建筑設備第15章-建筑設備自動化基礎課件

1、第15章建筑設備自動化基礎15.1 概述15.2 建筑設備自控網(wǎng)絡15.3 空調(diào)通風監(jiān)控系統(tǒng)15.4 給排水監(jiān)控系統(tǒng)15.5 供配電監(jiān)控系統(tǒng)15.6 照明監(jiān)控系統(tǒng)第15章建筑設備自動化基礎15.7 電梯監(jiān)控系統(tǒng)15.8 安全防范系統(tǒng)15.9 火災自動報警與消防聯(lián)動控制系統(tǒng)15.10 綜合布線系統(tǒng)15.11 智能建筑的系統(tǒng)集成15.1概述 在智能建筑中,以信息技術(shù)為基礎的建筑設備自動化系統(tǒng)是智能建筑各項功能和可持續(xù)發(fā)展的主體。建筑設備自動化系統(tǒng)包括建筑環(huán)境設備自動化系統(tǒng)(如空調(diào)自動化系統(tǒng)、熱源自動化系統(tǒng)、給水排水自動化系統(tǒng)等)、供配電自動化系統(tǒng)、照明自動化系統(tǒng)、消防自動化系統(tǒng)、安全防范自動化系統(tǒng)

2、、交通運輸自動化系統(tǒng)等。隨著新技術(shù)、新設備的出現(xiàn),建筑設備自動化系統(tǒng)在規(guī)模和深度上不斷擴展和完整。新出現(xiàn)的自動化系統(tǒng)在智能水平上更加卓越和完善,并且更具人性化。 建筑設備自動化與建筑設備在建筑中的應用密切相關(guān)。供暖或供冷設備在建筑中的應用,保證了建筑內(nèi)部環(huán)境的舒適性,提高了工作效率,但該設備能源消耗巨大。為降低能耗,就必須使該設備優(yōu)化運行,因此引入自動控制技術(shù),并對15.1概述設備進行自動控制。隨著自動控制技術(shù)在供暖或供冷設備中的成功應用和推廣,其他建筑設備也引入了自動控制技術(shù),使現(xiàn)代建筑設備自動化系統(tǒng)集成了所有建筑設備自動化子系統(tǒng),并成為一個復雜的大系統(tǒng)。 建筑設備自動化技術(shù)引入了計算機控制

3、系統(tǒng)后,起初是利用計算機系統(tǒng)對控制對象或過程的參數(shù)進行采集和處理,來調(diào)整原來控制系統(tǒng)的參數(shù),控制過程仍由原來的控制系統(tǒng)完成。20世紀80年代,微處理器有了突破性的發(fā)展,產(chǎn)生了直接數(shù)字控制(DDC)技術(shù)。DDC技術(shù)在建筑設備自控系統(tǒng)的應用提高了建筑設備的效率,優(yōu)化了建筑設備的運行和維護。隨著網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展,在現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)的帶動下,產(chǎn)生了各種以DDC技術(shù)為基礎的分布式控制系統(tǒng)(DCS),此DCS便是當今建筑設備自動化系統(tǒng)的15.1概述基礎。 建筑設備自動化系統(tǒng)是通過建筑設備自控網(wǎng)絡將具有網(wǎng)絡通信功能的建筑設備監(jiān)控子系統(tǒng)連接而形成具有數(shù)據(jù)共享和互操作功能的分布式控制系統(tǒng)。從發(fā)展過

4、程看,建筑設備自動化起源于其他自控領域,經(jīng)過二十余年的發(fā)展,形成了較為完整的理論和內(nèi)容體系。從學科交叉的特性來看,建筑設備自動化的理論和內(nèi)容體系可分為“基礎理論”“特有理論”和“工程技術(shù)”三部分。其中,基礎理論是針對建筑設備自動化領域從多學科中吸取的理論部分;特有理論是面向建筑設備自動化領域在基礎理論之上發(fā)展而形成的具有本領域特色的專有理論;工程技術(shù)是面向建筑設備自動化領域工程項目全壽命周期內(nèi)的支撐技術(shù)。基礎理論是多學科交叉而形成的“交集”理論,特有理論是建筑設備自動化15.1概述具有自身特色的創(chuàng)新理論、是基礎理論在本領域的延伸和擴展、是建筑設備自動化區(qū)別于其他學科或領域的根本和靈魂。工程技術(shù)

5、是上述理論的實際應用,具有理論與實踐相結(jié)合的功能,也是學以致用的基礎。 從智能建筑的發(fā)展過程和未來趨勢來看,“計算機自動控制理論與技術(shù)”“計算機網(wǎng)絡理論與技術(shù)”“建筑設備自控網(wǎng)絡理論與技術(shù)”和“系統(tǒng)集成理論與技術(shù)”是實施建筑設備自動化工程系統(tǒng)的核心內(nèi)容。在這些核心內(nèi)容中,“計算機自動控制理論與技術(shù)”和“計算機網(wǎng)絡理論與技術(shù)”是建筑設備自動化的基礎理論,“建筑設備自控網(wǎng)絡理論與技術(shù)”和“系統(tǒng)集成理論與技術(shù)”是建筑設備自動化的特有理論和技術(shù)?？紤]到工程技術(shù)的內(nèi)容,建筑設備自動化的基本內(nèi)容和體系如圖15-1所示。15.1概述圖15-1建筑設備自動化基本內(nèi)容和體系圖 建筑設備自動化系統(tǒng)是智能建筑中最基

6、本的系統(tǒng),是由多個不同建筑設備監(jiān)控子系統(tǒng)組成的集成系統(tǒng),并隨技術(shù)的發(fā)展和應用的深入,系統(tǒng)毫無疑問在廣度和深度上還會更加復雜。不論建筑設備自動化系統(tǒng)如何發(fā)展,建筑設備自動化15.1概述系統(tǒng)均有如下的基本特點: 1)從自控設備組成上看,同一建筑設備自動化系統(tǒng)的自控設備通常來自不同的廠家。這個特點要求不同廠商的設備必須遵循一定的標準和應用方式,才能實現(xiàn)自控設備間的互操作。事實上,實現(xiàn)不同廠商自控設備之間的互操作是包括建筑設備自動化在內(nèi)的所有自控領域一直追求的最高目標,也是自控領域重點研究的方向之一。 2)從功能來看,系統(tǒng)是一個分布式的網(wǎng)絡系統(tǒng)。這就決定建筑設備自動化系統(tǒng)是一個分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng),并在

7、不同的情況下具有不同級別的實時操作和訪問功能。 3)從網(wǎng)絡組成來看,系統(tǒng)是多種局域網(wǎng)并存的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。這就要求系統(tǒng)須根據(jù)性能/價格比合理選擇不同的局域網(wǎng)絡,以實現(xiàn)“結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務、管理及它們之間的15.1概述最優(yōu)化組合”。 4)從時間響應來看,系統(tǒng)是一個“強實時”與“弱實時”的混合系統(tǒng),有些建筑設備的控制必須是實時的,如火災檢測與報警系統(tǒng),而有些建筑設備的控制是非實時的,如空氣過濾器失效報警系統(tǒng)。從總體上來看,系統(tǒng)是一個弱實時自控系統(tǒng)。 5)從執(zhí)行標準來看,系統(tǒng)不是國家強制執(zhí)行標準的范圍,應根據(jù)建筑業(yè)主的需要、項目投資及投資回收狀況等實際需求,確定系統(tǒng)的規(guī)模、范圍和相應的設計等級。從上述特

