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摘要：中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T16-92《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第26章《建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）》所規(guī)定的模擬和數(shù)字混合的集散型系統(tǒng)（TDS），已面臨更新為全數(shù)字系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。就像工業(yè)自動化一樣，建筑物自動化市場在技術(shù)接受期曲線上，通常落后于商業(yè)領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用會有幾年之久……

關(guān)鍵詞：建筑物自動化總線技術(shù)

中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T16-92《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第26章《建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）》所規(guī)定的模擬和數(shù)字混合的集散型系統(tǒng)（TDS），已面臨更新為全數(shù)字系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。就像工業(yè)自動化一樣，建筑物自動化市場在技術(shù)接受期曲線上，通常落后于商業(yè)領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用會有幾年之久，因此，在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成功運(yùn)用多年的個(gè)人計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)通信，現(xiàn)在卻成為BAS更新途徑的熱門話題。PC-BasedControl和以太網(wǎng)技術(shù)，已經(jīng)開始全面進(jìn)入BAS領(lǐng)域。2000年3月，Honewell公司推出的全數(shù)字化閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)DVM，就用PC-BasedVideoServer，類似于商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的個(gè)人計(jì)算機(jī)式視頻服務(wù)器，取代了傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字混合的CCTV閉路電視矩陣切換器和磁帶錄象設(shè)備；DVM系統(tǒng)中，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換接口把所有攝像機(jī)的視頻信號直接連入以太網(wǎng)通信，每20臺攝像機(jī)使用1臺VideoServer。這種第三代保安監(jiān)控電視的全數(shù)字化CCTV以太網(wǎng)系統(tǒng)，已經(jīng)在澳大利亞悉尼機(jī)場使用。

PC機(jī)技術(shù)日新月異的進(jìn)步，使BAS的中央站功能不斷增強(qiáng)；PC機(jī)的商業(yè)軟件，如ODBC、API等等，已成為BAS的標(biāo)準(zhǔn)軟件；基于PC機(jī)技術(shù)的分站不斷發(fā)展。信息領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)對工業(yè)自動化和建筑物自動化各個(gè)層面的影響，從上到下。BAS管理層的以太網(wǎng)正在下植到自動化層和更低的現(xiàn)場層。BAS三層結(jié)構(gòu)將會成為以太網(wǎng)"一網(wǎng)到底"的三層網(wǎng)絡(luò)。完成這項(xiàng)"通體透明網(wǎng)絡(luò)"革新的主要技術(shù)，就是以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，也可稱為以太網(wǎng)I/O（Input/Output），是控制技術(shù)和信息技術(shù)的完美結(jié)合，性能發(fā)揮到極致，它或許能夠解決工業(yè)自動化長期爭論不休的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化問題，是商業(yè)技術(shù)影響工控技術(shù)的一個(gè)范例。

以總線為脈絡(luò)，分析計(jì)算機(jī)總線、測控總線和網(wǎng)絡(luò)總線在BAS技術(shù)發(fā)展中分別擔(dān)綱的角色，可以加深對BAS未來發(fā)展的了解。

1、總線BUS

總線一詞，源于計(jì)算機(jī)技術(shù)。總線是各種信號線的集合（包括地址、數(shù)據(jù)、控制、電源等），是各種信息傳輸?shù)耐?，有匯總的涵義。微軟百科詞典定義總線為：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件之間用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M硬件連線（導(dǎo)線）。IBM公司將其簡稱為用于傳輸信號或功率的一根或多根導(dǎo)體。在建筑物自動化中，BAS總線可解釋為用來連接中央站分站、現(xiàn)場設(shè)備或者各種系統(tǒng)的那些具有導(dǎo)電性的通路，以完成數(shù)據(jù)或信號的傳輸。

以應(yīng)用范圍來分，BAS總線可劃分為計(jì)算機(jī)總線、測控總線和網(wǎng)絡(luò)總線、。計(jì)算機(jī)總線用于上位管理計(jì)算機(jī)和中央站內(nèi)部部件的連接。測控總線用于中央站與分站的連接，分站與現(xiàn)場設(shè)備的連接，現(xiàn)場設(shè)備之間的連接。網(wǎng)絡(luò)總線則是將上位管理計(jì)算機(jī)和中央站、瀏覽器等視為節(jié)點(diǎn)而共同連接在一起的一條多分支線路，將數(shù)據(jù)置于網(wǎng)絡(luò)總線中，數(shù)據(jù)將會經(jīng)所有的節(jié)點(diǎn)檢測后，由其指定地址的節(jié)點(diǎn)接收。BAS管理層的以太網(wǎng)就是網(wǎng)絡(luò)總線。當(dāng)以太網(wǎng)下植到自動化層和現(xiàn)場層以后，以太網(wǎng)又扮演著測控總線的角色，在這種背景下，我們借用"網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)"的概念，不免也可以說"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"，因?yàn)樗袀鞲衅?、?zhí)行器、分站、中央站已經(jīng)遍布以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)被賦予完成分布式控制兼有普通信息存取的能力，人們可以隨心所欲使用以太網(wǎng)，無論是進(jìn)行實(shí)時(shí)控制還是傳遞管理信息。

