楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计.doc

《楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计.doc（51页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计 南京工业大学硕士学位论文楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计姓名:莫晓明申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:林锦国20050101摘要智能建筑以技术现代控制技术、现代计算机技术。、现代通信技术和现代图形鼹示技术在现代建筑:的、 】为卜复标志。它以建筑物为载体,以结构化布线为信息传输平台,包括楼:吼为化系统、通信自动化系统以及办公自动化系统大子系统。其,功能。楼宇自动化系统的控制网络包括管理层、监控层和现场设备层三个层次,根据楼宇白控系统的网络层次爿同,其数掘传输特点不同,对网络的实性、确定性、平安性、抗干扰性的要求也就各不相

2、同。现在以太网技术已经在楼字自控系统的管理层、监控层得到广泛应用,随着其自身技术的开展,以太网技术;积极的闷延伸,应于智能建筑的控制现场,直接应用于变送器、执行机构、等,现场设备问的通信,实现了从管理层、监控层到现场设备喏的基于以网的统即所诮的“嗍到底。本论文的研究课题是“以以太网为底层控制网络的新型楼:控制系统项的重要组成局部。该工程为南京工业大学自动化学院建筑智能化研究所:研发的工程,其目的是为了丌发一个先进、实用、丌放、拥有自主知产权的楼宇控制系统。它适用于各种智能大厦,以及以局域网为根底的高层建筑群和智能小区。:工程中研发的是一种通用型的直接数字控制器,以的旧协议和/协议为组网条件,包

3、含、.、的输入输出,直接面向楼宁控制系统中的各种控制对象和生产企业中符合组网条件的工控对象。本论文酋先对楼宇自控系统中目前得到广泛应用的现场总线技术进行,详细的讨论,指出了现场总线所具有的优势和存在的问题。随后将以太网技术现场总线技术进行了比拟,特别是对以太斟技术应用于现场总线领域的实州、确定性以及总线供电、操作性等问题进行了研究,并提出厂技术改良方案平途径,设从而树立以太网是现场总线开展方向的认识,为基于以太网的的丌发公司的嵌入,模计奠定理论依据。在剥的实际丌发过程中,以美国块为硬件平台进行的硬件电路设计;以美国公司擘为嵌为软,:恩,进行入式系统的软件编程两开发的集成式软件刀发系统的底层驱动

4、程序开发。并通过实验,成功的对的硬件电路进行了测试,实现了的各项输入输出功能,完成了对底层驱动程序的,:发要求,为“以以太网为底层控制网络的新型楼宁控制系统的管理平台发、通讯协议定义、以及在此根底上的/协议开发提供了一个良好的实验平台。业以太网 直接数字摔制器 关键词:楼宁自控系统 ., . , . , ,?., ? ,?,.,. ? 一 .,. , ,/ . .,. ,。,., . .?. , ., .?:; :;硕士学位论文第章绪论.引言信息技术使人们的生产、生活方式发生巨人变化,人们刈现代建筑的念也发生了改变,传统建筑提供的效劳已远远不能满足现代社会和工作坏境等方面的要求。所谓智能建筑:

5、 ,就是用计算机管理和控制的建筑物,它以建筑物为平台,兼备通信、办公、建筑设备自动化,将建筑物的结构、系统、效劳和运营等根本要素以及它们之刚的内在联系进行优化组合,创造出一个投资合理、平安、高效、舒适、便利的人居空间。?智能建筑是个多学科跨行业的系统工程,涉及到网络、通讯、自动化、管理科学以及其它相关学科领域,是计算机技术、通信技术、信息技术与建筑岂术的有机结合,就是用系统集成的方法将建筑物内的各别离设备及其功能进行整合和信息集成.形成个既相互关联又统一协调的系统整体,到达高效率、高功能和高舒适性的同的。.智能建筑的开展?智能建筑最早出现在美围,它以年月美国康浮狄格洲为标志。此后,哈特福特市的

6、“都市大厦智能建筑如雨后春笋般得到了迅速的开展,建筑也进入了一个新纪元。美国作为智能建筑的发源地,一直保持技术上的领先优势,这一多年来,美国新建的大楼中约%都为智能化大楼。同时,为了促进智能建筑产、的更大开展,早在年美幽就成立了智能建筑协会,探讨智能建筑中的诸多理论与实践问题;年,美国国家标准化协会制定了?商业建筑物电信稚线标准/?和?商业建筑物电信柿线通道及窄问标准/?等相关的智能建筑建设的相关标准。现在,美国的智能建筑己不是停留在“为智能而智能的层面,而进入了一个更高的层面,即把智能看成是一种手段,通过对建筑物智能功能的配备,强调高效率、低能耗、低污染,在真正实现以人为本的前提下,到达节约