8、點可以看出,建筑設備自動化系統(tǒng)是集成各廠商設備并實現(xiàn)互操作的網(wǎng)絡自控系統(tǒng)。從目前實現(xiàn)建筑設備自動化系統(tǒng)的技術(shù)來看,實現(xiàn)建筑設備自動化系統(tǒng)可以有許多技術(shù),但從實現(xiàn)技術(shù)的特點來分類,建筑自動化系統(tǒng)可分為15.1概述兩大類:專有系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。 專有建筑設備自動化系統(tǒng)是采用專有協(xié)議的自控系統(tǒng)。其中,協(xié)議可以暫時認為是自動化系統(tǒng)集成的“解決方法或方案”。專有協(xié)議通常是一家公司開發(fā)的協(xié)議,其方法或方案的制定和升級是不開放的。專有建筑設備自控系統(tǒng)雖然可與其他系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成和實現(xiàn)互操作,但集成和互操作的代價是巨大的。開放建筑設備自控系統(tǒng)是采用開放性協(xié)議的系統(tǒng)。開放性協(xié)議通常由專業(yè)學會或標準組織制定和升級,

9、代表該領域的最新技術(shù)和發(fā)展方向,在制定和升級時采用公開的方式。故開放性協(xié)議不具有壟斷性,得到了絕大多數(shù)廠商的支持。用開放性協(xié)議開發(fā)的建筑設備自控產(chǎn)品不僅價格合理,且不同廠商的產(chǎn)品在一定范圍內(nèi)可相互備用和互換,所以基于開放性協(xié)議的建筑設備自動化系統(tǒng)得到了15.1概述廣泛的應用。 隨著建筑設備自動化從自動監(jiān)控向企業(yè)綜合信息管理的發(fā)展,建筑設備自動化系統(tǒng)選擇開放和標準化的通信協(xié)議是其必然的發(fā)展趨勢。 由于用戶的需要和市場的競爭,建筑設備自動化系統(tǒng)自誕生以來,建筑自控設備的互操作和互換一直是其追求的目標。正是這種動力推動了建筑設備自動化系統(tǒng)不斷向前發(fā)展,也正是這種動力推動了建筑設備自動化系統(tǒng)標準的產(chǎn)生

10、和發(fā)展。 進入DDC階段,建筑自控設備的互操作特性日益重要。隨著建筑設備自動化系統(tǒng)的發(fā)展和應用分工的深化,就迫切要求不同廠商的產(chǎn)品具有“互操作能力”。當人們認識到這種需求和這種需求所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益時,不同廠商就15.1概述根據(jù)自己的技術(shù)力量和產(chǎn)品特點開發(fā)了各自的技術(shù),出現(xiàn)了多種基于自控網(wǎng)絡的自動化系統(tǒng)解決方式或方案“現(xiàn)場總線協(xié)議”或“通信協(xié)議”,如BACnet、LonTalk等。多標準的出現(xiàn)推動了建筑設備自動化系統(tǒng)的發(fā)展,但影響了建筑設備自動化系統(tǒng)的進一步發(fā)展。通信標準是建筑自動化系統(tǒng)的集成和互操作的基礎,只有通信標準“相對統(tǒng)一”,建筑設備自動化才可能得到穩(wěn)健的發(fā)展。經(jīng)過技術(shù)和市場的雙重作

11、用,目前建筑設備自動化系統(tǒng)公認的主流標準只有BACnet國際標準(ISO 164845)和LonWorks技術(shù)標準。 在“統(tǒng)一標準”的基礎之上,所有的建筑設備自動化子系統(tǒng)可以無縫集成,且可將智能建筑中的三大系統(tǒng)無縫集成,形成“智能建筑”,并由此形成“數(shù)字小區(qū)”“數(shù)字城市”。15.1概述 綜上所述,建筑設備自動化系統(tǒng)的發(fā)展是向著標準更加統(tǒng)一、更加開放的方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代IT技術(shù)的發(fā)展,建筑設備自動化系統(tǒng)在不斷應用現(xiàn)代IT最新技術(shù)的同時,也不斷與IT系統(tǒng)進行融合,并逐漸演變成為IT系統(tǒng)的一個部分。 隨著科技的進步和生活水平的提高,人們對住宅和住宅小區(qū)的要求也越來越高,于是建筑設備自動化系統(tǒng)的應用也

12、延伸至住宅小區(qū),形成“智能住宅小區(qū)”。由于住宅小區(qū)具有自身的特點和要求,以使建筑設備自動化系統(tǒng)的內(nèi)容得到了進一步的豐富和發(fā)展。 創(chuàng)造良好人居環(huán)境的最終目標對建筑科技的發(fā)展提出了更高的要求,不論是在設計手段、材料、建筑設備及其自動化,還是施工工藝、運行與維護管理等,都必須著眼于節(jié)能、環(huán)保、安全的根本出發(fā)點。只有首先滿足這個基本要15.1概述求,建筑科技的發(fā)展和在建筑領域中的應用才有更深遠的意義。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 各種建筑設備(如空調(diào)設備、給排水設備等)分布安裝在建筑的不同位置,要使分布的這些設備協(xié)調(diào)和優(yōu)化運行,達到節(jié)能、安全、高效、舒適和便利的建筑環(huán)境,須在各設備的自控系統(tǒng)間建立數(shù)據(jù)通信

13、自控網(wǎng)絡,稱之為“建筑設備自控網(wǎng)絡”。建筑設備自動化系統(tǒng)就是通過建筑設備自控網(wǎng)絡將分布在建筑中具有網(wǎng)絡通信功能的設備監(jiān)控子系統(tǒng)互聯(lián)而形成具有數(shù)據(jù)共享和互操作功能的DCS。建筑設備自控網(wǎng)絡不僅是建筑設備自動化的基礎,也是它最具特色的精髓內(nèi)容,是它有別于其他自控領域或?qū)W科的本質(zhì)所在。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡15.2.1基礎知識 最初的網(wǎng)絡用于數(shù)據(jù)通信,常稱為“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡”,具有“非實時”的特性。隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的深入研究和廣泛應用,當其應用于分布式控制領域時,就形成了具有“實時性”的自控網(wǎng)絡。網(wǎng)絡最基本的功能是傳輸數(shù)據(jù)或信息。自控網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)或信息的最終用戶是連接在自控網(wǎng)絡上的“自控設備或節(jié)點”,如傳感

14、器、執(zhí)行器、控制器和信息處理機等。若自控網(wǎng)絡上的兩個自控設備相互能夠“監(jiān)聽”和接收對方發(fā)送的信息,并且能相互理解對方發(fā)送信息的語義或含義,進而自動做出對方所要求的反應或操作,則這兩個設備就具有“互操作能力”,連接在自控網(wǎng)絡上的自控設備必須具備這種互操作能力。若互操作不能在有效時間內(nèi)完成,也必須具備相應的處理機制;否則,自控網(wǎng)絡的功能就會15.2建筑設備自控網(wǎng)絡受到破壞。自控網(wǎng)絡的這種特性就稱為“實時性”。在所有自控網(wǎng)絡中,互操作和實時性不僅是自控網(wǎng)絡的基本功能和基本特性,也分別是自控網(wǎng)絡必須解決的首要任務和必須保證的特性。1.自控網(wǎng)絡概念和特點 自控網(wǎng)絡是利用通信介質(zhì)(有線或無線)將自控系統(tǒng)中