2、標(biāo)準(zhǔn)化Standardization

作為信息傳輸通路的總線，追求標(biāo)準(zhǔn)化，是各種總線的共同目標(biāo)；只有標(biāo)準(zhǔn)總線，才能夠支持更多的性能不同的產(chǎn)品的連接，完成更多更好的系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)更完善的控制和管理，因此，總經(jīng)以其有匯集性能的特點(diǎn)，尤其需要標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)總線的形成，主要有兩種方法，一種是由非商業(yè)的或政府組織所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)，目的在于使某一種類型總線開發(fā)和使用規(guī)范化，例如RS232C；這種正規(guī)的合法的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是在對已有方法、途徑及技術(shù)開發(fā)進(jìn)行仔細(xì)研究的基礎(chǔ)上起草，并經(jīng)正式批準(zhǔn)后產(chǎn)生，這種標(biāo)準(zhǔn)通常包括著一些國際標(biāo)準(zhǔn)。另外一種方法，是有某一家公司先行開發(fā)出一種總線技術(shù)，由于成功，得到其它公司模仿和廣泛使用，以至一偏離該總線就會產(chǎn)生不兼容問題，導(dǎo)致產(chǎn)品在市場中受到限制，例如現(xiàn)場總線LonTalkBus；這類事實(shí)上的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是基于市場需求產(chǎn)生而形成的，無需正式批準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)通常包括大量流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3、計(jì)算機(jī)總線ComputerBus

中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T16-92第26章BAS，對中央站硬件、組態(tài)、系統(tǒng)軟件的規(guī)定（26.4.26.5）非常簡單，僅是基于采用計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控中心的一般原則，如應(yīng)設(shè)置CPU、CIU、CRT、打印機(jī)等規(guī)定，對上位管理計(jì)算機(jī)則僅限于優(yōu)化控制與管理某些功能要求。但是，近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、存儲系統(tǒng)、處理器技術(shù)、輸入輸出系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，都是如此，其中，計(jì)算機(jī)總線技術(shù)與工業(yè)自動化、建筑物自動化關(guān)系密切，計(jì)算機(jī)總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息總通道，性能優(yōu)劣，對BAS上位管理計(jì)算機(jī)和工作站的影響是至關(guān)重要的。因?yàn)椴捎孟冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)總線，可以提高工作站的帶寬，改變工作站的兼容性和開放性，并能提高工作站的可靠性，這對控制系統(tǒng)無疑是最重要的性能。例如，使用PCI總線技術(shù)的PC機(jī)，每年停機(jī)時(shí)間可以小于315秒中，可靠性高達(dá)99.99%，因此，BAS用戶已經(jīng)開始關(guān)心工作站的計(jì)算機(jī)總線，2000年9月山西省太原市某國際貿(mào)易中心大廈BAS招標(biāo)文件中，明確提出中央站應(yīng)該使用計(jì)算機(jī)33MHz三總線結(jié)構(gòu)PCI（外部設(shè)備互聯(lián)總線），說明用戶不僅關(guān)心各種功能模塊設(shè)置，還要求提供工控級別的總線來保證工作站性能。隨著基于PC機(jī)控制的技術(shù)進(jìn)展，計(jì)算機(jī)總線對BAS的影響會更加重要。因?yàn)锽AS將逐漸最終成為由一臺PC機(jī)控制幾條現(xiàn)場總線的系統(tǒng)。

3．1計(jì)算機(jī)總線的發(fā)展歷史

1970年，DEC公司首先推出了稱為Unibus的總線，把PDP11小型計(jì)算機(jī)上所有的部件、設(shè)備都連接在一起。它是一種單總線結(jié)構(gòu)。

1981年，IBM公司在第1臺個(gè)人計(jì)算機(jī)IBMPC/XT上推出了XT總線，也是單總線，1984年，采用16位CPU的IBMPC/AT出臺，AT總線在XT總線結(jié)構(gòu)上，增加了一組輸入/輸出總線，形成雙總線結(jié)構(gòu)。AT總線就是著名的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線ISA，全稱是IndustrialArchitecture工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，它是通過將板卡出入IBMPC及其兼容機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展槽來添加計(jì)算機(jī)部件的總線設(shè)計(jì)規(guī)范。1989年康柏、惠普等9家公司在ISA基礎(chǔ)上，推出EISA，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，這是一種把附加卡（例如視頻卡、內(nèi)置卡MODEM卡及支持其它外圍設(shè)備的卡）聯(lián)接到PC機(jī)主板的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。EISA總線操作頻率比ISA高很多，能提供很多的數(shù)據(jù)吞吐率。

為了提高PC機(jī)性能，使某些擴(kuò)展板可以直接與微處理器通信，而不必經(jīng)過通常使用的系統(tǒng)總線，Intel公司提供了PCI總線規(guī)范。這種局部總線允許在計(jì)算機(jī)上安裝多至10個(gè)PCI兼容的擴(kuò)展卡，PCI局部總線系統(tǒng)需要在某個(gè)PCI兼容插槽中安裝一塊PCI控制卡，每次可以以32位或64位的速度與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PCI規(guī)范還考慮了多路復(fù)用Multiplexing。因此，PCI總線已成為今天計(jì)算機(jī)事實(shí)上的局部總線標(biāo)準(zhǔn)。由于PCI獨(dú)立于處理器，不僅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，能使現(xiàn)有的多種計(jì)算機(jī)都能平滑過度到新標(biāo)準(zhǔn)，所以尤其受工業(yè)控制機(jī)行業(yè)的歡迎，建立了PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)協(xié)會PCIIndustrialComputerManufacturersGroup（PCIMG），致力于在工控機(jī)行業(yè)推廣PCI總線。1995年，出版了CompactPCI規(guī)范。

