第二章智能建筑的計算機控制基礎

樓宇設備監(jiān)控與組態(tài)第二章智能建筑的計算機控制基礎教學目標：應知：自動控制系統(tǒng)的基本結構、工作原理；樓宇常用傳感器和執(zhí)行器的工作原理和使用；樓宇控制系統(tǒng)（BAS）的結構和組成；控制網(wǎng)絡概念，BACnet、LonWorks總線協(xié)議的基本概念和優(yōu)缺點。應會：能夠正確選擇傳感器和執(zhí)行器；對PID參數(shù)對控制動態(tài)響應的影響。難點：自動控制動態(tài)響應過程，PID控制原理，PID控制參數(shù)的整定調(diào)整方法。第二章智能建筑的計算機控制基礎智能建筑系統(tǒng)通常包括三個組成部分:(1)樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）(2)辦公自動化系統(tǒng)（OAS）(3)通信自動化系統(tǒng)（CAS）即3A大廈；有時也將消防報警系統(tǒng)（FAS）和停車庫管理系統(tǒng)（PAS）作為智能建筑的組成部分，即5A大廈。第二章智能建筑的計算機控制基礎樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑系統(tǒng)中一個重要的、基本的組成部分，而智能建筑系統(tǒng)是建立在樓宇自動化系統(tǒng)的基礎之上的。數(shù)字計算機在樓宇自動控制系統(tǒng)中的應用，主要是作為控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，完成預先規(guī)定的控制任務。計算機控制系統(tǒng)又稱為數(shù)字控制系統(tǒng)，是采用數(shù)字技術實現(xiàn)各種控制功能的自動控制系統(tǒng)。第二章智能建筑的計算機控制基礎第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)組成第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)分類第三節(jié)BAS體系第四節(jié)控制網(wǎng)絡技術第一節(jié)計算機控制系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)的組成有兩部分：一硬件部分二軟件部分一硬件部分計算機系統(tǒng)的硬件一般由被控對象、過程通道、計算機、人-機聯(lián)系設備和控制操作臺幾部分組成，如圖2-1所示。圖2-1計算機控制系統(tǒng)的組成