15、各網(wǎng)絡節(jié)點或設備(如傳感器、執(zhí)行器、控制器和信息處理機等)互聯(lián)而形成的集合體,其功能是使網(wǎng)絡上所有節(jié)點或設備在滿足自控系統(tǒng)實時性能的基礎上進行信息共享和互操作,以實現(xiàn)自控系統(tǒng)的特定功能。其中,網(wǎng)絡節(jié)點或設備具有自主運行的特性:首先根據(jù)自身狀態(tài)變遷主動向外發(fā)出相關(guān)信息,如報警或事件信息;其次是不斷監(jiān)聽和接收信息,并根據(jù)監(jiān)聽或接收信息所具有的語義產(chǎn)生相應的響應或15.2建筑設備自控網(wǎng)絡圖15-2基本網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖a)總線型b)星形c)樹形d)環(huán)形動作,如執(zhí)行器根據(jù)指令發(fā)生的動作。自控網(wǎng)絡在物理結(jié)構(gòu)形式上表現(xiàn)為系統(tǒng)所有節(jié)點或設備進行“交流”的公用“路徑”和“橋梁”通信介質(zhì)和連接通信介質(zhì)的通信設備,通

16、信介質(zhì)和通信設備的物理規(guī)劃和布局就是網(wǎng)絡的“物理拓撲結(jié)構(gòu)”。圖15-2所示是最基本的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖,實際使用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)均由這些基本結(jié)構(gòu)按一定的規(guī)則組合而成。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 在自控網(wǎng)絡中,因網(wǎng)絡節(jié)點或設備具有自主特性,且復用通信介質(zhì),這就會出現(xiàn)多個網(wǎng)絡節(jié)點或設備同時發(fā)送信息和同時訪問通信介質(zhì)的情形,產(chǎn)生通信沖突而降低通信量,影響自控網(wǎng)絡功能。為使網(wǎng)絡節(jié)點或設備有序利用通信介質(zhì),提高通信介質(zhì)的通信能力或帶寬,須制定網(wǎng)絡節(jié)點或設備進行通信的“規(guī)則和過程”,這就是網(wǎng)絡的“通信協(xié)議”。通信協(xié)議是網(wǎng)絡節(jié)點或設備進行有序交流并最大限度地利用通信帶寬的保證。故自控網(wǎng)絡也應包含相對應的兩部分內(nèi)容,

17、一是自控網(wǎng)絡物理拓撲的設計與實施,在物理上用通信介質(zhì)(如雙絞線、光纖等)和通信設備(如路由器、網(wǎng)橋、中繼器等)將自控設備互聯(lián);二是定義通信和互操作過程的通信協(xié)議,使自控網(wǎng)絡上的各自控設備相互協(xié)調(diào)運行,完成自控系統(tǒng)的應用邏輯功能。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 自控網(wǎng)絡兩部分內(nèi)容可相互獨立,并可單獨設計和定義,則自控網(wǎng)絡可出現(xiàn)如下兩種情形:一是同一物理拓撲的自控網(wǎng)絡可適用于不同的通信協(xié)議,或同一個物理拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡可同時運行多個通信協(xié)議;二是同一個通信協(xié)議可適用于不同物理拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡,或同一個通信協(xié)議具有不同的物理拓撲結(jié)構(gòu)。若將通信協(xié)議所定義的功能邏輯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)稱為“邏輯拓撲結(jié)構(gòu)”,則相同的物理拓撲結(jié)

18、構(gòu)網(wǎng)絡可有不同的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。如物理拓撲結(jié)構(gòu)相同的以太網(wǎng)絡(Ethernet),既可單獨運行不同的上層通信協(xié)議(如BACnet等),也可同時運行多個上層通信協(xié)議。若一個通信協(xié)議可適用于多種物理拓撲結(jié)構(gòu),則說明該通信協(xié)議支持多種通信介質(zhì),如BACnet和LonTalk協(xié)議等。 在自控網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡節(jié)點或設備信息共享和互操作的15.2建筑設備自控網(wǎng)絡過程是通過“通信協(xié)議”進行的。通信協(xié)議的三要素為語法、語義和時序。網(wǎng)絡節(jié)點或設備要進行互操作,就須理解雙方傳輸信息的語義,雙方須按語法規(guī)定將傳輸信息的語義進行編碼,直至二進編碼。同時,要保證雙方正確地進行一次“會話交流”,就須規(guī)定雙方進行會話的時間順序,

19、保證會話有序進行。因而有時將通信協(xié)議的時序也稱為“同步”。另外,還可理解為什么通信協(xié)議在不同的自控網(wǎng)絡不易進行系統(tǒng)集成的原因,是不同通信協(xié)議的自控網(wǎng)絡具有不同的“語言”。 自控網(wǎng)絡常用在自控領域現(xiàn)場,將其稱為“現(xiàn)場總線(Fieldbus)”,有如下特點:1)自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備功能差別大。2)通信介質(zhì)多樣化。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡3)實時性要求高。4)互操作功能完備。5)節(jié)點或設備邏輯功能耦合性高。6)功耗敏感。 不同自控領域因其自身所具有的特殊性已產(chǎn)生了各種利用自控網(wǎng)絡構(gòu)建自控系統(tǒng)的解決方法或方案,這些解決方法或方案的集合就形成了自控網(wǎng)絡的通信協(xié)議。一般來說,當某種解決方法或方案公開時,該協(xié)

20、議就是開放的;反之,是封閉的或?qū)Ｓ械?。無論是開放的協(xié)議,還是封閉的專有協(xié)議,自控網(wǎng)絡協(xié)議均是自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備信息共享和互操作的解決方法或方案。因這種解決方法或方案均是以數(shù)據(jù)通信為基礎的,故自控網(wǎng)絡協(xié)議通常以ISO/OSI參考模型為參照物,并根據(jù)自身的特點和要求對ISO/OSI模型進行15.2建筑設備自控網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)精簡和內(nèi)容具體化,形成具有鮮明特征和具體內(nèi)容的自控網(wǎng)絡體系。2.通信基礎 計算機網(wǎng)絡通信過程是一個非常復雜的過程。要實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡通信,就必須“營造” “計算機網(wǎng)絡通信協(xié)議”,而有關(guān)通信功能單元的劃分(分解組成細節(jié))、各單元功能的分配和定義及各單元之間的相互關(guān)系(細節(jié)具體化)就構(gòu)成

21、了計算機網(wǎng)絡的“體系結(jié)構(gòu)”。 計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中的邏輯構(gòu)成劃分和功能分配的描述,是對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中各個組成部分及其所具有功能的定義。任意計算機網(wǎng)絡體系均是這兩方面內(nèi)容的詳細描述,并采用分層或分級的概念方式對這兩方面內(nèi)容進行描述。不同計算機體系結(jié)構(gòu)的分層數(shù)量、分15.2建筑設備自控網(wǎng)絡層名稱、分層內(nèi)容和功能都可不盡相同。在所有網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中,每一分層的目的都是向它的相鄰上層提供一定的服務,并將實現(xiàn)這一服務的細節(jié)對相鄰上一層加以屏蔽。對每一分層功能的定義和相鄰上、下層間交互規(guī)程的定義就構(gòu)成了該層的“層協(xié)議”。計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)可歸納為層和相應層協(xié)議的集合,并且多個層協(xié)議從形式

