建筑设备自动化课件1、2章.ppt

1、建筑设备自动化,第一篇建筑环境控制,1、建筑环境概论 2、室内空气质量 3、建筑光环境 4、建筑热环境,1、建筑环境概论,舒适、健康的建筑微环境是建筑的基本要求：安全与健康、生产过程需要 利用适宜的手段和方法，来创造良好的建筑环境，不仅关系到人的舒适性要求，还直接影响建筑的能源、资源的消耗，进而影响建筑与环境的关系，影响人类社会的可持续发展 建筑环境控制有被动式和主动式 主动式控制建筑环境主要是建筑设备的控制,建筑环境组成要素,建筑环境：建筑内外的境况。包括温湿度、气流、空气品质、采光与照明、室内声学以及所提供的功能 建筑热湿环境：舒适气湿为40%70% 建筑光环境：对工作效率和身心健康有影响

2、 建筑声环境：噪声和音质的问题 建筑空气环境：温度、洁净度等品质 建筑功能：给排水、供电、通讯、消防等,建筑的功能,安全、健康、舒适，维持高劳动生产率 住宅、影剧院、商场等 办公楼、体育场馆等 生产工艺要求 生物实验室、制药厂、集成电路车间等 舞台、演播室、体育赛场、手术室等 二者兼而有之 各种有人员的生产场所 手术室、体育赛场、舞台等,建筑物必须满足的要求,安全性：避免由于地震、台风、暴雨等各种自然灾害所引起的危害或人为的侵害 功能性：满足建筑的居住、办公、营业、生产等功能 居住者在建筑内的健康，舒适性 美观性：有亲和感，社会文化的体现,地球环境还可持续发展吗？,空调采暖的普及使人们不再关心

3、建筑的性能 ,遍布全球的玻璃和钢筋盒子建筑,建筑能耗现状,目前美国社会能耗比例,当前世界能耗比例,中国能源构成：煤60,美国消耗世界能源的25，中国的发展应该步美国的后尘吗？,大量耗能污染环境,全球温室效应的发展趋势,2、室内空气质量,为什么要研究建筑的空气环境? 人们有超过90的时间是在室内度过的室内空气环境比室外还要重要,病态建筑综合症：现代都市病,症状 头痛、恶心 疲乏、失眠、记忆力衰退 皮肤、粘膜有刺激感（眼红、流泪、咽干等） 呼吸紊乱 特点 离开病态建筑一段时间后即恢复正常 只有症状，难以进行医学确诊，无法确定病源,建筑关联病,可由医学认定的病原体所引起的特定疾病，可进行医学确诊，如

4、： 过敏性肺炎 过敏性鼻炎 哮喘 军团病 有机尘中毒 肺癌,室内空气质量下降的原因,强调节能导致的建筑密闭性增强和新风量减少 新型合成材料在现代建筑中大量应用 散发有害气体的电器产品的大量使用 传统集中空调系统的固有缺点以及系统设计和运行管理的不合理 厨房和卫生间气流组织不合理 室外空气污染,中国1.6亿m2/年的竣工面积使得室内空气质量问题显得尤为重要！,室内空气质量下降的危害,危害居住者健康 降低劳动效率 1985年美国数据，每年因呼吸道感染 每年损失医疗费用达150亿美元 每年缺勤损失高达590亿美元,室内污染物的来源,室内空气质量的特征,室内空气质量：“可接受的IAQ”和“感受到可接受

5、的IAQ” 室内空气污染：由于室内有污染源或通风不好导致有害物质增加并引起人的不适症状 室内空气污染特征：累积性、长期性、多样性,室内空气质量处理,室内空气环境主要参数：温度、湿度、气流速度、清洁度 影响室内空气质量的环节：新风量、送风效率、湿度控制、微生物污染、空气过滤效率 改善室内空气污染的净化技术：过滤、静电、吸附、催化、等离子体、负离子、增湿,3、建筑光环境,光是人居环境的要素之一 建筑光环境：建筑采光设计、建筑照明，建筑照明改善了建筑功能效益和环境质量，提高视觉效果 建筑光环境的作用：能提高工作效率、保障工作质量、保证人身健康、还有消防安全功能 建筑光环境的形成：建筑照明设计、建筑照

6、明控制,照明灯具及控制,常用灯具种类：白炽灯、卤钨灯、荧光灯、荧光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、氙灯、LED灯等 照明方式：一般照明、分区一般照明、局部照明和混合照明 照明控制：分时段控制、分区控制、调光控制、声光感应控制、程序控制等,光环境控制的意义,减少视觉疲劳，保证视觉健康和身心健康 提高劳动生产率 降低能耗 人工照明能耗 空调能耗,90年代末上海市公共建筑的一次能源消耗比例,北京大型公共建筑能耗比例,4、建筑热环境,建筑热环境分为：室外热环境和室内热环境 室内热环境：是指室内空气温度、空气湿度、室内空气流动速度以及维护结构内表面之间的辐射热等因素综合组成的一种室内环境 建筑热环境控

7、制的主要目的就是满足人们的室内热舒适需求 室内热环境控制的前提是应节约资源和能源 室内热环境控制的主动控制措施是空气调节,建筑热湿环境是如何形成的?,是建筑环境中最重要的内容 主要成因是外扰和内扰的影响和建筑本身的热工性能 外扰：室外气候参数，邻室的空气温湿度 内扰：室内设备、照明、人员等室内热湿源,第二篇 建筑自动化,第1章 建筑设备自动化概述 第2章 计算机控制系统与通信网络结构 第3章 控制器与执行器 第4章 空气处理过程的控制 第5章 集中空调系统中冷热源 与空调水系统的监控,第6章 供热系统的控制与管理 第7章 其它建筑设备的 监测与控制 第8章 住宅小区智能化系统 第9章 建筑设备

