建筑物自动化的三种总线技术.docx

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建筑物自动化的三种总线技术

建筑物自动化的三种总线技术

　　摘要　　中国行业标准JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第26章《建筑物自动化系统》所规定的模拟和数字混合的集散型系统，已面临更新为全数字系统的挑战。

就像工业自动化一样，建筑物自动化市场在技术接受期曲线上，通常落后于商业领域技术应用会有几年之久……

关键词建筑物自动化总线技术

　　中国行业标准JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第26章《建筑物自动化系统》所规定的模拟和数字混合的集散型系统，已面临更新为全数字系统的挑战。

就像工业自动化一样，建筑物自动化市场在技术接受期曲线上，通常落后于商业领域技术应用会有几年之久，因此，在商业领域已经成功运用多年的个人计算机和以太网通信，现在却成为BAS更新途径的热门话题。

PC-BasedControl和以太网技术，已经开始全面进入BAS领域。

2000年3月，Honewell公司推出的全数字化闭路电视监视系统DVM，就用PC-BasedVideoServer，类似于商业领域应用的个人计算机式视频服务器，取代了传统的模拟和数字混合的CCTV闭路电视矩阵切换器和磁带录象设备；DVM系统中，经过信号转换接口把所有摄像机的视频信号直接连入以太网通信，每20台摄像机使用1台VideoServer。

这种第三代保安监控电视的全数字化CCTV以太网系统，已经在澳大利亚悉尼机场使用。

　　PC机技术日新月异的进步，使BAS的中央站功能不断增强；PC机的商业软件，如ODBC、API等等，已成为BAS的标准软件；基于PC机技术的分站不断发展。

信息领域的以太网技术对工业自动化和建筑物自动化各个层面的影响，从上到下。

BAS管理层的以太网正在下植到自动化层和更低的现场层。

BAS三层结构将会成为以太网"一网到底"的三层网络。

完成这项"通体透明网络"革新的主要技术，就是以太网现场总线。

以太网现场总线，也可称为以太网I/O，是控制技术和信息技术的完美结合，性能发挥到极致，它或许能够解决工业自动化长期争论不休的现场总线标准化问题，是商业技术影响工控技术的一个范例。

　　以总线为脉络，分析计算机总线、测控总线和网络总线在BAS技术发展中分别担纲的角色，可以加深对BAS未来发展的了解。

　　1、总线BUS

　　总线一词，源于计算机技术。

总线是各种信号线的集合，是各种信息传输的通路，有汇总的涵义。

微软百科词典定义总线为：

计算机系统中各部件之间用于数据传输的一组硬件连线。

IBM公司将其简称为用于传输信号或功率的一根或多根导体。

在建筑物自动化中，BAS总线可解释为用来连接中央站分站、现场设备或者各种系统的那些具有导电性的通路，以完成数据或信号的传输。

　　以应用范围来分，BAS总线可划分为计算机总线、测控总线和网络总线、。

计算机总线用于上位管理计算机和中央站内部部件的连接。

测控总线用于中央站与分站的连接，分站与现场设备的连接，现场设备之间的连接。

网络总线则是将上位管理计算机和中央站、浏览器等视为节点而共同连接在一起的一条多分支线路，将数据置于网络总线中，数据将会经所有的节点检测后，由其指定地址的节点接收。

BAS管理层的以太网就是网络总线。

当以太网下植到自动化层和现场层以后，以太网又扮演着测控总线的角色，在这种背景下，我们借用"网络就是计算机"的概念，不免也可以说"网络就是控制器"，因为所有传感器、执行器、分站、中央站已经遍布以太网中，以太网被赋予完成分布式控制兼有普通信息存取的能力，人们可以随心所欲使用以太网，无论是进行实时控制还是传递管理信息。

　　2、标准化Standardization

　　作为信息传输通路的总线，追求标准化，是各种总线的共同目标；只有标准总线，才能够支持更多的性能不同的产品的连接，完成更多更好的系统的集成，实现更完善的控制和管理，因此，总经以其有汇集性能的特点，尤其需要标准化。