22、上是疊加的,體系結(jié)構(gòu)中的層協(xié)議集合也可形象地稱為協(xié)議棧。 計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是對計算機網(wǎng)絡的抽象描述,它從全局的觀點對計算機網(wǎng)絡進行一般性和通用性的定義,故計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是抽象的、概括的。計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)所定義的功能最終需要相應的硬件和軟件完成,要求體系結(jié)構(gòu)的描述或定義須包含充分和精確的信息。將抽象體系結(jié)構(gòu)的定義轉(zhuǎn)化為在某一具體計算環(huán)境中執(zhí)行的實體(軟15.2建筑設備自控網(wǎng)絡件或硬件)就是體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。 國際標準化組織ISO起草了“開放系統(tǒng)互連基本參考模型(OSI-RM)”,它最基本的目標是定義一個通用的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)參考模型,以指導計算機網(wǎng)絡的發(fā)展,圖15-3是OSI-RM體系結(jié)構(gòu)圖。

23、OSI-RM不僅是一個標準的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),且也是制定其他網(wǎng)絡通信協(xié)議的基本框架,并對其他通信協(xié)議的制定起著指導和規(guī)范的作用。這里強調(diào)對OSI標準的共同認識和遵從,即系統(tǒng)是開放的,它可與遵從同一標準的任何系統(tǒng)互聯(lián)。OSI-RM對計算機網(wǎng)絡的設計、構(gòu)建、使用和發(fā)展起著合理化、標準化、高性能化和通用化的作用,是理解和掌握計算機網(wǎng)絡基本原理的基礎。 圖15-3a是OSI-RM結(jié)構(gòu)層次圖,該模型根據(jù)通信功能對信息交換的處理過程分為七個功能相對獨立的層次或功15.2建筑設備自控網(wǎng)絡圖15-3OSI-RM體系結(jié)構(gòu)a)OSI-RM結(jié)構(gòu)層次圖b)對等層間數(shù)據(jù)信息的傳遞示意圖能單元。分層的原則是將相似的功能集中在

24、同一層內(nèi),功能差別較大時則分層分配,并每層只定義對相鄰上、下層的接口,以保證各層的相對獨立性。各層的功能由各層的層協(xié)議定義,且上層協(xié)議屏蔽下層協(xié)議。當不同的對等層(如第N層)進行通信時,就使用對應的層(第N層)協(xié)議。從第N層的通信實體來看,下層協(xié)議是透明的,通信過程好像是直接通15.2建筑設備自控網(wǎng)絡過該層協(xié)議進行的。這就反映了分層結(jié)構(gòu)的獨立性。 圖15-3b是對等層間數(shù)據(jù)信息的傳遞示意圖。應用進程AP1的數(shù)據(jù)AP要傳遞到對等應用進程AP2,數(shù)據(jù)要經(jīng)過不同的層,進行不同的處理和“包裝”,才能最終完成數(shù)據(jù)的傳遞。任意兩個對等層之間的信息交換是直接進行的,這就是“對等層”之間的通信。對等層之間的通

25、信是雙向的,第N層的“對等層”之間的通信協(xié)議稱為(N)層協(xié)議。圖15-3b中的各對等層間的虛線就代表“對等層”之間的雙向“直接”通信。 在計算機網(wǎng)絡中,通信過程均以信息傳輸單元形式在不同功能層之間傳輸,各層傳輸信息單元通常稱為層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。PDU的格式由層協(xié)議的語法規(guī)則定義,并分為協(xié)議控制信息PCI和服務數(shù)據(jù)單元SDU兩部分。第N層的15.2建筑設備自控網(wǎng)絡PCI是(N)層協(xié)議定義的控制信息,通常說明PDU的類型、分段信息及PDU有關(guān)處理規(guī)程等協(xié)議控制信息,它根據(jù)相鄰上一層的請求和本層的層協(xié)議動態(tài)生成,是第N層協(xié)議必須處理的信息,相對第N層協(xié)議來說,PCI是有結(jié)構(gòu)和語義的信息。而第N層

26、的SDU通常是由第(N+1)層的PDU直接形成的,相對于第N層協(xié)議來說,SDU是無結(jié)構(gòu)和無語義的比特串。圖15-4是在沒有分段情況下的相鄰層間PDU的演變示意圖。圖15-4相鄰層PDU變化示意圖 OSI-RM在劃分功能單元層的基礎之上對各功能單元進行了如下功能分配和定義。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 (1)物理層該層為數(shù)據(jù)鏈路層對等實體間的信息交換建立的物理連接,并在此物理連接上正確、透明地傳送物理層數(shù)據(jù)單元(無結(jié)構(gòu)的比特流)中的比特位(Bit)。物理層提供激活、維持及斷開物理連接所需的機械特性、電氣特性和規(guī)程特性功能。物理層信息傳輸方式有“半雙工”和“全雙工”。物理層的作用是保證兩相鄰網(wǎng)絡節(jié)點間

27、每個比特位的正確傳輸。 (2)數(shù)據(jù)鏈路層該層用于建立、維持和釋放鏈路連接,實現(xiàn)無差錯幀傳輸功能。該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱“幀”,具有一定結(jié)構(gòu)和語義。該層通過對直接相鄰連接節(jié)點間的通道進行訪問控制、差錯控制、同步等控制、異常處理等方法實現(xiàn)信息幀的可靠傳遞。它能保證在一條可能出錯的由通信介質(zhì)直接連接的鏈路上進行可靠的幀信息傳輸,為網(wǎng)絡層15.2建筑設備自控網(wǎng)絡提供服務。 (3)網(wǎng)絡層該層在開放系統(tǒng)的網(wǎng)絡環(huán)境中提供網(wǎng)絡連接建立、維持和釋放的功能。在該層傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為“分組”或“包”。它的主要功能是利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的相鄰節(jié)點間無差錯的幀數(shù)據(jù)傳輸功能,通過路由選擇功能和中繼功能,實現(xiàn)網(wǎng)絡中任意兩節(jié)點

28、間的連接。進行通信的主機或節(jié)點間可能要經(jīng)過許多節(jié)點和鏈路,也可能經(jīng)過不同的通信子網(wǎng)絡,該層的任務就是選擇合適的路徑,使發(fā)送方的“分組”能正確地到達接收方的對等實體。此外,該層能確定網(wǎng)絡中任意兩節(jié)點(包含不能用同一通信介質(zhì)直接連接的非相鄰節(jié)點)間信息傳輸?shù)穆酚珊推胶夤?jié)點間的通信流量。 (4)傳輸層該層是OSI參考模型的七層中比較特殊的15.2建筑設備自控網(wǎng)絡一層。設置傳輸層的目的是在源主機和目的主機進程間提供可靠的端到端通信,完成無差錯的按序報文傳送,為上層提供傳輸服務,并彌補各種通信網(wǎng)絡的質(zhì)量差異,對經(jīng)過低三層后仍存在的傳輸差錯進行恢復,進一步提高可靠性。并且通過復用、分段和組合、連接和分離、

29、分流和合流等分復用技術(shù)措施,提高傳輸速率和服務質(zhì)量。在該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為“報文”。該層的協(xié)議軟件只在主機上運行,而低層協(xié)議則出現(xiàn)在主機和通信節(jié)點機上。當傳輸?shù)膱笪妮^長時,該層將報文分割成幾個分組后,再交給網(wǎng)絡層傳輸。 一個用戶進程要同另一主機上的用戶進程通信時,它首先選擇進程間的“端口”,以區(qū)分進程。當網(wǎng)絡的主機并發(fā)運行多個通信進程時,到達同一主機的信息必須用端口標識其處理的通信進程,以便正確的進程接收和處理。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 (5)會話層該層依靠傳輸層的功能使數(shù)據(jù)傳送功能在開放系統(tǒng)間有效進行,是按照在應用進程間的約定,按正確的順序收發(fā)數(shù)據(jù)、進行各種形式的對話?？刂品绞接袃深?一是

