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1. bacnet技术

bacnet是building automation and control network 的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通讯协议。1995年6月，美国暖通空调工程师协会(american society of heating, refrigeration, and air-conditioning engineers，ashrae)经过8年半时间，正式通过全球楼宇自控行业通讯标准——bacnet。同年12月成为美国国家标准，并且还得到欧盟委员会的承认，成为欧盟标准草案。

bacnet是一个标准通讯和数据交换协议。各厂家按照这一协议标准开发与楼宇自控网兼容的控制器与接口，终达到不同厂家生产的控制器都可以相互交换数据，实现互操作性。根据 2005 年的资料，目前世界上已有数百家国际的厂家支持 bacnet ，其中包括楼宇自控系统厂家、消防系统厂家、冷冻机厂家、配电照明系统厂家和安保系统厂家等。

bacnet协议采用符合osi（open system interconnection，开放式系统互联）模型的分层体系结构，由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成。bacnet考虑到楼宇自动控制系统的环境和控制要求，在确定通信体系所划分的层数时，去掉osi七层模型中的表示层、会话层和传输层，构成了一个包含四个层次的分层体系结构，这四个层次与osi模型中的层次对应关系(如表1所示)。

在数据链路层和物理层提供了可供选项的范围，允许根据需要进行选择arenet为令牌总线网，数据传输速率2.5-20mbps,有良好的实时性。ms/tp(master-slave/token ring passing)是一种主从/令牌传递数据链路层技术，允许使用便宜的eia-485硬件，而ptp(peer-to-peer)通信机制联络(如利用线拨号连接)通过使用eia-232信号标准实现，ptp包括数据连接建立、数据交换、数据连接终止三部分。

表1 bac net协议与osi模型的相应层

2. lonworks现场总线技术

lonworks由美国echelon公司于20世纪90年代初期开发出来，是一种完全分散控制的局部操作网技术。目前，已为数千家控制工程公司采用，楼宇自控行业中的巨头们已经加入到这个行列之中，正在生产和开发基于lonworks通信技术的产品。

lonworks网络节点由神经元芯片、收发器、固件和i／o接口电路组成。神经元芯片是这种智能节点的核心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有控制功能。

芯片附有固件，该固件实现lontalk通信协议和所有的任务调度。lontalk协议遵循世界标准组织（international organization for standardization，iso）提出的开放式互联参考模型osi，具有完整的七层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突检测／回避算法，控制物理的／的连接等。lontalk协议对应于osi参考模型各相应层所提供的服务见表2。在链路层，采用了可预测的csma算法：每个发送出的包都含有接收节点的个数，每个节点必须向发送节点的回发应答帧，这使得50％或更多的待发包成为可以预测的。由于能够预测网络通信负荷，就可根据通信流量的多少动态地改变介质存取时延；而且还提供了一种优先权选择，使得具有高优先权的数据帧可在没有竞争的条件下进行传送，这就使整个系统无论在轻载下还是在重载下都处于优化运行状态，保证了控制网络的实时性要求。在顶层，采用了“网络变量”作为用户的应用程序接口。这是一种面向对象的设计方法，它使应用程序中的网络通信程序变成了一种简单的参数设置，极大地方便了每个节点的应用程序与整个系统的信息交换：用户只需要定义网络变量并对将要实现通信的节点中的网络变量进行逻辑连续连接就可以了。

表2 lontalk 7层协议

lonworks网络，可以采用多种通信媒体，如双绞线、线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并且提供与上述多种媒体相适应的收发器。这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。在多种媒体使用的收发器中，特别值得一提的是电力线收发器。利用电力线载波传输网络信息是一个很好的设想，然而只有采用特殊的通信技术才能使其成为现实，因为电力线信道特性变化大、干扰强，无法实现可靠的信息传输。为此，echelon公司采用扩频传送技术，成功地实现了数百米到数千米距离内的可靠通信，传输速率达10kbps。

如上所述，neuron芯片除了具有控制功能之外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理，并且lontalk协议固化在芯片的rom中，这就使得lonworks的微型节点无需中央主机参与，就可以进行相互通信，从而实现了无中心结构的完全分散式控制模式，将控制功能分散到了现场级仪表。当然，在这种无中心结构达到网络中，如果用户需要对系统进行“集中管理”，又可方便地在网络中设计一个或多个由pc机或其他计算机构成的“网络管理者”节点，通过它可以执行网络管理功能，如定义新节点、更换旧节点等，也可以作为操作站运行用户的应用程序，方便用户管理与操作。

