Lon Works现场总线技术实验室建设及实践教学探索_百度文库
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Lon Works现场总线技术实验室建设及实践教学探索
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一、BAS的方案规划
1.技术选择
对控制系统而言,当今最具革命性的应当是(Fieldbus,简称FB)。现场总线技术是80年代末90年代初发展起来的应用于过程和制造自动化领域的现场设备互联网络通信技术。一个现场总线控制系统(Fieldbus Control System,简称FCS)可以被看作由数字通信设备和监控设
备组成的分布式系统。它的出现将使传统的产生革命性变革,变革现有控制系统的、设计方法、调试方法和产品结构。其在领域有着广阔的应用前景。
楼宇自控系统(Building Automation System,简称BAS)的任务是提供给客户安全、健康、舒适、温馨的生活与工作环境,并要保证整个BA系统运行的经济性和管理的智能化。因此,BAS的监控范围很广,要求其控制功能应尽可能分散,各子系统应能独立运行,并可以和其他系统交换数据,系统的整体可靠性要高,结构要灵活,实时性要求相对不高。因此,现场总线技术比较适合构成BAS。
2.LonWorks技术
LonWorks技术是1991年由美国埃施朗(Echelon)公司推出的,LonWorks技术所使用的标准通信协议是LonTalk协议,该协议遵循国际标准化组织(ISO)1984年公布的开放系统互联(OSI)参考模型的定义,它提供了(OSI)参考模型定义的全部7层协议,通过变量直接面向对象通信,网络协议开放,可以实现互操作。每一个域最多有255个子网,每个子网最多可以有127个。所以,一个域最多可以有255×127=32385个子网。LonWorks技术是专门为实时控制而设计的,在Lon网络中大批设备(、执行器等)和Lon的控制节点相互,使用LonTalks协议,经过多种传输媒体进行节点之间的通信,灵活组成各种各样的分布式智能控制系统。Lonworks技术能在控制层提供互操作的Lon现场总线技术,其安装的节点数远远超过了任何其他现场总线产品,几乎囊括了测控应用的所有范畴。更准确地说,LonWorks技术有效地解决了集散控制系统的通信难题。LonWorks控制网络技术拥有诸多优点,集中体现在:
(1)Neuron芯片是LonWorks技术的核心元件,它内部带有3个8位微处理器:一个用于链路层的控制;一个用于网络层的控制;一个用于执行用户的应用程序。该芯片还包括11个I/O口和完整的LonTalk通信协议。包括神经元芯片的Lon节点具有通信和控制功能,部分节点故障不会造成系统瘫痪,
对系统的调试、维护和稳定性都有着重要的意义。
(2)LonWorks技术支持多种通信介质(双绞线、电力线、电源线、光纤、无线和红外)和它们的互联。
(3)由于LonWorks技术直接面向对象通信。开发人员只需将主要精力花在Lon节点应用设计方面,而不需要专门去实现和测试传输线路和通信系统。
(4)LonWorks的微处理器接口程序,即MIP软件。用MIP软件可以开发出各种低成本的网关,从而使各种网络的互联成为轻而易举的事情。
(5)提供LonBuilder、NodeBuilder、Neuron C及LonManager等强有力的开发工具平台,给系统设计、维护和升级改造带来极大的方便。
3.BAS总体规划
(1)系统选择
系统采用技术有限公司以LonWorks技术为核心的BA5000楼宇自控系统;BAS网络的集成与测试采用LonBuilder网络管理器;安装与调试采用LonWorks LonMaker安装工具。
(2)设计目标
楼宇自动化系统的设计目标是:对大厦内所有如、变配电系统、照明系统等采用现代计算机控制技术进行全面有效的监控与管理,确保大厦内所有设备处于高效节能、安全可靠的最佳运行状态,从而更好地发挥的潜能,最终实现降低大楼的营运成本,延长机电设备的使用寿命以及提高大楼的安全性等。
二、BA系统的设计
楼宇自动化系统(Building Automation System,简称BAS)主要包括区域照明系统、空调及、供排水系统、变配电系统、消防保安系统、电梯系统、自动停车系统等。
1、系统结构
BA5000楼宇自动化系统是通过路由器将分布在各监控现场的区域智能节点连接起来的集散型控制系统,具有集中操作、管理和分散控制的功能。按照分布式控制理论,系统采用分层分布式控制结构,由中央控制中心的操作站和各监控现场的区域智能节点组成,系统内节点之间的连接采用现场总线技术来实现。
监控系统由3部分组成:管理中心、LonWorks网络接口设备和LonWorks网络节点。
(1)管理中心(工作站)
建议采用工控机以便提高系统的可靠性,推荐配置为:P4 2.6G以上;512M内存;80G硬盘;1‘7纯平彩色显示器。