一硬件部分1．計算機計算機在控制系統(tǒng)中也成稱為主機，它由微處理器（CPU）、存儲器ROM、RAM和系統(tǒng)總線等幾部分組成，是構成計算機控制系統(tǒng)的核心。計算機的主要任務是按照預先編制好的程序進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、報警等。同時，通過接口電路向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種控制命令，指揮整個計算機控制系統(tǒng)有條不紊地工作。存儲器用來存儲軟件和數(shù)據(jù)，主要包括用來存儲固化系統(tǒng)軟件和常用數(shù)據(jù)表格的ROM、EPROM、CD-ROM和用來存放操作數(shù)、運算參數(shù)和計算結果的RAM。一硬件部分2．過程通道過程通道是計算機與被控對象之間交換數(shù)據(jù)信息的橋梁，是計算機控制系統(tǒng)按特殊要求設置的部分。按傳輸信號的形式可分為模擬量通道和開關量通道，按信號的傳輸方向可分為輸入通道和輸出通道。（1）模擬量輸入通道（AnalogInputs，AI）用來將被控對象的模擬量被控參數(shù)（被測參數(shù)），轉換成數(shù)字信號，并送至計算機，它包括檢測元件（傳感器）、變送器、多路采樣器和模/數(shù)（A/D）轉換器等。一硬件部分檢測元件（傳感器）用來對被控參數(shù)的瞬時值進行檢測，即將連續(xù)變化的非電物理量轉換成模擬量（電壓、電流、電阻值等）；變送器用來將傳感器得來的電信號經(jīng)過放大、變換等環(huán)節(jié)，轉換為統(tǒng)一的直流電流（0~10mA，4~20mA），或直流電壓（0~5V，0~10V，1~5V等）；多路轉換器也被稱為多路模擬開關，用來對多路模擬量信號進行分時切換，將時間上連續(xù)變化的模擬信號轉換為時間上離散的模擬量信號；A/D轉換器將時間上離散的模擬量信號轉化為時間上離散的數(shù)字信號，并送入計算機中。一硬件部分（2）模擬量輸出通道（AnalogOutputs，AO）用來將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉換器變換為模擬量后，去控制各種執(zhí)行機構動作。如果執(zhí)行機構是氣動或液動元件，還需經(jīng)過電-氣、電-液轉換裝置，將電信號轉化為氣體驅動和液體驅動信號。在控制多個回路時，在模擬量輸出通道中，還要使用多路輸出裝置進行切換。由于每個模擬量輸出回路輸出的信號在時間上是離散的，而執(zhí)行機構要求是連續(xù)的模擬量，所以通過輸出保持器將輸出信號保持后，再去控制執(zhí)行機構。一硬件部分（3）開關量輸入通道（DigitalInputs，DI）用于將現(xiàn)場的各種限位開關或各種繼電器的狀態(tài)輸入計算機。各種開關量輸入信號經(jīng)過電平轉換、光電隔離并消除抖動后，被存入寄存器中，每一路開關的狀態(tài)，相應地由寄存器中的一位二進制數(shù)字0、1表示，計算機的CPU可周期性地讀取輸入回路每一個寄存器的狀態(tài)來獲取系統(tǒng)中各個輸入開關的狀態(tài)。一硬件部分（4）開關量輸出通道（DigitalOutputs，DO）用來控制系統(tǒng)中的各種繼電器、接觸器、電磁閥門、指示燈、聲光報警器等只有開、關兩種狀態(tài)的設備。開關量輸出通道鎖存來自于計算機CPU輸出的二進制開關狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些二進制數(shù)據(jù)每一位的0、1值，分別對應一路輸出的開、關或通、斷狀態(tài)，計算機輸出的每一位數(shù)據(jù)經(jīng)過光電隔離后，可通過OC門（集電極開路電路，具有較較強的驅動能力）、小型繼電器、雙向晶閘管、固態(tài)繼電器等驅動元件的輸出去控制交直流設備。一硬件部分有的計算機控制系統(tǒng)中還含有脈沖量輸入通道（PulseInput，PI），現(xiàn)場儀表中轉速計、渦輪流量計等一些機械計數(shù)裝置輸出的測量信號均為脈沖信號，脈沖量輸入通道就是為這一類輸入而設置的。輸入的脈沖信號經(jīng)過幅度變換、整形、隔離后進入計算機，根據(jù)不同的電路連接和編程方式，可進行計數(shù)、脈沖間隔時間和脈沖頻率的測量。綜上所述，過程通道由各種硬件設備組成，起著信息變換和傳遞的作用，它配合相應的輸入輸出控制程序，使計算機和被控對象之間進行信息交換，從而實現(xiàn)了對設備和生產(chǎn)過程的控制。一硬件部分3．接口部分接口是計算機與過程通道之間的中介部分，計算機控制系統(tǒng)通常使用的接口為數(shù)字接口，其中分為并行接口、串行接口和脈沖序列接口。一硬件部分（1）控制操作臺控制操作臺是人與計算機控制系統(tǒng)聯(lián)系的必要設備，在控制操作臺上隨時顯示紀記錄系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)和被控對象的參數(shù)，使操作人員及時地了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)，進行必要的干預，修改有關參數(shù)或緊急處理某些事件。當系統(tǒng)某個局部出現(xiàn)意外或故障時，也在操作臺上產(chǎn)生報警信息。操作人員在操作臺上可修改程序和工藝參數(shù)，也可以按需要改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)。一硬件部分操作臺包括以下設備：（2）CRT顯示器或LED數(shù)碼管顯示器、打印機、記錄儀等輸出設備，顯示器用來顯示操作人員所要了解的內(nèi)容，或監(jiān)視系統(tǒng)工作進程及畫面顯示等等，打印記錄設備用來打印、記錄各種參數(shù)、數(shù)據(jù)和曲線。一硬件部分（3）鍵盤、功能控制按鈕和扳鍵（作用開關）等輸入裝置，功能控制按鈕和扳鍵完成對計算機系統(tǒng)的啟動、暫停，對控制系統(tǒng)的啟?？刂疲瑢ぷ鞣绞?、控制算法和控制方式的選擇功能；鍵盤即操作鍵盤，它包括數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵用來輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)，功能鍵使計算機進入功能鍵所代表的功能服務程序，如打印、幫助、顯示等。現(xiàn)在大多數(shù)計算機控制系統(tǒng)在操作臺上還配置了鼠標和觸摸屏，使操作更為方便。一硬件部分（4）計算機外存器，如硬盤、磁盤機、磁帶機等，用來暫存系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序。（5）狀態(tài)指示和報警指示的指示燈和聲報警器。雖然計算機系統(tǒng)有很強的故障診斷和報警功能，但在控制系統(tǒng)中，對緊急事件的報警仍然采用聲光報警?？刂撇僮髋_上的各個設備都需要通過各自的接口與計算機相連，在計算機內(nèi)部也需要配置相應的軟件，對各個設備進行管理，這樣操作人員才有可能利用操作臺設備與控制系統(tǒng)聯(lián)系。二軟件部分