标准总线的形成，主要有两种方法，一种是由非商业的或政府组织所产生的标准，目的在于使某一种类型总线开发和使用规范化，例如RS232C；这种正规的合法的技术标准，是在对已有方法、途径及技术开发进行仔细研究的基础上起草，并经正式批准后产生，这种标准通常包括着一些国际标准。

另外一种方法，是有某一家公司先行开发出一种总线技术，由于成功，得到其它公司模仿和广泛使用，以至一偏离该总线就会产生不兼容问题，导致产品在市场中受到限制，例如现场总线LonTalkBus；这类事实上的总线技术标准，是基于市场需求产生而形成的，无需正式批准，这种标准通常包括大量流行的工业标准。

　　3、计算机总线ComputerBus

　　中国行业标准JGJ/T16-92第26章BAS，对中央站硬件、组态、系统软件的规定非常简单，仅是基于采用计算机作为监控中心的一般原则，如应设置CPU、CIU、CRT、打印机等规定，对上位管理计算机则仅限于优化控制与管理某些功能要求。

但是，近年来计算机技术发展很快，系统软件、应用软件、存储系统、处理器技术、输入输出系统和计算机结构，都是如此，其中，计算机总线技术与工业自动化、建筑物自动化关系密切，计算机总线是计算机系统信息总通道，性能优劣，对BAS上位管理计算机和工作站的影响是至关重要的。

因为采用先进的计算机总线，可以提高工作站的带宽，改变工作站的兼容性和开放性，并能提高工作站的可靠性，这对控制系统无疑是最重要的性能。

例如，使用PCI总线技术的PC机，每年停机时间可以小于315秒中，可靠性高达%，因此，BAS用户已经开始关心工作站的计算机总线，2000年9月山西省太原市某国际贸易中心大厦BAS招标文件中，明确提出中央站应该使用计算机33MHz三总线结构PCI，说明用户不仅关心各种功能模块设置，还要求提供工控级别的总线来保证工作站性能。

随着基于PC机控制的技术进展，计算机总线对BAS的影响会更加重要。

因为BAS将逐渐最终成为由一台PC机控制几条现场总线的系统。

　　3．1计算机总线的发展历史

　　1970年，DEC公司首先推出了称为Unibus的总线，把PDP11小型计算机上所有的部件、设备都连接在一起。

它是一种单总线结构。

　　1981年，IBM公司在第1台个人计算机IBMPC/XT上推出了XT总线，也是单总线，1984年，采用16位CPU的IBMPC/AT出台，AT总线在XT总线结构上，增加了一组输入/输出总线，形成双总线结构。

AT总线就是着名的工业标准总线ISA，全称是IndustrialArchitecture工业标准结构，它是通过将板卡出入IBMPC及其兼容机的标准扩展槽来添加计算机部件的总线设计规范。

1989年康柏、惠普等9家公司在ISA基础上，推出EISA，扩展工业标准结构，这是一种把附加卡联接到PC机主板的一种总线标准。

EISA总线操作频率比ISA高很多，能提供很多的数据吞吐率。

　　为了提高PC机性能，使某些扩展板可以直接与微处理器通信，而不必经过通常使用的系统总线，Intel公司提供了PCI总线规范。

这种局部总线允许在计算机上安装多至10个PCI兼容的扩展卡，PCI局部总线系统需要在某个PCI兼容插槽中安装一块PCI控制卡，每次可以以32位或64位的速度与CPU进行数据交换。

PCI规范还考虑了多路复用Multiplexing。

因此，PCI总线已成为今天计算机事实上的局部总线标准。

由于PCI独立于处理器，不仅Intel系列可用，DEC的Alpha、Motorola的PowerPC等系列也可以用，它的向前向后兼容性，能使现有的多种计算机都能平滑过度到新标准，所以尤其受工业控制机行业的欢迎，建立了PCI工业计算机协会PCIIndustrialComputerManufacturersGroup，致力于在工控机行业推广PCI总线。

