自動化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展論文

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摘要：簡要介紹了樓宇自動化系統(tǒng)，分析了傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)和新興的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)優(yōu)缺點以及應(yīng)用，并介紹了樓宇自控領(lǐng)域中流行的4種現(xiàn)場總線。說明了以太網(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，對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)進行了比較

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

目前日益流行的智能建筑(inteuigentbuidings)是建筑技術(shù)與計算機信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是信息社會的需要，也是未來建筑發(fā)展的方向。智能建筑主要由樓宇自動化系統(tǒng)(buidingautomationsystem，縮寫為bas)、通信自動化系統(tǒng)(cas)和辦公自動化系統(tǒng)(oas)三大系統(tǒng)組成。其中，樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑中最基本和最重要的組成部分。樓宇自動化系統(tǒng)是利用計算機及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)構(gòu)建的高度自動化的綜合管理和控制系統(tǒng)，將大樓內(nèi)部各種設(shè)備連接到一個控制網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)對其進行綜合的控制，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，同時實現(xiàn)高效節(jié)能的要求。

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

上個世紀七八十年代，伴隨著計算機可靠性提高，價格大幅下降，出現(xiàn)了由多個計算機遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem，簡稱dcs)。dcs是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(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)有了較大的進步。dcs在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，也開始應(yīng)用到樓宇自動化控制領(lǐng)域。但是dcs存在如下一些缺點：

(1)安裝費用高。采用一臺儀表、一對傳輸線的接線方式，導(dǎo)致接線龐雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難；

(2)可靠性差。模擬信號傳輸精度低，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)。

上個世紀90年代以來，隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)(fcs)，fcs克服了dcs的缺點，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)場總線技術(shù)已經(jīng)成為自動化技術(shù)中的一個熱點，備受國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶的關(guān)注。fcs極大地簡化了傳統(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、可維護性好、成本低、實時性好、實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，為工業(yè)自動化帶來了一場深層次的革命，從而開創(chuàng)了工業(yè)自動控制的新紀元，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。鑒于fcs的許多優(yōu)點，控制專家們紛紛預(yù)言“fcs將取代dcs成為2l世紀控制系統(tǒng)的主流。”現(xiàn)在，fcs已經(jīng)被應(yīng)用到樓宇自動化控制領(lǐng)域。

2．1應(yīng)用于樓字自動化領(lǐng)域的幾種現(xiàn)場總線

由于誘人的市場商機和不同的應(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)場總線協(xié)議標準。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國際上有40種宣稱為開放型的現(xiàn)場總線標準。這些協(xié)議根據(jù)國際標準化組織(iso)的計算機網(wǎng)絡(luò)開放式互連系統(tǒng)的osi參考模型來制定的。大多數(shù)現(xiàn)場總線只是用其中的一、二和七層協(xié)議。于是現(xiàn)場總線呈現(xiàn)雜亂紛呈的局面。在這些現(xiàn)場總線中不乏優(yōu)異的現(xiàn)場總線，如can、modbus、profibus、lonworks、bacnet、devicenet等等。其中l(wèi)onworks、bacnet、can、eib等現(xiàn)場總線在樓宇自動化領(lǐng)域獲得了、較廣泛的應(yīng)用。盡管基于現(xiàn)場總線的fcs克服了dcs的許多缺點，但還是有一些不如人意的地方，最明顯的缺點：多種現(xiàn)場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)場總線系統(tǒng)中實現(xiàn)。后面將對fcs的缺點做進一步說明。

(1)lonworks

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

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)拓撲形式，包括總線型、星型、樹型、自由拓撲型等，這樣可適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，方便現(xiàn)場布線；

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)拓撲形式和傳輸介質(zhì)決定，一般可從500m到2700m。可接人的節(jié)點最多為32385個；

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語言，它是ansic語言的擴展；

④無主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。lonworks網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的地位相同，網(wǎng)絡(luò)管理可設(shè)在任一節(jié)點處，并可安裝多個網(wǎng)絡(luò)管理器；

⑤開發(fā)lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間較短，也易于維護。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)點的時間，也方便維護。

同其它現(xiàn)場總線一樣，lonworks也有自身的缺點。首先，lonworks的實時性、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還在樓宇自動化領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。世界上有2萬多家oem廠商生產(chǎn)lonworks相關(guān)產(chǎn)品，其中種類已達3500多種。目前世界上已安裝有500多萬個lonworks節(jié)點，lont~k協(xié)議也被接納為歐洲centc247、centc205的一部分。自1996年以來，lonworks也開始在國內(nèi)獲得大量的應(yīng)用。在建設(shè)部的支持下，國內(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)試點工程中得到應(yīng)用。

(2)bacnet

bacnet是作為世界上第一個樓宇自動控制網(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。bacnet不是軟件或硬件，也不是固件，嚴格地說，bacnet并不是現(xiàn)場總線，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)之間進行信息交流提供平臺和支持。bacnet詳細闡述了系統(tǒng)組成單元相互分享數(shù)據(jù)實現(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)進行通信。可根據(jù)系統(tǒng)通信是和通信速度選擇不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對其它現(xiàn)場總線，bacnet標準最大的優(yōu)點是可以與etherent、lonworks等網(wǎng)絡(luò)進行無縫集成。不過bacnet主要為解決不同廠家的樓宇自控系統(tǒng)相互間的通訊問題設(shè)計，并不太適用于智能傳感器、執(zhí)行器等末端設(shè)備。bacnet標準已在全球得到了廣泛的應(yīng)用，全球生產(chǎn)和經(jīng)營樓宇設(shè)備和樓宇自控設(shè)備的主要廠商均支持bacnet標準。bacnet在不到10年的時間內(nèi)就從一個行業(yè)學(xué)會標準迅速成為樓宇自控領(lǐng)域中唯一的iso標準。雖然我國是wto和iso成員國，但是bacnet在我國建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍還是相對較小，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外引進的，還沒有真正意義上的國產(chǎn)化bacnet相關(guān)產(chǎn)品。

