3 第三章 现场总线技术及其应用

ET总线
BACnet是A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network的简称， 是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。 1987年，美国暖通空调工程师协会组织（ASHARE） 的标准项目委员会调集了全球20多位业内著名专家， 经过8年半时间，在1995年6月，ASHARE正式通过全 球首个楼宇自控行业通讯标准——BACnet 。 BACnet标准的目的是——为计算机控制暖通空调 和制冷系统及其他系统规定通信服务和协议，从而 使不同厂家的产品可以在同一个系统内协调工作。
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BACnet是一个开放的建筑电器气总线，选用一 种成熟的局域网技术，其标准是遵从和参照国际 标准化组织的开放系统互联模型，采用了4层结 构：应用层、网络层、数据链路层和物理层。 BACnet标准体系结构与OSI/ISO的参照图，如 图3-5所示。
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图3-5 BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图 BACnet体系结构与OSI/ISO的参照图
现场总线是控制(Control)技术、计算机 (Computer)与通信(Communication)（即3C技术） 发展汇聚的结果。 现场总线的网络拓扑结构有点对点方式、树 型方式、带桥方式3种。 其结构如图3-1所示。
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图3-1 现场总线的几种连接方式
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1. 点对点方式
每个现场仪表，包括智能变送器、支持维护的 装置及手持通信器等，单独接到低速(31.25kbps) 现场总线H1上，用于现场仪表比较分散或传输信息 量大的场合，接法与4~20mA接线方式相似。
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1 2 3 4 5 6 7
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
7 6 5 4 3 2 1
应用层
总线访问子层 数据链路层 物理层
图3.2 ISO/OSI模型
图3.3 典型的现场总线协议模型
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典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层 和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的 通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也 满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据 链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看， 现场总线有很大特色。
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支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外 线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本 质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 LonWorks技术自1991年推出后，发展很快，到 1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多 万个节点，远远超过了任何其他测控现场总线， 其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航 天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销 售额中，40%是工业控制，30%是楼宇自动化 。
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经过对这些年EIB在中国的应用情况的分析， 可以看出它主要适用于： ⑴住房建筑尤其是独立型住宅如别墅等 ⑵公用建筑中的部分单体建筑如报告厅、会议室、 大堂等 ⑶大空间的单体建筑如影剧院、体育场馆等 ⑷大范围公共区域的电气控制如住宅小区、广场等 ⑸桥梁、道路等远距离照明控制
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3.2.3 CAN总线 CAN总线
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20世纪80年代初期，计算机和微处理器有了 突破性的发展，产生了直接数字技术（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网 络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的 集散控制系统（Distributed Control System， DCS）。 随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的 成熟和发展，数字化作为一种趋势正在从工业生 产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直 渗透到现场设备。从而形成了新型的网络集成式 全分布控制系统——现场总线控制系统FCS （Fieldbus control system）。
该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括 现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一 节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场 总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据 采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法 功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该 功能块的唯一标识符。
4. 应用层
它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了 读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。 其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层 还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响 应式、一次性方式及使用者请求方式等。
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3.2.1 LonWorks总线 LonWorks总线
LonWorks是局域操作网络（Local Operating Network）的简称， 是又一具有强劲实力的现场总 线技术。它由美国埃斯郎（Echelon）公司推出并由 它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式 公布而形成的。 它采用了ISO／OSI模型的全部7层通讯协议，采 用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信 设计简化为参数设置，其通讯速率从 300bps至 15M bps不等，最远通信距离可达2700m（通信速率为 78kbps，双绞线），节点总数可达32000个。
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1. BACnet的基本内容 BACnet的基本内容
楼宇设备的表示模型——对象 用来表示楼宇设备（如输入/输出，控制环等） 和与控制过程有关的逻辑实体（如数据文件、应 用程序等）。 访问对象的操作——服务 分为“确认服务（Confirmed Service）” 和“非确认服务（Unconfirmed Service）” 两 类。
2. CAN总线的控制方式
CAN自诞生以来，以其独特的设计思想，良好的 功能特性和极高的可靠性越来越受到工业界的青 睐。 CAN总线作为一种建筑电气总线在智能楼宇中的 控制方式见图3-4。
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DDC
DDC
DDC
DDC
CAN总线控制方式
DDC DDC
DDC
DDC
v
DDC
DDC
DDC
DDC
图3-4
DDC DDC
2. 树形方式
几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接 到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到 控制室中去。
3. 带桥方式
接到低速总线H1上的现场设备，通过“桥”和 多路转换器合并接到高速总线H2上，然后再接到控 制室中去。
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3.1.5 现场总线的通信模型
现场总线网络互连模型既参照ISO／OSI模 型（如图3-2所示），又具有自己的特点。协议是 分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样 严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率； 既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的 特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型 中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS 的特点和特殊要求。
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3.2.2 EIB总线
1990年，以ABB、SIEMENS、MERTEN、GIRA、 JUNG等共七家欧洲著名的电气产品制造商为核心组 成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商 业性组织EIBA（EIB Associate，欧洲安装总线协 会），总部设在比利时的布鲁塞尔。 该协会的成立极大的推动了EIB标准的发展， 迄今为止，已有一百多家制造商成为了EIBA的会员， 按照开放的EIB标准生产能够相互兼容和交互操作 的各种元器件，各类产品品种多达4000多种，几乎 覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。
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1.CAN总线网络的主要特点
⑴ CAN协议遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理 层，链路层与应用层的三层结构。 ⑵ CAN的最高通信速率为1Mb/s（通信距离为40m）， 其最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps）， 最多可挂接设备数达110个。传输介质可以是双绞 线，光纤等。 ⑶ CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节 数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，每 帧信息均有CRC效验和其他检错措施，通信误码率 极低。
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
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4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能 5．用户具有高度的系统集成主动权 6．现场设备更换和系统扩展更为方便 7．提高系统的准确性与可靠性 8．易于系统调整 9．为企业信息系统的构建创造了重要条件
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3.1.4 现场总线技术的网络结构
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3.1.2 现场总线技术的技术特点
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 现场总线是开放互连网络 现场总线是现场通信网络 现场总线是数字通信网络 现场总线是现场设备互连网络 现场设备的互操作性与互用性 现场总线是结构和功能高度分散的系统 对现场环境的适应性
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3.1.3 现场总线技术的优点
现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
第三章 现场总线 技术及其应用
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3.1 概述
现场总线技术(fieldbus)是80年代末、90年 代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造 自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连 通信网络，它是一种开放式、新型全分布控制系 统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信 为主要内容的综合技术，己受到世界范围的关注 而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化 系统结构与设备的深刻变革。 通常将用于楼宇自动化领域的现场总线，如 LonWorks、EIB、CAN、BACnet、DeviceNet、 Modbus等总线，称之为建筑电气总线。
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⑷ CAN采用点对点，一点对多点及全局广播几种发 送和接收数据方式，可实现全分布式多机系统， 且无主从之分。 ⑸ CAN总线可以工作在多主方式，网络上任一节点 均可以在任意时刻向其他节点发送信息，从不分 主从，通信方式灵活。 ⑹ CAN采用非破坏性的总线仲裁技术。 ⑺ CAN不能支持防爆区。