8、自动化系统的 故障诊断 第10章 建筑设备自动化的建设 第11章 典型工程案例,建筑自动化,第一章 建筑设备自动化概述,1.1 智能建筑与建筑智能化的基本概念 1.1.1 智能建筑的用途 1.1.2 智能建筑的定义 1.1.3 智能建筑与传统建筑 1.1.4 智能建筑的类型 1.1.5 智能建筑的功能,智能建筑国内外研究现状,最早于1984年诞生在美国康乃狄州哈特福德市的“城市广场” ，美国新建80%智能建筑 日本在1985年开始建设智能建筑 ，日本新建70%智能建筑 欧洲国家对智能化的研究和发展基本上与日本同步启动 亚洲智能建筑则主要集中在汉城、香港等中心城市 我国对智能建筑的研究始于20世

9、纪90年代 ，北京发展大厦可谓是我国智能化建筑的雏型。,我国智能建筑设计标准,在中国国家标准智能建筑设计标准（GBT50314-2006）中的定义如下：“以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。”,我国智能存在主要问题,1、盲目投资正常运行率低； 2、技术与产品主要依赖国外，缺少配套性； 3、专业技术人员短缺，施工质量难以保证； 4、宣传过热，存在误区；（3A、5A） 5、一哄而上，施工单位档次参差不齐； 6、行业规范不细，难以操作。,智能建筑未来十年

10、发展趋势,未来十年从智能建筑本身密切相关的技术发展可以概括为以下三方面： 1、个性化智能建筑 （特定建筑 、大系统、细节设计 ） 2、节能智能建筑 （可持续发展、绿色 、生态理念） 3、绿色环保智能建筑 （保护周边环境 ）,1.1.1 智能建筑的用途,1.公共建筑： 高级商务办公楼、高级住宅、商场、医院、图书馆、博物馆、体育场馆、机场、车站等 2.智能住宅小区,1.1.2 智能建筑的定义,以建筑为平台， 兼备建筑设备、 办公自动化及通信网络系统， 集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合， 向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。,智能建筑与建筑智能化系统的关系,提供安全、高效、

11、便捷、节能、环保、健康环境的建筑才能称之为智能建筑。 建筑智能化系统包括信息系统、监控系统、通信等系统以及智能化集成系统，是智能建筑的必要条件。 智能建筑是一个综合的系统化工程，是多学科、多技术系统的综合体，要由各专业相互配合。,1.1.3智能建筑与传统建筑,1.具有传统建筑物的全部功能 2.它具有某种“拟人智能”特性及功能。 主要表现在： 具有感知、处理、传递所需信号或信息的 能力； 是对收集的信息具有综合分析、判断和决 策的能力； 是具有发出指令并提供动作响应的能力。,1.1.4智能建筑的类型,1.智能办公、商用大楼 2.智能建筑群（广场） 3.智能化住宅 4.智能化小区,1.1.5智能建

12、筑的功能,安全功能 舒适功能 便捷功能,1. 智能建筑的组成及核心技术,1.2.1 智能建筑的核心技术 1.2.2 建筑智能化系统的组成,1.2.1智能建筑的核心技术,1.现代计算机技术 当代最先进的计算机技术应该首推的是并行处 理、分布式计算机系统、微处理器技术、软件技术。 2.现代控制技术 常用的控制系统应为集散型监控系统DCS （Distributed Control System）。DCS即所谓分布 式控制系统。 智能建筑的核心问题是建筑设备的智能化以及建 筑智能化系统的集成。,3.现代通信技术 现代通信技术实质上 是通信技术与计算机网络 技术的结合 . 卫星通信 .光纤通信 .数据通

13、信 .计算机网络通信 .移动通信等。 4.现代图形显示技术 （CRT） 主要体现在计算 机的操作和信息显示 的图形化，既窗口技 术（Windous）与多媒 体技术的完美结合。,1.2.2建筑智能化系统的组成,1.建筑管理系统BMS 建筑设备自动化系统（BAS） (楼宇设备控制系统) 电力、照明、空调、给排水 安全防范系统SAS （Security Automation System） 消防报警系统FAS （Fire Automation System）,2.办公自动化系统OAS(Office Automation System),主要由办公作业设备与电子商务、管理信息系统 MIS、决策支持系统

14、DSS等部分组成。 （1）通用办公自动化系统 建筑物的物业管理：营运信息、电子财务、电子邮件、信息发布、信息检索、导引、电子会议以及文字处理、文件等管理。,（2）专用办公自动化系统 专用办公自动化系统是针对各个用户不同授 办公业务需求而开发的，如： 证券交易系统 银行业务系统 商场POS系统 ERP制造企业资源管理系统 政府公文流转系统等等。,3.通信网络系统CNS （Communication Network System） 通信系统 计算机网络 接入系统 以数字程控交换机PABX和网络中央集控器 为核心，通过网络布线将相关的设备和介质组 成一体化的系统，并连接无线通信系统、卫星 通信系统、