1)Lon网络适配器PCLTA-20 Lon网络适配器安装在计算机的插槽中,用于将管理中心计算机接入现场LonWorks网络总线。Lon网络通信速率一
般为78kbps。其中,PCLTA-20网络适配器用于PCI插槽,适用于台式PC机。
2)楼宇自控系统组态软件采用HW-BA5030。
3)Lon网络管理工具软件采用GST-XQ6001。
(2)LonWorks网络接口设备
1)LonWorksIP服务器i.Lon1000
Lon1000IP服务器可以将LonWorks控制网络和基于Internet Protocol(IP)数据网无缝地连接,从而为LonWorks技术在超大型智能建筑中的应用提供了强大的工具。
2)网络路由器GST-XQ6101
GST-XQ6101路由器是连接两个网段(主干线和分支)的工具,主要用于优化网络性能,提高网络通信质量。同时具有增加网络传输距离,扩展网络节点控制器的功能。通常网络节点多于50个时,应使用路由器。
3)网络集线器GST-XQ6102
网络集线器是将网络结构由星形转向总线形的一种无源连接设备。适用于网络主干上有4~8条支路的连接。当主干上有3条以下的支路时,可以使用HW—5099网络1T、3T分支器。
(3)网络(Lon)节点
主要由神经元(Neuron)芯片、自由拓扑收发器、程序存储器、传感器、控制设备和电源等组成。其中神经元芯片是LonWorks技术的核心部分。
神经元芯片拥有3个CPU、非易失性随机存储器、应用I/O口和可执行LonTalk协议的网络通信口,可以完成现场的控制和组网功能。
管理中心与子网为总线型结构,通信速度达到1.25M各子网为星型结构,通信速度为78.5kbps。管理中心与子网通过LonWorks专用路由器进行连接,子网的局部网络故障不会影响管理中心和其他子网的正常工作;而且由于LonWorks网络为对等网络结构,监控主机的故障不会影响整个监控网络各个节点的正常工作。
在上位PC机部分,采用Lon网络适配器PCLTA-20作为LonWorks网络接口,将LonTalk协议转换为串行通信,与管理中心相联。这样通过管理中心将LonWorks网络集成到计算机局域网(LAN),在LAN上则采用TCP/IP网络协议进行更高一级的系统集成。
2、软件实现
软件设计主要包括Lon智能节点的编程、BAS网络的集成与测试和网络安装与调试。
(1)在Lon智能节点编程前,首先定义每一个节点的功能。Lon智能节点编程采用Neuron C,并使用NodeBuilder节点开发工具进行调试。Neuron C完全兼容C,具有丰富的功能子程序,用户无须关心网络通信、内存分布等问题,只需根据应用系统需求直接编程控制节点I/O端口,实现对测控对象的访问。各节点之间以网络变量的形式进行互访,实现点对点、点对多点的信息交换。
(2)BAS网络的集成与测试
在实验室用LonBuilder网络管理器对所有节点或部分节点进行集成和调试,网络管理器通过向每个节点配置网络地址,对每个网络变量绑定网络变量地址,建立并维护节点、路由器数据库,所有细节信息对用户透明,由网络管理器自动进行管理。网络管理器支持网络测试,开发者可以显示、修改和观察网络上的任意节点的任意网络变量,可以控制每个节点的工作状态。
(3)网络安装与调试
网络采用LonWorks LonMaker安装工具进行现场安装,首先进行实际地址分配、网络变量捆绑、实际节点配置。然后用LonManager协议分析网络性能,现场诊断网络的承受能力、信道容量、节点吞吐量,检验信道性能和节点性能。当BAS系统完成安装、调试后,操作人员即可关闭LonWorks. LonMaker软件让BAS系统独立运行。LonWorks技术完全满足了未来发展测控网络的要求,即开放性、灵活性、低成本、开发迅速等。LonWorks总线技术中节点的设计与开发工作因为有了神经元芯片的强大功能而变得简单易行了。从这一点我们也可以看出现场总线控制系统真正实现了
号数字化、控制功能分散化、同层设备通信化。因此,FCS控制系统具有不可替代的优点。
8-1(商易宝)
8-2(英才网)
8-3(媒体广告)BAS系统概述_图文_百度文库
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BAS系统概述
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建筑物自动化的三种总线技术
