建筑智能与现场总线控制系统

摘要：从上海调查资料来看，只有２０％的项目具有集成管理系统，而具有综合管理自动化系统也很少。纯管理自动化模式多些，更多的是各自独立分散系统。其资源不能共享，硬件不能共用，系统不能共管。没有完全体现和达到建筑智能化的目的。由于不重视系统集成，各自独立分散的系统。通信协议各产品制造商独自开发，和对外保密。硬件也没有兼容与互换性。当损坏或需更新升级时只能购买原来厂商产品，往往由于价格太贵，而无力配置，造成整个系统不能运行，造成闲置、浪费。 关键词：建筑智能 现场总线控制系统 现场总线的测量系统 Ⅰ、对建筑智能化工程中存在的问题及改进意见 一、当前建筑智能化建设工程中存在的问题建筑智能化工程的质量是一项综合性系统工程，从已建及在建的智能建筑情况来看，建设单位化了很大的投资，但建成后许多不能发挥其作用，或开始使用尚好，但逐步被搁置。 　　从上海调查资料来看，只有２０％的项目具有集成管理系统，而具有综合管理自动化系统也很少。纯管理自动化模式多些，更多的是各自独立分散系统。其资源不能共享，硬件不能共用，系统不能共管。没有完全体现和达到建筑智能化的目的。 　　由于不重视系统集成，各自独立分散的系统。通信协议各产品制造商独自开发，和对外保密。硬件也没有兼容与互换性。当损坏或需更新升级时只能购买原来厂商产品，往往由于价格太贵，而无力配置，造成整个系统不能运行，造成闲置、浪费。 　　造成这种状况，究其原因是建设单位不清楚建设部关于选定智能建筑设计及集成商的规定与要求及其重要意义。另外对智能建筑系统选择过程中需考虑的几个方面技术要求不清楚。本文综合了有关资料供设计及建设单位参考。希望能对建筑智能化工程的建设有所改善，能较好体现出智能化建筑工程的优势和所达到的目的。 二、关于建筑智能化工程设计及集成商的确定 建设部关于建筑智能化工程设计集成商资质的规定。 建设部［９９］１１７号文通知从２０００年１月１日起必须持有智能化工程设计和系统集成专项资质证书的单位，方可在其资质证书范围内承担智能化系统工程的设计和系统集成的业务。地方政府，业务部门应严格管起来，更不应自立门户。 2.系统集成商的选择： 　　当今建筑智能化系统是信息化，数字化的必然产物和发展方向。智能建筑除了与建筑物的个性、标准及用户财力有关外还要有前瞻性。现有方案要与发展很快的信息技术相结合。系统要能方便升级，与发展的先进技术相兼容。现在生产厂商都提出了１５年质量保证体系，因而所实施的工程要能保证用户在１５年内满足不断扩展的业务需要。使投资在１５年内保值。为了达到这样的目的，在考察和选择集成商时，最重要的是集成商的经济实力和后援技术保障。对于建筑智能化系统，不仅在工程建筑完成后能达到设计标准，而且要保障其基础设施使用１５年的寿命。在１５年内能与发展的技术相兼容。对这些保障，集成商要有赔偿能力，所以集成商的经济实力必须是牢靠的，那些昙花一现的公司切不可信赖。 　　在后援技术保障方面，由于通信和计算机产品及技术更新非常快。计算机应用软件在系统投入运行后，也要进行后期的维护、更新、扩充和修改。这一切要求有可靠的，能够长期生存的，有良好信誉的，有业绩的公司，才能在交工后仍可得到良好的技术支持和后援保障。在后援保障方面，集成商公司，应有一支包括下列人员精干的队伍，即系统集成、计算机硬、软件、网络信息管理系统电气设计施工等方面的科技人才。3.建筑智能化通信网络： 　　建筑智能化网络可分为二大类，一类为底层现场控制层网络，另一类为上层网络，包括过程监控及楼宇管理层。上层网络，由以太网，ＴＯＰ等局域网组成采用标准ISO/SIO通信协议。底层现场控制层网络采用现场总线制网络，通信协议是采用实事性强，可靠性高简化的SIO标准。 一、现场总线控制系统的概念（FCS） 现场总线控制是工业（建筑）设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的ＤＣＳ系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是ＤＣＳ系统的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业ＰＣ机内总线插槽的ＰＣ接口板与现场总线网段连接。 二、现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。 1、现场总线控制系统： 它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。 2、现场总线的测量系统： 其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、 抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。 3、设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。 4、总线系统计算机服务模式：以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在ＰＣ机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。 5、数据库： 　　它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。