自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展論文

時(shí)間:2022-08-02 03:15:00

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自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展論文

摘要:簡(jiǎn)要介紹了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng),分析了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)和新興的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用,并介紹了樓宇自控領(lǐng)域中流行的4種現(xiàn)場(chǎng)總線。說(shuō)明了以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及在樓宇自控領(lǐng)域中的最新應(yīng)用情況,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)進(jìn)行了比較

關(guān)鍵詞:樓宇自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以太網(wǎng)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)

目前日益流行的智能建筑(inteuigentbuidings)是建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是信息社會(huì)的需要,也是未來(lái)建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(buidingautomationsystem,縮寫為bas)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)(cas)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(oas)三大系統(tǒng)組成。其中,樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑中最基本和最重要的組成部分。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)建的高度自動(dòng)化的綜合管理和控制系統(tǒng),將大樓內(nèi)部各種設(shè)備連接到一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)上,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行綜合的控制,這些設(shè)備包括空調(diào)、照明設(shè)備、電梯、消防設(shè)備、安防設(shè)備等等。它確保建筑物內(nèi)的舒適和安全的辦公環(huán)境,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的要求。

2現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)fcs的出現(xiàn)以及在樓宇自控中的應(yīng)用

上個(gè)世紀(jì)七八十年代,伴隨著計(jì)算機(jī)可靠性提高,價(jià)格大幅下降,出現(xiàn)了由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,簡(jiǎn)稱dcs)。dcs是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種綜合控制系統(tǒng)。它的測(cè)量變送儀表一般是模擬儀表,因此它屬于一種模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)較以前的各種控制系統(tǒng)有了較大的進(jìn)步。dcs在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,也開始應(yīng)用到樓宇自動(dòng)化控制領(lǐng)域。但是dcs存在如下一些缺點(diǎn):

(1)安裝費(fèi)用高。采用一臺(tái)儀表、一對(duì)傳輸線的接線方式,導(dǎo)致接線龐雜、工程周期長(zhǎng)、安裝費(fèi)用高、維護(hù)困難;

(2)可靠性差。模擬信號(hào)傳輸精度低,而且抗干擾性差;

(3)系統(tǒng)封閉。各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng),系統(tǒng)封閉、不開放,難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的互換與互操作以及組成更大范圍的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái),隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)(fcs),fcs克服了dcs的缺點(diǎn),它是一種全數(shù)字化的、全分散的、全開放、可互操作和開放式互連的新一代控制系統(tǒng)。目前,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)成為自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn),備受國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化設(shè)備制造商與用戶的關(guān)注。fcs極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術(shù)含量較低的布線工作量,使其系統(tǒng)檢測(cè)和控制單元的分布更趨合理。與傳統(tǒng)的dcs(分布式控制系統(tǒng))相比,fcs具有可靠性高、可維護(hù)性好、成本低、實(shí)時(shí)性好、實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點(diǎn)?,F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn),為工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)了一場(chǎng)深層次的革命,從而開創(chuàng)了工業(yè)自動(dòng)控制的新紀(jì)元,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。鑒于fcs的許多優(yōu)點(diǎn),控制專家們紛紛預(yù)言“fcs將取代dcs成為2l世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。”現(xiàn)在,fcs已經(jīng)被應(yīng)用到樓宇自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

2.1應(yīng)用于樓字自動(dòng)化領(lǐng)域的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線

由于誘人的市場(chǎng)商機(jī)和不同的應(yīng)用領(lǐng)域的存在,世界一些大公司或公司聯(lián)盟紛紛提出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國(guó)際上有40種宣稱為開放型的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。這些協(xié)議根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開放式互連系統(tǒng)的osi參考模型來(lái)制定的。大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線只是用其中的一、二和七層協(xié)議。于是現(xiàn)場(chǎng)總線呈現(xiàn)雜亂紛呈的局面。在這些現(xiàn)場(chǎng)總線中不乏優(yōu)異的現(xiàn)場(chǎng)總線,如can、modbus、profibus、lonworks、bacnet、devicenet等等。其中l(wèi)onworks、bacnet、can、eib等現(xiàn)場(chǎng)總線在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了、較廣泛的應(yīng)用。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線的fcs克服了dcs的許多缺點(diǎn),但還是有一些不如人意的地方,最明顯的缺點(diǎn):多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存而互不兼容,導(dǎo)致fcs的可互操作性只能在同一種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。后面將對(duì)fcs的缺點(diǎn)做進(jìn)一步說(shuō)明。