PCI總線在計(jì)算機(jī)中配置了3組總線，時(shí)鐘33MHz，與CPU時(shí)鐘頻率無關(guān)，寬度32位，可擴(kuò)展至64位，帶寬達(dá)132Mbps至246Mbps，可以和ISA、EISA、VL-BUS等總線兼容，支持5V和3.3V兩種電壓，可以在芯片、軟件和開發(fā)工具方面廣泛利用PC機(jī)豐富資源，它具有良好的網(wǎng)絡(luò)性能、圖形視窗介面和數(shù)據(jù)存貯性能，是工業(yè)自動化和建筑物自動化中央站理想的計(jì)算機(jī)總線。

3．2標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)總線

國際標(biāo)準(zhǔn)

IEEE969（S-100）微機(jī)通用

IEEE488（HP-IB）測試儀器

IEEE1394（FireWire）測試儀器

EIARS232C設(shè)備總線

EIARS422/423/449/485設(shè)備總線

ANSISCSI小型計(jì)算機(jī)，設(shè)備總線

VESAVL-BUS局部總線

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（流行微機(jī)總線）

ISA系統(tǒng)總線

EISA系統(tǒng)總線

PCI局部總線

3．3新一代計(jì)算機(jī)總線（正在開發(fā)中）

1998.9PCI-XCompaqIBMHP

1998.12NGIO（NextGenerationI/O）IntelDellSunNEC日立NEC西門子

1999.2FutuieI/OCompaqIBMHP

4、網(wǎng)絡(luò)總線NetworkBus

中國標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T16-92第26章BAS，規(guī)定"優(yōu)先采用共享總線型"局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為BAS管理層、自動化層、現(xiàn)場層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即用一條總線，把上位管理計(jì)算機(jī)、中央站、分站、現(xiàn)場設(shè)備各自連接在一起，形成三層局域網(wǎng)。因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)共享一條傳輸通路，一次只能允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，所以需要建立信息發(fā)送的控制方式，JGJ/T96-在26.6.6條文說明中，沒有明確規(guī)定是用IEEE802.3以太網(wǎng)的CSMA/CD波及監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測爭搶發(fā)送，還是用IEEE802.4令牌總線排隊(duì)訪問控制，只有指出這兩種方法都是"目前流行的"，但是"并無一致的看法"。在26.6《信號傳輸與數(shù)據(jù)通信》中，則把現(xiàn)場層至自動化層之間的信息傳遞成為"信號傳輸"，把自動化層和管理層之間的信息傳遞，稱為"數(shù)據(jù)通信"，以示區(qū)別，前者為現(xiàn)場設(shè)備與計(jì)算機(jī)通信，包括模擬信號，后者為計(jì)算機(jī)之間通信，全部為數(shù)字信號。

20多年來，發(fā)展極為成功的以太網(wǎng)技術(shù)，已經(jīng)得到公認(rèn)。人類進(jìn)入英特網(wǎng)時(shí)代，以太網(wǎng)也迅速進(jìn)入工業(yè)自動化的各層網(wǎng)絡(luò)。電氣電子工程師協(xié)會IEEE基于802.3以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)，正在積極制定現(xiàn)場與以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)，使以太網(wǎng)能夠直接為現(xiàn)場層所使用，可以預(yù)見，正象個(gè)人計(jì)算機(jī)PC迅速進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域一樣，以太網(wǎng)以及TCP/IP、UDP/IP協(xié)議將十分迅速進(jìn)入工業(yè)自動化各個(gè)領(lǐng)域，包括BAS。

網(wǎng)絡(luò)總線是網(wǎng)絡(luò)通信總線的簡稱，在BAS中，網(wǎng)絡(luò)總線是上位管理計(jì)算機(jī)、中央站、分站、現(xiàn)場設(shè)備之間的連接總線，從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度上看，它是計(jì)算機(jī)的外部總線，計(jì)算機(jī)總線則可視為內(nèi)部總線。網(wǎng)絡(luò)總線屬于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)算機(jī)總線屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)是多個(gè)計(jì)算機(jī)的集合系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信和資源共享是其特點(diǎn)。今天，已經(jīng)進(jìn)?quot;網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)"的時(shí)代，通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合、同步發(fā)展，計(jì)算機(jī)總線和網(wǎng)絡(luò)總線是計(jì)算機(jī)一種技術(shù)的兩個(gè)方面。新一代的計(jì)算機(jī)已經(jīng)把網(wǎng)絡(luò)接口集成到計(jì)算機(jī)母板上，網(wǎng)絡(luò)功能已經(jīng)嵌入到操作系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡(luò)總線可以視為計(jì)算機(jī)總線的外部延伸，密不可分。不進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的工作站，是不完整的工作站。在建筑物領(lǐng)域，BAS是建筑物整體計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要子網(wǎng)，形成建筑物管理和建筑物設(shè)備控制一體化是從網(wǎng)絡(luò)開始的。計(jì)算機(jī)總站維系著BAS的通信子網(wǎng)，資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的組合，就是建筑物自動化網(wǎng)絡(luò)，就是建筑物自動化系統(tǒng)。

