动化设备(测量、执行)DCS结构示意图操作站现场自动化设备(测量、计算、执行、报警、趋势等)FCS结构示意图控制室现场(3)DCS与FCS结构示意图操作站现场控制站现场自动化82(4)现场总线的优点

A.全数字化

B.全分布

C.双向传输

D.自诊断

E.节省布线及控制室空间

F.多功能仪表

G.开放性

H.互操作性

I.智能化与自治性(4)现场总线的优点83(5)现场总线主要特征

A.数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关量信号；

B.在车间级与设备级通信的数字化网络；

C.工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；

D.使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层；

E.工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。(5)现场总线主要特征84(6)现场总线的要求A.传输速度快B.响应时间短指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。C.巡回时间短系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。(6)现场总线的要求85(7)现场总线与局域网的区别项目现场总线局域网功能连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。是一种实时控制网络。用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。是一种高速信息网络。

实现方式可采用各种通讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。(7)现场总线与局域网的区别项目现场总线局域网功能连接自86(8)当前比较流行的现场总线A.Lonworks——局部操作网络B.BACnet——楼宇自动化与控制网络C.Profibus——过程现场总线D.HART——可寻址远程传感器高速通道E.CAN——控制局域网络F.FF——现场总线基金会G.ModbusH.Controllogix(8)当前比较流行的现场总线87(9)Lonworks总线1)楼宇自动化系统的特点A.测控点分散；B.被控设备种类多，且本身配有控制系统。

1992年美国的Echelon公司推出的实时测控网络——局部操作网络(LocalOperatingNetworks,Lonworks)。

Lonworks是专门为实时控制而设计的，是在控制层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到广泛应用。(9)Lonworks总线882)Lonworks模型分层

Lonworks采用开放式ISO/OSI模型全部7层通信协议结构，如下表：2)Lonworks模型分层893)Lonworks总线技术A.Lonworks结点a.神经元结点：以神经元芯片为核心的控制结点，采用MIP结构。b.HoseBase结点：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。3)Lonworks总线技术90B.路由器使Lonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通信介质、距离和速率的限制。C.神经元芯片a.Lonworks技术的核心，内部包括三个CPU：第1个CPU为介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的1、2层；第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的3-6层；第3个CPU为应用处理器，执行应用程序，实现LonTalk协议的第7层。b.种类

MC143120：不支持外部存储器，本身带有ROM。

MC143150：支持外部存储器，适合复杂应用B.路由器91D.Lonworks通信a.双绞线收发器直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速率为1.25Mbps时，最多64个结点，最大通信距离30m；

EIA-485(RS-485)收发器：39kbps；变压器耦合驱动：b.电源收发器通信线和电源线共用一对双绞线。c.电力线收发器将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到220V或其它交/直流电力线上。d.其它收发器无线收发器、光纤收发器等。D.Lonworks通信92E.Lonworks开发工具a.结点开发工具NodeBuilder

在线仿真器,只能完成结点开发功能，不具备网络功能。b.结点和网络安装工具LonBuilder

主要开发工具，由结点开发器、网络管理器、协议分析器、报文统计器、案例程序和开发板组成。c.网络管理工具LonManage

由一系列软件开发包和接口卡组成。d.LNS

为用户提供客户机/服务器网络结构。E.Lonworks开发工具93F.Lonworks的通信协议采用7层LonTalk通信协议,通过网络变量直接面向对象进行通信。F.Lonworks的通信协议944)Lonworks技术和RS485总线的区别LonworksRS485总线1现场总线，有完整的控制网络体系，包括从物理层到应用层以至网络操作系统的全部内容。

仅仅是网络物理层的一种规范。2支持多介质，如：双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线、红外等。不能支持多介质3开放性好，不同厂家的产品可在同一网络上协调工作。不同厂家的产品很难在一个网上工作。4支持总线式、星形、自由拓扑等多种拓扑结构。只支持总线式拓扑结构。5网络每段的长度可达2700米，每网络段可以有64个节点。网络每段一般只能达1000m，且每段只有32个节点。4)Lonworks技术和RS485总线的区别Lonwo95LonworksRS485总线6支持域、子网、节点等完整的网络结构。每个网络的一个域最多支持32385个节点。很难与此相比。7处理器有3个CPU，可以处理复杂的网络通信、应用程序。处理器只有一个CPU，很难处理复杂的网络通信、应用程序。8耐共模干扰的能力强，可以适应恶劣的环境。抗干扰能力差。9对等通信网络，各节点地位均等，无主节点，可靠性高、实时性好。一般为主从式结构。10维护容易，可直接从网络上下装程序。很难做到这一点。LonworksRS485总线6支持域、子网、节点等完整的网964)Lonworks在楼宇自动化系统中的应用智能变送器工程师站操作员站网关路由器空调系统控制器编程组态及控制照明配电系统控制器给排水系统控制器终端控制器网关变送器去其它Lonworks网络Lonworks去其它InternetLonworks4)Lonworks在楼宇自动化系统中的应用智能变送器工程97(10)BACnetBACnet(BuildingAutomationandControlNetwork)是由美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。规定了计算机控制器之间所有对话方式。

BACnet规范的是楼宇内机电设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。(10)BACnet981)BACnet结构1)BACnet结构992)BACnet数据通信协议目的：使不同厂商生产的DDC通过网络可以实现数据交换。A.BACnet的18种标准对象定义了18种标准对象类型，通过不同对象的组合，实现DDC不同的控制功能，从而实现对DDC任务的描述。B.BACnet的18种标准对象的类型设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、通知对象、程序对象。2)BACnet数据通信协议100对象名称应用举例对象名称模拟输入(AI)传感器输入日历(Calendar)模拟输出(AO)控制输出环路(Loop)数字输入(DI)开关输入设备(Device)数字输出(DO)继电器输出文本(File)数字值(DV)数字控制系统参数通知等级(NotificationClass)模拟值(AV)设置的阈值或模拟控制系统参数事件登计(EventEnrollment)命令(Command)为完成诸如日期设定等待定操作而向多设备的多对象写多值多状态输入(MultiStateInput)时间表(Schedu1e)为按时间执行程序定义的日期列表多状态输出(MultiStateOutput)组(Group)程序(Progr