1、BAS系统基础知识系统基础知识集散控制系统集散控制系统DCSDCS（1 1）集散控制系统特点）集散控制系统特点 DCS(Distributed Control System )DCS(Distributed Control System )又称分又称分散式或分布式控制系统。具有如下特点：散式或分布式控制系统。具有如下特点：A. A. 采用分级递阶式控制；采用分级递阶式控制；B. B. 采用物理上的分散结构，实现了分散控制；采用物理上的分散结构，实现了分散控制；C. C. 具有计算机通信系统，可实现综合控制；具有计算机通信系统，可实现综合控制；D. D. 可设置多功能的可设置多功能的CRTCRT
2、操作站以实现集中监控与操作站以实现集中监控与操作。操作。传递其他信号在两者之间的完成数据、控制信号及现场控制器连接中央管理计算机与通信部分：相关控制软件直接数字控制器分散控制部分相关控制软件中央管理计算机集中管理部分集散控制系统(2) DCS(2) DCS系统结构系统结构通信接口通信接口DDC/PLCDDC/PLCAI DI AO DOAI DI AO DO过程对象过程对象过程对象过程对象现现场场控控制制级级传感器传感器执行器执行器BUSBUS低速总线低速总线DDC/PLCDDC/PLC网关网关操作员站操作员站工程师站工程师站监监控控级级中速总线中速总线服务器服务器中央监控计算机中央监控计算机
3、路由器路由器中央中央 管理级管理级Ethernet 10-100MbpsEthernet 10-100Mbps高速总线高速总线A. A. 现场控制级现场控制级(DDC)(DDC) 由现场控制器（由现场控制器（DDCDDC）和其它现场设备组成。）和其它现场设备组成。 DDCDDC直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制。直接与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制。 DDCDDC还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传还与第二级的计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上传递现场采集的数据。递现场采集的数据。通信接口通信接口DD
4、C/PLCDDC/PLCAI DI AO DOAI DI AO DO过程对象过程对象过程对象过程对象现现场场控控制制级级传感器传感器执行器执行器BUSBUSB. B. 监控级监控级 对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。对现场控制进行监控和组态，实现控制过程的动态最优化。一般它带有一般它带有操作员站操作员站和和工程师站工程师站。a. a. 操作员站操作员站 实现在线监督实现在线监督b. b. 工程师站工程师站 对对DCSDCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护。和维护。网关网关操作员站操作员站工程师站工程师站监监控控
5、级级中速总线中速总线C.C.中央管理级中央管理级 管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监督，管理整个系统，并对监控级实现监控。能对被控对象进行监督，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理，以实现被控过制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。程的静态最优化和综合自动化。 管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高速以太局域管理级主要进行信息管理，属通信网络，一般是高速以太局域网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信息网联网，实现信息共网。可以通过网关、网桥或路由器与其它信息网联网，实现信息共享。享。服务器服务器中央监控计算机中央监
6、控计算机路由器路由器中央中央 管理级管理级Ethernet 10-100MbpsEthernet 10-100Mbps高速总线高速总线(3) DCS(3) DCS的通信网络的通信网络A. A. 中央监控计算机与中央监控计算机与DDCDDC之间的通信之间的通信 能适应现场恶劣环境；能适应现场恶劣环境； 传输速率不低于传输速率不低于9600bps9600bps； 传输距离不大于传输距离不大于1.2km1.2km，可采用，可采用UTPUTP作为传输介质；作为传输介质； 抵抗高电压入侵。抵抗高电压入侵。B. B. 多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信多台中央监控计算机与管理计算机之间的通信 在具有
7、多台中央管理计算机的在具有多台中央管理计算机的DCSDCS系统中，常用网络型中央监系统中，常用网络型中央监控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传输大量的数据和图像控系统结构。中央管理计算机之间需要互相传输大量的数据和图像等信息，而且有一定的实时性要求等信息，而且有一定的实时性要求。 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS(1) (1) 现场总线产生的原因现场总线产生的原因 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度低，易受干扰。模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。但精度低，易受干扰。 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。对控制器本身要求集中式数字控制系统于七八十年代占主导
8、地位。对控制器本身要求很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。当系统任务增加时，控很高，必须具有的处理能力和极高的可靠性。当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。制器的效率和可靠性将急剧下降。 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）于八、九十年代占主导地位。）于八、九十年代占主导地位。DCSDCS虽然号称分虽然号称分布式控制系统，实际上只能算半分布，测控层并没有实现彻底分布，布式控制系统，实际上只能算半分布，测控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站。控制依赖于控制站。 FCSFCS正是顺应以上潮流而诞生。正是顺应以上潮流而诞生。(2) (2) 现场总线控制系统定义现场总线控制系
9、统定义 现场总线控制系统现场总线控制系统(Fieldbus Control System, (Fieldbus Control System, FCS)FCS)是是用于过程控制现场仪表与控制室之间的用于过程控制现场仪表与控制室之间的一种全数一种全数字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用字、半双工、串行双向通信系统，作为一种局域网，用于连接现场智能仪表。于连接现场智能仪表。 FCSFCS放弃了放弃了DCSDCS所必需的所必需的I/OI/O模块和现场控制站，控模块和现场控制站，控制功能分散到现场设备上。制功能分散到现场设备上。(3) DCS(3) DCS与与FCSFCS结构示意图结构示意
10、图操作站操作站现场控制站现场控制站现场自动化设备现场自动化设备( (测量、执行测量、执行) )DCSDCS结构示意图结构示意图操作站操作站现场自动化设备现场自动化设备( (测量、计算、执行、报警、趋势等测量、计算、执行、报警、趋势等) )FCSFCS结构示意图结构示意图控制室控制室现场现场(4)(4)现场总线的优点现场总线的优点 A. A. 全数字化全数字化 B. B. 全分布全分布 C. C. 双向传输双向传输 D. D. 自诊断自诊断 E. E. 节省布线及控制室空间节省布线及控制室空间 F. F. 多功能仪表多功能仪表 G. G. 开放性开放性 H. H. 互操作性互操作性 I. I.