15、有线广播系统、电视会议系统、 Internet系统、多媒体通信等，通信网络系统 也经常称为通信自动化系统CAS。,4.综合布线系统 综合布线系统是建 筑物或建筑群内部 之间的传输网络。,BMS、 OAS、 CNS需通过综合布线系统 GCS（Generic Cabling System）和计算 机网络技术进行有机集成（俗称大3A集 成），是以管理为目的所做的管理信息集 成,1.3 建筑设备自动化系统,1.3.1 建筑设备自动化系统的功能 1.3.2 BAS的范围及内容 1.3.3 BAS的自动测量、监测与控制,1.3.1建筑设备自动化系统的功能,建筑设备自动化系统的功能,（1）设备监控与管理 能

16、够对建筑物内的 各种建筑设备实现运行状态监视，起停、 运行控制，并提供设备运行管理，包括维 护保养及事故诊断分析，调度及费用管理 等。,（2）节能控制 包括空调、供配电、照明、给排水 等设备的控制。它是在保障室内空气品质和舒适性 的前提下达到节能、降低运行费用的节能控制。,1.3.2 BAS的范围及内容,1.3.3 BAS的自动测量、监测与控制,1.BAS的自动测量 选择测量指在某一时刻，值班人员需要了解某一点 参数值，可选择某点进行参数测量，并在荧光屏上用 数字表示出来，或用打印机打印出来。如果测得的数 值与给定值之间有偏差，就将其偏差送到中央监控装 置中去。 扫描测量是指以选定的速度连续逐

17、点测量，对测量 点所取得的资料都规定上限值和下限值，每隔一定时 间扫描一次，如果在规定值以外，由蜂鸣器报警，并 在荧光屏上显示出来，对未运转的设备就跳位，自动 把它除外，继续进行扫描。 连续测量是目前国内常用仪表进行在线测量、指 示。,2.BAS的自动监视,（1）监控对象 BAS的自动监视指对建筑物中： 配电设备 空调、卫生、动力设备 火灾防范设备 照明设备 应急广播设备 电梯设备等,（2）监视内容 状态监视 故障、异常监视 火灾监视 暖通空调系统的监控,3.BAS的自动控制,BAS的自动控制包括建筑设备 起停控制 设定值控制 设备（或系统）的节能控制 机械防排烟系统的控制等。,1.4建筑设备

18、自动化的发展现状,1.4.1 历史与现状 1.4.2建筑设备自动化技术的发展趋势,1.4.1 历史与现状 19世纪末 ：机械控制器和电气控制器 20世纪50年代：出现了气动仪表控制系统 20世纪70年代：出现电子仪表和采用小型电子计 算机的集中式控制系统 80年代： 出现采用微型计算机的集散型控制系统(DCS) 先后引进了直接数字控制系统DDC（Direct Digital Control）； 计算机、模拟仪表混合控制系统； 计算机监督控制系统SCC和计算机集散控制系 统DCS。,20世纪70年代后，计算机实现集中控制出现的问题： 集中式的计算机控制降低了系统的可靠性，风 险高度集中，虽然可采

19、用双重计算机等冗余技 术，但成本提高； 模拟信号数字化的工作在计算机端，使得太多 太长的现场连线通过各类干扰环境到达现场，使 系统抗干扰的设计和实现都十分困难； 系统的规模受到较大的限制。,目前： 集散型控制系统（DCS）向现场 总线控制系统（FCS）的结构模 式过渡。,1.4.2建筑设备自动化技术的发展趋势,网络技术基于Web的Intranet 网络技术成 为建筑物或企业内部的信息主干网络的主流信 息。 控制网络技术在计算机互连网络技术的推 动下，控制系统要向体系结构的开放性网络互 连方向发展。 智能卡技术 随着半导体芯片技术的不断 发展，智能卡体积小、存储容量大、携带与使 用方便、安全性与

20、可靠性好、可脱机运行、一 卡多用的优越性能越来越突出。,可视化技术此技术是指基于网络化的视像 传输、交互和提供多媒体视像服务技术。 家庭智能化技术通过家庭智能化技术，实 现家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器 和家庭保安装置，进行集中的或异地的监视、控 制和家庭事务性管理。,无线电局域网技术该项新技术利用微波、 激光、红外线作为传输媒介，摆脱了线缆的束 缚。 数据卫星通信技术又称为小型数据通信站 （VSAT）是将通信卫星技术引向多功能、智能 化、设备小型化，同时综合应用多波束覆盖、星 载处理技术、地面蜂窝移动通信和计算机软件技 术等。,LongWork和BACnet的组合方案,第二章 计算

21、机控制系统与通信网络结构,2.1 建筑设备自动化系统的技术基础 2.2建筑设备自动化控制系统的集成 技术,2.1 建筑设备自动化系统的技术基础,2.1.1 计算机控制技术 2.1.2 计算机通信网络技术,2.1.1 计算机控制技术,1.计算机控制系统的基本原理 （1）组成：计算机控制系统一般由计算 机、D/A转换器、执行器、被控对象、测量 变送器和A/D转换器组成，是闭环负反馈系 统。,计算机控制系统,（2）计算机控制系统的控制过程 数据采集。对被控参数实时检测并转化成 标准信号输入计算机。 控制。计算机对采集的数据信息进行分 析、求偏差并按照已确定的控制算法进行 运算，发出相应的控制指令，产