1995年，出版了CompactPCI规范。

　　PCI总线在计算机中配置了3组总线，时钟33MHz，与CPU时钟频率无关，宽度32位，可扩展至64位，带宽达132Mbps至246Mbps，可以和ISA、EISA、VL-BUS等总线兼容，支持5V和两种电压，可以在芯片、软件和开发工具方面广泛利用PC机丰富资源，它具有良好的网络性能、图形视窗介面和数据存贮性能，是工业自动化和建筑物自动化中央站理想的计算机总线。

　　3．2标准计算机总线

　　国际标准

　　IEEE969微机通用

　　IEEE488测试仪器

　　IEEE1394测试仪器

　　EIARS232C设备总线

　　EIARS422/423/449/485设备总线

　　ANSISCSI小型计算机，设备总线

　　VESAVL-BUS局部总线

　　工业标准

　　ISA系统总线

　　EISA系统总线

　　PCI局部总线

　　3．3新一代计算机总线

　　PCI-XCompaqIBMHP

　　IntelDellSunNEC日立NEC西门子

　　FutuieI/OCompaqIBMHP

　　4、网络总线NetworkBus

　　中国标准JGJ/T16-92第26章BAS，规定"优先采用共享总线型"局域网结构作为BAS管理层、自动化层、现场层的网络拓扑，即用一条总线，把上位管理计算机、中央站、分站、现场设备各自连接在一起，形成三层局域网。

因为所有节点共享一条传输通路，一次只能允许一个节点发送信息，所以需要建立信息发送的控制方式，JGJ/T96-在条文说明中，没有明确规定是用以太网的CSMA/CD波及监听多路访问/冲突检测争抢发送，还是用令牌总线排队访问控制，只有指出这两种方法都是"目前流行的"，但是"并无一致的看法"。

在《信号传输与数据通信》中，则把现场层至自动化层之间的信息传递成为"信号传输"，把自动化层和管理层之间的信息传递，称为"数据通信"，以示区别，前者为现场设备与计算机通信，包括模拟信号，后者为计算机之间通信，全部为数字信号。

　　20多年来，发展极为成功的以太网技术，已经得到公认。

人类进入英特网时代，以太网也迅速进入工业自动化的各层网络。

电气电子工程师协会IEEE基于以太网国际标准，正在积极制定现场与以太网通信的新标准，使以太网能够直接为现场层所使用，可以预见，正象个人计算机PC迅速进入工业自动化领域一样，以太网以及TCP/IP、UDP/IP协议将十分迅速进入工业自动化各个领域，包括BAS。

　　网络总线是网络通信总线的简称，在BAS中，网络总线是上位管理计算机、中央站、分站、现场设备之间的连接总线，从计算机系统结构的角度上看，它是计算机的外部总线，计算机总线则可视为内部总线。

网络总线属于网络技术，计算机总线属于计算机技术，网络是多个计算机的集合系统，数据通信和资源共享是其特点。

今天，已经进?

quot;网络就是计算机"的时代，通信和计算机技术紧密结合、同步发展，计算机总线和网络总线是计算机一种技术的两个方面。

新一代的计算机已经把网络接口集成到计算机母板上，网络功能已经嵌入到操作系统中，使得网络总线可以视为计算机总线的外部延伸，密不可分。

不进入网络的工作站，是不完整的工作站。

在建筑物领域，BAS是建筑物整体计算机网络的重要子网，形成建筑物管理和建筑物设备控制一体化是从网络开始的。

计算机总站维系着BAS的通信子网，资源子网和通信子网的组合，就是建筑物自动化网络，就是建筑物自动化系统。

　　4．1以太网的发展历史

　　1968-1972Aloha无线电系统夏威夷大学开创争用型通信

　　1972-1977首台以太网Metcalf和Boggs先生建立　CAMA/CD

　　1979-1983粗同轴以太网10MCom10BASE5

　　1980-1982细同轴以太网商品化10M3ComISA总线与10BASE2相连

　　1984-1987双绞线以太网1MUTPHP、AT&T1BASE5

　　1986-1990综合布线+双线绞线以太网10MSynOptics、HP10BASET

　　1990-1994交换式和全双工以太网10MKalpanaEtherSwitch

　　1992-1995快速以太网100MUTPGrandJunction100BASET

　　1996-?