(3)can

can總線最初是德國bosch公司為汽車監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)計提出的，現(xiàn)在它已經(jīng)成為一種國際標準，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：

①采用8字節(jié)的短幀傳送，故傳輸時間短、抗干擾性強：

②具有多種錯誤校驗方式，形成強大的差錯控制能力。而且在嚴重錯誤的情況下，節(jié)點會自動離線，避免影響總線上其它節(jié)點；

③采用無損壞的仲裁技術(shù)；

4can芯片不但價格低而且供應(yīng)商多。

can缺點是：can總線上最多可掛接110個節(jié)點，這不完全能滿足整個智能建筑的需要。不過可以通過利用中繼器進行擴展，相對其它一些現(xiàn)場總線，can總線技術(shù)比較簡單，can相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)費用也遠遠低于其它現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)費用。因此，很早國內(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)過十多年的發(fā)展，成為歐洲最有影響的建筑智能化現(xiàn)場總線標準，在歐洲得到了進300家廠商的支持。1999年eib被引進中國的智能化建筑領(lǐng)域，并在上海同濟大學(xué)建立了eib認證技術(shù)培訓(xùn)中心。在短短的幾年里，國內(nèi)的會展中心、博物館、辦公大樓、別墅等場所的燈光、窗簾、空調(diào)等控制和安防系統(tǒng)方面獲得了廣泛應(yīng)用，如廈門國際會展中心、大連國貿(mào)中心、浙江人民大會堂等。國內(nèi)的eib項目基本上被abb公司和simens公司所壟斷。

3以太網(wǎng)開始進入樓宇自控領(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)，以其簡單、價廉、高帶寬、維護方便以及不斷發(fā)展等優(yōu)點一直在局域網(wǎng)領(lǐng)域中牢牢占據(jù)著統(tǒng)治地位。近年來，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，實現(xiàn)了站點獨占傳輸媒體并同時收發(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)的標準不斷更新和擴展，目前的以太網(wǎng)不僅在物理層(包括拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸速率、傳輸媒體)，并且在數(shù)據(jù)鏈路層與原來的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準有了很大的進步，以太網(wǎng)標準系列已擴展成20余個。現(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，同時開始進入工業(yè)控制和樓宇自控領(lǐng)域。新的ieee802．3af標準開始對以太網(wǎng)供電作出了規(guī)定，它消除了以太網(wǎng)技術(shù)進入現(xiàn)場控制領(lǐng)域的一個嚴重障礙。目前，3com、華為、dlink等公司開始提供符合ieee802．3af標準的交換機產(chǎn)品。另外，一些現(xiàn)場總線的協(xié)會或組織也開始提出基于其現(xiàn)場總線的開放式以太網(wǎng)標準，即工業(yè)以太網(wǎng)標準，如odva(開放devicenet供貨商協(xié)會)和ci(contolnet國際組織)的ethernet／ip標準、ff(現(xiàn)場總線基金會)的hse(hig}lspeedethemet，高速以太網(wǎng))、profibus國際組織的profinet。支持這些工業(yè)以太網(wǎng)標準的交換機、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(支持ethernet／ip)、北京航天華輝自動化技術(shù)有限公司的anybus-sio／100m(支持ethemet／ip和modbus／tcp)等。美國vdc(venturedevelopmentcorp．)調(diào)查報告指出，ethemet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，市場占有率將從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)直接進入了控制層，如北京樓宇自動化中心開發(fā)的基于以太網(wǎng)的enc-2001ip智能建筑測控系統(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)場總線的fcs的優(yōu)點是：

①可靠性、實時性好。現(xiàn)場總線為工業(yè)控制設(shè)計

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，同時其實時性也比采用csma／cd的以太網(wǎng)的時實性好；

②用戶的投資成本低。現(xiàn)在，開放的現(xiàn)場總線技術(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。其缺點是：實現(xiàn)現(xiàn)場總線無縫接人以太網(wǎng)復(fù)雜，當多種現(xiàn)場總線共存在一個系統(tǒng)中時，集成起來更復(fù)雜，系統(tǒng)的擴展性差。

在樓宇自控網(wǎng)絡(luò)中采用以太網(wǎng)的優(yōu)點是：實現(xiàn)了從管理層(信息網(wǎng))到現(xiàn)場設(shè)備控制層(控制網(wǎng))的“一網(wǎng)到底”，即實現(xiàn)人們期望的通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一；這樣系統(tǒng)擴展起來也比較方便；與智能建筑中其它系統(tǒng)(信息網(wǎng)通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng))集成起來更加容易。其缺點是：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)費用和成本相對還是較高，用戶可以選擇的廠商也很有限，壟斷利潤較高，研發(fā)成本還沒有被消化，這些都導(dǎo)致產(chǎn)品價格過高。其次，以太網(wǎng)的實時性、可靠性等方面還有待進一步完善。

4結(jié)束語

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)場總線的fcs還是以太網(wǎng)，都有其優(yōu)點和缺點。隨著時間的推移和技術(shù)的進步，它們也必將會被進一步完善。據(jù)統(tǒng)計，我國目前有從事樓宇自動化業(yè)務(wù)的企業(yè)3000家以上，產(chǎn)品供應(yīng)商約3000家。另外，隨著我國紹濟的快速發(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，在今后相當長的時間內(nèi)，兩者在競爭的同時也將繼續(xù)并存。

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