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　　中国行业标准JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第26章《建筑物自动化系统（BAS）》所规定的模拟和数字混合的集散型系统（TDS），已面临更新为全数字系统的挑战。就像工业自动化一样，建筑物自动化市场在技术接受期曲线上，通常落后于商业领域技术应用会有几年之久，因此，在商业领域已经成功运用多年的个人计算机和以太网通信，现在却成为BAS更新途径的热门话题。PC-Based Control和以太网技术，已经开始全面进入BAS领域。2000年3月，Honewell公司推出的全数字化闭路电视监视系统DVM，就用PC-Based Video Server，类似于商业领域应用的个人计算机式视频服务器，取代了传统的模拟和数字混合的CCTV闭路电视矩阵切换器和磁带录象设备；DVM系统中，经过信号转换接口把所有摄像机的视频信号直接连入以太网通信，每20台摄像机使用1台Video Server。这种第三代保安监控电视的全数字化CCTV以太网系统，已经在澳大利亚悉尼机场使用。
　　PC机技术日新月异的进步，使BAS的中央站功能不断增强；PC机的商业软件，如ODBC、API等等，已成为BAS的标准软件；基于PC机技术的分站不断发展。信息领域的以太网技术对工业自动化和建筑物自动化各个层面的影响，从上到下。BAS管理层的以太网正在下植到自动化层和更低的现场层。BAS三层结构将会成为以太网&一网到底&的三层网络。完成这项&通体透明网络&革新的主要技术，就是以太网现场总线。以太网现场总线，也可称为以太网I/O（Input/Output），是控制技术和信息技术的完美结合，性能发挥到极致，它或许能够解决工业自动化长期争论不休的现场总线标准化问题，是商业技术影响工控技术的一个范例。
　　以总线为脉络，分析计算机总线、测控总线和网络总线在BAS技术发展中分别担纲的角色，可以加深对BAS未来发展的了解。
　　1、总线BUS
　　总线一词，源于计算机技术。总线是各种信号线的集合（包括地址、数据、控制、电源等），是各种信息传输的通路，有汇总的涵义。微软百科词典定义总线为：计算机系统中各部件之间用于数据传输的一组硬件连线（导线）。IBM公司将其简称为用于传输信号或功率的一根或多根导体。在建筑物自动化中，BAS总线可解释为用来连接中央站分站、现场设备或者各种系统的那些具有导电性的通路，以完成数据或信号的传输。
　　以应用范围来分，BAS总线可划分为计算机总线、测控总线和网络总线、。计算机总线用于上位管理计算机和中央站内部部件的连接。测控总线用于中央站与分站的连接，分站与现场设备的连接，现场设备之间的连接。网络总线则是将上位管理计算机和中央站、浏览器等视为节点而共同连接在一起的一条多分支线路，将数据置于网络总线中，数据将会经所有的节点检测后，由其指定地址的节点接收。BAS管理层的以太网就是网络总线。当以太网下植到自动化层和现场层以后，以太网又扮演着测控总线的角色，在这种背景下，我们借用&网络就是计算机&的概念，不免也可以说&网络就是控制器&，因为所有传感器、执行器、分站、中央站已经遍布以太网中，以太网被赋予完成分布式控制兼有普通信息存取的能力，人们可以随心所欲使用以太网，无论是进行实时控制还是传递管理信息。
　　2、标准化Standardization
　　作为信息传输通路的总线，追求标准化，是各种总线的共同目标；只有标准总线，才能够支持更多的性能不同的产品的连接，完成更多更好的系统的集成，实现更完善的控制和管理，因此，总经以其有汇集性能的特点，尤其需要标准化。标准总线的形成，主要有两种方法，一种是由非商业的或政府组织所产生的标准，目的在于使某一种类型总线开发和使用规范化，例如RS232C；这种正规的合法的技术标准，是在对已有方法、途径及技术开发进行仔细研究的基础上起草，并经正式批准后产生，这种标准通常包括着一些国际标准。另外一种方法，是有某一家公司先行开发出一种总线技术，由于成功，得到其它公司模仿和广泛使用，以至一偏离该总线就会产生不兼容问题，导致产品在市场中受到限制，例如现场总线LonTalk Bus；这类事实上的总线技术标准，是基于市场需求产生而形成的，无需正式批准，这种标准通常包括大量流行的工业标准。
　　3、计算机总线Computer Bus
　　中国行业标准JGJ/T16-92第26章BAS，对中央站硬件、组态、系统软件的规定（26.4.26.5）非常简单，仅是基于采用计算机作为监控中心的一般原则，如应设置CPU、CIU、CRT、打印机等规定，对上位管理计算机则仅限于优化控制与管理某些功能要求。但是，近年来计算机技术发展很快，系统软件、应用软件、存储系统、处理器技术、输入输出系统和计算机结构，都是如此，其中，计算机总线技术与工业自动化、建筑物自动化关系密切，计算机总线是计算机系统信息总通道，性能优劣，对BAS上位管理计算机和工作站的影响是至关重要的。因为采用先进的计算机总线，可以提高工作站的带宽，改变工作站的兼容性和开放性，并能提高工作站的可靠性，这对控制系统无疑是最重要的性能。例如，使用PCI总线技术的PC机，每年停机时间可以小于315秒中，可靠性高达99.99%，因此，BAS用户已经开始关心工作站的计算机总线，2000年9月山西省太原市某国际贸易中心大厦BAS招标文件中，明确提出中央站应该使用计算机33MHz三总线结构PCI（外部设备互联总线），说明用户不仅关心各种功能模块设置，还要求提供工控级别的总线来保证工作站性能。随着基于PC机控制的技术进展，计算机总线对BAS的影响会更加重要。因为BAS将逐渐最终成为由一台PC机控制几条现场总线的系统。