(1)lonworks

美國(guó)echelon公司1991年推出了lon(local0penationnetworks)技術(shù),又稱lonworks技術(shù)。它得到了眾多計(jì)算機(jī)廠家、系統(tǒng)集成商、儀器儀表以及軟件公司的大力支持,已經(jīng)在樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)供配、消防監(jiān)控、停車場(chǎng)管理等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。具體地說(shuō)lonworks具有以下優(yōu)點(diǎn):

①網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、組網(wǎng)方便。它支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?,包括總線型、星型、樹型、自由拓?fù)湫偷?,這樣可適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,方便現(xiàn)場(chǎng)布線;

②支持多種傳輸介質(zhì)。包括雙絞線、同軸電纜、電力線、光纖、無(wú)線射頻等;兩種傳輸速率:78bps和1.25mbps,最大傳輸距離由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蛡鬏斀橘|(zhì)決定,一般可從500m到2700m??山尤说墓?jié)點(diǎn)最多為32385個(gè);

③完善的玨發(fā)工具。提供完善的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,采用開放的neuronc語(yǔ)言,它是ansic語(yǔ)言的擴(kuò)展;

④無(wú)主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。lonworks網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的地位相同,網(wǎng)絡(luò)管理可設(shè)在任一節(jié)點(diǎn)處,并可安裝多個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器;

⑤開發(fā)lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間較短,也易于維護(hù)。lonworks采用的lontalk協(xié)議固化在echelon公司的neuron芯片中,這樣可以節(jié)省開發(fā)lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間,也方便維護(hù)。

同其它現(xiàn)場(chǎng)總線一樣,lonworks也有自身的缺點(diǎn)。首先,lonworks的實(shí)時(shí)性、處理大量數(shù)據(jù)的能力有些欠缺;其次,由于lonworks依賴于echelon公司的neuron芯片,所以它的完全開放性也受到一些質(zhì)疑。盡管lonworks存在一些不足,但是lonworks的fcs還在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。世界上有2萬(wàn)多家oem廠商生產(chǎn)lonworks相關(guān)產(chǎn)品,其中種類已達(dá)3500多種。目前世界上已安裝有500多萬(wàn)個(gè)lonworks節(jié)點(diǎn),lont~k協(xié)議也被接納為歐洲centc247、centc205的一部分。自1996年以來(lái),lonworks也開始在國(guó)內(nèi)獲得大量的應(yīng)用。在建設(shè)部的支持下,國(guó)內(nèi)一些研究所和企業(yè)開始陸續(xù)開發(fā)出基于lonworks的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng),并在一些新建智能大廈和建設(shè)部智能化小區(qū)試點(diǎn)工程中得到應(yīng)用。

(2)bacnet

bacnet是作為世界上第一個(gè)樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它代表了智能建筑發(fā)展的主流趨勢(shì)。bacnet不是軟件或硬件,也不是固件,嚴(yán)格地說(shuō),bacnet并不是現(xiàn)場(chǎng)總線,而是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,即通信規(guī)則。為不同商家產(chǎn)品的系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交流提供平臺(tái)和支持。bacnet詳細(xì)闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的途徑、使用的通信介質(zhì)、可以使用的功能以及信息如何翻譯的全部規(guī)則。bacnet采用了etherent、arcnet、ms/tp、ptp、lontalk五種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行通信??筛鶕?jù)系統(tǒng)通信是和通信速度選擇不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對(duì)其它現(xiàn)場(chǎng)總線,bacnet標(biāo)準(zhǔn)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以與etherent、lonworks等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫集成。不過(guò)bacnet主要為解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問(wèn)題設(shè)計(jì),并不太適用于智能傳感器、執(zhí)行器等末端設(shè)備。bacnet標(biāo)準(zhǔn)已在全球得到了廣泛的應(yīng)用,全球生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)樓宇設(shè)備和樓宇自控設(shè)備的主要廠商均支持bacnet標(biāo)準(zhǔn)。bacnet在不到10年的時(shí)間內(nèi)就從一個(gè)行業(yè)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)迅速成為樓宇自控領(lǐng)域中唯一的iso標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國(guó)是wto和iso成員國(guó),但是bacnet在我國(guó)建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍還是相對(duì)較小,而且在工程中采用的bacnet產(chǎn)品和技術(shù)也基本上全部是從國(guó)外引進(jìn)的,還沒(méi)有真正意義上的國(guó)產(chǎn)化bacnet相關(guān)產(chǎn)品。