7、能源.保护环境和可持续开展的标,而英国、法国、德国、日本、新加坡、泰国、印度等幽的智能建筑也开展很快。新加坡方案用亿美元把全岛建设成“智能花园;泰困年代建成的大厦中%是智能建筑:印度自年起,就开始在加尔各达的盐湖建设“智能城。我国的智能建筑产业起步于年代后期。年,我国将“智能化办公大楼第章绪论可行性研究列为国家七五重点攻关课题,这项成果,二年正式通过了幽家鉴定。自此,我幽的建筑史揭开了新的一页。现在,我国的智能建筑已有几干栋,遍步大江南北,涌现出一批智能建筑系统设计与集成商和产品开发商。在智能建筑的产业化过程中,建设部和各地主管部门也加紧了行业的管理和州标准的制定工作。建设部于年月成立了建设部

8、科技委智能建筑技术推一丌发,年公布了家智能建筑智能化专项设计资质单位,各地也先后制定地方性的?智能建筑设计标准?,成立了相关的行业协会,出版了?智能建筑?等一批学术刊物,这些都对活泼我国智能建筑的学术空气,促进我国智能建筑技术的发展,以及新技术的引进和吸收都起到了积极的作用,我国的智能建筑,“业电进入了一个新的阶段。白年代术丌始,我国更出现了智能建筑的热潮,成为卅界智能建筑新技术的应用中心。.智能建筑的组成和技术根底?智能建筑是现代建筑技术与信息技术相结合的产物,现代控制技术、现代计算机技术、现代通信技术 和现代图形显不技术,即所谓的技术,是智能建筑开展的技术根底。整个智能建筑包括楼宇自动化系

9、统、通信自动化系统以及办公自动化系统三个子系统。图卜智能建筑框架?楼宇自动化系统是智能建筑的根底和核心,是建筑本身应具备的自动化控制功能。它将建筑物必备的配电、照明、空凋、供热、制冷、通风、电梯以及消防系统、保安监控系统进行系统和信息集成,以集中监视、控制和管理的方式提供有效平安的物业管理,到达最大限度的节能和对各类报警信号的快速响应。同前大多数智能建筑采用以分散控制与集中管理为特点的集散控制方式,出中央计算机可有多个工作站通过总线连接假设干分属不州受控琢的现场随镁数制器、可编程逻辑控制器以及传感器、变送器、执行器等监洲、执行元件和设备所组成。办公自动化系统是智能建筑的一个重要组成局部,山各种

10、计算机、终端、硕士学位论文文字处理机、声像存储装置等设备与相应的软件构成,实现信息的生成与输入,信息的加工、处理、存储、复制与检索,信息的传输与交流以及信息平安管理等功能,为用户提供信息检索与分析、智能化决策、电子商务等办公、务。通信自动化系统是智能建筑的捧制中枢,为用户提供易于连接,力使快捷的各类通信效劳,提供视频图象、卫星通信等各类传输渠道,保证啬频乜话和数字信号的畅通。可以认为,通信自动化系统是一个以数字程控交换机为中枢的,在建筑物区域内组成有线和无线的综合业务数字网,实现语音、数字和图象等多种业务通信。智能建筑的楼宇自动化系统、通信自动化系统以及办公自动化系统二大了系统,以结构化布线为

11、信息传输平台,通过系统集成的方式,将系统的信息进行互联,其实质是将微电子技术、计算机技术、通信技术和软件技术综合在一起的信息技术应用到建筑上,从而创造出个高效、舒适和便利的人居环境。.楼宇自动化系统的网络体系结构及网络控制系统开展现状.楼宇自动化系统的网络体系结构在智能化建筑中提供高速信息通道的计算机网络系统,是智能建筑的控制中枢和神经网络,它符合具有开放性、灵活性、模块化、可靠性、可扩展性和经济性的要求。现在的智能化大楼或楼群中的计算机网络般山三个刚络局部组成:主、,等高速干网、局域网和广域网。主干网采用宽带网络技术,是楼群大楼和大楼内各楼层的网络传输线;局域网与主干网相连,采用以太网和令牌