　　3．1 计算机总线的发展历史
　　1970年，DEC公司首先推出了称为Unibus的总线，把PDP11小型计算机上所有的部件、设备都连接在一起。它是一种单总线结构。
　　1981年，IBM公司在第1台个人计算机IBMPC/XT上推出了XT总线，也是单总线，1984年，采用16位CPU的IBMPC/AT出台，AT总线在XT总线结构上，增加了一组输入/输出总线，形成双总线结构。AT总线就是著名的工业标准总线ISA，全称是Industrial Architecture工业标准结构，它是通过将板卡出入IBMPC及其兼容机的标准扩展槽来添加计算机部件的总线设计规范。1989年康柏、惠普等9家公司在ISA基础上，推出EISA，扩展工业标准结构，这是一种把附加卡（例如视频卡、内置卡MODEM卡及支持其它外围设备的卡）联接到PC机主板的一种总线标准。EISA总线操作频率比ISA高很多，能提供很多的数据吞吐率。
　　为了提高PC机性能，使某些扩展板可以直接与微处理器通信，而不必经过通常使用的系统总线，Intel公司提供了PCI总线规范。这种局部总线允许在计算机上安装多至10个PCI兼容的扩展卡，PCI局部总线系统需要在某个PCI兼容插槽中安装一块PCI控制卡，每次可以以32位或64位的速度与CPU进行数据交换。PCI规范还考虑了多路复用Multiplexing。因此，PCI总线已成为今天计算机事实上的局部总线标准。由于PCI独立于处理器，不仅Intel系列可用，DEC的Alpha、Motorola的PowerPC等系列也可以用，它的向前向后兼容性，能使现有的多种计算机都能平滑过度到新标准，所以尤其受工业控制机行业的欢迎，建立了PCI工业计算机协会PCI Industrial Computer Manufacturers Group（PCIMG），致力于在工控机行业推广PCI总线。1995年，出版了Compact PCI规范。
　　PCI总线在计算机中配置了3组总线，时钟33MHz，与CPU时钟频率无关，宽度32位，可扩展至64位，带宽达132Mbps至246Mbps，可以和ISA、EISA、VL-BUS等总线兼容，支持5V和3.3V两种电压，可以在芯片、软件和开发工具方面广泛利用PC机丰富资源，它具有良好的网络性能、图形视窗介面和数据存贮性能，是工业自动化和建筑物自动化中央站理想的计算机总线。
　　3．2 标准计算机总线
　　国际标准
　　IEEE969（S-100）微机通用
　　IEEE488（HP-IB）测试仪器
　　IEEE1394（FireWire）测试仪器
　　EIARS232C 设备总线
　　EIARS422/423/449/485 设备总线
　　ANSISCSI 小型计算机，设备总线
　　VESAVL-BUS 局部总线
　　工业标准（流行微机总线）
　　ISA 系统总线
　　EISA 系统总线
　　PCI 局部总线
　　3．3新一代计算机总线（正在开发中）
　　1998.9 PCI-X Compaq IBM HP
　　1998.12NGIO（NextGenerationI/O）Intel Dell SunNEC日立NEC西门子
　　1999.2 FutuieI/O Compaq IBM HP
　　4、网络总线 Network Bus
　　中国标准JGJ/T16-92第26章BAS，规定&优先采用共享总线型&局域网结构作为BAS管理层、自动化层、现场层的网络拓扑，即用一条总线，把上位管理计算机、中央站、分站、现场设备各自连接在一起，形成三层局域网。因为所有节点共享一条传输通路，一次只能允许一个节点发送信息，所以需要建立信息发送的控制方式，JGJ/T96-在26.6.6条文说明中，没有明确规定是用IEEE802.3以太网的CSMA/CD波及监听多路访问/冲突检测争抢发送，还是用IEEE802.4令牌总线排队访问控制，只有指出这两种方法都是&目前流行的&，但是&并无一致的看法&。在26.6《信号传输与数据通信》中，则把现场层至自动化层之间的信息传递成为&信号传输&，把自动化层和管理层之间的信息传递，称为&数据通信&，以示区别，前者为现场设备与计算机通信，包括模拟信号，后者为计算机之间通信，全部为数字信号。
　　20多年来，发展极为成功的以太网技术，已经得到公认。人类进入英特网时代，以太网也迅速进入工业自动化的各层网络。电气电子工程师协会IEEE基于802.3以太网国际标准，正在积极制定现场与以太网通信的新标准，使以太网能够直接为现场层所使用，可以预见，正象个人计算机PC迅速进入工业自动化领域一样，以太网以及TCP/IP、UDP/IP协议将十分迅速进入工业自动化各个领域，包括BAS。