千兆位以太网1000M　1000BASEF

　　4．2以太网与局域网国际标准

　　以太网是商业市场上发展的，而标准是独立的标准组织《电气与电子工程师学会》开发的是基于以太网第１个版本制定，但在一定程度上改进了设计，1983年公布以后，以太网以此又作了修改，原来互不兼容的局域网，变为互相兼容。

二者主要区别是结构不同，例如，最大数据单元，是1460字节，以太网是1500字节。

但是，通常可以把视同以太网。

　　以太网速率有10M和100M两种，最大1518字节，最大段长度500米、185米、100米，中断段综合长度2500米、925米、2500米。

　　在BAS中用以太网作为网络总线时，现在BAS供应商所提供的以太网接口卡NIC，应该是10M/100M自适应型，以满足用户部署100M快速以太网的要求，例如Intel公司的PRO/100+管理适配器，适用于有PCI总线的台式机，能自动监听集线器速度，从而自动选择10M或100M，能支持最新的连接管理规范，支持所有的主要操作系统和网络操作系统，WinNT、95、98、2000，Nerware、UNIX，支持10BAS-TX，5类UTP，RJ-45连接器，数据路径宽度32位，可在0-55℃环境中工作。

　　4．3以太网介质访问控制CSMA/CD

　　载波监听多址访问/冲突检测是以太网抢先式信息发送的主要技术，它包括有先听再讲、无声则讲、有空就讲、边讲边听、一人独讲、退避三舍等信息发送规则，保证所有站点都能以公平方式通过竞争来访问大家共享的以太网，虽然难免有"后到先服务"的现象，但是，由于CSMA/CD有一套完整的处理冲突的方法，大体上实现了对网络总线的公平访问。

它是退避三舍的自调整功能，保证所有信息的发送都是成功的，例如常用的一种冲突退避延迟算法，称为"截断的二进制指数回退"，它使发送信息的站点，每冲突一次，自动延迟一个以2的幂函数计算的退避时间，用这种不断扩大回退时间来适应网络流量的变化，这是一种很巧妙的方法。

它规定了退避也是有限度的，即最大退避时间以210倍为限，忍让次数也是有限的，以216次为限，否则就会丢掉这个屡发屡败以太冈帧，这种情况是绝少发生的，除非以太网已经瘫痪。

　　以太网每帧发送之间有一个固定的间隙64字节、512位，称为时间片，用来识别由于冲突而失败的发送信息帧碎片，在512位时间内，网络冈所有站点检测到载波和合法的冲突、信息帧碎片，从而保证以太网能正常工作，不受非有效帧的影响。

　　一般谈到以太网，主要是指的CSMA/CD协议，它是以太网的主经软件此外，以太网还包括以太网接口卡NIC、收发器、中继器硬件。

总之，以太网是一种局域网，是共享总线型局域网，是国际标准局域网之一，应用最广泛。

　　4．4以太网与TCP／IP

　　传输控制协议／网际协议是实践中产生的解决网络互连和异构计算机之间提供可行的透明通信服务的一组协议，它是世界上最大网络因特网的基础。

以其公用性和有效性，成为公认的开放系统。

TCP／IP是网络数据传输事实上的标准，或者简称其为因特网通信协议。

　　BAS结构图中，标明以太网，是说网络采用共享总线拓扑，标明TCP／IP，是说数据传输采用因特网通信协议。

　　TCP／IP独立于特定的计算机软硬件、独立于特定的网络系统，即使你不接入Internet，用它也是最好的组网方案，所以，我们在本文开始，对JGJ／T16－92BAS的网络结构就标明采用TCP／IP，更何况，BAS进入Internet也是势在必行的事情。