11、智能化与自治性智能化与自治性(5) (5) 现场总线主要特征现场总线主要特征 A. A. 数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关数字式通信方式取代设备级的模拟量和开关量信号；量信号； B. B. 在车间级与设备级通信的数字化网络；在车间级与设备级通信的数字化网络； C. C. 工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命；革命； D. D. 使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层；企业信息网络底层； E. E. 工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑工厂计算机网络到现场级设备的延伸，支撑现场级与车间级信息
12、集成的技术基础。现场级与车间级信息集成的技术基础。(6) (6) 现场总线的要求现场总线的要求A. A. 传输速度快传输速度快 B. B. 响应时间短响应时间短 指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。时间。C. C. 巡回时间短巡回时间短 系统与所有通信对象都至少完成一次通信所系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。需的时间。(7) (7) 现场总线与局域网的区别现场总线与局域网的区别项目项目现场总线现场总线局域网局域网功能功能连接自动化最底层的现场控连接自动
13、化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。是一种实低，但实时性高。是一种实时控制网络。时控制网络。用于连接局域区域的各台计用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，音、图像等，传输速率高，但不但不 要求实时性。是一种高要求实时性。是一种高速信息网络。速信息网络。 实现实现方式方式可采用各种通讯介质，如双可采用各种通
14、讯介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。红外线等，实现成本低。需要专用电缆，如同轴电缆、需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。光纤等，实现成本高。 (8) (8) 当前比较流行的现场总线当前比较流行的现场总线A. Lonworks A. Lonworks 局部操作网络局部操作网络B. BACnet B. BACnet 楼宇自动化与控制网络楼宇自动化与控制网络C. Profibus C. Profibus 过程现场总线过程现场总线D. HART D. HART 可寻址远程传感器高速通道可寻址远程传感器高速通道E. CAN E. CAN 控制局
15、域网络控制局域网络F. FF F. FF 现场总线基金会现场总线基金会G. ModbusG. ModbusH. ControllogixH. Controllogix楼宇自动化系统的特点楼宇自动化系统的特点A. A. 测控点分散；测控点分散；B. B. 被控设备种类多，且本身配有控制系统。被控设备种类多，且本身配有控制系统。 19921992年美国的年美国的EchelonEchelon公司推出的实时测控网络公司推出的实时测控网络局部操作网络局部操作网络(Local Operating Networks, (Local Operating Networks, ) )。 LonworksLonwo
16、rks是专门为是专门为实时控制实时控制而设计的，是在控制层而设计的，是在控制层提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到广提供互操作的现场总线。因此，在楼宇自动化中得到广泛应用。泛应用。2) LonworksLonworks模型分层模型分层 LonworksLonworks采用开放式采用开放式ISO/OSIISO/OSI模型全部模型全部7 7层通信协议层通信协议结构，如下表：结构，如下表：3)Lonworks3)Lonworks总线技术总线技术 A. LonworksA. Lonworks结点结点a. a. 神经元结点神经元结点：以神经元芯片为核心的控制结点，采用：以神经元芯片为核心的控制
17、结点，采用MIPMIP结构。结构。b. b. HoseBaseHoseBase结点结点：将神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能主机：将神经元芯片作为通信协议处理器，用高性能主机实现复杂测控功能。实现复杂测控功能。B. B. 路由器路由器 使使LonworksLonworks突破传统现场总线的限制，通信不受通信介质、距突破传统现场总线的限制，通信不受通信介质、距离和速率的限制。离和速率的限制。C. C. 神经元芯片神经元芯片a. Lonworksa. Lonworks技术的核心，内部包括三个技术的核心，内部包括三个CPUCPU： 第第1 1个个CPUCPU为为介质访问控制处理器介质访问控制处理