22、生调节作 用施加与被控对象。,上述过程循环往复，使得被控参数按照指 定的规律变化，满足要求。 同时对被控参数的变化范围和设备的运行 状态实时监督，一旦发生越限或异常情况， 声光报警，迅速采取应急措施做出回应，防 止事故的发生或扩大。,2.计算机控制系统的组成,（1）硬件部分 主要包括主机、外围设备、 过程输入输出通道、人机联系设备等。 1）主机 计算机控制系统的核心，对反映生 产过程的被控参数进行巡回检测、控制运算、 数据处理和报警处理等，并向现场设备发送控 制命令。,2）外围设备 输入设备如键盘终端等，用来输入程序、数据或 操作指令。 输出设备如显示器、打印机、绘图仪等，以字 符、曲线、表格

23、、画面等形式反映测控信息和设备 运行工况。 外存储器如磁盘驱动器、光盘驱动器等，兼备输 入和输出功能，用来存放程序、数据信息等，作为 内存的备用存储设备。,3）过程输入输出通道 模拟量输入通道（AI） 作用：标准电流信号0-10mADC或4-20mADC 转变为二进制数字信号,过程参数 测量变送器 I/V变换器 多路开关 采样保持器 A/D转换器 接口电路 PC总线,I/V（电流/电压）变换器： 将测量变送器输出的010mADC或 420mADC变换为05VDC、010VDC或15VDC满 足A/D转换器的输入量程信号需要。 多路开关（Multiplex）： 将各个输入信号依次地连接到公用放大

24、器或A/D转换器上。,采样保持器： 按照一定的时间间隔T（采样时间）把时间 和幅值上均连续的模拟电压信号，转变为在离散 时刻0、T、2T、kT的离散电压信号，在时间 上是离散的，但在幅值上仍是连续的。采样宽度 表示采样开关的闭合时间。,数字量输入通道（DI）： 作用：它将反映生产过程或设备的、具有 二进制逻辑“1”和“0”特征的状态参数信号采 集并输送给计算机，其对应的二进制逻辑“1” 和“0”数字信号均代表生产过程或设备的一个 状态，这些状态作为控制的依据。,数字量输入通道的组成：主要由输入调理电路、输入缓冲器 和输入地址译码器等组成。 工作原理：输入调理电路接受反映生产过 程或设备的、具有

25、二进制逻辑“1”和“0”特征 的状态参数信号。获得状态信息，经过端口 地址译码，得到片选信号，当执行IN指令周 期时，产生 信号，则获取的状态信息可通过 三态门送到PC的数据总线，然后装入AL寄存 器。,模拟量输出通道（AO） 作用：它是计算机控制系统实现连续控制的 关键部分，把计算机输出的控制指令（数字量 形式）转换成模拟电流信号，以便驱动相应的 执行器，产生调节作用克服各种干扰对被控参 数的影响，保证被控参数按照指定的规律变 化，满足要求。 组成：主要由接口电路、D/A转换器、输出 保持器和V/I转换器等组成。,D/A转换器：数字量转换为模拟量。 D/A转换器的输 出电压或电流信号与二进制

26、数和参考电压成比例。 输出保持器的主要作用：将D/A转换器输出的离散模 拟量信号变成连续模拟量信号，在新的控制信号到 来之前，维持本次控制信号不变。 V/I转换器即电压/电流转换器：对于电压型D/A转换 器而言，将其电压输出信号转换为010mADC或4 20mADC，去控制电动角行程（DKJ）或电动直行程 （DKZ）执行器，产生连续调节作用或通过变频器控 制电机的转速。,4）人机联系设备 作用：操作员与计算机之间的信息交流是通过 人机联系设备进行的。具有显示设备的状态、 显示操作结果和供操作人员操作的功能，是人 与计算机联系的界面。 例如键盘、显示器、操作面板或操作台等,（2）软件部分 软件又

27、两大部分组成：系统软件和应用软件两 大部分 按照使用的语言划分，软件可分为机器语 言、汇编语言和高级语言； 按其功能划分：可分为系统软件、应用软件 和数据库等。,3.计算机控制系统的分类 （1）操作指导控制系统,特点：该系统属于开环控制结构，即自动检 测人工调节。结构简单，控制灵活、安 全，尤其适用于被控对象的数学模型不明确 或试验新的控制系统。但仍需要人工参与操 作，效率不高，不能同时控制多个对象。,（2）直接数字控制系统（DDC） 用一台计 算机对多个参数进行实时数据采集，按照一 定的控制算法进行运算，然后输出调节指令 到执行机构，直接对生产过程施加连续调节 作用，使被控参数按照工艺要求的

28、规律变 化。,（3）计算机监督系统（SCC） （Supervisory Computer Control）系统采用两 级计算机模式 1） SCC用计算机按照描述生产过程的数学模型 和反映生产过程的参数信息，实时计算出最佳设 定值送与DDC计算机或模拟控制器。 2）DDC计算机或模拟控制器根据实时采集的数据 信息，按照一定的控制算法进行运算，然后输出 调节指令到执行机构，直接对生产过程施加连续 调节作用，使被控参数完按照工艺要求的规律变 化，确保生产工况处于最优状态（如高效率、低 能耗、低成本等）。,SCC系统的结构形式： SCCDDC控制系统 SCC模拟调节器控制系统。,SCCDDC控制系统,

29、(4）集散控制系统（DCS） （Distributed Control System）又称分 布式控制系统。它采用分散控制、集中操 作、分级管理、综合协调的设计原则，从 下到上将系统分为现场控制层、监控层、 管理层。,现场控制层：主要完成DDC的功 能； 监控层：主要完成SCC的功能； 管理层：完成范围更广，层次 更高的管理、控制、协调的功 能。,集散控制系统（DCS）,1）现场I/O控制站（现 场控制机）。 基于“分解原理”， 将复杂的被控对象分解 为n个简单子对象分别 实施相应的控制。只要 n个子对象的控制指标 满足要求，则整个复杂 被控对象的控制指标也 就满足工艺的要求。,现场I/O控制

