建筑设备自动化-第二章

第二章

计算机控制系统

与通信网络结构2/6/2023基本内容：计算机控制系统的原理、组成及分类；计算机网络的结构、分类、通信协议、传输媒体及互联设备。重点和难点：计算机控制系统的原理，DDC，DCS和FCS的体系结构及特点；BACnet协议及Lontalk协议的特点及应用场合。2/6/2023第一节建筑设备自动化系统的技术基础一、计算机控制技术1.计算机控制系统的基本原理控制过程：数据采集→比较→计算控制量→输出控制信号性能指标要求：稳态性能指标：稳态误差动态性能指标：峰值时间，调节时间，超调量等实时性2/6/2023

2.计算机控制系统的组成①硬件部分计算机：主机、外设、系统总线、过程输入设备、人机联系设备、通信设备等现场仪表：测量、变送、执行2/6/2023②软件部分系统软件：操作系统、数据库、通信网络软件、诊断程序；应用软件：过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印程序、公共服务程序、历史数据库、实时数据库、组态软件等。2/6/20233、计算机控制系统分类按控制形式分：开环、闭环按控制规律分：顺序控制常规控制（PID）先进控制（最优、预测）智能控制（模糊、神经网络、专家系统）2/6/2023按应用分：操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制（SCC）集散控制系统（DCS）－分布式控制系统现场总线控制系统（FCS）计算机集成制造系统（CIMS）2/6/2023操作指导控制系统特点：1.开环控制系统2.控制动作由操作人员完成2/6/2023直接数字控制系统（DDC）特点：1.闭环控制系统2.控制任务由计算机承担3.一台计算机通常要控制几个甚至几十个回路2/6/2023监督计算机控制（SCC）特点：1.通常采用两级计算机2.DDC用计算机直接承担控制任务3.SCC用计算机承担高级控制与管理任务2/6/2023分布式控制系统（DCS）-集散控制系统特点：1.有多台微型计算机2.分散控制，集中管理2/6/2023现场总线控制系统（FCS）2/6/2023计算机集成制造系统（CIMS）2/6/2023（1）直接数字控制系统（DDC）①系统组成过程输入通道过程输出通道过程控制计算机2/6/2023

②基本算法PID：离散化：（T为采样周期）2/6/2023位置式PID：增量式PID：其中：2/6/2023①体系结构基本思想：分散控制、集中操作分三级：1、现场控制级2、监控级3、企业管理级（2）集散控制系统（DCS）2/6/2023②基本组成现场I/O控制站：采集各种参数和状态信号并进行数据处理；信息的传送与接收；现场控制操作员站：为操作人员提供人机界面，使操作员及时了解现场运行状态，各种参数的值是否异常等，并可通过输入设备对工艺过程进行调节；处理历史数据，完成报表、历史趋势曲线2/6/2023

工程师站：对系统进行离线配置和组态管理计算机：收集各部门信息，进行分析综合，并作出决策，实现管理控制一体化数据通信网络：传送数据2/6/2023③数据通信网络控制用通信网络的要求：高的可靠性和安全性良好的实时性强的环境适应性网络的拓卜结构：总线型网环形网星形网网络通信协议：标准的：OSI工业应用：Proway、MapBAS应用：BACnet、Lontalk2/6/2023

（3）现场总线控制系统①现场总线的含义现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是多点通信的底层控制网络。2/6/2023②现场总线控制系统的基本组成2/6/2023③现场总线控制系统的特点：现场通信网络分散型控制系统的网络截止于控制器或现场控制单元，现场信号仍然是一对一的模拟信号传输。而现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，即延伸到传感器、变送器或执行器等。现场设备互连一对信号传输线将N个现场智能节点连接在一起，相互之间能够进行双向信号传输。2/6/2023互操作性来自不同制造厂的现场设备，不仅可以互相通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。分散的体系结构现场总线废弃了DCS的现场控制单元和控制器，把DCS控制器的功能块分散给现场仪表，从而构成虚拟控制站。