計算機軟件有系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件是計算機操作運行的基本條件之一，它是計算機控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理、硬盤管理等功能，支持包括程序設計語言、編譯程序、診斷程序等軟件。

二軟件部分

計算機控制系統(tǒng)的應用軟件是用戶根據(jù)自己的需要，執(zhí)行編制的控制程序、控制算法程序及一些服務程序，它的質(zhì)量的好壞直接影響控制系統(tǒng)的控制效果?？刂栖浖▽ο到y(tǒng)進行直接檢測、控制的前沿程序，包括人-機聯(lián)系、對外圍設備管理的服務性程序，還有保證系統(tǒng)可靠運行的自檢程序等。第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)分類計算機控制系統(tǒng)分為以下幾種類型：一、操作指導控制系統(tǒng)二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)三、集散控制系統(tǒng)四、現(xiàn)場總線與分布控制系統(tǒng)

一操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)也稱為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，如圖2-2所示主要對現(xiàn)場隨時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量等）進行巡回檢測、收集、記錄、統(tǒng)計、運算、分析、判斷和處理最后由顯示器或打印機列出處理結果，供操作人員掌握和分析生產(chǎn)情況，若遇到某個參數(shù)超過限定值，操作人員可進行處理但是計算機并不直接控制生產(chǎn)過程。一操作指導控制系統(tǒng)圖2-2數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)二直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）系統(tǒng)使用一臺計算機對一個或多個參數(shù)進行檢測，并將監(jiān)測結果與給定值比較，然后按照事先規(guī)定的控制規(guī)律進行計算，并將控制量通過接口直接去控制執(zhí)行機構，對被控對象進行控制，如圖2-3所示。這種方式在工業(yè)生產(chǎn)中使用較為普遍。二直接數(shù)字控制系統(tǒng)圖2-3直接數(shù)字控制系統(tǒng)三集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）是采用集中管理、分散控制策略的計算機控制系統(tǒng)，它以分布在現(xiàn)場的數(shù)字化控制器或計算機裝置完成對被控設備的實時控制、監(jiān)測和保護任務，以具有強大的數(shù)據(jù)處理、顯示、記錄及顯示報警等工作。集散控制系統(tǒng)克服了集中控制帶來的危險集中，系統(tǒng)可靠性差的問題，同時又避免了控制裝置分散在現(xiàn)場各處，人機聯(lián)系困難，無法統(tǒng)一管理的缺點，通過通信總線（現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡）使整個系統(tǒng)形成一個有機的整體，實現(xiàn)了信息和操作管理集中化、控制任務分散化的目標。三集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的結構如圖2-4所示，由圖可見它是一種橫向分散、縱向分層的體系結構，其功能分層可分為現(xiàn)場控制級、監(jiān)控級和中央管理級，如圖2-5所示，級與級之間通過通訊網(wǎng)絡相連。