12、网技术将各个】:作站点利各效劳器按区域连接成子刚和刚段;广域网采用、帧中继、 网、无线通信网和卫星通信网技术,沟通与外界的数据链路及对远端计算机网络的访问。为确保信息传递的无洪,这些计算机网络大都遵循/、/等网络通讯叻、议。而从网络的层次结构上,楼宇自动化系统又分为管理层、监控层干【现场设备联个层次,如图卜所示。图卜工业综合自动化系统网络架构 卜 第章绪论图中,最上层是智能建筑的管理层网络,主要用于建筑物内的设备管理、数语音通信、商业管理、办公自动化以及某些人工智能的卡等诸多子系统的集成。管理层上各终端设备之削一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件效劳器上的计算机程序等方

13、式进行信息的交换,数据报文通常都比较长,吞吐量较大,而且数据通信的发起是随机的、无规那么的,因此要求嘲络必须具有较大的带宽,主要由快速构成中间监控层刚络主要用于楼宇信息化系统中的监摔、优化等方断信息的传输,其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性,数据吞十量较大,因此要求网络具有较大的带宽,以前由专用网络如令牌网组成,如今这一层阀络那么主要由传输速率较高的网段组成,如或的。而最底层的现场设备控制层主要用于变送器、执行机构等现场设备之削的信息传输。它具有传输信息长度较小、周期性和非周期性信息同时存在、有限的叫问响应、信息流向具有明显的方向性等特点。是由于这些特点和特殊性,目前的楼字自控系统的现场

14、设备层网络主要由低速现场总线组成,其控制系统正处于集散控制系统向现场总线控制系统的过渡阶段。当然,随着近年来工业以太司技术的应用,在楼宇自动化系统的现场设备控制层也出现了一些以太网控制系统。?.集散控制系统集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统:简称集散系统。它是一种应用于过程控制的工程化的分确式计算机控制系统,通过数字调节器、可编程控制器以及山多个计算机递阶构成,广泛应用于各工业领域。系统中,测量变送仪表一般为模拟仪表,麦而它是?种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大的进步,可在此根底上实现装置级、车间级的优化控制。但是,在系统形成的过程中,由

15、于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响,各厂家的产品自成系统,不同厂家的设备不能互连在一起,难以实现瓦换与互操作,要组成更大范围的信息共享网络存在许多困难。.现场总线控制系统现场总线控制系统将集中与分散相结合的集散系统变为新型的全分布式控制系统,其特点是将控制功能彻底下放到现场,依靠现场智能设备本身来实现根本控制功能,由于控制功能的分散化及全数字化,就有可能组成大型的丌放式控制系统。现场总线系统克服了系统专用封闭网络带来的缺陷,把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。总线的标准一砷士学位论正经国际公认,不同厂商遵循同一协议标准的自动化设备就可以通过现场总线州络连接

16、成系统。但是,现场总线系统的开展仍存在诸多的问题,最主要的问题是没有一个统一的国际标准,由于不同现场总线的通信协议有很大差异,要实现不同总线产品间的互连比拟困难。这使得的开放性、分散性和曩操作性等优点难以充分发挥。.工业以太网自动控制系统的网络结构开展越来越分散化,同时系统越来越复杂,内部的连接越来越高速化与紧密化,系统细分成了独立灼控制孤岛,驱动器和用户接越来越多。在这一背景下.将在商业领域得到成:叻应用的以太网技术应用十工业控制领域,就成为一种可能的技术选择,工业以太网技术应运向。尽管住【:业控制现场,能否将以太网用于网络系统的底层完全瞥代现场总线,目前还处在研究和讨论阶段,以太网向下延伸

17、到工业现场,面临 系列的技术难题,如确定性、实时性、平安性、抗干扰能力等问题。但是,以太网技术心用于工业领域的巨大前景,仍然吸引了众多的研究机构,成为当前工业控制领域晌研究热点。.直接数字控制器楼宇自控系统中直接数字控制器作为底层的现场控制器,卣接挂接在设备层的控制嘲络上。它的“控制系指完成被控设备特征参数与过程参数的测量,经程序运算到达控制目标;“数字系指控制器利用计算机数字通信技术进行丁作: “直接意味着该装置在被控设备的附近,尤需再通过其它装管及,?灾现上述伞部测控功能。?。兑机的情况因此,等同与一台计算机,具有自治性和独立性,在与上位下,仍能独立作,到达“分散控制,集中管理的效果。它接