4．1以太網(wǎng)的發(fā)展歷史

1968-1972Aloha無線電系統(tǒng)夏威夷大學(xué)開創(chuàng)爭用型通信

1972-1977首臺以太網(wǎng)2.94MMetcalf和Boggs先生建立CAMA/CD

1979-1983粗同軸以太網(wǎng)10MCom（DEC、Intel、Xerox）10BASE5

1980-1982細(xì)同軸以太網(wǎng)商品化10M3ComISA總線與10BASE2相連

1984-1987雙絞線以太網(wǎng)1MUTPHP、AT&T1BASE5

1986-1990綜合布線+雙線絞線以太網(wǎng)10MSynOptics、HP10BASET

1990-1994交換式和全雙工以太網(wǎng)10MKalpanaEtherSwitch

1992-1995快速以太網(wǎng)100MUTPGrandJunction100BASET

1996-?千兆位以太網(wǎng)1000MIEEE802.3z1000BASEF

4．2以太網(wǎng)與局域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3

以太網(wǎng)是商業(yè)市場上發(fā)展的，而802.3標(biāo)準(zhǔn)是獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)組織《電氣與電子工程師學(xué)會》開發(fā)的802.3是基于以太網(wǎng)第1個(gè)版本制定，但在一定程度上改進(jìn)了設(shè)計(jì)，1983年公布以后，以太網(wǎng)以此又作了修改，原來互不兼容的局域網(wǎng)，變?yōu)榛ハ嗉嫒荩ǖ煌耆嫒荩?。二者主要區(qū)別是結(jié)構(gòu)不同，例如，最大數(shù)據(jù)單元，802.3是1460字節(jié)，以太網(wǎng)是1500字節(jié)。但是，通?？梢园?02.3視同以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)速率有10M和100M兩種，最大1518字節(jié)，最大段長度500米（粗同軸）、185米（細(xì)同軸）、100米（UTP），中斷段綜合長度2500米（粗同軸）、925米（細(xì)同軸）、2500米（UTP）。

在BAS中用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)總線時(shí)，現(xiàn)在BAS供應(yīng)商所提供的以太網(wǎng)接口卡NIC（安裝在中央站中），應(yīng)該是10M/100M自適應(yīng)型，以滿足用戶部署100M快速以太網(wǎng)的要求，例如Intel公司的PRO/100+管理適配器，適用于有PCI總線的臺式機(jī)，能自動監(jiān)聽集線器速度，從而自動選擇10M或100M，能支持最新的連接管理規(guī)范wfw2.0，支持所有的主要操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，WinNT、95、98、2000，Nerware、UNIX，支持10BAS-TX，5類UTP，RJ-45連接器，數(shù)據(jù)路徑寬度32位，可在0-55℃環(huán)境中工作。

4．3以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（MAC）CSMA/CD

載波監(jiān)聽多址訪問/沖突檢測是以太網(wǎng)搶先式信息發(fā)送的主要技術(shù)，它包括有先聽再講、無聲則講、有空就講、邊講邊聽、一人獨(dú)講、退避三舍等信息發(fā)送規(guī)則，保證所有站點(diǎn)都能以公平方式通過競爭來訪問大家共享的以太網(wǎng)，雖然難免有"后到先服務(wù)"的現(xiàn)象，但是，由于CSMA/CD有一套完整的處理沖突的方法，大體上實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)總線的公平訪問。它是退避三舍的自調(diào)整功能，保證所有信息的發(fā)送都是成功的，例如常用的一種沖突退避延遲算法，稱為"截?cái)嗟亩M(jìn)制指數(shù)回退（EBE）"，它使發(fā)送信息的站點(diǎn)，每沖突一次，自動延遲一個(gè)以2的冪函數(shù)計(jì)算的退避時(shí)間，用這種不斷擴(kuò)大回退時(shí)間來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化，這是一種很巧妙的方法。它規(guī)定了退避也是有限度的，即最大退避時(shí)間以210倍為限，忍讓次數(shù)也是有限的，以216次為限，否則就會丟掉這個(gè)屢發(fā)屢敗以太岡幀，這種情況是絕少發(fā)生的，除非以太網(wǎng)已經(jīng)癱瘓。

以太網(wǎng)每幀發(fā)送之間有一個(gè)固定的間隙64字節(jié)、512位，稱為時(shí)間片，用來識別由于沖突而失敗的發(fā)送信息幀碎片（最小幀規(guī)定為64字節(jié)，包括48字節(jié)數(shù)據(jù)），在512位時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)岡所有站點(diǎn)檢測到載波（有信息發(fā)送）和合法的沖突、信息幀碎片，從而保證以太網(wǎng)能正常工作，不受非有效幀（碎片）的影響。

一般談到以太網(wǎng)，主要是指802.3的CSMA/CD協(xié)議，它是以太網(wǎng)的主經(jīng)軟件（其它還幀結(jié)構(gòu)軟件等）此外，以太網(wǎng)還包括以太網(wǎng)接口卡NIC、收發(fā)器、中繼器硬件。總之，以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)，是共享總線型局域網(wǎng)（包括集線器Hub網(wǎng)絡(luò)），是國際標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)之一，應(yīng)用最廣泛。