30、為了在該層應用中易于實現(xiàn)接收處理和發(fā)送處理的逐次交替變換,設置某一時刻只有一端發(fā)送數(shù)據(jù),故需要交替改變發(fā)送端的傳送控制。二是在類似文件傳送等單方向傳送大量數(shù)據(jù)時,為防備應用處理中出現(xiàn)意外,在傳送數(shù)據(jù)的過程中需要給數(shù)據(jù)打上標記。當出現(xiàn)意外時,可由標記處重發(fā)。會話服務主要分為兩部分:會話連接管理和會話數(shù)據(jù)交換。會話連接管理服務使一個應用進程在一個完整的活動或事務處理中,通過會話連接與另一個對等應用進程建立和維持一條會話通道。會話數(shù)據(jù)交換服務為兩個會話的應用進程利用該通道交換會話單元提供手段。該層還提供了15.2建筑設備自控網(wǎng)絡交互管理、會話連接同步及異常報告等服務。會話連接同步服務允許兩個相互通信

31、的用戶有選擇地定義和標明一些同步點和檢查點。當會話連接的兩端失去同步時,可將此連接恢復到一個已定義的狀態(tài)。異常報告服務使用戶得知一些不可恢復事件的發(fā)生。會話服務提供者允許會話用戶在傳送數(shù)據(jù)中設置同步點,并賦予同步序號,以識別和使用同步點。當傳輸連接出現(xiàn)故障時,整個會話活動不需要全部重復一遍。會話同步服務在一個會話連接中定義若干個同步點。同步點又分為次同步點和主同步點。主同步點用于將一個會話單元分隔開來?；顒庸芾砉δ苁侵魍近c概念的一種擴展,它將整個會話分解成若干個離散的活動。一個活動代表一個邏輯工作段,并包括多個會話單元。對于應用層來說,一個活動相當于一次應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的交換。從用15.2建

32、筑設備自控網(wǎng)絡戶發(fā)出會話連接請求起到會話連接釋放確認是一個會話連接的持續(xù)時間。一個會話連接可分為幾個活動,而每個活動又可由幾個會話單元組成。該層通過會話服務與活動管理達到協(xié)調(diào)進程之間的會話過程,確保分布進程通信的順利進行。網(wǎng)絡通信要實現(xiàn)強大的通信功能,也必須定義一個“網(wǎng)絡機制”,這就是會話層的主要任務。 (6)表示層該層主要解決用戶數(shù)據(jù)的語法表示問題,它將由抽象語法表示的交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳送語法,使傳輸信息的語義在傳輸過程保持不變。該層為應用層提供了能夠使用其他任意語法的可能性,使應用層不必關(guān)心信息的表示問題。該層僅對應用層信息內(nèi)容的形式進行變換。在計算機網(wǎng)絡中,互相通信的應用進程實際上只關(guān)心傳

33、輸信息所蘊含的語義。故該層要解決的問題是:如何描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并使15.2建筑設備自控網(wǎng)絡之與具體的機器無關(guān)。 (7)應用層該層是OSI-RM的最高功能層,為應用進程(如用戶程序、終端操作員等)提供服務,是用戶使用網(wǎng)絡環(huán)境的唯一窗口。該層面向用戶,實現(xiàn)的功能分為兩部分,即用戶應用進程和系統(tǒng)應用管理進程。系統(tǒng)應用管理進程管理系統(tǒng)資源,并優(yōu)化分配系統(tǒng)資源和控制資源的使用等。管理進程向系統(tǒng)各層發(fā)出下列要求:請求診斷,提交運行報告,收集統(tǒng)計資料和修改控制等。系統(tǒng)應用管理進程還負責系統(tǒng)的重啟動,包括從頭啟動和由指定點重啟動。用戶應用進程由用戶要求決定。通常的應用有數(shù)據(jù)庫訪問、分布計算和分布處理等。通用的應用

34、程序有電子郵件、事務處理、文件傳輸協(xié)議和作業(yè)操作協(xié)議等。 網(wǎng)絡的基本拓撲結(jié)構(gòu)雖只有圖15-2所示的幾種簡單形15.2建筑設備自控網(wǎng)絡式,若將這幾個基本形式中的具體節(jié)點看作“抽象節(jié)點”:既代表一個具體節(jié)點又代表由多個具體節(jié)點組成的一個子網(wǎng)絡,則由這幾種基本形式的網(wǎng)絡可演變成任意復雜的互聯(lián)網(wǎng)絡(Internet)。圖15-5就可代表一個互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)。為了便于說明、設計和應用實際的互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng),通常引入“物理網(wǎng)段”“網(wǎng)段”和“子網(wǎng)絡”的概念。 圖15-5互聯(lián)網(wǎng)絡示意圖圖15-6互聯(lián)設備示意圖15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 從圖15-5可看出,物理網(wǎng)段是由一通信介質(zhì)所形成的一部分網(wǎng)絡,物理網(wǎng)段通過中繼器連接

35、形成網(wǎng)段。網(wǎng)段是由同種通信介質(zhì)通過中繼器組合而形成的一部分網(wǎng)絡,網(wǎng)段通過網(wǎng)橋連接形成子網(wǎng)絡。子網(wǎng)絡是通過網(wǎng)橋組合而形成的一部分網(wǎng)絡,可由多種介質(zhì)通信組成。子網(wǎng)絡通過路由器連接則形成互聯(lián)網(wǎng)絡。 在圖15-5中,有三類用于連接網(wǎng)絡的互聯(lián)設備,即中繼器、網(wǎng)橋和路由器,這三類互聯(lián)設備不屬于自控設備,其作用是連接不同的網(wǎng)絡部分。圖15-6直觀地表示了各互聯(lián)設備在網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的位置。 圖15-6所示還表示了不同體系結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡的連接設備網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)用于連接不同體系結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)絡,具有存儲和轉(zhuǎn)發(fā)應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的處理功能,是將兩個15.2建筑設備自控網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)絡連接成超級互聯(lián)網(wǎng)絡。網(wǎng)關(guān)僅進行“一對一”的協(xié)議

36、轉(zhuǎn)換,或是少數(shù)幾種特定應用協(xié)議的轉(zhuǎn)換,很難實現(xiàn)通用的協(xié)議轉(zhuǎn)換。不同體系協(xié)議的轉(zhuǎn)換也很難實現(xiàn)一一對應的轉(zhuǎn)換,在一個體系結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容或許在另一體系結(jié)構(gòu)中很難進行精確的轉(zhuǎn)換,實際應盡量避免使用網(wǎng)關(guān)。3.自控網(wǎng)絡基本內(nèi)容 (1) 自控網(wǎng)絡的顯著特點自控網(wǎng)絡通信協(xié)議必須實現(xiàn)互操作功能和保證實時特性,它具有如下兩個顯著的特點: 1)通信效率優(yōu)化。自控網(wǎng)絡通信效率優(yōu)化的方式除借用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信效率優(yōu)化的方法外,通常還包括根據(jù)具體自控領域的特點改進通信介質(zhì)訪問方式(MAC)、優(yōu)化傳輸長度和簡化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)等方法。 2)上層協(xié)議具體化。自控網(wǎng)絡須在信息共享的基礎上15.2建筑設備自控網(wǎng)絡對共享信息的語義進行解釋,