18、器，处理，处理LonTalkLonTalk协议的协议的1 1、2 2层；层； 第第2 2个个CPUCPU为为网络处理器网络处理器，处理，处理LonTalkLonTalk协议的协议的3-63-6层；层； 第第3 3个个CPUCPU为为应用处理器应用处理器，执行应用程序，实现，执行应用程序，实现LonTalkLonTalk协议的第协议的第7 7层。层。b. b. 种类种类 MC143120MC143120：不支持外部存储器，本身带有：不支持外部存储器，本身带有ROMROM。 MC143150MC143150：支持外部存储器，适合复杂应用：支持外部存储器，适合复杂应用D. LonworksLonwo
19、rks通信通信a. a. 双绞线收发器双绞线收发器 直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速率为直接驱动收发器：利用神经元芯片的端口作为收发器。最大速率为1.25Mbps1.25Mbps时，最多时，最多6464个结点，最大通信距离个结点，最大通信距离30m30m； EIA-485(RS-485)EIA-485(RS-485)收发器：收发器：39kbps39kbps； 变压器耦合驱动：变压器耦合驱动：b. b. 电源收发器电源收发器 通信线和电源线共用一对双绞线。通信线和电源线共用一对双绞线。c. c. 电力线收发器电力线收发器 将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到
20、将通信数据调制成载波信号或扩频信号，通过耦合器耦合到220V220V或其或其它交它交/ /直流电力线上。直流电力线上。d. d. 其它收发器其它收发器 无线收发器、光纤收发器等。无线收发器、光纤收发器等。4) Lonworks4) Lonworks在楼宇自动化系统中的应用在楼宇自动化系统中的应用智能变送器智能变送器工程师站工程师站操作员站操作员站网关网关路由器路由器空调系统空调系统控制器控制器编程组态编程组态及控制及控制照明配电系照明配电系统控制器统控制器给排水系给排水系统控制器统控制器终端控制终端控制器器网关网关变送器变送器去其它去其它LonworksLonworks网络网络Lonworks
21、去其它去其它InternetInternetLonworks(10) (10) BACnet(Building Automation and BACnet(Building Automation and Control Network)Control Network)是由美国暖通空调工程师协会是由美国暖通空调工程师协会(ASHRAE)(ASHRAE)提出和批准的楼宇自动控制通信协议标提出和批准的楼宇自动控制通信协议标准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。准，用于楼宇能量管理和控制系统的通信协议。规定了计算机控制器之间所有对话方式。规定了计算机控制器之间所有对话方式。 BACnetBACne
22、t规范的是楼宇内机电设备控制器之间规范的是楼宇内机电设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。变配电和其它建筑设备系统的服务和协议。1) BACnet1) BACnet结构结构2) BACnetBACnet数据通信协议数据通信协议 目的：使不同厂商生产的目的：使不同厂商生产的DDCDDC通过网络可以实现数通过网络可以实现数据交换。据交换。A. BACnetA. BACnet的的1818种标准对象种标准对象 定义了定义了1818种标准对象类型，通过不同对象的组合，种标准对象类型，通过不同对象的组合，实现
23、实现DDCDDC不同的控制功能，从而实现对不同的控制功能，从而实现对DDCDDC任务的描述。任务的描述。B. BACnetB. BACnet的的1818种标准对象的类型种标准对象的类型 设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、通知对象、程序对象。通知对象、程序对象。3) 3) 采用采用BACnetBACnet的楼宇自动化系统的楼宇自动化系统 变风量空变风量空调系统调系统变风量空变风量空调系统调系统空气处空气处理单元理单元1#1#楼宇楼宇分表分表
24、空调监空调监控系统控系统保安保安系统系统BAS照明照明系统系统编程编程系统系统冷热源冷热源系统系统给排水给排水系统系统1#楼宇楼宇 BACnet协议协议路由器路由器InternetInternet变风量空变风量空调系统调系统变风量空变风量空调系统调系统空气处空气处理单元理单元2#2#楼宇楼宇分表分表空调监空调监控系统控系统保安保安系统系统BAS照明照明系统系统编程编程系统系统冷热源冷热源系统系统给排水给排水系统系统2#楼宇楼宇 BACnet协议协议路由器路由器路由器路由器工作站工作站工作站工作站工作站工作站数据库服务器数据库服务器BACnetBACnetBACnet4) LonWorks4) LonWorks与与BACnetBACnet混合应用混合应用计算机计算机LAN控控制制器器专专用用网网络络结构结构A A计算机计算机LAN控控制制器器LonworksLonworks网络网络结构结构B B网关网关计算机计算机BACnet控控制制器器LonworksLonworks网络网络结构结构C C网关网关计算机计算机BACnet控控制制器器结构结构D D网关网关BACnetBACnet网络网络( (需要时需要时设置设置) )LonworksLonworks网络网络现场总线的典型连接方式现场总线网络结构图1 现场总线网络结构图2 现场总线网络结构图3 现场总线网络结构图4