　　TCP／IP协议有三个特点，首先它的开放性，可以把现行的各种局域网互联起来，其次，它统一了地址规则，这种IP地址与域名系统的唯一性，保证了因特网走向全球，最后，高层协议基本标准化，使各种用户可靠而且便利，这一特点，在工业自动化中，有很好的应用，可以把标准化的控制总线协议，包装在高层协议中，使TCP／IP成为工业控制通信协议。

　　TCP／IP分成4个层次

　　应用层--常用的应用程序有SMTP、NFS、NIS、SNMNP、FTP、DNS等，以及工业自动化通信协议，也可在本层打包，如Moddbus、HoneywellC-Bus等。

　　传输层--提供端到端的通信，主要功能是信息格式化、数据确认和丢失重传等，主要有和UDP

　　网络接口层--不同网或同网中计算机之间的通信，处理数据报和路由，主要是IP

　　网络接口层--提供与物理网络的连接，它包括所有现行的网络访问标准，最重要的是以太网。

　　5、测控总线MeasureandControlBus

　　BAS现场层和自动层的总线，可视为测控总线。

JGJ／T16－92第26章节规定"从现场到计算机系统的信号传输，需综合考虑""简化传输控制的硬件结构；减少传输导线的根数；弱化维修的技术难度"，还进一步指出了采用的方法"可选用一对一的传输方式、矩阵选码一公用线传输方式或多路复用技术的一路通道多方使用的传输方式""首先考虑时分制"等等。

反映中国行业标准对测控信号传输的重视以及要求采用最新技术的愿望。

在当时的历史条件下，已经把测控总线阐述得淋漓尽致。

　　自从HGH／TI6颁布近十年来，测控信号传输领域发生了重大的变化，这就是现场总线技术所带来的深刻变革，对BAS的影响当然也是非常深远的。

只有现场总线技术才能符合JGJ/T1-92第节规定的三项要求：

最简单的传输控制，最少的导线根数，最方便的维修技术；而且，最重要的是，现场总线带来了工业自动化开放系统的新局面，减少了自控系统寿命周期成本LifeCycleCost。

　　因此，测控总线的讨论，可以归纳为现场总线的讨论。

　　国际电工委员会IEC定义现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

　　安装在控制室内的BAS中央站与现场的分站，分站与现场的传感器，它们之间的信号传输均适用现场总线技术。

换言之，自动化层和现场层，采用现场总线技术是历史发展的必然。

当有人提?

quot;现场总线是管理控制一体化方案的催化剂"时，我们深刻体会这一隽语的丰富内涵。

　　5．1现场总线发展历史

　　1983年，Honeywell公司推出的差分信号驱动器，成功地在4-20mA直流信号上叠加了数字信号，随即投入市场的智能化仪表Smart变送器，是现场总线产品的前驱，这些带有微处理器芯片的仪表，除了在原由模拟信号仪表的基础上增加了复杂的计算功能外，还在4-20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接，从模拟信号过渡到了数字信号。

这种工作机制，成为美国fisher-Rosemount公司着名的现场总线HART通信协议的基础。

　　1984年，美国仪表协会ISA／SO50工作组，开始制定现场总线标准。

IEC也成立现场总线工作组IEC／TC65／SC65C／WG6，开始研究现场总线标准。

　　1985年，国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责研究现场总线体系结构和制定标准。

　　1986年，德国推出Profibus过程现场总线标准。

　　1990年，美国Echelon公司推出LonWorks现场总线产品。

　　1992年，Siemens、Rosemount、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司联合，成立ISP协会，着手在Profibus基础上制定标准。