37、并自動觸發(fā)共享信息語義所蘊含的反應和操作,實現(xiàn)互操作功能。這就須對網(wǎng)絡節(jié)點或設備建立信息模型,確定網(wǎng)絡節(jié)點或設備互操作的模式,明確定義傳輸數(shù)據(jù)的語義,并規(guī)定其編碼和解碼規(guī)則,這些內(nèi)容一般為自控網(wǎng)絡通信協(xié)議的上層協(xié)議內(nèi)容。 (2) 自控網(wǎng)絡的基本內(nèi)容在自控網(wǎng)絡中,“通信協(xié)議”除具有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的通信功能外,還包含如下內(nèi)涵,并構(gòu)成了自控網(wǎng)絡的基本內(nèi)容,是所有自控網(wǎng)絡須明確規(guī)定的主要內(nèi)容,它們是研究和應用自控網(wǎng)絡必備的基礎知識。 1)自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備信息模型。要進行通信或互操作,就須存在至少兩個通信或互操作的實體或?qū)ο?且這些實體或?qū)ο箜氃谧钥鼐W(wǎng)絡互操作環(huán)境中是“可見的和可識別的”。自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備

38、是通信和互操作的實體,這些15.2建筑設備自控網(wǎng)絡實體在物理結(jié)構(gòu)上千差萬別,在監(jiān)控功能上也有所不同。如何使這些具體節(jié)點或設備在自控網(wǎng)絡中相互識別,就須對具體節(jié)點或設備進行抽象建模,使之成為“網(wǎng)絡可見”的抽象實體網(wǎng)絡節(jié)點或設備的信息模型,故信息模型具有標識網(wǎng)絡節(jié)點或設備和抽象其監(jiān)控功能的作用。 信息模型在不同體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中有不同的建模方式,有不同的表現(xiàn)形式,甚至同一體系結(jié)構(gòu)的不同協(xié)議層也有不同表現(xiàn)形式。但可歸納為“面向數(shù)據(jù)”和“面向?qū)ο蟆眱深?。面向?shù)據(jù)的信息模型只用一個簡單型或基本型數(shù)據(jù)來抽象描述網(wǎng)絡中的節(jié)點或設備,此模型通常用節(jié)點或設備地址或標識符的數(shù)據(jù)類型來表示。面向數(shù)據(jù)的信息模型用于自控

39、網(wǎng)絡通信協(xié)議的低層協(xié)議之中,用于標識通信實體,具有較高的通信效率。在自控網(wǎng)絡通信協(xié)議中,面向數(shù)據(jù)的信15.2建筑設備自控網(wǎng)絡息模型也是高層協(xié)議常用的信息模型之一,用于標識通信和互操作實體。 面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ筒捎靡唤M描述網(wǎng)絡節(jié)點或設備狀態(tài)的屬性參數(shù)來標識互操作實體和定義互操作的語義,此模型用于自控網(wǎng)絡的上層協(xié)議之中。因面向?qū)ο笮畔⒛Ｐ头浅＿m用于互操作過程,大多數(shù)現(xiàn)代自控網(wǎng)絡在實現(xiàn)互操作功能的層面上基本采用了這種模型。但該模型在不同自控網(wǎng)絡中具有不同的建模方式和表現(xiàn)形式。 2)互操作模式。在自控網(wǎng)絡中,當節(jié)點或設備利用信息模型在網(wǎng)絡上“可見”和“可識別”后,就可在節(jié)點或設備間通過通信來實現(xiàn)互操作

40、。依據(jù)通信內(nèi)容,可將自控網(wǎng)絡互操作模式分為“基于數(shù)據(jù)”和“基于命令”兩種互操作模式。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 在基于數(shù)據(jù)的互操作模式中,通信內(nèi)容是自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備間共享的數(shù)據(jù)(如溫度、壓力、狀態(tài)或字符串等描述系統(tǒng)狀態(tài)的信息)。當自控網(wǎng)絡的節(jié)點或設備監(jiān)聽和接收到一個數(shù)據(jù)時,就觸發(fā)一個相關(guān)聯(lián)的事件,完成該共享數(shù)據(jù)所蘊含的互操作功能。該模式可適用于面向數(shù)據(jù)和面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?尤其適用于面向數(shù)據(jù)的信息模型。在基于命令的互操作模式中,通信內(nèi)容是自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備間的觸發(fā)命令(如開啟/停止、讀/寫、連接/斷開等命令)。當自控網(wǎng)絡的節(jié)點或設備監(jiān)聽和接收到一個觸發(fā)命令時,就根據(jù)命令種類和參數(shù)(若命令帶有參

41、數(shù))完成相應的互操作功能。 可以看出,這種模式在協(xié)議和硬件中的應用只是抽象方式的不同,其操作和管理機制仍是相同的。在硬件設備中,15.2建筑設備自控網(wǎng)絡外圍設備的各種寄存器就相當于外圍設備對象的屬性,CPU通過訪問抽象為屬性的寄存器來控制和管理外圍設備,而外圍設備的功能則由外圍設備本身完成。在現(xiàn)代自動控制網(wǎng)絡中,這種模式是首選的互操作模式,它在保證通信接口一致的前提下,允許各種自控硬件設備具有不同的結(jié)構(gòu)和功能。 從上述分析可看出,互操作模式通常與自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備的信息模式相關(guān)聯(lián),不同的信息模型和互操作模式均是自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備實現(xiàn)信息共享和互操作功能的解決方法或方案之一。但從自控網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)網(wǎng)

42、絡的發(fā)展趨勢來看,面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ秃兔嫦蛎畹拈g接互操作模式是現(xiàn)代網(wǎng)絡的主要信息模型和互操作模式。故任何自控網(wǎng)絡通信協(xié)議均是在通信的基礎上對信息模型和互操作模式進行合理選取和優(yōu)化的結(jié)果。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 總之,自控網(wǎng)絡要實現(xiàn)互操作,在原理上就須定義互操作實體的“信息模型”、實體間的“互操作模式”、實體間互操作的“內(nèi)容”和實體間傳輸互操作內(nèi)容的“通信工具”。實體信息模型須在自控網(wǎng)絡互操作環(huán)境中是相互“可見的和可識別的”,互操作模式須與信息模型相適應,互操作內(nèi)容須在主體間是互相“可理解的”,通信工具最好是“多樣的”。自控網(wǎng)絡互操作模式是由“互操作內(nèi)容”進行具體表現(xiàn)的,而互操作內(nèi)容在通信協(xié)

43、議中是以“服務和報文”的方式進行定義的。“服務”是互操作過程的“時序”描述,是互操作過程的動態(tài)描述;而“報文”是互操作內(nèi)容的“編碼或格式”描述,是靜態(tài)描述。不同自控網(wǎng)絡通信協(xié)議對互操作功能具有不同的定義方法和內(nèi)容,形成了具有不同技術(shù)特點的自控網(wǎng)絡。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 3)系統(tǒng)集成方法。因自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備具有互操作功能和邏輯功能上的強耦合關(guān)系,自控網(wǎng)絡必須進行系統(tǒng)集成,以確定自控網(wǎng)絡節(jié)點或設備的固定邏輯功能關(guān)系和實現(xiàn)互操作。自控網(wǎng)絡系統(tǒng)集成通常有兩個含義,一是指同種體系結(jié)構(gòu)自控網(wǎng)絡的集成,二是指異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)自控網(wǎng)絡的集成,其中包括自控網(wǎng)絡與Internet的集成。前者的集成方式通常由自控

