第二章

計算機控制系統(tǒng)

與通信網絡結構2/6/2023基本內容：計算機控制系統(tǒng)的原理、組成及分類；計算機網絡的結構、分類、通信協議、傳輸媒體及互聯設備。重點和難點：計算機控制系統(tǒng)的原理，DDC，DCS和FCS的體系結構及特點；BACnet協議及Lontalk協議的特點及應用場合。2/6/2023第一節(jié)建筑設備自動化系統(tǒng)的技術基礎一、計算機控制技術1.計算機控制系統(tǒng)的基本原理控制過程：數據采集→比較→計算控制量→輸出控制信號性能指標要求：穩(wěn)態(tài)性能指標：穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)性能指標：峰值時間，調節(jié)時間，超調量等實時性2/6/2023

2.計算機控制系統(tǒng)的組成①硬件部分計算機：主機、外設、系統(tǒng)總線、過程輸入設備、人機聯系設備、通信設備等現場儀表：測量、變送、執(zhí)行2/6/2023②軟件部分系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、數據庫、通信網絡軟件、診斷程序；應用軟件：過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人機接口程序、打印程序、公共服務程序、歷史數據庫、實時數據庫、組態(tài)軟件等。2/6/20233、計算機控制系統(tǒng)分類按控制形式分：開環(huán)、閉環(huán)按控制規(guī)律分：順序控制常規(guī)控制（PID）先進控制（最優(yōu)、預測）智能控制（模糊、神經網絡、專家系統(tǒng)）2/6/2023按應用分：操作指導控制系統(tǒng)直接數字控制系統(tǒng)（DDC）監(jiān)督計算機控制（SCC）集散控制系統(tǒng)（DCS）－分布式控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng)（FCS）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）2/6/2023操作指導控制系統(tǒng)特點：1.開環(huán)控制系統(tǒng)2.控制動作由操作人員完成2/6/2023直接數字控制系統(tǒng)（DDC）特點：1.閉環(huán)控制系統(tǒng)2.控制任務由計算機承擔3.一臺計算機通常要控制幾個甚至幾十個回路2/6/2023監(jiān)督計算機控制（SCC）特點：1.通常采用兩級計算機2.DDC用計算機直接承擔控制任務3.SCC用計算機承擔高級控制與管理任務2/6/2023分布式控制系統(tǒng)（DCS）-集散控制系統(tǒng)特點：1.有多臺微型計算機2.分散控制，集中管理2/6/2023現場總線控制系統(tǒng)（FCS）2/6/2023計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）2/6/2023（1）直接數字控制系統(tǒng)（DDC）①系統(tǒng)組成過程輸入通道過程輸出通道過程控制計算機2/6/2023

②基本算法PID：離散化：（T為采樣周期）2/6/2023位置式PID：增量式PID：其中：2/6/2023①體系結構基本思想：分散控制、集中操作分三級：1、現場控制級2、監(jiān)控級3、企業(yè)管理級（2）集散控制系統(tǒng)（DCS）2/6/2023②基本組成現場I/O控制站：采集各種參數和狀態(tài)信號并進行數據處理；信息的傳送與接收；現場控制操作員站：為操作人員提供人機界面，使操作員及時了解現場運行狀態(tài)，各種參數的值是否異常等，并可通過輸入設備對工藝過程進行調節(jié)；處理歷史數據，完成報表、歷史趨勢曲線2/6/2023

工程師站：對系統(tǒng)進行離線配置和組態(tài)管理計算機：收集各部門信息，進行分析綜合，并作出決策，實現管理控制一體化數據通信網絡：傳送數據2/6/2023③數據通信網絡控制用通信網絡的要求：高的可靠性和安全性良好的實時性強的環(huán)境適應性網絡的拓卜結構：總線型網環(huán)形網星形網網絡通信協議：標準的：OSI工業(yè)應用：Proway、MapBAS應用：BACnet、Lontalk2/6/2023

（3）現場總線控制系統(tǒng)①現場總線的含義現場總線是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，是多點通信的底層控制網絡。2/6/2023②現場總線控制系統(tǒng)的基本組成2/6/2023③現場總線控制系統(tǒng)的特點：現場通信網絡分散型控制系統(tǒng)的網絡截止于控制器或現場控制單元，現場信號仍然是一對一的模擬信號傳輸。而現場總線把通信線一直延伸到生產現場或生產設備，即延伸到傳感器、變送器或執(zhí)行器等?，F場設備互連一對信號傳輸線將N個現場智能節(jié)點連接在一起，相互之間能夠進行雙向信號傳輸。2/6/2023互操作性來自不同制造廠的現場設備，不僅可以互相通信，而且可以統(tǒng)一組態(tài)，構成所需的控制回路，共同實現控制策略。分散的體系結構現場總線廢棄了DCS的現場控制單元和控制器，把DCS控制器的功能塊分散給現場儀表，從而構成虛擬控制站。