18、收各种现场传感器及设备发送来的信号,并按设定的程序控制执行器,监控现场设备;同时,通过网络与上位计算机实现双向通信,接受上位机的统一控制和优化管理,以及与之间的点对点 的通信,共享信息资源。根掘信号形式的不同,的输入和输出信号分为模拟量输入、模拟量输出、丌关量输入和歼关量输出四种。.论文的立题依据本论文的研究课题是“以以太网为底层控制网络的新型楼字控制系统项的重要组成局部。该工程为南京工业大学自动化学院建筑智能化研究所伊红研发的工程,其目的是为了丌发一个先进、实用、玎放、捌有自主知识产权的楼宁挡第章绪论制系统。它适用于各种智能大厦,以及以局域网为根底的高层建筑群和智能小区。,该工程符合当今世界

19、网络技术的开展趋势,具有良好性能价格比,希望借此打破跨国公司在我幽楼宇自控系统统天的局面。面对末来卜年,我智能建筑蓬勃开展的局面,无疑具有重大和深远的意义。.贞目中研发的是一种通用型的直接数字控制器,以以太网的协议和/协议为组网条件,包含、的输入输出,直接血向楼宇控制系统中的各种控制对象和生产企业中符合组网条件的控对象。本论文的主要研究课题是针对的硬件设计和底层驱动程序的丌发。.论文结构全文共分六章,各局部内容安排如下:第章系统介绍了智能建筑的开展、组成和技术根底,阐述楼宇自动化系统的网络体系结构和开展现状,指明了论文的研究方向。第章对现场总线技术的历史、开展和特,进行了概述,对楼一;系统中几

20、种常见的现场总线进行了详细的讨论,指出了现场总线所具柏的优势和存在的问题。第章刈太网技术与现场总线技术进行了比拟,特别是对以太网技术应用于现场总线领域的实时性、确定性以及总线供电、互操作性等问题进行了研究,并提卅了技术改进方案和途径,从而树立以太网是现场总线开展方向的认识,为基于以太嘲的的丌发与设计奠定理论依据。第章对的硬件丌发平台核心模块和微处理器进行了介绍。进行的硬件电路设计。进行介绍。对的底层驱动程第章剥的软件开发工具序进行丌发设计。包括、和四个底层驸动子函数。第章对设计完成的进行功能测试。由于“以以太网为底层控制网络的新型楼字控制系统工程正在研发的过程中,作为它的子课题,在完成硬件和底

21、层驱动软件设计的根底上,剥及其后续工程的丌展提出了一些持续改进设想。硕士学位论文第章现场总线技术概述随着网络、控制、通讯、计算机等技术的开展,信息交换的概念已经从企业的管理层延伸到控制层和设备层,覆盖从工段、车间、工、企业乃至:界各地的市场。技术的开展,引起了自动化系统结构的深刻变革,逐步形成以】叫络集成动化系统为根底的企业信息、系统,现场总线技术顺应了这?形势的乏眨.什么是现场总线根据田际电工委员会的定义,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,是丌放、数字、多通洲内低带宽的底层控制网络,被广泛应用于制造、流程、交通、楼宁等控制领域。现场总线技术将专用

22、微处理器黄入传统的测量控制仪表,使单个分散的测量控制设备变成嘲络节点,使其具备数字和通讯能力,通过现场总线将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带米的变革,正如众多分散的计算机被网络连接在一起,使计算机的功能、作川发:生变化。现场总线使自控系统与设备具有了通信能力,使填胃身。、络的列。.现场总线的特点现场总线系统由于采用了现场智能仪表,把系统中处丁控制室的控制镆块、各输入输模块置入现场设备,加上现场殴备具有通信能力和逻辑运;:力,使得一些控制运算直接在现场完成,实现了彻底的分散控制。刚,十现场总线系统采用了数,通讯方式,可以在一对电线上传输多个信号,