44、網(wǎng)絡通信協(xié)議進行了規(guī)定和說明,并利用自控網(wǎng)絡專用網(wǎng)絡管理工具可較為容易地進行集成;后者一般通過網(wǎng)關(guān)方式進行系統(tǒng)集成,該方式稱為“網(wǎng)關(guān)集成方式”,但集成方式比較困難,代價較大,不易擴展。 從上述可知,信息模型和互操作方式是網(wǎng)絡節(jié)點或設備互操作的基礎?；ゲ僮魇蔷W(wǎng)絡節(jié)點或設備進行交互的一種機制和能力,系統(tǒng)集成是面向具體應用,明確網(wǎng)絡節(jié)點或設15.2建筑設備自控網(wǎng)絡備在邏輯功能上互操作關(guān)系的過程。故具有相同互操作機制的自控網(wǎng)絡就可有不同的系統(tǒng)集成方法。所以,自控網(wǎng)絡的通信協(xié)議均詳細定義了互操作機制的內(nèi)容,但一般不定義或不詳細定義系統(tǒng)集成的標準內(nèi)容,或者在協(xié)議之外提供系統(tǒng)集成指南性的內(nèi)容。 所以,自控網(wǎng)

45、絡通信協(xié)議必須具備與通信功能、信息模型、互操作方式和系統(tǒng)集成有關(guān)的基本內(nèi)容。任何自控網(wǎng)絡只要參照OSI-RM體系結(jié)構(gòu)從其體系結(jié)構(gòu)出發(fā),按信息模型、互操作方式和系統(tǒng)集成三個方面進行學習和研究,就完全可掌握其基本內(nèi)容和特點,就可達到實用的目的。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡15.2.2LonWorks技術(shù)1.概述 LON(Local Operating Networks)局部操作網(wǎng)絡是美國Echelon公司1990年推出的智能控制網(wǎng)絡,為分布式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強的實現(xiàn)手段。在Echelon公司的支持下,誕生了新一代的智能化、低成本的現(xiàn)場測控網(wǎng)絡。為支持LON總線,Echelon公司開發(fā)了LonWorks

46、技術(shù),它為LON網(wǎng)絡設計、成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。 LonWorks對其使用的技術(shù),從神經(jīng)元芯片到七層網(wǎng)絡協(xié)議及神經(jīng)元芯片的Neuron C語言都詳盡地提供給用戶。 1997年6月Echelon公司公開了LonTalk協(xié)議,允許其他CPU制造商將其嵌入,這樣使LonWorks技術(shù)更加開放。在可互操作方面,1994年5月,由世界許多公司,如15.2建筑設備自控網(wǎng)絡Honeywell、Motorola、IBM、HP等,組成了一個獨立的行業(yè)協(xié)會LonMark,負責定義、發(fā)布、確認產(chǎn)品的互操作性標準。LonMark協(xié)會的成立,對于推動LonWorks技術(shù)的推廣和發(fā)展起到了極大的推動作用。 Lo

47、nWorks使用開放式通信協(xié)議(LonTalk協(xié)議),為設備間交換控制狀態(tài)信息建立了一個通用的標準。在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下,以往孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體,形成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)是LonWorks技術(shù)的核心芯片,它是LON智能控制網(wǎng)絡的通信處理器,也是采集和控制的通用處理器,LonWorks技術(shù)中所有關(guān)于網(wǎng)絡變量的操作實際上都是通過其來完成的。典型的LON總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15-7所示。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡圖15-7典型的LON總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) LON現(xiàn)場總線除了具有現(xiàn)場總線的本質(zhì)特點之外,還有以下優(yōu)點: (1)具有良好的互操作性LonWo

48、rks技術(shù)采用的LonTalk通信協(xié)議遵循國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI所定義的全部七層服務。除了LonTalk協(xié)議以外,還沒有哪一個協(xié)議宣稱它能夠提供OSI參考模型所定義的全部七層服務,這是LonWorks技術(shù)的先進性之一,也是LonTalk協(xié)議區(qū)別于其他各協(xié)議的重要特點。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 (2)網(wǎng)絡通信采用網(wǎng)絡變量和顯示報文網(wǎng)絡變量使網(wǎng)絡通信的設計簡化成為參數(shù)設置,增加了通信的可靠性和互操作性,簡化了應用程序的設計。網(wǎng)絡變量的概念簡化了復雜的分布式應用的編程。一個運行Neuron C應用程序的節(jié)點,最多可以說明62個網(wǎng)絡變量(包括數(shù)組元素)。一個網(wǎng)絡變量可以是

49、Neuron C變量或結(jié)構(gòu),其最大長度可達31B。顯示報文每幀有效字節(jié)數(shù)為0228B。 (3)LonLalk協(xié)議使用改進的CSMAMAC子層協(xié)議(Media Access Control介質(zhì)訪問控制)對CSMA(Carrier Sense Multiple Access載波偵聽多路訪問)協(xié)議作了改進,采用一種稱作Predictive P-persistent CSMA(帶預測的P-堅持載波偵聽多路訪問),以在負載較輕時使介質(zhì)訪問延遲最小化,而在負載較重時使沖突的可能最小化。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 (4)支持多類型通道Neuron芯片處理的LonTalk協(xié)議是與介質(zhì)無關(guān)的,允許神經(jīng)元芯片支持大

50、量不同的通信介質(zhì),包括雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜、射頻(RF)、紅外線等。LonTalk協(xié)議支持以不同通信介質(zhì)分段的網(wǎng)絡,即不同的通信介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡中混合使用。而其他的許多網(wǎng)絡只能選用某種專用的介質(zhì)。而LonWorks網(wǎng)絡可以同時使用上述的各種介質(zhì),并開發(fā)了相應的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品,被譽為通用控制網(wǎng)絡。 (5)支持多種網(wǎng)絡拓撲LonWorks技術(shù)的一個LON網(wǎng)絡上可以有255個子網(wǎng),每個子網(wǎng)可有127個節(jié)點,網(wǎng)絡可大可小,網(wǎng)絡拓撲形式可為總線型、星形、環(huán)形、自由拓撲形等多種拓撲結(jié)構(gòu),LonWorks直接通信距離可達2700m(雙絞線,78kbit/s,總線拓撲)、130m(雙絞線15.2

51、建筑設備自控網(wǎng)絡,1.25Mbit/s,總線拓撲),另外加中繼器還可延長。 LON總線還有一個網(wǎng)絡管理工具,如圖15-7所示。這個管理工具主要負責網(wǎng)絡的安裝、維護和監(jiān)控。在安裝階段,它為節(jié)點動態(tài)分配網(wǎng)絡地址,并通過網(wǎng)絡變量和顯示報文進行節(jié)點間的通信。維護是在系統(tǒng)正常運行情況下,增加、減少節(jié)點,改變網(wǎng)絡變量、顯示報文的內(nèi)部連接,及檢測修理錯誤的設備等。監(jiān)控是指提供系統(tǒng)級的檢測和控制服務,用戶可以在網(wǎng)上,甚至是在Internet上遠程監(jiān)控整個系統(tǒng)。 LON總線具有通信介質(zhì)多樣化、訪問方式多樣、唯一支持OSI七層協(xié)議、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活等特點,因此LON總線實際上起著通用現(xiàn)場總線的作用。2. LON總線的

52、通信技術(shù) LON總線與其他現(xiàn)場總線相比,最大的優(yōu)勢就是具有網(wǎng)15.2建筑設備自控網(wǎng)絡絡處理能力。它通過網(wǎng)關(guān)很容易與異型網(wǎng)互聯(lián),這一點是其他現(xiàn)有的現(xiàn)場總線都無法比擬的。其次它還支持多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和多種網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu),易于組成各種不同類型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。LON以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢,把計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合起來,實現(xiàn)了工廠測控及管理的統(tǒng)一。采用超大規(guī)模的神經(jīng)元芯片,使每個節(jié)點的應用變得簡單可靠。固化的LonTalk協(xié)議具有檢測應答、自動重發(fā)、請求/響應等功能,易實現(xiàn)冗余功能,保證了通信的可靠,實現(xiàn)了控制功能的全分布,使故障分散,提高了系統(tǒng)的可靠性。 LON總線的通信協(xié)議是公開的,其產(chǎn)