三集散控制系統(tǒng)圖2-4集散控制系統(tǒng)結構圖2-5集散控制系統(tǒng)的功能分層

三集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)功能分層可分為：1.現(xiàn)場控制級2.監(jiān)控級3.中央管理級三集散控制系統(tǒng)1.現(xiàn)場控制級現(xiàn)場控制級由現(xiàn)場直接數(shù)字控制器DDC及現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡組成。DDC是以功能相對簡單的工業(yè)控制計算機、微處理器或微控制器為核心，具有多個DO、DI、AI、AO通道，可與各種低壓控制電器、傳感器、執(zhí)行機構等直接相連的一體化裝置，用來直接控制各個被控設備，并且能與中央控制管理計算機通信。DDC內(nèi)部有監(jiān)控軟件，即使在上位機發(fā)生故障時，DDC仍可單獨執(zhí)行監(jiān)控任務。三集散控制系統(tǒng)2.監(jiān)控級監(jiān)控級由一臺或多臺通過局域網(wǎng)相連的計算機工作站構成，作為現(xiàn)場控制器的上位機，監(jiān)控計算機可分為以操作為目的的操作站和以改進系統(tǒng)功能為目的的監(jiān)控站。監(jiān)控站直接與現(xiàn)場控制器通信，監(jiān)視其工作情況并將來自現(xiàn)場控制器的系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，通過通訊網(wǎng)絡傳遞給監(jiān)控站，再由監(jiān)控站實現(xiàn)具體操作，但需注意的一點是監(jiān)控站的輸出并不直接控制執(zhí)行機構，而是給出現(xiàn)場控制器的給定值。三集散控制系統(tǒng)監(jiān)控級計算機除了要求具有完善的軟件功能以外，對硬件也有特殊的要求，必須可靠性高，因為現(xiàn)場控制器只關系到個別設備的工作，而監(jiān)督管理計算機則關系到整個系統(tǒng)或分系統(tǒng)的運行安全。通常，監(jiān)督控制計算機選用工業(yè)控制計算機或熱備用容錯計算機。三集散控制系統(tǒng)監(jiān)控級的主要功能:(1)采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的轉換與處理；(2)進行數(shù)據(jù)的監(jiān)視和存儲；(3)實施連續(xù)控制、批量控制或順序控制的運算和輸出控制；(4)進行數(shù)據(jù)和設備的自診斷；(5)實施數(shù)據(jù)通信。三集散控制系統(tǒng)3.中央管理級中央管理計算機是以中央控制室操作站為中心，輔以打印機、報警裝置等外部設備組成，它是集散控制系統(tǒng)的人機聯(lián)系的主要界面。中央管理級的主要功能為實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲、顯示和輸出；優(yōu)化控制和優(yōu)化整個集散控制系統(tǒng)的管理調(diào)度；實施故障報警、事件處理和診斷；實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。三集散控制系統(tǒng)圖2-6是集散式建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)的結構圖，其中現(xiàn)場控制層實現(xiàn)的是單個設備的自動化；監(jiān)督控制層實現(xiàn)的是各個子系統(tǒng)內(nèi)的各種設備的協(xié)調(diào)控制和集中操作管理，即分系統(tǒng)的自動化；管理層協(xié)調(diào)管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)全局優(yōu)化控制和管理，從而實現(xiàn)綜合自動化的目的。三集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)的通信網(wǎng)路分為兩層：（1）分布在現(xiàn)場的DDC控制器與子系統(tǒng)管理計算機之間構成第一層網(wǎng)絡，用于在上位機與DDC之間上傳下送大量的檢測與控制數(shù)據(jù)，以及各DDC之間相互通信協(xié)調(diào)，該層網(wǎng)絡一般通過EIA標準總線RS485或RS422進行互連，為保證信息的實時性，通信速率一般不低于9600bps。（2）各子系統(tǒng)管理計算機及中央管理計算機之間構成第二級網(wǎng)絡。由于在該級上傳輸?shù)闹饕獮楣芾硇畔?，?shù)據(jù)量大，故采用高速通信網(wǎng)絡。

三集散控制系統(tǒng)圖2-6集散式建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)結構四現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

隨著微電子學和通信技術的發(fā)展，過程控制的一些功能進一步分散下移，出現(xiàn)了各種智能現(xiàn)場儀表（儀表制造中就集成了CPU、存儲器、A/D和D/A轉換以及I/O通信等功能）。這些智能變送器、執(zhí)行器等不僅簡化布線，減少模擬量在長距離輸送過程中的干擾和衰減的影響，而且便于共享數(shù)據(jù)以及在線自檢。現(xiàn)場總線是適應智能儀表發(fā)展的一種計算機網(wǎng)絡，它的每個節(jié)點均是智能儀表或設備，網(wǎng)絡上傳輸?shù)氖请p向的數(shù)字信號，這種專門用于工業(yè)自動化領域的工業(yè)網(wǎng)絡，不同于以太網(wǎng)等管理及信息處理用網(wǎng)絡，它的物理特性及網(wǎng)絡協(xié)議特性更強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測和控制。由于現(xiàn)場總線具有可靠性高，便于容錯，全數(shù)字化，通信距離長，速率快，多節(jié)點，通信方式靈活，造價低廉，并且具有很強的抗干擾能力等一系列優(yōu)點，使它不僅將廣泛用于工業(yè)過程控制，也將普遍用于智能建筑中。典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)見圖2-7所示。四現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