4．4以太網(wǎng)與TCP／IP

傳輸控制協(xié)議／網(wǎng)際協(xié)議（TCP／IP）是實(shí)踐中產(chǎn)生的解決網(wǎng)絡(luò)互連和異構(gòu)計(jì)算機(jī)之間提供可行的透明通信服務(wù)的一組協(xié)議，它是世界上最大網(wǎng)絡(luò)因特網(wǎng)的基礎(chǔ)。以其公用性和有效性，成為公認(rèn)的開放系統(tǒng)。TCP／IP是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，或者簡稱其為因特網(wǎng)通信協(xié)議。

BAS結(jié)構(gòu)圖中，標(biāo)明以太網(wǎng)，是說網(wǎng)絡(luò)采用共享總線拓?fù)?，?biāo)明TCP／IP，是說數(shù)據(jù)傳輸采用因特網(wǎng)通信協(xié)議。

TCP／IP獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)軟硬件、獨(dú)立于特定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即使你不接入Internet，用它也是最好的組網(wǎng)方案，所以，我們在本文開始，對JGJ／T16－92BAS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就標(biāo)明采用TCP／IP，更何況，BAS進(jìn)入Internet也是勢在必行的事情。

TCP／IP協(xié)議有三個(gè)特點(diǎn)，首先它的開放性，可以把現(xiàn)行的各種局域網(wǎng)互聯(lián)起來，其次，它統(tǒng)一了地址規(guī)則，這種IP地址與域名系統(tǒng)的唯一性，保證了因特網(wǎng)走向全球，最后，高層協(xié)議基本標(biāo)準(zhǔn)化，使各種用戶可靠而且便利，這一特點(diǎn)，在工業(yè)自動化中，有很好的應(yīng)用，可以把標(biāo)準(zhǔn)化的控制總線協(xié)議，包裝在高層協(xié)議中，使TCP／IP成為工業(yè)控制通信協(xié)議。

TCP／IP分成4個(gè)層次：

應(yīng)用層--常用的應(yīng)用程序有SMTP（郵件傳送）、NFS（網(wǎng)絡(luò)文件）、NIS（網(wǎng)絡(luò)信息）、SNMNP（網(wǎng)絡(luò)管理）、FTP（文件傳輸）、DNS（域名系統(tǒng)）等，以及工業(yè)自動化通信協(xié)議，也可在本層打包，如Moddbus、HoneywellC-Bus等。

傳輸層--提供端到端（即應(yīng)用程序之間）的通信，主要功能是信息格式化、數(shù)據(jù)確認(rèn)和丟失重傳等，主要有（TCP傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UserDataprogramProtocol，它在工業(yè)自動化應(yīng)用中看好，它把數(shù)據(jù)先打包，后經(jīng)IP發(fā)送，效率高于TCP）

網(wǎng)絡(luò)接口層--不同網(wǎng)或同網(wǎng)中計(jì)算機(jī)之間的通信，處理數(shù)據(jù)報(bào)和路由，主要是IP（網(wǎng)際互連協(xié)議）

網(wǎng)絡(luò)接口層--提供與物理網(wǎng)絡(luò)的連接，它包括所有現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)訪問標(biāo)準(zhǔn)，最重要的是以太網(wǎng)（802.3系列）。

5、測控總線MeasureandControlBus

BAS現(xiàn)場層和自動層的總線，可視為測控總線。JGJ／T16－92第26章BAS26.6.l節(jié)規(guī)定"從現(xiàn)場到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號傳輸，需綜合考慮""（1）簡化傳輸控制的硬件結(jié)構(gòu)；（2）減少傳輸導(dǎo)線的根數(shù)；（3）弱化維修的技術(shù)難度"，還進(jìn)一步指出了采用的方法"可選用一對一的傳輸方式、矩陣選碼一公用線傳輸方式或多路復(fù)用技術(shù)的一路通道多方使用的傳輸方式（陣列式傳輸方式）""首先考慮時(shí)分制"等等。反映中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對測控信號傳輸?shù)闹匾曇约耙蟛捎米钚录夹g(shù)的愿望。在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，已經(jīng)把測控總線闡述得淋漓盡致。

自從HGH／TI6頒布近十年來，測控信號傳輸領(lǐng)域發(fā)生了重大的變化，這就是現(xiàn)場總線技術(shù)所帶來的深刻變革，對BAS的影響當(dāng)然也是非常深遠(yuǎn)的。只有現(xiàn)場總線技術(shù)才能符合JGJ/T1-92第26.6.1節(jié)規(guī)定的三項(xiàng)要求：最簡單的傳輸控制，最少的導(dǎo)線根數(shù)，最方便的維修技術(shù)；而且，最重要的是，現(xiàn)場總線帶來了工業(yè)自動化開放系統(tǒng)的新局面，減少了自控系統(tǒng)壽命周期成本LifeCycleCost。

因此，測控總線的討論，可以歸納為現(xiàn)場總線的討論。

國際電工委員會IEC定義現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。

安裝在控制室內(nèi)的BAS中央站與現(xiàn)場的分站，分站與現(xiàn)場的傳感器，它們之間的信號傳輸均適用現(xiàn)場總線技術(shù)。換言之，自動化層和現(xiàn)場層，采用現(xiàn)場總線技術(shù)是歷史發(fā)展的必然。當(dāng)有人提?quot;現(xiàn)場總線是管理控制一體化方案的催化劑"時(shí)（美國Fisher公司Martin先生），我們深刻體會這一雋語的豐富內(nèi)涵。