　　网络总线是网络通信总线的简称，在BAS中，网络总线是上位管理计算机、中央站、分站、现场设备之间的连接总线，从计算机系统结构的角度上看，它是计算机的外部总线，计算机总线则可视为内部总线。网络总线属于网络技术，计算机总线属于计算机技术，网络是多个计算机的集合系统，数据通信和资源共享是其特点。今天，已经进?网络就是计算机&的时代，通信和计算机技术紧密结合、同步发展，计算机总线和网络总线是计算机一种技术的两个方面。新一代的计算机已经把网络接口集成到计算机母板上，网络功能已经嵌入到操作系统中，使得网络总线可以视为计算机总线的外部延伸，密不可分。不进入网络的工作站，是不完整的工作站。在建筑物领域，BAS是建筑物整体计算机网络的重要子网，形成建筑物管理和建筑物设备控制一体化是从网络开始的。计算机总站维系着BAS的通信子网，资源子网和通信子网的组合，就是建筑物自动化网络，就是建筑物自动化系统。
　　4．1 以太网的发展历史
　　 Aloha无线电系统夏威夷大学开创争用型通信
　　 首台以太网2.94M Metcalf和Boggs先生建立　CAMA/CD
　　 粗同轴以太网10M Com（DEC、Intel、Xerox）10BASE5
　　 细同轴以太网商品化10M 3Com ISA总线与10BASE2相连
　　 双绞线以太网1MUTP HP、AT&T1BASE5
　　 综合布线+双线绞线以太网10M SynOptics、HP 10BASET
　　 交换式和全双工以太网10M KalpanaEtherSwitch
　　 快速以太网100M UTP Grand Junction 100BASET
　　1996-? 千兆位以太网1000M IEEE802.3z 1000BASEF
　　4．2 以太网与局域网国际标准IEEE802.3
　　以太网是商业市场上发展的，而802.3标准是独立的标准组织《电气与电子工程师学会》开发的802.3是基于以太网第１个版本制定，但在一定程度上改进了设计，1983年公布以后，以太网以此又作了修改，原来互不兼容的局域网，变为互相兼容（但不完全兼容）。二者主要区别是结构不同，例如，最大数据单元，802.3是1460字节，以太网是1500字节。但是，通常可以把802.3视同以太网。
　　以太网速率有10M和100M两种，最大1518字节，最大段长度500米（粗同轴）、185米（细同轴）、100米（UTP），中断段综合长度2500米（粗同轴）、925米（细同轴）、2500米（UTP）。
　　在BAS中用以太网作为网络总线时，现在BAS供应商所提供的以太网接口卡NIC（安装在中央站中），应该是10M/100M自适应型，以满足用户部署100M快速以太网的要求，例如Intel公司的PRO/100+管理适配器，适用于有PCI总线的台式机，能自动监听集线器速度，从而自动选择10M或100M，能支持最新的连接管理规范wfw2.0，支持所有的主要操作系统和网络操作系统，WinNT、95、98、2000，Nerware、UNIX，支持10BAS-TX，5类UTP，RJ-45连接器，数据路径宽度32位，可在0-55℃环境中工作。
　　4．3 以太网介质访问控制（MAC）CSMA/CD
　　载波监听多址访问/冲突检测是以太网抢先式信息发送的主要技术，它包括有先听再讲、无声则讲、有空就讲、边讲边听、一人独讲、退避三舍等信息发送规则，保证所有站点都能以公平方式通过竞争来访问大家共享的以太网，虽然难免有&后到先服务&的现象，但是，由于CSMA/CD有一套完整的处理冲突的方法，大体上实现了对网络总线的公平访问。它是退避三舍的自调整功能，保证所有信息的发送都是成功的，例如常用的一种冲突退避延迟算法，称为&截断的二进制指数回退（EBE）&，它使发送信息的站点，每冲突一次，自动延迟一个以2的幂函数计算的退避时间，用这种不断扩大回退时间来适应网络流量的变化，这是一种很巧妙的方法。它规定了退避也是有限度的，即最大退避时间以210倍为限，忍让次数也是有限的，以216次为限，否则就会丢掉这个屡发屡败以太冈帧，这种情况是绝少发生的，除非以太网已经瘫痪。
　　以太网每帧发送之间有一个固定的间隙64字节、512位，称为时间片，用来识别由于冲突而失败的发送信息帧碎片（最小帧规定为64字节，包括48字节数据），在512位时间内，网络冈所有站点检测到载波（有信息发送）和合法的冲突、信息帧碎片，从而保证以太网能正常工作，不受非有效帧（碎片）的影响。
　　一般谈到以太网，主要是指802.3的CSMA/CD协议，它是以太网的主经软件（其它还帧结构软件等）此外，以太网还包括以太网接口卡NIC、收发器、中继器硬件。总之，以太网是一种局域网，是共享总线型局域网（包括集线器Hub网络），是国际标准局域网之一，应用最广泛。
　　4．4 以太网与TCP／IP
　　传输控制协议／网际协议（TCP／IP）是实践中产生的解决网络互连和异构计算机之间提供可行的透明通信服务的一组协议，它是世界上最大网络因特网的基础。以其公用性和有效性，成为公认的开放系统。TCP／IP是网络数据传输事实上的标准，或者简称其为因特网通信协议。
　　BAS结构图中，标明以太网，是说网络采用共享总线拓扑，标明TCP／IP，是说数据传输采用因特网通信协议。