30、站的主要功能： 实时采集表征生产过程的的各种参数（如温 度、压力、流量、物位、湿度、电流、电压、 功率等）和状态信号（如设备的启/停、电气开 关的闭/开、触点的吸合/释放、灯的亮/灭 等），经数字化处理后，送入存储器储存，从 而形成一个反映生产现场实际工况，而且对所 采集到的数据信息进行实时更新的实时映象 （动态数据库）。,将其采集到的实时数据信息通过通信网络上送 至操作员站、工程师站以及其它现场I/O控制站， 以便实现全系统范围内的控制、监督和管理； 同时，现场I/O控制站还可以接受来自操作员 站、工程师站的下传指令，实现对现场I/O控制站 工艺参数设定值的变更以及现场工况的人工调 担任现场

31、的闭环负反馈控制、批量控制、顺序控制等任务。,2）操作员站 由工业微机、键盘、鼠标器、CRT和操作控制 台组成； 实现人-机界面功能的网络节点，使操作人员 及时了解现场工况、各种运行参数的当前值、 是否有异常情况发生及其声光报警、连锁保护 动作等。 通过输入设备（如键盘、鼠标器）对生产过 程进行调控，确保安全生产、优质高产、节能 降耗。,3）工程师站 工程师站主要对DCS进行离线的配置、组态、在线的系统监控和维护网络节点的工作。 系统工程师通过它可以及时调整系统的配置、参数设定，从而使DCS处于最佳的工作状态之下。 工程师站对各个现场I/O控制站、各个操作员站的运 行状态和网络的通信情况等进行

32、实时监控。一旦发 现异常，报知系统工程师及时采取相应的措施，进 行调整或维修，保证DCS能够连续、正常运行，不会 因此对生产过程造成损失。,DCS的特点： 基本结构是计算机网络，面向被控对象的现场I/O 控制站、面向操作人员的操作站、面向监控管理人 员的工程师站都是连接在这个网络上的三类节点， 均包括CPU和网络接口等，也都具有自己特定的网络 地址（节点号），可以通过网络发送和接受数据信 息。 网络中的各节点地位平等、资源共享、且相互独 立，形成信息集中、控制和危险分散、可靠性提高的功能结构。 DCS的网络结构还具有极强的扩充性，能够方便、灵 活地满足DCS的升级和扩充要求。,DCS控制系统原

33、理图,DCS的通信网络是一个 计算机控制网络，不同 于普通的计算机网络， 具有良好的实时性、较 高的安全性和可靠性和 较强的环境适应性特殊 要求。 DCS是半数字化系统。 4)DCS的通信网络 计算机网络常用的拓扑结构： 有星形（Star）、总线形（Bus）、环形 （Ring）,5）现场总线控制系统（FCS） （Field-bus Control System）现场总线控制系统 （Field-bus Control System）是一种全数字、半双 工、串行双向通信系统。用于连 接现场智能仪表，全部采用数字 信号传输。 因此FCS是全数字化系统。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之

34、间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、 多点通信的底层控制网络。,现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，具有了以下功能； 使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力， 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统； 并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换； 形成各种适应实际需要的自动控制系统。,现场总线控制系统的基本组成 ： 现场智能节点（能够完成数据信息的采集、运算； 执行控制指令； 通信等功能的智能仪表； 管理计算机 ； 满足系统通讯的计算机网络等组成。,

35、现场总线控制系统的特点： 现场通信网络 现场设备互连 互操作性 分散的系统结构 开放式互连网络 通信线供电,6）建筑物自动化系统的 现场总线 基金会现场总线FF （Foundation Field bus） FF以ISO/OSI开 放系统互连参考模型为 基础，取其物理层、数 据链路层、应用层作为 FF通信模型的相应层 次，并在应用层上增加 了用户层。,LonWorks （Local Operating Network） LonWorks是由美国Echelon公司在1991年 推出的实时测控网络，并与Motorola和 东芝公司共同倡导的现场总线技术。它 采用了OSI参考模型全部的七层协议结 构

36、。LonWorks技术的核心是具备通信和 控制功能的Neuron芯片。其最大优点是 完全的开放性、高可靠性和低成本，适 合现场DDC的互操作。,PROFIBUS总线（Process Field Bus） PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和 欧洲标准EN50179的现场总线，它也只采 用了OSI模型的物理层、数据链路层、应 用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方 式、多主多从通信方式。主站对总线具有 控制权，主站间通过传递令牌来传递对总 线的控制权。取得控制权的主站，可向从 站发送、获取信息。,CAN总线（Control Area Network） CAN是 由德国Bosc

37、h公司推出的，用于汽车内部的测 控网络，其总线规范已成为ISO11898标准。 CAN是一种对等式（Peer to Peer）的现场总 线，采用了ISO/OSI开放系统互连参考模型的 物理层、数据链路层和应用层。,HART总线（Highway Addressable Remote Transducer） HART是由美国Rosement公司研 制的模拟信号/数字信号混用的过渡性产品， 它在420mADC的模拟信号上叠加Bell202标准 的双频信号（1200 Hz和2200Hz）实现了数字 信号通信。HART采用ISO/OSI开放系统互连参 考模型的物理层、数据链路层和应用层，支持 总线供电，