5．1現(xiàn)場總線發(fā)展歷史

1983年，Honeywell公司推出的差分信號驅(qū)動器，成功地在4-20mA直流信號上疊加了數(shù)字信號，隨即投入市場的智能化儀表Smart變送器，是現(xiàn)場總線產(chǎn)品的前驅(qū)，這些帶有微處理器芯片的儀表，除了在原由模擬信號儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計(jì)算功能外，還在4-20mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，使現(xiàn)場與控制室之間的連接，從模擬信號過渡到了數(shù)字信號。這種工作機(jī)制，成為美國fisher-Rosemount公司著名的現(xiàn)場總線HART通信協(xié)議的基礎(chǔ)。

1984年，美國儀表協(xié)會ISA／SO50工作組，開始制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。IEC也成立現(xiàn)場總線工作組IEC／TC65／SC65C／WG6，開始研究現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。

1985年，國際電工委員會決定由ProwayWorkingGroup負(fù)責(zé)研究現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)和制定標(biāo)準(zhǔn)。

1986年，德國推出Profibus過程現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。

1990年，美國Echelon公司推出LonWorks現(xiàn)場總線產(chǎn)品。

1992年，Siemens、Rosemount、Rosemount、ABB、Foxboro、Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立ISP協(xié)會，著手在Profibus基礎(chǔ)上制定標(biāo)準(zhǔn)。

1993年，Honewell、Bailey等公司成立WorldFIP協(xié)會，有120家公司參加，準(zhǔn)備以法國標(biāo)準(zhǔn)FIP（FactorInsrtumentationProtocol）為基礎(chǔ)制定標(biāo)準(zhǔn)。

1994年，ISP和WorldFIP北美部份合并，成立FF現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation）。推動現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。

1996年，F(xiàn)F公布了低速總線H1標(biāo)準(zhǔn)。

2000年1月4日，IEC宣布現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)以86%贊成、12%反對通過，IEC-61158面世。

5．2現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC-61158

8種現(xiàn)有的現(xiàn)場總線納入國際標(biāo)準(zhǔn)，如果考慮到世界上已有30多種現(xiàn)場總線，這也還是在統(tǒng)一的路程上，前進(jìn)了一大步。

從上表可以看出，8種現(xiàn)場，有8種通信協(xié)議，互不兼容，距離統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，還有很大距離，雖然這些現(xiàn)場總線在功能上可以互補(bǔ)。

為了解決現(xiàn)場總線統(tǒng)一問題，借鑒IT行業(yè)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，就是第5種類型，即以太網(wǎng)現(xiàn)場總線。1998年，在美國休斯敦召開的ISA展覽會期間，成正了工業(yè)自動化開放式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA，建議把FF的H2高速現(xiàn)場總線，改成高速以太網(wǎng)HSE，有Honeywell參加的18個(gè)公司31位工程師正在Foxboro公司積極進(jìn)行開發(fā)，希望HSE能成為眾望所歸的現(xiàn)場總線。

HSE的特點(diǎn)是速度高（100Mbps），數(shù)據(jù)通過量大，與計(jì)算機(jī)聯(lián)接容易，價(jià)格低。有兩類用途，一類是完成由于計(jì)算量過大而不適合在現(xiàn)場儀表中進(jìn)行的運(yùn)算，另一類是作為多條低速H1總線或其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

HSE是否適用干BAS，是有待研究的事情。

在IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)中，有歐洲標(biāo)準(zhǔn)建筑物自動化系統(tǒng)MBS－TC247推薦的ProfibusFMS總線和WorldFIP總線，但是沒有歐洲推薦的LonWorks總線和歐洲設(shè)備總線EIB。

5．3現(xiàn)場總線的三層結(jié)構(gòu)

從IEC61158標(biāo)準(zhǔn)中的8類總線，可以看出現(xiàn)場總線并不需要保持與ISO／OS17層結(jié)構(gòu)一致，只需物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層等三層就可以了。因?yàn)槊嫦蚩刂频男畔⒈容^簡單，但需要快速而可靠地到達(dá)目的地，七層模式使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變慢，會滯后實(shí)時(shí)控制的時(shí)間要求，七層有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口成本也較高，同時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備也不需要OSI地址。