圖2-7典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)第三節(jié)BAS體系樓宇自動化系統(tǒng)（BuildingAutomationSystem）對樓宇內(nèi)各種機電設備進行集中管理和監(jiān)控;主要包括(1)空調(diào)及新風系統(tǒng)、(2)送排風系統(tǒng)、(3)冷凍站系統(tǒng)、(4)熱交換站系統(tǒng)、(5)變配電系統(tǒng)、(6)照明系統(tǒng)、(7)給排水系統(tǒng)、(8)垂直輸送系統(tǒng)等;通過對各個子系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制、信息記錄，實現(xiàn)分散節(jié)能控制和集中科學管理，為用戶提供良好的工作和生活環(huán)境，同時為管理者提供方便的管理手段，從而減少建筑物的能耗并降低管理成本。第三節(jié)BAS體系BAS是建立在計算機技術基礎上的采用網(wǎng)絡通信技術的分布式集散控制系統(tǒng)，它允許實時地對各子系統(tǒng)設備的運行進行自動的監(jiān)控和管理。網(wǎng)絡結構可分為三層：最上層為信息域的干線，可采用英特網(wǎng)（Internet）結構，執(zhí)行TCP/IP協(xié)議，以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的共享以及工作站之間的通信。第二層為控制域的干線，即完成集散型控制的分站總線，它的作用是以不小于10Mbit/s的通信速率把各分站連接起來，在分站總線上還必須設有與其它廠商設備連接的接口，以便實現(xiàn)與其他設備的聯(lián)網(wǎng)。第三層為現(xiàn)場總線，它是由分散的微型控制器相互連接使用，現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關與分站局域網(wǎng)連接。第三節(jié)BAS體系網(wǎng)絡結構可分為三層最上層為信息域的干線第二層為控制域的干線第三層為現(xiàn)場總線第三節(jié)BAS體系樓宇自動化系統(tǒng)是由中央管理站、各種DDC控制器及各種傳感器、執(zhí)行機構組成的、能夠完成多種控制及管理功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它是隨著計算機在室內(nèi)環(huán)境控制和管理中的應用而發(fā)展起來的一種智能化控制管理網(wǎng)絡。目前，系統(tǒng)中的各個組成部分已從過去的非標準化的設計、生產(chǎn)，發(fā)展成標準化、專業(yè)化、系列化的產(chǎn)品，各種設備間的相互通信也有了專門的通訊協(xié)議，從而使系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試、擴展以及互通互聯(lián)更加方便和靈活，系統(tǒng)的運行更加可靠，同時系統(tǒng)的初投資也大大降低。第三節(jié)BAS體系現(xiàn)代典型的樓宇自動化系統(tǒng)一般由以下幾部分組成，如圖2-8所示。