23、这就打破模拟控制系统对的设备连线方式,简化了系统结构,为系统的安装、维护和扩展创造了条件。现场总线系统的技术特点:“。小丌放性和旺操作性:【扫于相关的现场总线标准具有致。牛公厂商只要遵循吲,一现场总线标准,其不同的现场总线产品就以史见】.生,遄一信息的传送和沟通,实现彼此问的相互操作。同时也就意味着不川“客能相似的设备可以相互替换。?智能化利自治性:现场总线设备能够完成测量、通讯、计算、控制等功能,依靠现场设备即可完成自动控制的根本功能,并可随时监控设备的运行状态。第章现场总线技术概述?结构的分散性:现场总线设备采用数字通讯,实现了彻底的分敞控制,改变了系统集中与分敞相结合的集散控制系统体系,

24、简化系统结构,提两了可靠性。对环境的适应性:由于现场总线标准是专为现场环境而设计的,具有本质平安的特性,可作为工厂底层的控制网络。.楼宇自控系统中几种常见的现场总线?目前楼字自控系统包括的设备和子系统越来越多、越来越复杂。不同,商提供的不同的设备和系统,其遵循的总线标准也各不相同。国际上共有四十几种现场总线标准,其中得到不同固际组织成认的现场总线标准就有种之多,而舀:楼;自控系统中得到广泛应用的现场总线包括以下几种。.总线“在楼字自控领域内,最引人瞩目的当数公司推出的. 总线。由于总线开发系统配置齐全,即插即用,互联方便,丌发商众多,破:楼宇自控领域有点燎原之势。实际上,公司推出的技术是一整套

25、可供各自控系统厂商二次丌发的技术平台。而自控系统厂商在二次丌发过程中应用技术的程度不同,导致系统的互联性能截然不同。总线的技术特点:采舟了/模型的全部层通信协议:采用了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,是目前各种现场总线技术中睢涵盖/ 层模型的总线技术,被誉为通用型控制总线。?节点采用智能化芯片:技术所采用的、协议彼纠装在称之为的芯片中并得以实现。芯片是高度集成的神经元芯片,技术,芯片中集成了个位,个用于完成丌放互连模型中使用第层和第层的功能,称为媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理;第个用于完成第层的功能,称为网络处理器,进行网络变量处理的哥址、处理、背景

26、诊断、函数路径选择、软件计时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数据包等。第个是应用处理器,执行操作系统效劳与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,实现之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。芯片是根本的可编程控制单元,当控制对象变更时,只需改变芯,中的用户程序即可。通信协议可靠,系统丌放:协议的冲突榆测采刑改瓣的芦持【 技术,在网络重载时也不会瘫痪。川。商的。产品,只要通过认证,既可互连、互换,到达“无缝连接,并可以统硕士学位论文一组态。通过网关、网桥等设备和不同性质的网络互连,实现数据共享,真正实现系统的丌放。网络拓扑结构灵活:可以通过多种收发器构成各种拓扑结构的旧络,如总线、星型、

27、环型以及自由拓扑等。传输介质可以是双绞线、力线、轴电缆、光纤、无线、射频、红外线等,其通信速率从 小等.接通信距离可达,双绞线,并丌发了相应的平安防爆产品。用户可根掘实际情况选用经济、可靠的介质组成简单的网络结构。外散式的系统结构:由于各节点均为智能化节点,可独立构成虚拟控制站,任务彻底分散。节点间可进行点对点通信.系统的逻辑结构与物理结构无关,节点的增删非常简单,用户可根据楼内设备的需要随时调整系统的控制功能。.总线总线由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同丌发,是德、国国家标准和欧洲标准的现场总线标准。由?、?组成了 系列。型用分敞外设的高速数据传输,适合于加工自动化领域的应用:型是

28、适用于过程自动化的总线类,诅;而型意为现场信息标准,使用于纺织、楼宇自控、可编程控制器、低压丌关等。总线的技术特点:遵循/模型,其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。提供中等传输速度的较大量数据交换和非循环通信。数据链路层采用混合介质存取方式,即主站之间按令牌方式,主站和从站之间按主从方式工作。?通信速率:在使用时,为.,时传输距离最大为,最多可接个接点;在使用频移键控时,最多可接个接点,通信距离可达,传输介质为双绞线或光纤,.总线最韧由德国公司及其它几个半导体三产商开发,号门为汽工业设计,现已推广到其它领域,并且成为标准。山于些微处理器的产商在微处理器芯片中附加接口,而其它现场总

