建筑智能總線控制論文

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摘要：從上海調查資料來看，只有20％的項目具有集成管理系統，而具有綜合管理自動化系統也很少。純管理自動化模式多些，更多的是各自獨立分散系統。其資源不能共享，硬件不能共用，系統不能共管。沒有完全體現和達到建筑智能化的目的。由于不重視系統集成，各自獨立分散的系統。通信協議各產品制造商獨自開發，和對外保密。硬件也沒有兼容與互換性。當損壞或需更新升級時只能購買原來廠商產品，往往由于價格太貴，而無力配置，造成整個系統不能運行，造成閑置、浪費。

關鍵詞：建筑智能現場總線控制系統現場總線的測量系統

Ⅰ、對建筑智能化工程中存在的問題及改進意見

一、當前建筑智能化建設工程中存在的問題建筑智能化工程的質量是一項綜合性系統工程，從已建及在建的智能建筑情況來看，建設單位化了很大的投資，但建成后許多不能發揮其作用，或開始使用尚好，但逐步被擱置。

從上海調查資料來看，只有20％的項目具有集成管理系統，而具有綜合管理自動化系統也很少。純管理自動化模式多些，更多的是各自獨立分散系統。其資源不能共享，硬件不能共用，系統不能共管。沒有完全體現和達到建筑智能化的目的。

由于不重視系統集成，各自獨立分散的系統。通信協議各產品制造商獨自開發，和對外保密。硬件也沒有兼容與互換性。當損壞或需更新升級時只能購買原來廠商產品，往往由于價格太貴，而無力配置，造成整個系統不能運行，造成閑置、浪費。

造成這種狀況，究其原因是建設單位不清楚建設部關于選定智能建筑設計及集成商的規定與要求及其重要意義。另外對智能建筑系統選擇過程中需考慮的幾個方面技術要求不清楚。本文綜合了有關資料供設計及建設單位參考。希望能對建筑智能化工程的建設有所改善，能較好體現出智能化建筑工程的優勢和所達到的目的。

二、關于建筑智能化工程設計及集成商的確定

建設部關于建筑智能化工程設計集成商資質的規定。

建設部［99］117號文通知從2000年1月1日起必須持有智能化工程設計和系統集成專項資質證書的單位，方可在其資質證書范圍內承擔智能化系統工程的設計和系統集成的業務。地方政府，業務部門應嚴格管起來，更不應自立門戶。

2.系統集成商的選擇：

當今建筑智能化系統是信息化，數字化的必然產物和發展方向。智能建筑除了與建筑物的個性、標準及用戶財力有關外還要有前瞻性。現有方案要與發展很快的信息技術相結合。系統要能方便升級，與發展的先進技術相兼容。現在生產廠商都提出了15年質量保證體系，因而所實施的工程要能保證用戶在15年內滿足不斷擴展的業務需要。使投資在15年內保值。為了達到這樣的目的，在考察和選擇集成商時，最重要的是集成商的經濟實力和后援技術保障。對于建筑智能化系統，不僅在工程建筑完成后能達到設計標準，而且要保障其基礎設施使用15年的壽命。在15年內能與發展的技術相兼容。對這些保障，集成商要有賠償能力，所以集成商的經濟實力必須是牢靠的，那些曇花一現的公司切不可信賴。

在后援技術保障方面，由于通信和計算機產品及技術更新非常快。計算機應用軟件在系統投入運行后，也要進行后期的維護、更新、擴充和修改。這一切要求有可靠的，能夠長期生存的，有良好信譽的，有業績的公司，才能在交工后仍可得到良好的技術支持和后援保障。在后援保障方面，集成商公司，應有一支包括下列人員精干的隊伍，即系統集成、計算機硬、軟件、網絡信息管理系統電氣設計施工等方面的科技人才。3.建筑智能化通信網絡：

建筑智能化網絡可分為二大類，一類為底層現場控制層網絡，另一類為上層網絡，包括過程監控及樓宇管理層。上層網絡，由以太網，TOP等局域網組成采用標準ISO/SIO通信協議。底層現場控制層網絡采用現場總線制網絡，通信協議是采用實事性強，可靠性高簡化的SIO標準。