通信線供電現場總線常用線為雙絞線，通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上獲取能量。

開放式互連網絡即可以與同類網絡互連，也可與不同類型網絡互連。通過網絡對現場設備和功能塊統(tǒng)一組態(tài)，能把不同廠商的網絡及設備融為一體，構成統(tǒng)一的現場總線控制系統(tǒng)。2/6/2023現場總線控制系統(tǒng)FCS2/6/2023集散控制與現場總線控制的區(qū)別2/6/2023集散控制與現場總線控制的區(qū)別2/6/2023集散控制與現場總線控制的區(qū)別2/6/2023DCS和FCS的比較現場級設備與控制器之間采取一對一（所謂的I/O接線方式，傳遞4-20mA或20VDC信號。采用數字式通信方式取代設備級的信號（4-20mA或20VDC），使用一根電纜連接所有現場設備。2/6/20232/6/2023④BAS常用的現場總線基金會現場總線FF（FoundationField-bus）局部操作網LonWorks(LocalOperatingNetwork)過程現場總線PROFIBUS（ProcessFieldBus）控制局域網CAN(ControllerAreaNetwork)2/6/20232/6/20232/6/2023應用現場總線的集散控制系統(tǒng)2/6/2023二、計算機通信網絡技術1.計算機網絡拓撲結構星形，總線形，環(huán)形，樹形，點對點BAS多采用總線式或環(huán)式網絡拓撲結構。且以總線機構最為普遍。2/6/2023

BAS中采用總線結構的優(yōu)越性：對于集散系統(tǒng)，采用總線結構把中央站和分站連接在同一通信信道，最能簡化線路敷設。采用總線結構增掛和摘除分站都十分方便，增設設備或改變建筑物的使用意圖時，分站的增減都很容易。尤其對分期建造的BAS有利。在豐富軟件的支持下，可以為某些特殊的監(jiān)控對象或系統(tǒng)設置專用的二級操作站或遠程操作終端。2/6/20232.計算機網絡分類按距離分：局域網，廣域網，城域網按傳輸媒體分：有線網，無線網按數據交換方式分：共享形網絡，交換形網絡2/6/2023建筑設備自動化系統(tǒng)是一種局域網。局域網的種類：構成辦公自動化系統(tǒng)。構成終端網絡系統(tǒng)。構成實時過程控制系統(tǒng)，并逐步將信息管理系統(tǒng)納入其中。2/6/20233.計算機通信網絡協議

協議是關于信息交換的術語，由語法、語義和定時三部分組成。開放系統(tǒng)互聯參考模型一個典型的開放系統(tǒng)結構可以應用在工業(yè)和商業(yè)的控制系統(tǒng)上，按照布置所有的開放系統(tǒng)元件，使用標準協議作為本系統(tǒng)語言，無需翻譯，可以相互通信。國際標準化組織（ISO）的ISO7498所定義的開放系統(tǒng)互連模型OSI作為通信網絡國際標準化的參考模型，它詳細描述了軟件功能的七個層次。如表一所示：2/6/20232/6/2023

建筑設備自動化系統(tǒng)常用網絡協議：

TCP/IP協議,BACnet協議,Lontalk協議①

TCP/IP協議主要用于Internet的數據交換，一系列協議集合的總稱。TCP：面向連接的協議。IP：以數據報的形式傳輸數據。TCP/IP的體系結構：物理層（數據鏈路層）、網絡層、傳輸層、應用層。2/6/2023概述

BACnet通信協議是由美國供熱、制冷及空調工程師協會（ASHRAE）發(fā)起制定并得到美國國家標準局（ANSI）的批準，由樓宇自動化系統(tǒng)的生產商、用戶參與制定的一個開放性標準。是一個完全開放的建筑設備自控網。主要包括建筑設備自動控制功能及其數據信息的表示方式、五種LAN通信協議及它們之間的通信協議組成。②

BACnet協議2/6/2023BACnet協議的體系結構：由一系列與軟件及硬件相關的通信協議組成，規(guī)定了計算機控制器之間所有對話方式。BACNet參考并簡化了OSIRM（開放系統(tǒng)互連參考模式），形成包容許多局域網的簡單而實用的四級體系結構。2/6/2023

BACnet協議的信息數據表示方式：

BACnet協議信息數據表示方式定義了18種標準對象類型（通過“對象”把DDC內部數據結構轉換成通用的、明確的、抽象化的數據結構以實現數據通信），通過不同對象的組合實現DDC不同的控制功能。2/6/2023設備對象：每一臺設備都具有一個設備對象，它的屬性用以描述該設備的全部特性。為各種對象定義了123種屬性。2/6/2023BACnet數據通信協議的服務功能：定義：是一個BACnet設備向其它BACnet設備進行申請、獲取信息，命令其它BACnet設備執(zhí)行某種操作或通知事件已經發(fā)生的方法。BACnet定義了35種服務功能，分為6組。報警與事件服務、文件訪問服務、對象訪問服務、遠程設備管理服務、虛擬終端服務以及網絡安全性。這些服務又分為兩種類型：一種是確認服務（C），令一種是不確認服務（U）。2/6/2023