1．中央控制站2．區(qū)域控制器（DDC分站）3．現(xiàn)場設備4．通信網(wǎng)絡第三節(jié)BAS體系圖2-8BAS結構第三節(jié)BAS體系1．中央控制站中央控制站直接接入計算機局域網(wǎng)，它是樓宇自動化系統(tǒng)的“主管”，是監(jiān)視、遠方控制、數(shù)據(jù)處理和中央管理的中心。中央控制站對來自各分站的數(shù)據(jù)和報警信息進行實時監(jiān)測，同時向各分站發(fā)出各種各樣的控制指令，并進行數(shù)據(jù)處理，打印各種報表，通過圖形控制設備的運行或確定報警信息等。第三節(jié)BAS體系2．區(qū)域控制器（DDC分站）區(qū)域控制器必須具有能獨立地完成與現(xiàn)場機電設備的數(shù)據(jù)采集和控制監(jiān)控的設備的直接連接，向上通過網(wǎng)絡介質(zhì)與中央控制站相連，進行數(shù)據(jù)的傳輸。區(qū)域控制器通常設置在所控制設備的附近，因而其運行條件必須適合于較高的環(huán)境溫度（50℃）和相對濕度（95%）。軟件功能要求如下：（1）具有在線編程功能。（2）具有節(jié)能控制軟件，包括最佳啟/停程序、節(jié)能運行程序、最大需要程序、循環(huán)控制程序、自動上電程序、焓值控制程序、DDC事故診斷程序、PID算法程序等。第三節(jié)BAS體系3．現(xiàn)場設備現(xiàn)場設備包括：1）傳感器，如溫度、濕度、壓力、壓力差、液位、流量等傳感器。2）執(zhí)行器，如風門執(zhí)行器、電動閥門執(zhí)行器等。3）觸點開關，如繼電器、接觸器、斷路器等。上述現(xiàn)場設備應具備安全可靠能滿足實際要求的精確度。現(xiàn)場設備直接與分站相連，它的運行狀態(tài)和物理模擬量信號將直接送到分站，反過來分站輸出的控制信號也直接應用于現(xiàn)場設備。第三節(jié)BAS體系4．通信網(wǎng)絡中央控制站與分站通過屏蔽或非屏蔽雙絞線連接在一起，組成局域網(wǎng)（分站總線），以數(shù)字的形式進行傳輸。通信協(xié)議應盡量采用標準形式，如RS-485或LonWorks現(xiàn)場總線。對于BAS的各子系統(tǒng)，如安保、消防、樓宇機電設備監(jiān)控等子系統(tǒng)，可考慮采用以太網(wǎng)將各子系統(tǒng)的工作站連接起來，構成局域網(wǎng)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源，如硬盤、打印機等的共享，以及各工作站之間的信息傳輸。通信協(xié)議采用TCP/IP。除了以上介紹的四部分外，通常當需要的時候，可以增加操作站，其主要功能用于企業(yè)管理和工程計算。第四節(jié)控制網(wǎng)絡技術一、控制網(wǎng)絡概述二、控制網(wǎng)絡開放式標準三、LONMARK標準四、BACnet標準一控制網(wǎng)絡概述我們稱專用于控制領域的網(wǎng)絡為控制網(wǎng)絡，簡稱Infranet（InfrastructureNetwork）。通過控制網(wǎng)絡可以將各種控制設備連接起來，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制設備的管理及其狀態(tài)監(jiān)控，從控制系統(tǒng)應用模式的演變過程來看，可認為控制技術已經(jīng)經(jīng)歷了三代，即集中式（CCS）、集散式（DCS）和現(xiàn)場總線（FCS）技術。控制網(wǎng)絡源于計算機網(wǎng)絡技術，與一般的信息網(wǎng)絡有很多相同之處，如網(wǎng)絡的拓撲結構、網(wǎng)絡的層次結構模型、網(wǎng)絡的架構方法等都是相同的，但也有一些不同之處和獨特的地方。由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強調(diào)可靠性和實時性，因此用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信不同于一般的信息網(wǎng)絡，也不同于一般電信網(wǎng)的通信。一控制網(wǎng)絡概述控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的主要區(qū)別在以下幾個方面：（1）實時性的數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)響應是對控制網(wǎng)絡的最基本要求。一般情況下，過程控制系統(tǒng)的響應時間要求為0.01—0.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應時間要求是0.5—2.0s，信息網(wǎng)絡的響應時間要求是2.0—6.0s。因此，對于信息網(wǎng)絡中的大部分應用來說，實時性是可以忽略的。一控制網(wǎng)絡概述（2）控制網(wǎng)絡強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?。控制網(wǎng)絡應具備在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境（如溫濕度變化大、振動、腐蝕和存在電磁干擾等）中長時間、連續(xù)、可靠傳送數(shù)據(jù)的能力，這是由控制系統(tǒng)本身的特點所決定的。（3）控制網(wǎng)絡必須解決多家公司的產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡中相互兼容，即互操作的問題。二控制網(wǎng)絡開放式標準目前智能建筑中建筑設備自動化系統(tǒng)包容的設備和子系統(tǒng)既多又復雜。由于不同廠商提供的不同的產(chǎn)品和系統(tǒng)，其通訊協(xié)議不同，造成通訊速率、編碼格式、同步方式、通訊規(guī)程各不相同，因而使這些產(chǎn)品實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)的互連很困難。如果系統(tǒng)中各種設備及子系統(tǒng)不進行互連而獨立運作，則不能進行一體化協(xié)調(diào)運作，導致管理效率抵、維修困難、擴展維護費用高。二控制網(wǎng)絡開放式標準智能建筑的業(yè)主和管理者迫切需要降低投入和提高效率。他們要求智能建筑的各子系統(tǒng)集成在一起，為實現(xiàn)系統(tǒng)和設備集成和互操作，必須有種有效的方法實現(xiàn)系統(tǒng)和設備之間的通訊。因此就需要系統(tǒng)具有真正的開放性。所謂開放系統(tǒng)即建筑設備自動化系統(tǒng)的所有部件均以公認的工業(yè)標準技術制造。系統(tǒng)符合公認的工業(yè)結構，因而不同廠商的產(chǎn)品，可以組合從而實現(xiàn)互操作。二控制網(wǎng)絡開放式標準控制網(wǎng)絡開放式標準具有兩個要求：（1）系統(tǒng)的技術標準和規(guī)范所有廠商必須共同遵守；（2）同樣功能的部件雖由不同廠家生產(chǎn)，但可以互相替換，可以互操作。目前國際上常用兩種開放式標準：1）LONMARK標準，2）另一種是BANcet標準