38、本质安全。使用双绞线，传输距离 一般可达1500m。,（7）计算机集成制造系统CIMS（Computer Integration Manufacture System ） CIMS不但承担着面向过程控制和优化的任 务，而且基于获得的生产过程信息，完成整个 生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。,2.1.2 计算机通信网络技 术 组成： 负责信息处理的资源子网向网络提供可以使用的资源（如微机、工作 站、主机、工控机等）； 承担信息传递的通信子网利用通信媒质（如电 缆、光纤、微波、红外线 等）传递信息。,1.计算机通信技术 消息：关于数据、文字、图像和语音等的称 谓。 信息：包含在消息中的新内容

39、。 信号：指信息的载体与表现形式（如电、光、声音等），是随时间变化的物理量。根据不同的角度，分为连续时间和离散时间信号、模拟信号和数字信号、周期信号和非周期信号。,通信的目的：传递信息。 信源：产生和发送信息的设备信宿：接受信息的设备信道：它们之间的通信线路噪声：信号在传递过程中可能受到的各种干扰,数据通信方式： 并行传输 串行传输1 工（Sinplex）。数据信息在信道上只能在一 个方向上传送，信源只能发送，信宿只能接受。 如无线电广播和电视广播。 半双工（Half Duplex）。数据信息在信道上 能在两个方向上传送，信源和信宿可交替发送和 接受数据信息，但不能同时发送和接受。如航 空、航

40、海无线通讯和对讲机通讯。 全双工（Full Duplex）。信源和信宿可同时 发送和接受数据信息，要求信道具备满足双向通 信的双倍带宽。如电话通信。,2.计算机网络的拓扑结构及其分类 （1）星形拓扑 它由中央节点和通过点对点链接到中央节点 的各个站点组成，中央节点与各个站点之间存在 主从关系，采用集中式控制策略。网络中任何一 个站点向另一个站点发送数据信息，必须先向中 央节点发出申请，由中央节点在两站点之间建立 通路，方可进行通信。即现将数据信息发送到中 央节点，再由中央节点转发至相应的站点。,（2）总线形拓扑 总线形拓扑采用单根传输媒体作为主干（称 为总线），所有的站点均通过相应的输入/输出

41、 接口直接链接在总线上，属于多点连接方式。 网络中所有的站点平等地共享总线（即对等 式），任何站点均可以通过总线发送信息，而 且能够被其它所有站点接受；但是，一次仅能 够由一个站点发送信息，需要一种传输媒体访 问控制策略，以便决定下次由由哪一个站点发 送信息，其采用分布式控制策略。,（3）环形拓扑 环形拓扑中的站点之间采用点对点的链 接，信号在环中由一个站点单向地传输到另一 个站点，直到到达目标站点为止。它采用分布 式控制策略，每个站点平等地共享环路（对等 式），其任务就是接受/转发信息。环形拓扑 的信息流具有环形特征。,（4）树形拓扑 形状酷似一棵倒置的树，顶端有一个根节 点，根节点产生若干

42、分支路与其它站点相链 接，其它站点又延伸出许多子分支路与其它子 站点相链接，逐级分支、延伸。根节点（中央 节点）与各个站点（子节点）之间存在主从关 系，采用集中式控制策略。网络中任何一个站 点向另一个站点发送信息时，首先由根节点接 受该信息，然后经其广播发送到全网的各个站 点。,（5）星环形拓扑 将星形拓扑和环形拓扑混合起来的一种拓扑结构。其拓扑配置是由一些连接在环形上的集线器再连接星形结构接到每个用户站，兼备星形和环形拓扑的优点。但它 需要智能型集线器，以实现网络故障的自诊断和故障节点的隔离。,从信息传送的实时性方面来说，星形（Star）网是最好的，但各个节点之间的通信必须经过中央节点进行，

43、存在“瓶颈”问题，使得危险性增大，不符合DCS较高的安全性和可 靠性的要求。因此，目前应用最广的网络结构是总线形（Bus）网和环形（Ring）网。在这两种网络结构中，各个节点地位平等，它们之 间的通信均可通过网络直接进行。,计算机网络按照距离分为： 局域网（LAN：Local Area Network）： 即在一个适中的地理范围内，通过物理信 道，以适中的数据传输速率，使彼此相互独立的 数字通信设备实现互连并进行通信的一种数据通 信系统。LAN的覆盖范围一般在几米至几公里。 常见的形式有以太网（Ethernet）、令牌环 （Token-Ring）、令牌总线（Token-Bus）等。,广域网（W

44、AN：Wide Area Network）：它是 利用公共远程通信设施，实现用户之间的快速 信息交换或者为用户提供远程信息资源的服 务。WAN的覆盖范围通常为几十到几千公里， 可跨越城市、跨越地区、跨越国界甚至跨越几 个洲。如国际互联网（Internet）。,城域网（MAN：Metropolitan Area Network）： 城域网的覆盖范围在局域网和广域网之 间，一般为5-50km。,计算机网络按照传输媒体分为： 有线网： 它使用导向型传输媒体来发送信息。 无线网： 它使用非导向型传输媒体来进行通信。,计算机网络按照数据交换方式分为： 共享型网络： 即网络上的计算机必须争得传输媒体的 使