29、线的协议芯片根本上由专用芯片来供给,这样在资源的支持方面,特别是低本钱方面优势明显。总线在智能建筑的电梯控制,特别是电梯的群控系统中有很大的市场份额。总线的技术特点:?遵循/模型,其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用第章现场总线技术概述层。?对等结构,网络上的任意一个节点随时可以主动向网络上的其它节点发送信息,而且没有节点地址等消息。?优先级设置,网络上的节点可以分为不同的优先级,以满足不同的传输要求。独特的总线仲裁技术,当多个节点同刊向总线发送信息时,通过优先级比拟,只有优先级最高的节点可以继续传送信息,其它节点停止发送信息。通信距离最远通信速率低于,通信速率最高为距离小于。节点数

30、最多可达个。?报文过滤机制,轻易实现点对点,一点对多点的传输方式。?数据传输采用短帧结构,每帧的有效字节数为个,传输时短,受干扰的概率低。出错检测,通过和其它措施保证数据的:确性。?支持多种通信介质,包括双绞线、同轴电缆和光纤。?节点自动关闭功能,在严重出错的情况下,节点可自动关闭,切断与总线的联系。.楼宇自动化控制网络数据通信协议网络通讯协议是由荚圆暖通空调制冷工程师】、会发起制定并得到美围困家标准局的批准,由楼宇自动化系统的产商、用户参/制定的一个丌放性标准。出学会综合几个局域网协议,尽:能采用了局域网不同时期的成熟技术而制定。协议的技术特点:“/模型结构,共有四层协议:物理层、数据链路层

31、、网络层和应用屡。表 框架?麻州层 应弭层网络层网络层?/ 数据链路层州物理层比有更大的数据通讯率,传输高级复杂的大信息最。是可以实现不同厂家的楼宇自动化系统之间互联的通信技术,用于多个供给两,同系统之间的集成。采用种网络技术进行通讯:、/、硕士学位论叉。其中和/通信技术为所独有的。、提供和话线的联网通讯,支持一标准直接用电缆连接,速牢限制在.之间;/使用 标准,是一个屏蔽取绞线局域网,速率叮达.。?信息数据的表达方式定义了种标准“对象模型,通过小同对象的组合实现不同的控制功能。定义了种效劳功能,用于访问和管理对象发出的信息及其它功能。.现场总线技术存在的问题。蜘现场总线系统是顺应智能现场仪表

32、而开展起来的,以伞数字通信代替电流的模拟传输方式,使得控制系统与现场仪表之间;仪能传输产过程测量与控制信息,而且能够传输现场仪表的大量非控制信息,使得食、的管理控制一体化成为可能,并且促使目前的自动化仪表、和可编程控制器。、等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变化。然而,现场总线技术在其开展过程中也存在许多缺乏,具体表现为:?标准太多争夺现场总线国际标准的大战持续了年,屡经麝难与挫折,先后经过次投票表决,都功亏一篑。最后通过协商、妥协,于年底负责工业测量和控制的第标准化技术委员会通过了种类型的现场总线作为的国际标准。种类型分别为:技术报告即的类型类犁 美崮公司支持。德幽西门子公司支持类型丹

33、麦公司支持类型即原的,?公司支持类型类型 美国波音公司支持法国公司支持类型德国公司支持类型再加上通过的种现场总线国际标准,即与。此外还有一个、。团际标准共有种之多。此外还冉的欧洲标准、国家标准、专业标准和企业标准。多标准就等于无标准,要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不,第章现场总线技术概连这就大大的限制了现场总线的推广和应用。?丌放性不够现场总线在自身的开展过程中,无一例外地沿用了各大公司的专确技术,相互之间不能兼容,同时也无一例外地过多强调了工业控制嘲络的特殊性,从而无视了其作为一种网络通信技术的一般性和共性。因此,尽管迫于市场和用户的爪力,这些现场总线协议公丌了,但其本质还是“专有的

34、,其“丌放性仅是局部的,只是局部技术主要是协议标准的公开,对于广阔仪表和系统丌发商来讲,丌发和实现技术还是“专有的。此外,各总线标准的测试和认证机构为各大公司所垄断,因利益壁垒,自控系统厂商在进行现场总线产品丌发时,总会碰到这样和那样的难题。?本钱较高现场总线在当初开发的过程中,过多的考虑了工控系统底层劂络的特殊性,因而现有的现场总线是专用实时通信网络,本钱较高。加上因标准太多、丌放性不够,无法得到软硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,因而产品的价格相对较高。同以太网相比,、等现场总线的蚓置价格比以太嘲蚓价格高了十倍。速率较低现场总线的速率较低,支持的应用有限,不便于和信息集成。以基金会现