IEC61158還規(guī)定，所有2至8類現(xiàn)場總線，均需對類型1的FF總線提供接口，但2至8類總線之間，不要求提供接口。

5．4以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線的主要問題及其解決方法

由于以太網(wǎng)802.3采用隨機(jī)式的CSMA/CD信息發(fā)送方式，對事實(shí)控制來說，就帶來一?quot;不確定性"問題，不能事先預(yù)言測控信息傳送的時(shí)間，存在著"后到先服務(wù)"現(xiàn)象。而令牌式"排隊(duì)發(fā)言"信息傳送是可以預(yù)言的。要克服這個(gè)缺點(diǎn)，就要提高以太網(wǎng)的傳輸能力。由于10／100BASE－T全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，基本上解決了CSMA／CD隨即發(fā)送帶來的"不確定性"問題。1990年，智能交換機(jī)的出現(xiàn)，基本上淘汰了信息發(fā)送時(shí)的沖突，而且，智能交換機(jī)的成本不斷下降，為工業(yè)控制實(shí)際應(yīng)用提供了可能。智能交換機(jī)（網(wǎng)絡(luò)開關(guān)EtherSwitch），能同時(shí)提供多條數(shù)據(jù)傳輸途徑，功能和電話交換機(jī)相似，使整體吞吐量顯著提高，同時(shí)智能交換機(jī)還使用一種名為"切入法"（CutThrough）的新橋接技術(shù)（常規(guī)橋接是使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)），是延遲時(shí)間又降低了一個(gè)數(shù)量級。1993全雙工技術(shù)是以太網(wǎng)可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，理論上又可以使傳輸速度翻上一番，再加上快速以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)在處理事實(shí)控制方面，已經(jīng)可以做到測控信息的傳輸不再是"不確定"的，而是有著"良好概率GoodProbability"的表現(xiàn)，能夠適應(yīng)事實(shí)控制的需要。

以太網(wǎng)傳送測控信息的另一個(gè)問題是線路"利用率"，線路效率。利用率是指線路用來成功地傳輸幀的時(shí)間部分。每個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中那些不代表實(shí)際數(shù)據(jù)部分（同步、地址、字段長度、錯(cuò)誤檢驗(yàn)）較大，共26個(gè)字節(jié)，這種"開銷"使線路利用率下降。在測控領(lǐng)域，實(shí)際數(shù)據(jù)很短，例如，DI20個(gè)字節(jié)、DO16個(gè)字?、AIAO200個(gè)字節(jié)、通信接口500字節(jié)、PID運(yùn)算500字節(jié)、計(jì)數(shù)器4個(gè)字節(jié)等，這樣，當(dāng)使用以太網(wǎng)信息包包裝時(shí)，大量信號還需要加上填充符才能滿足最小48個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)段的長度要求，如DI、DO、計(jì)數(shù)器，因此，效率較低。

但是，實(shí)際上，由于爭先式發(fā)送，會改變效率，計(jì)算指出，如果連續(xù)發(fā)送兩個(gè)64字節(jié)的以太網(wǎng)信息包，效率可以提高到54％。盡管如此，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，仍然重視如何減少"開銷"，提高通信效率，例如，在通信協(xié)議中，想已用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP來取代最常用的傳輸控制協(xié)議TCP，因?yàn)閁DP信息包的包裝比TCP簡單，只有4個(gè)字節(jié)，而TCP，則是26個(gè)字節(jié)。IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線HSE高速以太網(wǎng)就考慮采用UDP／IP來代替TCP／IP。

不過，以太網(wǎng)的高速度，已經(jīng)把這些問題全部覆蓋了，就算是以最低速3Mbps有效速率運(yùn)行，一個(gè)100個(gè)字節(jié)的實(shí)時(shí)控制信息，在以太網(wǎng)的傳輸時(shí)間，只有0.336毫秒（[100＋26]×8/3M），對BAS，已是很理想的數(shù)據(jù)了。

5．5TCP／IP作為現(xiàn)場總線的通信協(xié)議的討論

TCP／IP協(xié)議是一組協(xié)議，采用四層結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)場總路線三層結(jié)構(gòu)很相似，因此，適用于現(xiàn)場總線。

采用TCP／IP的以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，由于數(shù)據(jù)鏈路層的CSMA／CD，使得數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間是建立?quot;概率"基礎(chǔ)上，但由于以太網(wǎng)線路的改進(jìn)，情況大為改善。

TCP／IP是非常流行的技術(shù)，移植到現(xiàn)場總線是順理成章的事，問題之一是TCP／IP是為因特網(wǎng)設(shè)計(jì)的，TCP是要處理面對成千上萬的網(wǎng)站，它要處理好這么多路由的連接，只能采取在TCP層，設(shè)置發(fā)送機(jī)和接收機(jī)，提供端到端的可靠的進(jìn)程間的通信，使數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中始終保持連接狀態(tài)，只有雙向通信。TCP才去發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)（雙向通信不是指兩機(jī)器獨(dú)占式通過網(wǎng)絡(luò)對話，而是說兩臺機(jī)器間有一交互信息流），TCP發(fā)出信號后，必須等待對方應(yīng)答信號，否則會重發(fā)，這種定向連接協(xié)議，使兩個(gè)端機(jī)經(jīng)常以適當(dāng)?shù)乃俣认嗷ネㄔ?，TCP傳輸控制在兩個(gè)機(jī)器問來回發(fā)送狀態(tài)信息。而UDP用戶數(shù)據(jù)表協(xié)議卻比TCP簡單得多。對于自動控制的應(yīng)用程序來說，并不需要時(shí)時(shí)保持個(gè)連接，以節(jié)約開銷和網(wǎng)絡(luò)通信量，而UDP是一個(gè)無連接系統(tǒng)，從TCP到UDP放棄了許多功能，簡單了許多，只是作為一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)端機(jī)和收端機(jī)操作，而不理會二者之間的連接。幀的結(jié)構(gòu)簡化為源端口2字節(jié)，目的端口2字節(jié)，長度2字節(jié)，校驗(yàn)2字節(jié)。UDP傳遞服務(wù)不建立通信雙方的連接，發(fā)完數(shù)據(jù)就完事大吉，所以，比較靈活，效率高，非常適合測控?cái)?shù)據(jù)的發(fā)送，因?yàn)檫@類數(shù)據(jù)非常短，還有，在控制網(wǎng)絡(luò)中，通行的站點(diǎn)比起因特網(wǎng)來，少之又少，非常強(qiáng)調(diào)二者之間的連接管理，就顯得多余，比起TCP的大文件來，測控程度只是"發(fā)出一個(gè)請求"或者"等待一個(gè)響應(yīng)"，三言兩語，傳遞本身就會很可靠。此外，在實(shí)時(shí)控制中，有時(shí)強(qiáng)調(diào)一種完全控制，即使在信號傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，控制器業(yè)能夠自行處理作出決策，而不需要讓TCP一遍又一遍重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)樽钥叵到y(tǒng)控制器的自制能力都極強(qiáng)。