三LONMARK標準

LONMARK標準是以LonWorks技術為基礎的一套標準。LonWorks技術由美國Echelon公司90年代開發(fā)推出。LonWorks技術實際上是一種測控網(wǎng)技術，更確切一點說是一種工控網(wǎng)技術，也叫現(xiàn)場總線技術。它方便地實現(xiàn)現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器、儀表等聯(lián)網(wǎng)。這種網(wǎng)絡不同于局域網(wǎng)，而是一種工控網(wǎng)。因為它傳輸數(shù)據(jù)量較小的檢測信息、狀態(tài)信息和控制信息。Echelon公司提出局部操作網(wǎng)LON（LocalOperatingNetwork）采用LonTalk協(xié)議的LON網(wǎng)稱為Lonworks網(wǎng)。三LONMARK標準

Lonworks技術是一套開放式技術，其通訊協(xié)議LonTalk協(xié)議也是開放的，使實現(xiàn)遵守該協(xié)議的各家產(chǎn)品互聯(lián)成為可能。LonWorks網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是其開放性，其主要表現(xiàn)在以下方面：（1）LonWorks所用的通訊協(xié)議LonTalk提供ISO/OSI參考模型所定義的全部七層服務。（2）LonWorks支持多種通訊媒質(zhì)和任意自由拓撲網(wǎng)絡結構。（3）LonWorks支持的通訊媒質(zhì)有雙絞線、同軸線纜、光纖和無線微波等。（4）LonWorks組網(wǎng)拓撲結構可以是任意形式，可以是星型、樹型、網(wǎng)狀型等，實現(xiàn)真正的點對點通訊。三LONMARK標準

鑒于智能大樓面積大，所控機電設備（如空調(diào)機組、水泵）分布分散，如果仍舊采用傳統(tǒng)的BA聯(lián)網(wǎng)拓撲結構，那么實現(xiàn)現(xiàn)場DDC控制器通訊連接的布線十分復雜。這時采用帶LonWorks技術DDC，就可隨現(xiàn)場情況任意選擇通訊網(wǎng)絡拓撲結構，使系統(tǒng)組態(tài)靈活方便，可見LonWorks技術優(yōu)勢所在。三LONMARK標準

LonWorks技術存在的不足之處：（1）LonWorks盡管在物理形式上可自由拓撲、但每個LonWorks節(jié)點需要連接到信道（CHANNEL）上，這就必須進行網(wǎng)絡分段（SEGMENT），在系統(tǒng)配置上必須增加路由器（ROUTER）。這就增加了系統(tǒng)管理復雜度，實際上在邏輯上增加了控制系統(tǒng)分級數(shù)，管理分級數(shù)越多，系統(tǒng)不可靠度值就高，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）各廠商生產(chǎn)的元器件（如各類型傳感器、控制器）只有而且必須插入固化有LonTalk協(xié)議的NEURON專用神經(jīng)元芯片，這就會導致行業(yè)壟斷，且造價高的缺點。