35、场总线制定的国际标准为例,它采用了参考模型中的物理层、数据链路层、应用层和极具特色的用户层,其低速总线的传输速度为.,高速总线的传输速度为.,但在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。究其上面各种原因,现场总线系统在工业控制中的底层网络的推“应用中受到了很大的限制。而以太网在商业领域的成功运用却给了我们许多启迪。商业嘲络的开展初期也曾经百花齐放,令睥环、?等多种嗍络形式共存,但得益于以太阅的丌放性和易用性,以太网最终脱颗而出,占据了商业网络中的垄断地位和绝大局部市场份额。应该指出的是,以太网网络技术是在没有任何国际标准化组织支持的情况下产生的。因此,以太网是否可以应用到工业自动化和过程控制领域,

36、是否可以应用到工业控制网络的现场底层,是否可以最终取代现场总线.就成为一种当然的设想。硕士学位论文第章以太网技术概述.以太网开展和应用现状几年前,当现场总线大战硝烟正浓时,传统应用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入控制领域。近年来以太网更是走向前台,开展迅速。究其原斟,是山二工业自动化系统向分布化、智能化的实时控制方向开展。其中通信成为关键,用户对统一的通信协议和网络要求:益迫切。另一方面,互联网等信息技术的飞速开展,要求企业从现场控制到管理层能全面实现信息的无缝集成,并提供一个开放的根底架构。目前的现场总线尚不能满足这些要求,而以太网因结构简单、本钱低廉、带宽易于扩展以及其兼容性好等优点,受

37、到人们极大的关注。.以太网的开展简史表 系列标准? . /.细缆以太网.中断器标准.?舣绞线 光纤.?快速以太网全双工标准.?快速以太网介质系统. ?千兆以太网. ?千兆以太嘲双绞线以太网供电技术以太网起源于一个实验网,其设计用柬支持公司的研究中心的“个人计算机间以速率互联。年、和公司共同起草了一份以太网标准。年以太网成为的系列标准中第一个标准化的局域网技术标准,年月,正式成为/.国际标准,以后又产生了大量的修订版和增补版。 :年,全取工以太网的出现,改变了以太网半双工的工作模式,不仅使以太刚的传输速度翻了啬,标准,以也彻底解决了多个端口信道的竞争。年月,通过了太网的传输速度到达,快速以太网的

38、出现标志着以太网时代的到来:年月, .标准的通过,又使以太网进入到了高速网络行列,运行速度为。开展到今天,出现了吉比特以太网和光纤以太网。由此以快速以太网连接桌面、高速以太网连接核心的高速局域网开始出现。第章以太网技术概迹.以太网技术用于工业现场领域的现状“?以太网在控制中的应用,较早用于电力系统监控。荚幽电力研究院住制定通信协议体系时,对以太网用于变电站自动化系统中的网络传输实时性作了研究分析,结果说明当使用交换式集线器时,以太网是完全可以满足实时性要求的。国际大电网会议的第工作组也对以太网在电力系统中应用的实时性问题作了研究,得出了与美国电力研究院相同的结论。因此,选择以太网作为变电站自动

39、化系统的内部通信网,在使用交换式集线器的前提下,其网络传输实时性是有保证的。实际上国内外已经推出不少使用以太网的变电站自动化系统,如美国公司的变电站自动化系统、同本东芝公司的高压变电站分布式测控系统、广西玉林供电局采用的 电刚监控系统等目前,对以太网作为控制总线的研究已从理论阶段过渡到丌发阶段。惠普公司应用.标准,生产嵌入式以太网控制器,具有 以太矧接【,运行/协议,应用于传感器和驱动器等现场设备。几个主要的现场总线组织也在开发基于以太网的现场总线咖议,如、,更有一些公司己在丌发具有以太网接口的仪表。困际现场总线基金会已于年月发布了高速以太网现场总线,用高速以太网作为的一种选择。在楼宇自动化控

40、制系统中,国内外的研究人员也在进行相应的以太网应用于底层控制网络的研究,并已经开发出相应的产品并在实际工程中得到了应用。北京的楼宇自动化工程中心就成功研发出以以太刚作为现场总线的智能化管理系统和系列产品,并在天津检验检疫局动植物食分中心实验窄又实验室,即生物、平安、防护三级实验室,、称为禽流感、炭疽菌等高致病性病毒研究都在等级实验室中进行自控系统工程得到成功应用。.以太网的技术构成“以太网系统由硬件和软件两局部组成,二者共同实现以太网系统各计算机之矧的信号传输和信号共享。其传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等。主要技术要素如下:.以太网协议首先将参考模型中的数据链路层分两个子层:.