6、网络系统的硬件与软件： 　　网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Ｍangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。 三、现场总线控制系统的特点 1、在功能上管理集中，控制分散，在结构上横向分散、纵向分级。 2、要有快速实时响应能力，对于工业设备的局域网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大，传输速率不高在1MPS以下，信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为0.01—0.5S。所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数，实时对系统信息进行加工处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足过程控制对时间限制的要求。除了控制管理计算机系统的外部设备外，还要控制管理控制系为统的设备，并具有处理随机事件能力。实际操作系统应保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成最重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。实现现场总线控制系统实时性的主要措施为：（1） OSI协议中7层都是提供高度的功能性服务，为此降低了通信流量和增大传输时间，因而影响实时响应能力。因此将OSI七层通信协议，采取不同程度的简化，减少由于层间转换的复杂性，而影响实时响应能力。现场总线控制系统的通信协议一般为物理层、链路层、应用层，再增加一个用户作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总层的四层结构。（2） 把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，使控制功能彻底分散，直接面对对象，接口直观简、结。把同时具有控制、测量与通信功能的功能块，与功能块应用进程，作为网络节点，互连成底层总线网。如ＰＲＵＦＩＢＵＳ总线系统，按照主站、从站分，把底层的通信及控制集中在从站来完成。各公司厂商提供较齐全的各类主站与从站列芯片，实现起来简单又便宜。有如LONWORKS虽然通信协议与OSI相同为七层，但全部固化在一个神经芯元片中，不需要经网络传输，同样可加快实时响应能力，同时应用程序定义一个特殊对象��网络变量存在于神经元芯片ROM中，它是在节点代码编译时确定，将不同节点。同类型的网络变量连接起来进行自控，大大简化了开发和安装分布系统过程。（3） 介质访问协议：一般采用令牌传递总线访问方式（TOKEN BUS）既可达到通信快速的目的，又可以有较高的性价比，对于多路访问冲突检测（CSMA/CD）方法，虽然通信管理上较为简单，但并不能完全避免碰撞现象，实现冲突检测比较复杂，此外在线路中常态干扰与差错往往和碰撞难以区别，因此对现场总线控制系统实时性要求较高的场合，并不十分适合。所以大部分总线控制系统均为令牌传递访问。只有LONWORKS采用改进型的，即带预测P的CSMA访问方式。当一个节点需要发送信息时，先带预测Ｐ测一下网络是否空闲，有空闲则发送，没有空闲则暂时不发，这样就避免了碰撞减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它的实时性与可靠性。（4） 通信方式：一般分调度通信和非调度通信多数为调度通信，用于设备间周期性传输，控制的数据预先设定。非调度通信用于参数设置、设备诊断报警处理。从其功能上分，有主站与从站区分。从站仅对收到信息时确认或当主站发出请求时向它发信息，所以只需总线协议一小部分，既经济，实时性也强。 3、产品要具有互操作性 各制造商产品要通过所属各类总线制协议符合其规定的OSI标准一次性测试，及互操作性测试，并以专门测试中心认证。为了提高其可靠性，还要经过在恶劣环境下鲁棒测试。接口技术采用了OEM集成方法构成产品，可以实现数据开放式传输。 因此，对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态与调用为一个开放系统，使它具有互操作性。 4、要求具有较高可靠性措施： （1） 硬件经过严格挑选，采用专用芯片（ASIC）和表面安装技术（SMT）。（2） 系统软件选用成熟适合实际需要的简单易用软件，及好的工具软件。应用软件采用功能模块化设计，定义清晰明确。（3） 可通过在线可快速排除故障，强化硬件可修复性，如I/O模板可带电插拔，且诊断故障显示，故障时部件自动隔离等（4） 软件上分离化体系结构及各过程站有地域上各自独立的局部数据库。并经过通信网络在逻辑上形成全局数据库。（5） 有多级安全措施，采用容错技术与冗余技术。 四、现场总线控制系统（FCS）代表性通信协议标准 从80年就开始制订统一标准。83年IEC/SC6 5B/WG6国际电工委员会生产过程计算机系统分会的通信分会，制订了PROWAY通信协议，主要是将ISO的OSI参考模型由原来七层改为五层。 此时同时不同行业还陆续出现了许多总线标准，其中有影响的有以下几种： 1、基金会现场总线2、LONWORKS3、PROFIBUS4、CAN 5、ART 而其中CAN用于汽车及机器人数字机床、医疗器械等控制，本文不作介绍。 HART使用FAK技术，它在原模拟控制系统上叠加上一个高频信号，作为网络通信信号，是个过渡性临时标准。