lontalk是一个完全符合osi模型的开放式通信协议，具有良好的互操作性，这使不同制造商生产的基于lonworks技术的新一代智能通信产品能够彼此合作，联网工作。为避免众多制造商以不同的含义来解释lonworks技术，保证他们的产品能够方便地集成到一起，以便构成一个真正开放的系统，还建立了lonworks互操作协会，制定了lonworks标准。这个标准已成为事实上的行业标准，按此标准开发的产品都有一个lonmark商标，这个标志表明该产品经过了lonmark测试并且合格，带有了产品的互操作性，这样，lonworks技术就使互操作性变成了一个即插即用的具体手段，正如购买家用电器时，不必怀疑它的电压等级是否能够与住宅内的电压等级相匹配一样。这就使来自不同供应商的不同产品能够集成到一起，形成一个真正开放式的系统，以利于整座建筑物的维护、扩展、更新和原有工程的升级改造。

一、工厂自动化网络结构

工厂自动化网络结构如图1所示，它主要包括现场设备层、车间监控层和工厂管理层3个层次的内容。

图1 工厂自动化网络结构

1、现场设备层

主要功能是连接现场设备，例如分布式i/o、、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。在这里可以采用as-i和profibus通讯总线来进行控制。

2、车间监控层

车间监控层又称为单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。传输速度不是重要的，但是应能传送大容量的信息。在这里主要采用profinet通讯总线来进行控制。

3、工厂管理层

车间操作员工作站通过以太网集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。

二、profibus通讯概述

1、概述

profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的标准，它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等其他领域自动化。profibus 已被纳入现场总线的iec 61158 和欧洲标准en 50170，并于2001 年被定为我国的国家标准jb/t10308.3-2001。

profibus由三个兼容部分组成，即profibus-dp（ decentralized periphery）、profibus-pa（process automation ）和profibus-fms (fieldbus message specification )。其中profibus-dp是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i／o的通信，使用profibus－dp可取代办24vdc或4－20ma信号传输。而profibus-pa是专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。profibus-fms则用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。

profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

与其它现场总线系统相比，profibus的大优点在于具有稳定的en50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。profibus开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中profibus占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。profibus有国际自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。

2、可以连接到profibus dp的设备

如图2所示，大多数设备可以作为 dp 主站或 dp 从站连接至 profibus dp，唯一的限制是它们的行为必须符合标准 iec 61784-1：2002 ed1 cp 3/1。对于其它设备，可以使用以下产品系列的设备：

· simatic s7/m7/c7

· simatic s5

· simatic pd/pc

· simatic(操作面板(op)、操作员站(os)以及文本显示(td)操作员控制和监视设备)

· 其它厂商的设备

图2 可以连接到profibus dp的设备

3、profibus 协议结构

图3所示为profibus的协议结构，profibus 采用主站（master）之间的令牌（token）传递方式和主站与从站（slave）之间的主-从方式。当某主站得到令牌报文后可以与所有主站和从站通信。

图3 profibus 协议结构

在总线初始化和起动阶段建立令牌环。在总线运行期间，从令牌环中去掉有故障的主动节点，将新上电的主动节点加入到令牌环中。监视传输介质和收发器是否有故障，检查站点地址是否出错，以及令牌是否丢失或有多个令牌。

dp 主站与dp 从站间的通信基于主-从原理，dp 主站按轮询表依次访问dp 从站。报文循环由dp 主站发出的请求帧（轮询报文）和由dp 从站返回的响应帧组成。

三、profibus硬件

1、profibus 的物理层

可以使用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)。传输速率9.6k～12m bit/s，假设dp 有32 个站点，所有站点传送512 bit/s输入和512bit/s 输出，在12mbit/s 时只需1ms。每个dp 从站的输入数据和输出数据大为244 字节。使用屏蔽双绞线电缆时长通信距离为9.6km，使用光缆时长90km，多可以接127 个从站。可以使用灵活的拓扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型。

dp 和fms 使用相同的传输技术和统一的总线存取协议，可以在同一根电缆上同时运行。dp/fms 符合eia rs-485 标准（也称为h2），采用屏蔽或非屏蔽双绞线电缆，9.6 kbit/s 到12m bit/s。一个总线段多32 个站，带中继器多127 个站。

2、d 型连接器

profibus 标准推荐总线站与总线的相互连接使用9 针d 型连接器（如图4所示）。a，b 线上的波形相反。信号为1 时b 线为高电平，a 线为低电平。

图4 针d 型连接器

使用该连接器时，注意a1和b1为入线电缆接口端、a2、b2为出线电缆接入端；在接线时将电缆内的绿色芯缆接入a、红色芯缆接b，并将profibus电缆的紫色外皮剥去适宜长度，并保留部分屏蔽层