　　TCP／IP独立于特定的计算机软硬件、独立于特定的网络系统，即使你不接入Internet，用它也是最好的组网方案，所以，我们在本文开始，对JGJ／T16－92BAS的网络结构就标明采用TCP／IP，更何况，BAS进入Internet也是势在必行的事情。
　　TCP／IP协议有三个特点，首先它的开放性，可以把现行的各种局域网互联起来，其次，它统一了地址规则，这种IP地址与域名系统的唯一性，保证了因特网走向全球，最后，高层协议基本标准化，使各种用户可靠而且便利，这一特点，在工业自动化中，有很好的应用，可以把标准化的控制总线协议，包装在高层协议中，使TCP／IP成为工业控制通信协议。
　　TCP／IP分成4个层次：
　　应用层--常用的应用程序有SMTP（邮件传送）、NFS（网络文件）、NIS（网络信息）、SNMNP（网络管理）、FTP（文件传输）、DNS（域名系统）等，以及工业自动化通信协议，也可在本层打包，如Moddbus、Honeywell C-Bus等。
　　传输层--提供端到端（即应用程序之间）的通信，主要功能是信息格式化、数据确认和丢失重传等，主要有（TCP传输控制协议）和UDP（用户数据报协议User Dataprogram Protocol，它在工业自动化应用中看好，它把数据先打包，后经IP发送，效率高于TCP）
　　网络接口层--不同网或同网中计算机之间的通信，处理数据报和路由，主要是IP（网际互连协议）
　　网络接口层--提供与物理网络的连接，它包括所有现行的网络访问标准，最重要的是以太网（802.3系列）。
　　5、测控总线 Measure and Control Bus
　　BAS现场层和自动层的总线，可视为测控总线。JGJ／T16－92第26章BAS26.6.l节规定&从现场到计算机系统的信号传输，需综合考虑&&（1）简化传输控制的硬件结构；（2）减少传输导线的根数；（3）弱化维修的技术难度&，还进一步指出了采用的方法&可选用一对一的传输方式、矩阵选码一公用线传输方式或多路复用技术的一路通道多方使用的传输方式（阵列式传输方式）&&首先考虑时分制&等等。反映中国行业标准对测控信号传输的重视以及要求采用最新技术的愿望。在当时的历史条件下，已经把测控总线阐述得淋漓尽致。
　　自从HGH／TI6颁布近十年来，测控信号传输领域发生了重大的变化，这就是现场总线技术所带来的深刻变革，对BAS的影响当然也是非常深远的。只有现场总线技术才能符合JGJ/T1-92第26.6.1节规定的三项要求：最简单的传输控制，最少的导线根数，最方便的维修技术；而且，最重要的是，现场总线带来了工业自动化开放系统的新局面，减少了自控系统寿命周期成本Life Cycle Cost。
　　因此，测控总线的讨论，可以归纳为现场总线的讨论。
　　国际电工委员会IEC定义现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。
　　安装在控制室内的BAS中央站与现场的分站，分站与现场的传感器，它们之间的信号传输均适用现场总线技术。换言之，自动化层和现场层，采用现场总线技术是历史发展的必然。当有人提?现场总线是管理控制一体化方案的催化剂&时（美国Fisher公司Martin先生），我们深刻体会这一隽语的丰富内涵。
　　5．1 现场总线发展历史
　　1983年，Honeywell公司推出的差分信号驱动器，成功地在4-20mA直流信号上叠加了数字信号，随即投入市场的智能化仪表Smart变送器，是现场总线产品的前驱，这些带有微处理器芯片的仪表，除了在原由模拟信号仪表的基础上增加了复杂的计算功能外，还在4-20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接，从模拟信号过渡到了数字信号。这种工作机制，成为美国fisher-Rosemount公司著名的现场总线HART通信协议的基础。
　　1984年，美国仪表协会ISA／SO50工作组，开始制定现场总线标准。IEC也成立现场总线工作组IEC／TC65／SC65C／WG6，开始研究现场总线标准。
　　1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责研究现场总线体系结构和制定标准。
　　1986年，德国推出Profibus过程现场总线标准。
　　1990年，美国Echelon公司推出LonWorks现场总线产品。
　　1992年，Siemens、Rosemount、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司联合，成立ISP协会，着手在Profibus基础上制定标准。
　　1993年，Honewell、Bailey等公司成立WorldFIP协会，有120家公司参加，准备以法国标准FIP（Factor Insrtumentation Protocol）为基础制定标准。