53、品采用神經(jīng)元芯片、LonWorks收發(fā)器及LonBuilder開發(fā)平臺可方便靈活地集成為新一代的控制系統(tǒng)。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 LON總線是唯一的遵循ISO/OSI網(wǎng)絡參考模型的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡,它在充分考慮控制系統(tǒng)特殊要求的基礎上,建立了每一層的直接面向?qū)ο缶W(wǎng)絡協(xié)議。 LON總線支持無線、電力線、紅外線、雙絞線、射頻、光纖、同軸電纜等多種傳輸介質(zhì),滿足多種特殊的應用場合,數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為300bit/s1.25Mbit/s。3. LonWorks的核心技術(shù) LonWorks系統(tǒng)主要由神經(jīng)元芯片、LonTalk協(xié)議、Neuron C語言、收發(fā)器、路由器及LNS、NodeBuilder、Lon

54、Maker等一系列開發(fā)工具組成。 (1)神經(jīng)元芯片LonWorks技術(shù)的核心是Neuron芯片或稱為神經(jīng)元芯片,有3150和3120兩大系列,其中3120系列芯片中包括E2PROM,RAM,ROM;而3150系列芯片15.2建筑設備自控網(wǎng)絡中則無內(nèi)部ROM,但擁有訪問外部存儲器的接口。Neuron芯片內(nèi)部固化了完整的LonTalk通信協(xié)議,確保節(jié)點間的可靠通信和互操作。 Neuron芯片在大多數(shù)LON節(jié)點中是一個獨立的處理器。若需要使節(jié)點具有更強的信號處理能力或I/O通道,可采用其他處理器來處理并由Neuron芯片交換數(shù)據(jù),此時Neuron芯片只完成通信功能。 Neuron芯片的主要性能特點如

55、下: 高度集成,所需外部器件較少;三個8位的CPU,輸入時鐘可選擇范圍:625kHz10MHz;片上集成的RAM,E2PROM存儲器;11個可編程序I/O引腳具有34種可選擇的工作方式;兩個16位的定時器/計數(shù)器;15個軟定時器;休眠工作方式;網(wǎng)絡通信端口三種方式:單端方式、差15.2建筑設備自控網(wǎng)絡分方式和專用方式;服務引腳:用于遠程識別和診斷;48位的內(nèi)部Neuron ID;用于唯一識別的Neuron芯片;固件包括:LonTalk協(xié)議;I/O驅(qū)動器程序;事件驅(qū)動多任務調(diào)度程序。Neuron芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖15-8所示。 圖15-8Neuron芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) Neuron芯片內(nèi)部有三個CPU:

56、MAC CPU、網(wǎng)絡CPU和應用CPU,如圖15-9所示。CPU1是MAC CPU,完成介質(zhì)訪圖15-9Neuron芯片的CPU結(jié)構(gòu)15.2建筑設備自控網(wǎng)絡問控制,處理LonTalk協(xié)議的第一和第二層,包括驅(qū)動通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行算法。CPU1和CPU2用共享存儲區(qū)中的網(wǎng)絡緩存進行通信,正確地對網(wǎng)上報文進行編解碼。CPU2是網(wǎng)絡CPU,它實現(xiàn)LonTalk協(xié)議的第三到第六層,處理網(wǎng)絡變量、尋址、事務處理、權(quán)限證實、背景診斷、軟件計時器、網(wǎng)絡管理和路由等。同時,它還控制網(wǎng)絡通信端口,物理地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。該處理器用共享存儲區(qū)中的網(wǎng)絡緩存區(qū)與CPU1通信,應用緩存區(qū)與CPU3通信。CPU3是應用

57、CPU,它完成用戶的編程,其中包括用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的服務調(diào)用。 Neuron芯片通過11個I/O口(IO0IO10)與外部設備相連,稱為應用I/O。應用I/O可配置選擇使用34種不同的I/O對象,以借助于最小的外接電路實現(xiàn)靈活的輸入輸出功15.2建筑設備自控網(wǎng)絡能,這些I/O對象包括: 1)直接I/O對象:比特I/O對象、字節(jié)I/O對象、電平檢測輸入對象、半字節(jié)I/O輸入對象。 2)并行雙向I/O對象:并行I/O對象、多總線I/O對象等。 3)串行I/O對象:移位I/O對象、I2C I/O對象、磁卡輸入對象、磁跡輸入對象、半雙工異步串行I/O對象、Wiegand輸入對象、全雙工同步串行I/O

58、對象。 4)定時器/計數(shù)器輸入對象:雙斜率輸入對象、邊沿記錄輸入對象、紅外輸入對象、On-Time輸入對象、周期輸入對象、脈沖計數(shù)輸入對象、正交輸入對象、總數(shù)輸入對象。 5)定時器/計數(shù)器輸出對象:分頻輸出對象、頻率輸出對象、單步輸出對象、脈沖計數(shù)輸出對象、脈寬輸出對象、可控硅輸出對象等。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 Service Pin是Neuron芯片中的一個非常重要的管腳,在節(jié)點的配置、安裝和維護時均需使用。該管腳既能輸入也能輸出。輸出時它通過一個低電平來點亮外部的LED,LED的不同點亮方式代表了不同Neuron芯片不同的工作狀態(tài)。輸入時,一個邏輯低電平使Neuron芯片傳送一個包括該節(jié)

59、點48bit的Neuron ID的網(wǎng)絡管理信息。 Neuron芯片支持多種通信介質(zhì)。如雙絞線、無線、紅外、光纖、同軸電纜等。在各種通信介質(zhì)中,雙絞線以其高的性能價格比而應用最為普遍。Echelon公司提供的FTT-10A雙絞線變壓器耦合收發(fā)器支持總線型和自由拓撲形拓撲。其抗干擾能力強,可承受持續(xù)時間為60s的1000V電壓,采用總線拓撲的網(wǎng)絡最長可達2000m,采用自由拓撲的網(wǎng)絡最長可達500m,滿足一般的工業(yè)應用,組網(wǎng)靈活。所支15.2建筑設備自控網(wǎng)絡持的網(wǎng)絡拓撲有許多種,如圖15-10所示。圖15-10網(wǎng)絡拓撲類型a)單端接器總線拓撲b)雙端接器總線拓撲c)星形拓撲d)環(huán)形拓撲e)混合拓撲

60、 (2)LonTalk協(xié)議LonWorks技術(shù)使用的通信協(xié)議稱為LonTalk協(xié)議。LonTalk協(xié)議遵循由國際標準化組織(ISO)定義的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型,提供了OSI參考模型所定義的全部七層服務。這是技術(shù)的先進性之一,也是LonTalk協(xié)議區(qū)別于其他各種協(xié)議的重要特點。15.2建筑設備自控網(wǎng)絡 LonTalk協(xié)議支持以不同通信介質(zhì)分段的網(wǎng)絡。LonTalk協(xié)議支持的介質(zhì)包括雙絞線、電力線、無線、紅外線、同軸電纜和光纖。其他的許多網(wǎng)絡只能選用某種專用的介質(zhì),而LonWorks網(wǎng)絡可同時使用上述的各種介質(zhì),這是技術(shù)的先進性之二。 每個節(jié)點都需要物理地連接到信道上。信道是數(shù)據(jù)包的物理傳輸