四BACnet標準

為創(chuàng)建使不同廠家的暖通空調(diào)子系統(tǒng)相連接的標準方法，美國供暖制冷及空調(diào)工程師協(xié)會(AmericanSociety0fHeatingRefrigerationandAir-ConditioningEngineers—ASHRAE)制定了一種開放標準，被稱為“樓宇自動化和控制網(wǎng)絡，即BACnet(BuildingAutomationandControlNETwork)。它通過建立一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標準，使得設備間可以相互操作。廠家可以按照BACnet標準開發(fā)與BACnet兼容的控制器或接口，可在這一標準協(xié)議下實現(xiàn)相互交換數(shù)據(jù)的目的。BACnet比LONMARK有更為量大的數(shù)據(jù)通訊，運作高級復雜的大量信息。是可以實現(xiàn)不同廠家的樓宇自動化系統(tǒng)之間互連的通訊技術。

四BACnet標準

BACnet的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1．開放性2．互操作性3．提供全面的端對端服務4．與總線協(xié)議的相對優(yōu)越性四BACnet標準

1．開放性BACnet協(xié)議在1987年由美國供暖制冷及空調(diào)工程師協(xié)會ASHRAE提出；1995年發(fā)布BACnetl995版本，當年就得到ANSI美國國家標準局的批準成為一個開放性標準；在市場的推動和智能樓宇業(yè)界領袖西門子樓宇科技(SiememBuildingTechnologies)等公司的不斷努力下，ASHRAE在2001年又推出了BACnet2001版，同時也成為ANSI美國國家標準局的標準；2003年BACnet協(xié)議最終成為IS016484—5標準。因此任何廠家都可以按照BACnet標準開發(fā)與BACnet兼容的控制器或接口，在這一標準協(xié)議下實現(xiàn)相互交換數(shù)據(jù)的目的。四BACnet標準

2．互操作性BACnet采用面向對象技術，在BACnet中，對象就是在網(wǎng)絡設備之間傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)結構，也是輸入、輸出、輸入和／或輸出功能組的邏輯代表，網(wǎng)絡設備通過讀取、修改封裝在應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)中的對象數(shù)據(jù)結構進行信息交換，實現(xiàn)互操作。BACnet目前定義了18個對象，每個對象都具有對象標志符、對象名稱和對象類型。其中，對象標志符用來唯一標識對象。通過廣播自身所包含的某個對象的對象名稱，BACnet設備可以建立與所含相關對象的設備建立聯(lián)系。因此BACnet協(xié)議要求每個設備都要包含“設備對象”，通過其屬性的讀取就可以讓網(wǎng)絡獲得設備的全部信息。四BACnet標準

同時為了幫助用戶和工程技術人員確定不同BACnet設備之間的互操作性，BACnet還提供了PICS文件(ProtocolImplementationStatement)，它包括7項內(nèi)容，1)即標識廠商和描述設備的基本信息；2)設備符合BACnet的級別；3)設備所支持的功能組；4)設備所支持的基于標準或專有的服務；5)設備啟動或響應服務請求的能力；6)設備所支持的基于標準或專有的對象類型及其屬性描述；7)設備支持的數(shù)據(jù)鏈路技術；設備支持的分段請求和響應。四BACnet標準

3．提供全面的端對端服務BACnet協(xié)議在人機界面(HMI)和現(xiàn)場設備間或不同系統(tǒng)的現(xiàn)場設備間可以直接進行信息傳輸而無需特別附加設備。四BACnet標準

4．與總線協(xié)議的相對優(yōu)越性BACnet和LonWorks是目前國內(nèi)構建集成系統(tǒng)中最常采用的兩種通信協(xié)議，兩者都以滿足開放性和互操作性為目的，雖然從目前的國內(nèi)市場占有率上看LonWorks略占優(yōu)勢，但這并不能代表LonWorks優(yōu)于BACnet，相反在智能樓宇系統(tǒng)集成方面，BACnet具有LonWorks不具備的優(yōu)點：四BACnet標準

BACnet具有LonWorks