41、层和层。子层负责控制对网络的访问。为此,该层必须保证两个或更多的丁作站不会同时试图向网络发送数据。对以太网而言,这是通过使用/实现的。除硕士学位论文了负责网络访问控制外,层还负责数据进入和离开网络时的有序流动。为此,子层需要担负寻址、帧类型识别、帧控制、帧拷贝和其它类似的与帧相关的功能。“层用于提供在高层协议与介质访问控制之问的连接。表以太嘲仂,议?/参考模型 以太网协议应用层表示层会话层传输层网络层逻辑链路控制层数据链路层介质访问控制层物理层信号子层物理层介质标准.以太网帧结构帧是以太网系统中的核心概念,指一系列标准化的数据他,是传输的数掘信息的最终组成形式。表 以太网帧结构?目的地址 数据

42、 八姨校验序列帧起始分界符 源地址长度前序字字肯 /字节 /字节 字, 字节予。.介质访问控制规那么以太网介质访问控制规那么采用/介质访问控制规那么,全称是载波侦听多。路访问/冲突检测即站点在传送信号前,先检测信道内有无信号在传送,只有在信道内的信号消失后,站点才丌始传送信息。如果两个站点同时丌始传送信息,站点将侦听到信号冲突,重新调整信号的传送。/的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。网络负荷较小的时候,冲突很少发生,因此延迟低。当网络负载较重的时候就容易出现冲突,网络性能也相应降低,不能保证数据在预定时侧内到达目的站,因此通信实时性不能保证。.以太网的技术优势。?以太网由于其应用

43、的广泛性和技术的先进性,己逐渐垄断商用训算机的通讯领域和过程控制领域中、上层的信息管理与通信,并且有进一步占接应用到工业现场的趋势。与目前的现场总线相比,以太网在许多方面都拥有优势。第章以太网技术概述.开放性好基于/协议的以太网是标准的开放式网络,不同厂商的设备很容易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。以太网是目前应用最广泛的局域网技术,受到广泛的技术支持。几乎所有的编程、语言都支持其应用和开发,如、 等。这些编程语言由于使用广泛,受到软件丌发商的高度重视,具有很好的开展前景。因此,如果采用以太网作为现场总线,可以保证多种丌发工具、丌发环境供选择。.数据传输

44、率高以太网支持的数据传输速率为、,的以太刚正在研究,比目前的任何现场总线都快得多,可满足对带宽的更高要求。在相同通信量条件,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻,而网络负荷的减轻那么意味着确定性的提高。.软硬件资源丰富,本钱和费用低廉出于以太网应用广泛,受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。同现场总线产品相比,其硬件价格相对低廉的多。目前以太网网卡的价格只有、等现场总线的十分之一,随着集成电路技术的开展,其价格还会进一步下降。同时人们对其设计、应用等方面也有很多经验,对以太网的技术十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,从而可以显著降低

45、系统的整体本钱,大大加快系统的丌发和推广速度。.易于系统集成,可持续开展潜力大由于使用相同的协议,工业控制网络采用以太网就可以防止其开展游离于计算机网络技术开展的主流之外,实现办公自动化网络与业控制网络的信息无缝集成。而以太网应用广泛,一直受到生产厂商和研究机构的广泛重视,吸引大量的技术投入,这就保证了工业控制网络与信息网络技术的同步,互相促进,共同发展,并保证技术上的可持续性,在技术升级方面无需单独的研究投入。.以太网应用于工业现场问题分析“是出了二以太网具有上述优势,使得它受到越来越多的关注。但如何利用以太网作为现场总线应用于工业控制底层网络,仍需对些关键技术进行探讨,如通信实时性、总线供电、本质平安、远距离通信、可互操作性等,对这些技术的回答,直接影响以太网在现场设备中的应用。硕士学位论叉.以太网通信确定性和实时能力分析众所周知,以太网在层遵循冲突检