一、現場總線控制系統的概念（FCS）

現場總線控制是工業（建筑）設備自動化控制的一種計算機局域網絡。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的微處理芯片，數字化儀表（設備）在現場實現徹底分散控制，并以這些現場分散的測量，控制設備單個點作為網絡節點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現場總線控制系統。它是屬于最底層的網絡系統，是網絡集成式全分布控制系統，它將原來集散型的DCS系統現場控制機的功能，全部分散在各個網絡節點處。為此，可以將原來封閉、專用的系統變成開放、標準的系統。使得不同制造商的產品可以互連，是DCS系統的更新換代，大大簡化系統結構，降低成本，更好滿足了實事性要求，提高了系統運行的可靠性。不同通信協議的現場總線控制系統一般通過工業PC機內總線插槽的PC接口板與現場總線網段連接。

二、現場總線控制系統的組成

現場總線控制系統由測量系統、控制系統、管理系統三個部分組成，而通信部分的硬、軟件是它最有特色的部分。

1、現場總線控制系統：

它的軟件是系統的重要組成部分，控制系統的軟件有組態軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開發組態軟件、控制操作人機接口軟件MMI。通過組態軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數，進行網絡組態。在網絡運行過程中對系統實時采集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

2、現場總線的測量系統：

其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信號，具有高分辨率，準確性高、

抗干擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表設備的狀態信息，可以對處理過程進行調整。

3、設備管理系統：可以提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系統，它安裝在主機算機內，由它完成管理功能，可以構成一個現場設備的綜合管理系統信息庫，在此基礎上實現設備的可靠性分析以及預測性維護。將被動的管理模式改變為可預測性的管理維護模式AMS軟件是以現場服務器為平臺的T型結構，在現場服務器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件為用戶提供一個圖形化界面。

4、總線系統計算機服務模式：以客戶機/服務器模式是目前較為流行的網絡計算機服務模式。服務器表示數據源（提供者），應用客戶機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，并進一步進行處理。客房機運行在PC機或工作站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

5、數據庫：

它能有組織的、動態的存儲大量有關數據與應用程序，實現數據的充分共享、交叉訪問，具有高度獨立性。工業設備在運行過程中參數連續變化，數據量大，操作與控制的實時性要求很高。因此就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的數據庫系統，市面上成熟的供選用的如關系數據庫中的Orad，sybas，Informix，SQLServer；實時數據庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。6、網絡系統的硬件與軟件：

網絡系統硬件有：系統管理主機、服務器、網關、協議變換器、集線器，用戶計算機等及底層智能化儀表。網絡系統軟件有網絡操作軟件如：NetWarc，LANMangger，Vines，服務器操作軟件如Lenix，os/2，WindowNT。應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等。