通信线供电现场总线常用线为双绞线，通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量。

开放式互连网络即可以与同类网络互连，也可与不同类型网络互连。通过网络对现场设备和功能块统一组态，能把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的现场总线控制系统。2/6/2023现场总线控制系统FCS2/6/2023集散控制与现场总线控制的区别2/6/2023集散控制与现场总线控制的区别2/6/2023集散控制与现场总线控制的区别2/6/2023DCS和FCS的比较现场级设备与控制器之间采取一对一（所谓的I/O接线方式，传递4-20mA或20VDC信号。采用数字式通信方式取代设备级的信号（4-20mA或20VDC），使用一根电缆连接所有现场设备。2/6/20232/6/2023④BAS常用的现场总线基金会现场总线FF（FoundationField-bus）局部操作网LonWorks(LocalOperatingNetwork)过程现场总线PROFIBUS（ProcessFieldBus）控制局域网CAN(ControllerAreaNetwork)2/6/20232/6/20232/6/2023应用现场总线的集散控制系统2/6/2023二、计算机通信网络技术1.计算机网络拓扑结构星形，总线形，环形，树形，点对点BAS多采用总线式或环式网络拓扑结构。且以总线机构最为普遍。2/6/2023

BAS中采用总线结构的优越性：对于集散系统，采用总线结构把中央站和分站连接在同一通信信道，最能简化线路敷设。采用总线结构增挂和摘除分站都十分方便，增设设备或改变建筑物的使用意图时，分站的增减都很容易。尤其对分期建造的BAS有利。在丰富软件的支持下，可以为某些特殊的监控对象或系统设置专用的二级操作站或远程操作终端。2/6/20232.计算机网络分类按距离分：局域网，广域网，城域网按传输媒体分：有线网，无线网按数据交换方式分：共享形网络，交换形网络2/6/2023建筑设备自动化系统是一种局域网。局域网的种类：构成办公自动化系统。构成终端网络系统。构成实时过程控制系统，并逐步将信息管理系统纳入其中。2/6/20233.计算机通信网络协议

协议是关于信息交换的术语，由语法、语义和定时三部分组成。开放系统互联参考模型一个典型的开放系统结构可以应用在工业和商业的控制系统上，按照布置所有的开放系统元件，使用标准协议作为本系统语言，无需翻译，可以相互通信。国际标准化组织（ISO）的ISO7498所定义的开放系统互连模型OSI作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细描述了软件功能的七个层次。如表一所示：2/6/20232/6/2023

建筑设备自动化系统常用网络协议：

TCP/IP协议,BACnet协议,Lontalk协议①

TCP/IP协议主要用于Internet的数据交换，一系列协议集合的总称。TCP：面向连接的协议。IP：以数据报的形式传输数据。TCP/IP的体系结构：物理层（数据链路层）、网络层、传输层、应用层。2/6/2023概述

BACnet通信协议是由美国供热、制冷及空调工程师协会（ASHRAE）发起制定并得到美国国家标准局（ANSI）的批准，由楼宇自动化系统的生产商、用户参与制定的一个开放性标准。是一个完全开放的建筑设备自控网。主要包括建筑设备自动控制功能及其数据信息的表示方式、五种LAN通信协议及它们之间的通信协议组成。②

BACnet协议2/6/2023BACnet协议的体系结构：由一系列与软件及硬件相关的通信协议组成，规定了计算机控制器之间所有对话方式。BACNet参考并简化了OSIRM（开放系统互连参考模式），形成包容许多局域网的简单而实用的四级体系结构。2/6/2023

BACnet协议的信息数据表示方式：

BACnet协议信息数据表示方式定义了18种标准对象类型（通过“对象”把DDC内部数据结构转换成通用的、明确的、抽象化的数据结构以实现数据通信），通过不同对象的组合实现DDC不同的控制功能。2/6/2023设备对象：每一台设备都具有一个设备对象，它的属性用以描述该设备的全部特性。为各种对象定义了123种属性。2/6/2023BACnet数据通信协议的服务功能：定义：是一个BACnet设备向其它BACnet设备进行申请、获取信息，命令其它BACnet设备执行某种操作或通知事件已经发生的方法。BACnet定义了35种服务功能，分为6组。报警与事件服务、文件访问服务、对象访问服务、远程设备管理服务、虚拟终端服务以及网络安全性。这些服务又分为两种类型：一种是确认服务（C），令一种是不确认服务（U）。2/6/2023