BACnet協議的網絡拓撲結構：BACnet采用5種網絡技術進行信息數據傳送：Ethernet、BACnet、MS/TP（主從/令環(huán)牌）、PTP（點對點）、LonTalk。為BACnet制定的通信協議，用于單元控制器及其它IO設備之間。用于RS-232口直接或通過MODEM從遠程工作站撥號。選用多種網絡技術的原因：用各種不同的局域網性價比適應不同場合的要求。對于不同要求的系統(tǒng)，采用不同的通信速率和通信量的網絡。根據各網絡技術的特點，選用不同的網絡技術以適應不同的要求。2/6/2023

BACnet與企業(yè)內部互聯網Internet的互聯必須采用IP協議的方式進行，需要附加傳輸層協議。在BACnet中引入分組裝拆器（PAD）進行BACnet/IP通信。2/6/20231#2#3#2/6/20232/6/2023③Lontalk協議

Lontalk協議是LonWorks技術所使用的通信協議，是LonWorks技術的核心技術之一。

LonWorks

技術概述

LonWorks技術由美國Echelon公司20世紀90年代初開發(fā)推出的點對點雙向通信的單層分布式控制網絡。

Lonworks技術基于LonTalk協議采用自由拓撲結構方式把控制單元連接成開放的測控網絡，這個網絡符合國際標準化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互聯（OSI）模式。

2/6/2023

LonWorks組成

LonWorks的技術組成包括LonWorks節(jié)點、路由器、LonTalk協議、LonWorks收發(fā)器、LonWorks網絡開發(fā)工具和節(jié)點開發(fā)工具。

LonWorks節(jié)點：Neuron芯片節(jié)點和基于Neuron的HostBase節(jié)點。

Neuron芯片（神經元芯片）節(jié)點由神經元芯片、收發(fā)器、固件和I/O接口電路組成，具備通信和控制功能為一體。核心技術2/6/2023

Neuron芯片：

Neuron芯片固化有OSI模型的全部七層協議，能實現完整的Lonworks的LONTALK通信協議。其上集成有三個8位CPU：其中一個CPU完成OSI模型第一和第二層功能，稱為介質訪問處理器；一個CPU是應用處理器，運行操作系統(tǒng)和用戶代碼；還有一個CPU是網絡處理器，作為前兩者的中介，進行網絡變量尋址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經元芯片構成的節(jié)點之間可以進行對等通信。2/6/2023每個Neuron芯片幾乎都具有應用CPU、I/O處理單元和通信處理器等功能模塊。2/6/2023每個Neuron芯片都有一個48bit的永久性固化序號ID，用作安裝調試階段的節(jié)點地址。2/6/20232/6/2023LonTalk協議是LonWorks系統(tǒng)的靈魂，它固化于神經元芯片中，是直接面向對象的網絡的協議。執(zhí)行ISO/OSI參考模型，提供全部七層服務。七層結構自下而上依次稱為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層及應用層。

主要功能是管理網絡節(jié)點的通信，分配節(jié)點地址，運行內含的沖突檢測/回避算法，控制物理的/電氣的連接等。LonTalk協議：2/6/2023

LonWorks技術的優(yōu)點

網絡結構靈活，組網方便。

LonWorks網絡具有自由拓撲結構，可以是總線型、星型、樹型、復合型等，實現真正的點對點通訊。LonWorks

技術支持多種通訊介質和多種傳輸速率。支持的通訊介質有雙絞線、同軸電纜、光纖、無線微波、紅外線、超聲波等，甚至多種介質能在同一網絡中混合使用。完善的開發(fā)工具。無主的網絡系統(tǒng)。開發(fā)LonWorks網絡節(jié)點的時間短，易于維護。2/6/2023

LonWorks的介質訪問控制算法原則：盡量避免或者盡可能減少碰撞來設計。LonWorks的MAC算法使得信道在極少發(fā)生碰撞的情況下以其最大能力工作，仍然具有優(yōu)異的性能。將重發(fā)等待時間隨機化，可減少碰撞發(fā)生。2/6/2023

NeuronC語言，從ANSIC派生而來，并對其進行了補充和刪減，便于開發(fā)人員高效開發(fā)分布式LonWorks。

LonWorks互操作性的實現

LonWorks系統(tǒng)的互操作標準是由LonMark互操作協會制定的一套標準（LonMark

）。凡產品按該規(guī)定生產，就可以結合在一起，互相通訊和工作。同類產品，不同廠家生產，可以相互替換，實現了互操作。這樣的產品飾以LonMark標記。

LonWorks的應用編程高級語言2/6/20232/6/2023BACnet和LonWorks的比較在建筑設備自動化系統(tǒng)中，BACnet和LonMark標準互為補充，實現了實時控制域和管理信息域的網絡化運作。兩者盡管目標不一致，但在應用時卻有交叉。2/6/2023

BACnet協議是為實現不同的系統(tǒng)互聯而制定的標準。BACnet有比LonMark更為大量的數據通訊，運作高級復雜的大信息量，有更強大的過程處理、組織處理能力。適于大型智能建筑，大型智能建筑其分為若干區(qū)域，此時很有可能幾個不同的系統(tǒng)（不同廠家的）存在。如果希望可以在一個用戶界面進行整個系統(tǒng)的操作，BACnet是最經濟、最理想的選