三、現場總線控制系統的特點

1、在功能上管理集中，控制分散，在結構上橫向分散、縱向分級。

2、要有快速實時響應能力，對于工業設備的局域網絡，它主要的通信量是過程信息及操作管理信息，信息量不大，傳輸速率不高在1MPS以下，信息傳輸任務相對比較簡單但其實時響應時間要求較高為0.01—0.5S。所謂實時性是在網絡通信過程中能在線實時采集過程的參數，實時對系統信息進行加工處理，并迅速反饋給系統完成過程控制，滿足過程控制對時間限制的要求。除了控制管理計算機系統的外部設備外，還要控制管理控制系為統的設備，并具有處理隨機事件能力。實際操作系統應保證在異常情況下及時處置，保證完成任務，或完成最重要的任務，要求能及時發現糾正隨機性錯誤，至少保證不使錯誤影響擴大，應具有抵制錯誤操作和錯誤輸入信息的能力。實現現場總線控制系統實時性的主要措施為：(1)OSI協議中7層都是提供高度的功能性服務，為此降低了通信流量和增大傳輸時間，因而影響實時響應能力。因此將OSI七層通信協議，采取不同程度的簡化，減少由于層間轉換的復雜性，而影響實時響應能力。現場總線控制系統的通信協議一般為物理層、鏈路層、應用層，再增加一個用戶作為網絡節點，互連成底層總線網。如PRUFIBUS總層的四層結構。(2)把基本控制功能下放到現場具有智能的芯片或功能塊中，使控制功能徹底分散，直接面對對象，接口直觀簡、結。把同時具有控制、測量與通信功能的功能塊，與功能塊應用進程，作為網絡節點，互連成底層總線網。如PRUFIBUS總線系統，按照主站、從站分，把底層的通信及控制集中在從站來完成。各公司廠商提供較齊全的各類主站與從站列芯片，實現起來簡單又便宜。有如LONWORKS雖然通信協議與OSI相同為七層，但全部固化在一個神經芯元片中，不需要經網絡傳輸，同樣可加快實時響應能力，同時應用程序定義一個特殊對象��網絡變量存在于神經元芯片ROM中，它是在節點代碼編譯時確定，將不同節點。同類型的網絡變量連接起來進行自控，大大簡化了開發和安裝分布系統過程。(3)介質訪問協議：一般采用令牌傳遞總線訪問方式（TOKENBUS）既可達到通信快速的目的，又可以有較高的性價比，對于多路訪問沖突檢測（CSMA/CD）方法，雖然通信管理上較為簡單，但并不能完全避免碰撞現象，實現沖突檢測比較復雜，此外在線路中常態干擾與差錯往往和碰撞難以區別，因此對現場總線控制系統實時性要求較高的場合，并不十分適合。所以大部分總線控制系統均為令牌傳遞訪問。只有LONWORKS采用改進型的，即帶預測P的CSMA訪問方式。當一個節點需要發送信息時，先帶預測P測一下網絡是否空閑，有空閑則發送，沒有空閑則暫時不發，這樣就避免了碰撞減少了網絡碰撞率，提高了重載時的效率。并采用了緊急優先機制，以提高它的實時性與可靠性。(4)通信方式：一般分調度通信和非調度通信多數為調度通信，用于設備間周期性傳輸，控制的數據預先設定。非調度通信用于參數設置、設備診斷報警處理。從其功能上分，有主站與從站區分。從站僅對收到信息時確認或當主站發出請求時向它發信息，所以只需總線協議一小部分，既經濟，實時性也強。

3、產品要具有互操作性

各制造商產品要通過所屬各類總線制協議符合其規定的OSI標準一次性測試，及互操作性測試，并以專門測試中心認證。為了提高其可靠性，還要經過在惡劣環境下魯棒測試。接口技術采用了OEM集成方法構成產品，可以實現數據開放式傳輸。

因此，對于同一類型協議的不同制造商產品可以混合組態與調用為一個開放系統，使它具有互操作性。

4、要求具有較高可靠性措施：

(1)硬件經過嚴格挑選，采用專用芯片（ASIC）和表面安裝技術（SMT）。(2)系統軟件選用成熟適合實際需要的簡單易用軟件，及好的工具軟件。應用軟件采用功能模塊化設計，定義清晰明確。(3)可通過在線可快速排除故障，強化硬件可修復性，如I/O模板可帶電插拔，且診斷故障顯示，故障時部件自動隔離等(4)軟件上分離化體系結構及各過程站有地域上各自獨立的局部數據庫。并經過通信網絡在邏輯上形成全局數據庫。(5)有多級安全措施，采用容錯技術與冗余技術。

四、現場總線控制系統（FCS）代表性通信協議標準

從80年就開始制訂統一標準。83年IEC/SC65B/WG6國際電工委員會生產過程計算機系統分會的通信分會，制訂了PROWAY通信協議，主要是將ISO的OSI參考模型由原來七層改為五層。

此時同時不同行業還陸續出現了許多總線標準，其中有影響的有以下幾種：

1、基金會現場總線2、LONWORKS3、PROFIBUS4、CAN

5、ART

而其中CAN用于汽車及機器人數字機床、醫療器械等控制，本文不作介紹。

HART使用FAK技術，它在原模擬控制系統上疊加上一個高頻信號，作為網絡通信信號，是個過渡性臨時標準。