BACnet协议的网络拓扑结构：BACnet采用5种网络技术进行信息数据传送：Ethernet、BACnet、MS/TP（主从/令环牌）、PTP（点对点）、LonTalk。为BACnet制定的通信协议，用于单元控制器及其它IO设备之间。用于RS-232口直接或通过MODEM从远程工作站拨号。选用多种网络技术的原因：用各种不同的局域网性价比适应不同场合的要求。对于不同要求的系统，采用不同的通信速率和通信量的网络。根据各网络技术的特点，选用不同的网络技术以适应不同的要求。2/6/2023

BACnet与企业内部互联网Internet的互联必须采用IP协议的方式进行，需要附加传输层协议。在BACnet中引入分组装拆器（PAD）进行BACnet/IP通信。2/6/20231#2#3#2/6/20232/6/2023③Lontalk协议

Lontalk协议是LonWorks技术所使用的通信协议，是LonWorks技术的核心技术之一。

LonWorks

技术概述

LonWorks技术由美国Echelon公司20世纪90年代初开发推出的点对点双向通信的单层分布式控制网络。

Lonworks技术基于LonTalk协议采用自由拓扑结构方式把控制单元连接成开放的测控网络，这个网络符合国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联（OSI）模式。

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LonWorks组成

LonWorks的技术组成包括LonWorks节点、路由器、LonTalk协议、LonWorks收发器、LonWorks网络开发工具和节点开发工具。

LonWorks节点：Neuron芯片节点和基于Neuron的HostBase节点。

Neuron芯片（神经元芯片）节点由神经元芯片、收发器、固件和I/O接口电路组成，具备通信和控制功能为一体。核心技术2/6/2023

Neuron芯片：

Neuron芯片固化有OSI模型的全部七层协议，能实现完整的Lonworks的LONTALK通信协议。其上集成有三个8位CPU：其中一个CPU完成OSI模型第一和第二层功能，称为介质访问处理器；一个CPU是应用处理器，运行操作系统和用户代码；还有一个CPU是网络处理器，作为前两者的中介，进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经元芯片构成的节点之间可以进行对等通信。2/6/2023每个Neuron芯片几乎都具有应用CPU、I/O处理单元和通信处理器等功能模块。2/6/2023每个Neuron芯片都有一个48bit的永久性固化序号ID，用作安装调试阶段的节点地址。2/6/20232/6/2023LonTalk协议是LonWorks系统的灵魂，它固化于神经元芯片中，是直接面向对象的网络的协议。执行ISO/OSI参考模型，提供全部七层服务。七层结构自下而上依次称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层及应用层。

主要功能是管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突检测/回避算法，控制物理的/电气的连接等。LonTalk协议：2/6/2023

LonWorks技术的优点

网络结构灵活，组网方便。

LonWorks网络具有自由拓扑结构，可以是总线型、星型、树型、复合型等，实现真正的点对点通讯。LonWorks

技术支持多种通讯介质和多种传输速率。支持的通讯介质有双绞线、同轴电缆、光纤、无线微波、红外线、超声波等，甚至多种介质能在同一网络中混合使用。完善的开发工具。无主的网络系统。开发LonWorks网络节点的时间短，易于维护。2/6/2023

LonWorks的介质访问控制算法原则：尽量避免或者尽可能减少碰撞来设计。LonWorks的MAC算法使得信道在极少发生碰撞的情况下以其最大能力工作，仍然具有优异的性能。将重发等待时间随机化，可减少碰撞发生。2/6/2023

NeuronC语言，从ANSIC派生而来，并对其进行了补充和删减，便于开发人员高效开发分布式LonWorks。

LonWorks互操作性的实现

LonWorks系统的互操作标准是由LonMark互操作协会制定的一套标准（LonMark

）。凡产品按该规定生产，就可以结合在一起，互相通讯和工作。同类产品，不同厂家生产，可以相互替换，实现了互操作。这样的产品饰以LonMark标记。

LonWorks的应用编程高级语言2/6/20232/6/2023BACnet和LonWorks的比较在建筑设备自动化系统中，BACnet和LonMark标准互为补充，实现了实时控制域和管理信息域的网络化运作。两者尽管目标不一致，但在应用时却有交叉。2/6/2023

BACnet协议是为实现不同的系统互联而制定的标准。BACnet有比LonMark更为大量的数据通讯，运作高级复杂的大信息量，有更强大的过程处理、组织处理能力。适于大型智能建筑，大型智能建筑其分为若干区域，此时很有可能几个不同的系统（不同厂家的）存在。如果希望可以在一个用户界面进行整个系统的操作，BACnet是最经济、最理想的选