45、用权后方能传输信息。当两个用户相互传送 数据时，其它用户就不能传送数据，网络运行 效能不高。 交换型网络： 它的每个工作站都独立地占有一定带宽， 采用分组交换的数据传输方式，网络运行效能 高。,3.开放系统互连参考模型,OSI参考模型,协议（Protocol）：关于信息交换的术 语。 通信协议：通信双方（信源和信宿）必须共同遵守规则的集合，它由语法、语义和定时三部分组成。 语法：确定协议元素的格式（即规定通信双方彼此“如何讲”）； 语义：确定协议元素的类型（即规定通 信双方彼此“讲什么”）； 定时：规定了信息交换的次序。,在OSI参考模型中，各层的数据传输单位 物理层：分别是比特； 位、帧：数

46、据链路层 网络层：分组 传输层：数据报 会话层：数据包 数据包：表示层 报文：应用层,OSI参考模型各层的功能简介 物理层（Physical Layer） 物理层是OSI 参考模型的第1层，向下是物理设备的接 口，直接与传输媒体相链接.使比特流通过 该接口从信源传递到信宿；向上为数据链 路层提供服务（以建立物理链接和数据传 输等方式提供服务）。 将比特流送到物理媒体上传送，即相当 于：对上一层的每一步怎样利用物理媒 体？,数据链路层（Data Link Layer） 主要任务：提供一种可靠的、通过传输 媒体传输数据的方法。是在链路上无差 错地传送帧，即相当于：每一步应该怎样走？,网络层（Net

47、work Layer） ： 主要承担把信息从一个网络节点传送到另 一个网络节点。若两个网络节点分别处在不同 的网络，网络层将决定数据信息通过哪个途径 到达目标节点（即路由的选择）。网络层从信 源接受报文，将其转化成数据包，负责确定它 通过网络的最佳途径，并确保数据包直接发送 到信宿。当传送的数据报跨越不同的网络边界 时，网络层对通信协议进行转换，使得异构网 络能够互联。它具有路由选择、流量控制、定 址及寻址等功能 。 分组传送和路由选择，即相当于：走哪一条路 可到达该处？,传输层（Transport Layer） 高层和低层之间进行衔接的接口层，也是通 信子网和资源子网的界面。它利用下面3层提

48、供 的服务向高层提供端到端的可靠传输服务。传输 层从会话层取得数据，对其进行必要的分割，再 将处理好的数据传输到网络层，而且进行校验以 确保所传输的数据能够准确到达目标设备。它具 备建立传输连接、数据块排序、差错控制等功 能。 从端到端经网络透明地传送报文，即相当于：对 方在何处？ OSI参考模型的前四层提供了良好的数据通路和 可靠的数据交换手段。,会话层（Session Layer） ： 网络设备之间的会话就是基于传输连接 基础和通信协议.通过建立会话连接服务来进 行网络设备会话层之间的通信。如同两人之 间的对话，应考虑对话的方式、对话的协 调、对话同步等问题。它具有会话的建立、 使用和释放

49、，数据交换、会话同步等功能。 会话的管理与数据传输的同步，即相当于： 轮到谁讲话和从何处讲？,表示层（Presentation Layer）： 负责处理传输数据的格式、语法、语 义的问题.由于信源和信宿双方的数据表 示不尽相同，所以需要建立数据交换的格 式和约定来确保信源和信宿双方能够相互 认识。此外，表示层还负责所传送数据的 压缩/解压缩、加密/解密等问题。 数据格式的转换，即相当于：对方看起来 象什么？,应用层（Application Layer） 用户的应用程序和网络的接口。为用户直接提 供各种网络应用服务，如文件传输、电子邮 件、远程登录等。应用层负责将一些应用程序 经常使用的该层服务

50、、功能以及相关的协议进 行标准化。如HTTP协议、FTP协议、SMTP（E- mail）协议等。 与用户应用进程的接口，即相当于：做什么？ “透明”：某一个实际存在的事物看起来却好象 不存在一样。,4. TCP/IP协议 TCP/IP协议 （传输控制协议/ 网际互联协议）一 系列协议集合的总 称，TCP/IP协议主 要用于Internet （因特网）的数据 交换。,（1）TCP（Transmission Control Protocol） 它是一种面向连接的协议，能 够在各种物理网络上提供可靠的、端到端的 数据信息传输，并且可以检测到在传输过程 中数据包出现的各种问题，针对出现的问 题，及时地

51、提供重传、排序和延迟处理等措 施，使得数据传输的可靠性极强。,（3）TCP/IP TCP/IP的体系结构分为四层： 物理层/数据链路层（或称网络接口层）: 它负责通过物理网络（指点对点的链接线路、局 域网、城域网、广域网）传送IP数据报，或将接 受到的帧转化成IP数据报并交给网络层。 网络层:它定义了IP数据报的格式，使得IP数 据报经由任何网络，独立地传向目标。同时，该 层还要处理路由选择、流量控制等问题。,传输层：它提供可靠的、端到端的数据传输服 务，确保信源传送的数据报能够准确地到达信 宿。其中TCP是一个面向连接的、可靠的传输协 议；UDP（用户数据报协议）则是一个不可靠的、 无连接的

52、协议，主要用于要求传输速率比准确性 更高的报文。 应用层：它的作用相当于OSI参考模型的会话 层、表示层和应用层的综合，向用户提供一系列 的流行应用程序，如电子邮件、文件传输、远程 登陆等。它包含了TCP/IP协议中所有的高层协 议，如HTTP协议、FTP协议、SMTP（E-mail）协 议、DNS服务等。,5.BACnet （Binary-Analog Conversion net） 通信协议 （1）BACnet数据通信协议的体系结构 物理层、数据链路层、网络层和应用层,（4）BACnet的拓扑结构 BACnet设备通过LAN传送符合BACnet标准的二 进制码信息。尽管Ethernet（1