(3)can

can總線最初是德國(guó)bosch公司為汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的,現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),在電力、石化、空調(diào)、建筑等行業(yè)均有應(yīng)用。can具有以下優(yōu)點(diǎn):

①采用8字節(jié)的短幀傳送,故傳輸時(shí)間短、抗干擾性強(qiáng):

②具有多種錯(cuò)誤校驗(yàn)方式,形成強(qiáng)大的差錯(cuò)控制能力。而且在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下,節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)離線,避免影響總線上其它節(jié)點(diǎn);

③采用無(wú)損壞的仲裁技術(shù);

4can芯片不但價(jià)格低而且供應(yīng)商多。

can缺點(diǎn)是:can總線上最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn),這不完全能滿足整個(gè)智能建筑的需要。不過(guò)可以通過(guò)利用中繼器進(jìn)行擴(kuò)展,相對(duì)其它一些現(xiàn)場(chǎng)總線,can總線技術(shù)比較簡(jiǎn)單,can相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用。因此,很早國(guó)內(nèi)就有一些企業(yè)推出了基于can總線的樓宇自控的相關(guān)產(chǎn)品。如獅島、索龍集團(tuán)開發(fā)出了$2000樓宇自控系統(tǒng)。

(4)eib

eib是歐洲安裝總線(europeaninstallationbus)的縮寫。它在1990年被提出,經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),在歐洲得到了進(jìn)300家廠商的支持。1999年eib被引進(jìn)中國(guó)的智能化建筑領(lǐng)域,并在上海同濟(jì)大學(xué)建立了eib認(rèn)證技術(shù)培訓(xùn)中心。在短短的幾年里,國(guó)內(nèi)的會(huì)展中心、博物館、辦公大樓、別墅等場(chǎng)所的燈光、窗簾、空調(diào)等控制和安防系統(tǒng)方面獲得了廣泛應(yīng)用,如廈門國(guó)際會(huì)展中心、大連國(guó)貿(mào)中心、浙江人民大會(huì)堂等。國(guó)內(nèi)的eib項(xiàng)目基本上被abb公司和simens公司所壟斷。

3以太網(wǎng)開始進(jìn)入樓宇自控領(lǐng)域

以太網(wǎng)發(fā)展至今已有20年歷程,作為局域網(wǎng)組網(wǎng)的主要技術(shù),以其簡(jiǎn)單、價(jià)廉、高帶寬、維護(hù)方便以及不斷發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)一直在局域網(wǎng)領(lǐng)域中牢牢占據(jù)著統(tǒng)治地位。近年來(lái),以太網(wǎng)技術(shù)獲得了快速地發(fā)展。交換型和全雙功以太網(wǎng)的出現(xiàn),克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的共享公共傳輸媒體和半雙功傳輸?shù)娜觞c(diǎn),實(shí)現(xiàn)了站點(diǎn)獨(dú)占傳輸媒體并同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),也減少了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)碰撞。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)不斷更新和擴(kuò)展,目前的以太網(wǎng)不僅在物理層(包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸速率、傳輸媒體),并且在數(shù)據(jù)鏈路層與原來(lái)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有了很大的進(jìn)步,以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列已擴(kuò)展成20余個(gè)?,F(xiàn)在已太網(wǎng)不但由局域網(wǎng)向著接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展,同時(shí)開始進(jìn)入工業(yè)控制和樓宇自控領(lǐng)域。新的ieee802.3af標(biāo)準(zhǔn)開始對(duì)以太網(wǎng)供電作出了規(guī)定,它消除了以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域的一個(gè)嚴(yán)重障礙。目前,3com、華為、dlink等公司開始提供符合ieee802.3af標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)產(chǎn)品。另外,一些現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)會(huì)或組織也開始提出基于其現(xiàn)場(chǎng)總線的開放式以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),即工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),如odva(開放devicenet供貨商協(xié)會(huì))和ci(contolnet國(guó)際組織)的ethernet/ip標(biāo)準(zhǔn)、ff(現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))的hse(hig}lspeedethemet,高速以太網(wǎng))、profibus國(guó)際組織的profinet。支持這些工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)、網(wǎng)卡等產(chǎn)品也開始出現(xiàn),如moxa公司的eds-508系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)(支持ethernet/ip)、北京航天華輝自動(dòng)化技術(shù)有限公司的anybus-sio/100m(支持ethemet/ip和modbus/tcp)等。美國(guó)vdc(venturedevelopmentcorp.)調(diào)查報(bào)告指出,ethemet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛,市場(chǎng)占有率將從2000年的ll%增加到2005年的23%。