　　1994年，ISP和WorldFIP北美部份合并，成立FF现场总线基金会（Fieldbus Foundation）。推动现场总线国际标准的开发。
　　1996年，FF公布了低速总线H1标准。
　　日，IEC宣布现场总线国际标准以86%赞成、12%反对通过，IEC-61158面世。
　　5．2 现场总线国际标准IEC-61158
　　8种现有的现场总线纳入国际标准，如果考虑到世界上已有30多种现场总线，这也还是在统一的路程上，前进了一大步。
　　从上表可以看出，8种现场，有8种通信协议，互不兼容，距离统一标准的现场总线，还有很大距离，虽然这些现场总线在功能上可以互补。
　　为了解决现场总线统一问题，借鉴IT行业的统一网络通信标准，就是第5种类型，即以太网现场总线。1998年，在美国休斯敦召开的ISA展览会期间，成正了工业自动化开放式网络联盟IAONA，建议把FF的H2高速现场总线，改成高速以太网HSE，有Honeywell参加的18个公司31位工程师正在Foxboro公司积极进行开发，希望HSE能成为众望所归的现场总线。
　　HSE的特点是速度高（100Mbps），数据通过量大，与计算机联接容易，价格低。有两类用途，一类是完成由于计算量过大而不适合在现场仪表中进行的运算，另一类是作为多条低速H1总线或其他网络的网关设备。
　　HSE是否适用干BAS，是有待研究的事情。
　　在IEC61158国际标准中，有欧洲标准建筑物自动化系统MBS－TC247推荐的Profibus FMS总线和World FIP总线，但是没有欧洲推荐的LonWorks总线和欧洲设备总线EIB。
　　5．3 现场总线的三层结构
　　从IEC61158标准中的8类总线，可以看出现场总线并不需要保持与ISO／OS17层结构一致，只需物理层、数据链路层、应用层等三层就可以了。因为面向控制的信息比较简单，但需要快速而可靠地到达目的地，七层模式使数据转换变慢，会滞后实时控制的时间要求，七层有关的网络接口成本也较高，同时，现场设备也不需要OSI地址。
　　IEC61158还规定，所有2至8类现场总线，均需对类型1的FF总线提供接口，但2至8类总线之间，不要求提供接口。
　　5．4 以太网作为现场总线的主要问题及其解决方法
　　由于以太网802.3采用随机式的CSMA/CD信息发送方式，对事实控制来说，就带来一?不确定性&问题，不能事先预言测控信息传送的时间，存在着&后到先服务&现象。而令牌式&排队发言&信息传送是可以预言的。要克服这个缺点，就要提高以太网的传输能力。由于10／100BASE－T全双工交换式以太网技术发展，基本上解决了CSMA／CD随即发送带来的&不确定性&问题。1990年，智能交换机的出现，基本上淘汰了信息发送时的冲突，而且，智能交换机的成本不断下降，为工业控制实际应用提供了可能。智能交换机（网络开关EtherSwitch），能同时提供多条数据传输途径，功能和电话交换机相似，使整体吞吐量显著提高，同时智能交换机还使用一种名为&切入法&（Cut Through）的新桥接技术（常规桥接是使用存储转发技术），是延迟时间又降低了一个数量级。1993全双工技术是以太网可以同时发送和接收数据，理论上又可以使传输速度翻上一番，再加上快速以太网的出现，以太网在处理事实控制方面，已经可以做到测控信息的传输不再是&不确定&的，而是有着&良好概率Good Probability&的表现，能够适应事实控制的需要。
　　以太网传送测控信息的另一个问题是线路&利用率&，线路效率。利用率是指线路用来成功地传输帧的时间部分。每个以太网数据包中那些不代表实际数据部分（同步、地址、字段长度、错误检验）较大，共26个字节，这种&开销&使线路利用率下降。在测控领域，实际数据很短，例如，DI20个字节、DO16个字凇?IAO200个字节、通信接口500字节、PID运算500字节、计数器4个字节等，这样，当使用以太网信息包包装时，大量信号还需要加上填充符才能满足最小48个字节数据段的长度要求，如DI、DO、计数器，因此，效率较低。
　　但是，实际上，由于争先式发送，会改变效率，计算指出，如果连续发送两个64字节的以太网信息包，效率可以提高到54％。尽管如此，在工业自动化领域，仍然重视如何减少&开销&，提高通信效率，例如，在通信协议中，想已用户数据报协议UDP来取代最常用的传输控制协议TCP，因为UDP信息包的包装比TCP简单，只有4个字节，而TCP，则是26个字节。IEC61158国际标准现场总线HSE高速以太网就考虑采用UDP／IP来代替TCP／IP。
　　不过，以太网的高速度，已经把这些问题全部覆盖了，就算是以最低速3Mbps有效速率运行，一个100个字节的实时控制信息，在以太网的传输时间，只有0.336毫秒（[100＋26]×8/3M），对BAS，已是很理想的数据了。
　　5．5 TCP／IP作为现场总线的通信协议的讨论
　　TCP／IP协议是一组协议，采用四层结构，与现场总路线三层结构很相似，因此，适用于现场总线。
　　采用TCP／IP的以太网现场总线，由于数据链路层的CSMA／CD，使得数据传输时间是建立?概率&基础上，但由于以太网线路的改进，情况大为改善。