53、0100 Mbit/s）、ARCnet（0.1510 Mbit/s）、 MS/TP （9.678.4 kbit/s）、LonTalk （4.81250 kbit/s）和PTP的拓扑结构、价 格性能不同，但它们均可通过路由器构成 BACnet“互联网”。基于工程实用的灵活性， BACnet数据通信协议没有严格规定LAN互联的 拓扑结构。,（5）BACnet与企业内部互连网Internet的互联 BACnet设备间的通信采用的是BACnet数据通信协 议，Internet采用的是IP协议。BACnet设备要利 用Internet进行通信，必须采用IP协议的方式进 行。这就需要附加传输层协议。由于B

54、ACnet数据 通信协议已提供了包的可靠传输、包重组和流量 控制等功能，所以采用Internet的基本传输协 议“用户数据包协议”（UDP）。基于此目 的，需要在BACnet中引入分组装拆器（PAD， Packet Assembler Dissembler）或服务进行 BACnet/IP通信。,6. LonTalk协议 美国Echelon公司1991年推出了LON(Local Operating Networks)技术，又称LonWorks 技术。 （1）LonWorks组成： 1）LonWorks节点和路由器。LonWorks节点 主要包括CPU、I/O处理单元、通信处理 器、收发器和电源。

55、 2）LonTalk协议。 3）LonWorks收发器。 4）LonWorks网络和节点开发工具。,（2）LonWorks技术具有以下优点： 网络结构灵活、组网方便。它支持多种网络 拓扑形式，包括总线型、星型、树型、自由拓 扑型等，这样可适应复杂的现场环境，方便现 场布线； 支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电 缆、电力线、光纤、无线射频等；两种传输速 率：78bps和1.25Mbps，最大传输距离由网络 拓扑形式和传输介质决定，一般可从500m到 2700m。可接入的节点最多为32385个； 完善的开发工具。提供完善的系统开发环 境，采用开放的NEURONC语言，它是ANSIC语言 的扩展；

56、,无主的网络系统。LonWorks网络中各节点 的地位相同，网络管理可设在任一节点处，并 可安装多个网络管理器； 开发LonWorks网络节点的时间较短，也易 于维护。LonWorks采用的LonTMk协议固化在 Echelon公司的Neuron芯片中，这样可以节省 开发LonWorks网络节点的时间，也方便维护。,7.计算机网络的传输媒体 （1）双绞线 双绞线（Twisted Pair） 是一种广泛使用而且价廉的传输媒体。它 由两根相互绝缘的、有规则的导线（铜线或镀铜的钢线）按照螺旋状绞合在一起， 该种结构能一定程度地减少线对之间的电 磁干扰和外部噪声干扰，其中一对线对起到一条通信链路的作用

57、。 屏蔽型（STP）:采用金属网或金属包皮包裹双绞线，抗干扰力强，数据传输速率高，但价格 较贵且需要配置相应的连接器； 非屏蔽型（UTP）:相对直径小，使用方便灵活 且价廉，但易受干扰，安全性差。,（1）双绞线双绞线（Twisted Pair）是一种广泛使用而且价廉的传输媒体。它由两根相互绝缘的、有规则的导线（铜线或镀铜的钢线）按照螺旋状绞合在一起，该种结构能一定程度地减少线对之间的电磁干扰和外部噪声干扰，其中一对线对起到一条通信链路的作用。 （2）同轴电缆 同轴电缆（Coaxial Cable） 局域网过去广泛使用的传输媒体，现在应用较 少。它由内、外两个导体组成：内层导体（单 股实心线或绞

58、合线，材质一般为铜）位于外层 导体的中轴上，被一层绝缘体包裹者；外层导 体是金属网或金属包皮，同样被另一层绝缘体 包裹者。同轴电缆的最外层是能够起保护作用 的塑料外皮。,（3）光纤（Fiber） 一种能够传输光信号的纤细柔软媒体，其最 内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂 的光导纤维，直径2-125，材质为玻璃或塑 料。纤芯的外层裹有一个包层，它由折射率比纤芯小的材料制成。正是由于纤芯与包层之间存在 折射率的差异，光信号才得以通过全反射在纤芯 中不断地向前传播。在光纤的最外层则是起保护 作用的护套，它使得纤芯和包层免受温湿度的变化、弯曲、擦伤等带来的危害。,2）传输特性 原理：光纤利用全

59、内反射（全部折射到内部媒 体，即一点也不向周围媒体折射）来传输经信号 编码的光束。 光源：发光二级管（LED）和注入式激光二级 管（ILD）。LED是在加电流后能发光的固态器 件。ILD是根据被激发的量子电子效应能产生窄带 光束的激光原理工作的固态器件。 在接收端用来将光信号变换成电信号的检测器是 光电二极管。一般用光的有、无表示二进制的 “0”、 “1”。,3）优点： 光缆信息容量大，数据传输率可达几百万到数十亿比特。一根筷子粗细的光缆可容纳数成 路电话数百路电视信号。 光缆信号传输衰减小，通信距离比电缆大得多，传输距离可达1000km以上。 光缆耐辐射，各种设备产生的电磁辐射对它不起作用，外界环境对信息传输设备没有影响，