無論TCP還是UDP，應(yīng)用程序都是駐留在通信協(xié)議頂層的應(yīng)用中，包括控制和人機(jī)接口等一系列應(yīng)用程序以及用于系統(tǒng)集成的OPC，都藉信息傳輸，獲取其中的數(shù)據(jù)。

5．6以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

美國Foxboro公司在1995年就推出了采用以太網(wǎng)10BASE－5粗同軸電纜I／AnodeBus用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，近年來，新I／A現(xiàn)場總線系統(tǒng)已經(jīng)改為雙絞線BASE－T，室內(nèi)及機(jī)柜內(nèi)，都使用RJ-45接插件，對室外及振動嚴(yán)重的場所，則按防護(hù)等級IP-67生產(chǎn)了密封式RJ-45的連接器，Hirschman公司也能提供現(xiàn)場總線中作為以太網(wǎng)連接的接插件，抗震密封，適用于工業(yè)環(huán)境。

1997年，Schneider公司為其著名現(xiàn)場總線ModbusTCP通信協(xié)議產(chǎn)品，它的PLC產(chǎn)品中的I／O模塊，Momentum系列，均可以設(shè)置以太網(wǎng)端口。這些I／O模塊通過這些端口直接連入以太網(wǎng)中。Schneider公司把Modbus通信協(xié)議變址為TCP／IP通信協(xié)議，這是世界上較早的以太網(wǎng)I／O產(chǎn)品。TCP／IP和UDP／IP的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是在同一個(gè)以太網(wǎng)中，可以運(yùn)行許多不同的通信協(xié)議，它們都變址在TCP／IP或UDP／IP中。

Honeywell公司幾年前就已經(jīng)開始著手把以太網(wǎng)用于建筑物自動化系統(tǒng)自動化層總線通信的應(yīng)用工作，目前，第一步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，即，把所有測控總線通過TCP／IP接口連入以太網(wǎng)中，通過以太網(wǎng)得數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。以太網(wǎng)成為BA、FA、SA集成的通信平臺，進(jìn)而與管理系統(tǒng)在此平臺上完成管理控制一體化集成。

隨著以太網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，把以太網(wǎng)芯片內(nèi)嵌與現(xiàn)場設(shè)備的一天，也許會很快來臨，意味著因特網(wǎng)內(nèi)置與現(xiàn)場設(shè)備的時(shí)代終會來到，其意義在于因特網(wǎng)與控制網(wǎng)融為一體，因特網(wǎng)無處不在，會進(jìn)一步改變工業(yè)自動化和建筑物自動化的面貌。

5．7建筑物自動化的現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線這個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，長期爭論不休，雖然出臺了IEC61158所推薦的8種國際標(biāo)準(zhǔn)總線，但是仍然沒有一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線能夠滿足各種行業(yè)有要求。在這紛爭的局面中，以太網(wǎng)的確受到了許多廠商的重視，在管理層（工廠級）采用以太網(wǎng)已經(jīng)成了共識，而在低層次上的應(yīng)用，還要假以時(shí)日，許多廠商正在積極研究和開發(fā)。

目前，LonWorks現(xiàn)場總線在BAS行業(yè)中的地位，是很重要的，尤其LonMark產(chǎn)品給用戶帶來產(chǎn)品互換互操的巨大利益（大幅度下降系統(tǒng)的壽命周期成本），所以受到用戶的重視。Honeywell公司在2000年6月推出了全LonWorks現(xiàn)場總線系統(tǒng)，原來的C-BUS已經(jīng)可以換用LonTalk現(xiàn)場總線，所有其它生產(chǎn)廠商的LonWorks現(xiàn)場總線，可以直接聯(lián)入Honeywell中央站。

此外，BACnet通信協(xié)議在BAS中的地位也舉足輕重，Honeywell公司在BAS系統(tǒng)中，設(shè)置有BACnet服務(wù)器和BACnet客戶機(jī)兩組軟件，以適應(yīng)BACnet總線產(chǎn)品的連接和系統(tǒng)的集成。

總之，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)PC和以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷發(fā)展，盡管LonWorks、BACnet、Modbus等傳統(tǒng)明星會繼續(xù)發(fā)揮作用，但是，新動向確實(shí)值得關(guān)注，LonWorks技術(shù)也正在使用以太網(wǎng)技術(shù)，就說明了這點(diǎn)。