　　1993年，Honewell、Bailey等公司成立WorldFIP协会，有120家公司参加，准备以法国标准FIP为基础制定标准。

　　1994年，ISP和WorldFIP北美部份合并，成立FF现场总线基金会。

推动现场总线国际标准的开发。

　　1996年，FF公布了低速总线H1标准。

　　2000年1月4日，IEC宣布现场总线国际标准以86%赞成、12%反对通过，IEC-61158面世。

　　5．2现场总线国际标准IEC-61158

　　8种现有的现场总线纳入国际标准，如果考虑到世界上已有30多种现场总线，这也还是在统一的路程上，前进了一大步。

　　从上表可以看出，8种现场，有8种通信协议，互不兼容，距离统一标准的现场总线，还有很大距离，虽然这些现场总线在功能上可以互补。

　　为了解决现场总线统一问题，借鉴IT行业的统一网络通信标准，就是第5种类型，即以太网现场总线。

1998年，在美国休斯敦召开的ISA展览会期间，成正了工业自动化开放式网络联盟IAONA，建议把FF的H2高速现场总线，改成高速以太网HSE，有Honeywell参加的18个公司31位工程师正在Foxboro公司积极进行开发，希望HSE能成为众望所归的现场总线。

　　HSE的特点是速度高，数据通过量大，与计算机联接容易，价格低。

有两类用途，一类是完成由于计算量过大而不适合在现场仪表中进行的运算，另一类是作为多条低速H1总线或其他网络的网关设备。

　　HSE是否适用干BAS，是有待研究的事情。

　　在IEC61158国际标准中，有欧洲标准建筑物自动化系统MBS－TC247推荐的ProfibusFMS总线和WorldFIP总线，但是没有欧洲推荐的LonWorks总线和欧洲设备总线EIB。

　　5．3现场总线的三层结构

　　从IEC61158标准中的8类总线，可以看出现场总线并不需要保持与ISO／OS17层结构一致，只需物理层、数据链路层、应用层等三层就可以了。

因为面向控制的信息比较简单，但需要快速而可靠地到达目的地，七层模式使数据转换变慢，会滞后实时控制的时间要求，七层有关的网络接口成本也较高，同时，现场设备也不需要OSI地址。

　　IEC61158还规定，所有2至8类现场总线，均需对类型1的FF总线提供接口，但2至8类总线之间，不要求提供接口。

　　5．4以太网作为现场总线的主要问题及其解决方法

　　由于以太网采用随机式的CSMA/CD信息发送方式，对事实控制来说，就带来一?

quot;不确定性"问题，不能事先预言测控信息传送的时间，存在着"后到先服务"现象。

而令牌式"排队发言"信息传送是可以预言的。

要克服这个缺点，就要提高以太网的传输能力。

由于10／100BASE－T全双工交换式以太网技术发展，基本上解决了CSMA／CD随即发送带来的"不确定性"问题。

1990年，智能交换机的出现，基本上淘汰了信息发送时的冲突，而且，智能交换机的成本不断下降，为工业控制实际应用提供了可能。

智能交换机，能同时提供多条数据传输途径，功能和电话交换机相似，使整体吞吐量显着提高，同时智能交换机还使用一种名为"切入法"的新桥接技术，是延迟时间又降低了一个数量级。

1993全双工技术是以太网可以同时发送和接收数据，理论上又可以使传输速度翻上一番，再加上快速以太网的出现，以太网在处理事实控制方面，已经可以做到测控信息的传输不再是"不确定"的，而是有着"良好概率GoodProbability"的表现，能够适应事实控制的需要。

　　以太网传送测控信息的另一个问题是线路"利用率"，线路效率。

利用率是指线路用来成功地传输帧的时间部分。

每个以太网数据包中那些不代表实际数据部分较大，共26个字节，这种"开销"使线路利用率下降。

在测控领域，实际数据很短，例如，DI20个字节、DO16个字凇IAO200个字节、通信接口500字节、PID运算500字节、计数器4个字节等，这样，当使用以太网信息包包装时，大量信号还需要加上填充符才能满足最小48个字节数据段的长度要求，如DI、DO、计数器，因此，效率较低。

　　但是，实际上，由于争先式发送，会改变效率，计算指出，如果连续发送两个64字节的以太网信息包，效率可以提高到54％。

尽管如此，在工业自动化领域，仍然重视如何减少"