　　TCP／IP是非常流行的技术，移植到现场总线是顺理成章的事，问题之一是TCP／IP是为因特网设计的，TCP是要处理面对成千上万的网站，它要处理好这么多路由的连接，只能采取在TCP层，设置发送机和接收机，提供端到端的可靠的进程间的通信，使数据报在传输过程中始终保持连接状态，只有双向通信。TCP才去发送数据报（双向通信不是指两机器独占式通过网络对话，而是说两台机器间有一交互信息流），TCP发出信号后，必须等待对方应答信号，否则会重发，这种定向连接协议，使两个端机经常以适当的速度相互通话，TCP传输控制在两个机器问来回发送状态信息。而UDP用户数据表协议却比TCP简单得多。对于自动控制的应用程序来说，并不需要时时保持个连接，以节约开销和网络通信量，而UDP是一个无连接系统，从TCP到UDP放弃了许多功能，简单了许多，只是作为一个数据报的发端机和收端机操作，而不理会二者之间的连接。帧的结构简化为源端口2字节，目的端口2字节，长度2字节，校验2字节。UDP传递服务不建立通信双方的连接，发完数据就完事大吉，所以，比较灵活，效率高，非常适合测控数据的发送，因为这类数据非常短，还有，在控制网络中，通行的站点比起因特网来，少之又少，非常强调二者之间的连接管理，就显得多余，比起TCP的大文件来，测控程度只是&发出一个请求&或者&等待一个响应&，三言两语，传递本身就会很可靠。此外，在实时控制中，有时强调一种完全控制，即使在信号传输过程中发生错误，控制器业能够自行处理作出决策，而不需要让TCP一遍又一遍重复发送数据，因为自控系统控制器的自制能力都极强。
　　无论TCP还是UDP，应用程序都是驻留在通信协议顶层的应用中，包括控制和人机接口等一系列应用程序以及用于系统集成的OPC，都藉信息传输，获取其中的数据。
　　5．6 以太网在工业自动化中的应用
　　美国Foxboro公司在1995年就推出了采用以太网10BASE－5粗同轴电缆I／A node Bus用于现场总线控制系统，近年来，新I／A现场总线系统已经改为双绞线BASE－T，室内及机柜内，都使用RJ-45接插件，对室外及振动严重的场所，则按防护等级IP-67生产了密封式RJ-45的连接器，Hirschman公司也能提供现场总线中作为以太网连接的接插件，抗震密封，适用于工业环境。
　　1997年，Schneider公司为其著名现场总线Modbus TCP通信协议产品，它的PLC产品中的I／O模块，Momentum系列，均可以设置以太网端口。这些I／O模块通过这些端口直接连入以太网中。Schneider公司把Modbus通信协议变址为TCP／IP通信协议，这是世界上较早的以太网I／O产品。TCP／IP和UDP／IP的一个重要的优点是在同一个以太网中，可以运行许多不同的通信协议，它们都变址在TCP／IP或UDP／IP中。
　　Honeywell公司几年前就已经开始着手把以太网用于建筑物自动化系统自动化层总线通信的应用工作，目前，第一步已经实现，即，把所有测控总线通过TCP／IP接口连入以太网中，通过以太网得数据通信，进行实时控制。以太网成为BA、FA、SA集成的通信平台，进而与管理系统在此平台上完成管理控制一体化集成。
　　随着以太网应用技术的进一步发展，把以太网芯片内嵌与现场设备的一天，也许会很快来临，意味着因特网内置与现场设备的时代终会来到，其意义在于因特网与控制网融为一体，因特网无处不在，会进一步改变工业自动化和建筑物自动化的面貌。
　　5．7 建筑物自动化的现场总线
　　现场总线这个技术热点，长期争论不休，虽然出台了IEC61158所推荐的8种国际标准总线，但是仍然没有一种统一的标准现场总线能够满足各种行业有要求。在这纷争的局面中，以太网的确受到了许多厂商的重视，在管理层（工厂级）采用以太网已经成了共识，而在低层次上的应用，还要假以时日，许多厂商正在积极研究和开发。
　　目前，LonWorks现场总线在BAS行业中的地位，是很重要的，尤其LonMark产品给用户带来产品互换互操的巨大利益（大幅度下降系统的寿命周期成本），所以受到用户的重视。Honeywell公司在2000年6月推出了全LonWorks现场总线系统，原来的C-BUS已经可以换用LonTalk现场总线，所有其它生产厂商的LonWorks现场总线，可以直接联入Honeywell中央站。
　　此外，BACnet通信协议在BAS中的地位也举足轻重，Honeywell公司在BAS系统中，设置有BACnet服务器和BACnet客户机两组软件，以适应BACnet总线产品的连接和系统的集成。
　　总之，随着个人计算机PC和以太网技术在工业控制领域中应用的不断发展，尽管LonWorks、BACnet、Modbus等传统明星会继续发挥作用，但是，新动向确实值得关注，LonWorks技术也正在使用以太网技术，就说明了这点。
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