伴隨著以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的成功應(yīng)用,以太網(wǎng)技術(shù)也必將越來(lái)越多地滲透到樓宇自控領(lǐng)域。目前,以太網(wǎng)多用于基于現(xiàn)場(chǎng)總線的樓宇自控網(wǎng)絡(luò)集成到智能建筑中的信息網(wǎng)(如圖l所示),在一些新開發(fā)的樓宇自控系統(tǒng)中,以太網(wǎng)直接進(jìn)入了控制層,如北京樓宇自動(dòng)化中心開發(fā)的基于以太網(wǎng)的enc-2001ip智能建筑測(cè)控系統(tǒng)。enc-200lip控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般的空調(diào)、照明等系統(tǒng)通過(guò)enc參量控制模塊集成到以太網(wǎng)上;帶有rs232或rs485接口的系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊集成到以太網(wǎng)上;ip電話以及ip攝像機(jī)直接連接到以太網(wǎng)上。

在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的fcs的優(yōu)點(diǎn)是:

①可靠性、實(shí)時(shí)性好?,F(xiàn)場(chǎng)總線為工業(yè)控制設(shè)計(jì)

圖1樓宇自控網(wǎng)絡(luò)集成到信息網(wǎng)的,有屏蔽、接地與防爆等措施,同時(shí)其實(shí)時(shí)性也比采用csma/cd的以太網(wǎng)的時(shí)實(shí)性好;

②用戶的投資成本低?,F(xiàn)在,開放的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)比較成熟,有很多公司提供的相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。其缺點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)縫接人以太網(wǎng)復(fù)雜,當(dāng)多種現(xiàn)場(chǎng)總線共存在一個(gè)系統(tǒng)中時(shí),集成起來(lái)更復(fù)雜,系統(tǒng)的擴(kuò)展性差。

在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是:實(shí)現(xiàn)了從管理層(信息網(wǎng))到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層(控制網(wǎng))的“一網(wǎng)到底”,即實(shí)現(xiàn)人們期望的通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一;這樣系統(tǒng)擴(kuò)展起來(lái)也比較方便;與智能建筑中其它系統(tǒng)(信息網(wǎng)通信自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng))集成起來(lái)更加容易。其缺點(diǎn)是:首先,目前開發(fā)基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)產(chǎn)品的難度較大,開發(fā)費(fèi)用和成本相對(duì)還是較高,用戶可以選擇的廠商也很有限,壟斷利潤(rùn)較高,研發(fā)成本還沒(méi)有被消化,這些都導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高。其次,以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等方面還有待進(jìn)一步完善。

4結(jié)束語(yǔ)

就目前而言,不管是應(yīng)用在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的fcs還是以太網(wǎng),都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步,它們也必將會(huì)被進(jìn)一步完善。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前有從事樓宇自動(dòng)化業(yè)務(wù)的企業(yè)3000家以上,產(chǎn)品供應(yīng)商約3000家。另外,隨著我國(guó)紹濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,建筑和社區(qū)的數(shù)字化建設(shè)正在興起,fcs和以太網(wǎng)都必將在樓宇自控領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),兩者在競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)也將繼續(xù)并存。

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