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楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计

作　者: 莫晓明
导　师: 林锦国；陆伟良
学　校: 南京工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 楼宇自控系统工业以太网直接数字控制器 RCM3000 Dynamic C
分类号: TU855
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

智能建筑以4C技术(现代控制技术Control、现代计算机技术Computer、现代通信技术Communication和现代图形显示技术CRT)在现代建筑中的应用为主要标志。它以建筑物为载体,以结构化布线(PDS)为信息传输平台,包括楼宇自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)以及办公自动化系统(OAS)三大子系统。其中,楼宇自动化系统(BAS)是智能建筑的基础和核心,是建筑本身应具备的自动化控制功能。楼宇自动化系统的控制网络包括管理层、监控层和现场设备层三个层次,根据楼宇自控系统的网络层次不同,其数据传输特点不同,对网络的实时性、确定性、安全性、抗干扰性的要求也就各不相同。现在以太网技术已经在楼宇自控系统的管理层、监控层得到广泛应用,随着其自身技术的发展,以太网技术正积极的向下延伸,应用于智能建筑的控制现场,直接应用于变送器、执行机构、DDC等现场设备间的通信,实现了从管理层、监控层到现场设备层的基于以太网的统一,即所谓的“e网到底”。本论文的研究课题是“以以太网为底层控制网络的新型楼宇控制系统”项目的重要组成部分。该项目为南京工业大学自动化学院建筑智能化研究所正在研发的项目,其目的是为了开发一个先进、实用、开放、拥有自主知识产权的楼宇控制系统。它适用于各种智能大厦,以及以局域网为基础的高层建筑群和智能小区。项目中研发的DDC是一种通用型的直接数字控制器,以Ethernet的IEEE 802.3协议和TCP/IP协议为组网条件,包含DO、DI、AO、AI的输入输出,直接面向楼宇控制系统中的各种控制对象和生产企业中符合组网条件的工控对象。本论文首先对楼宇自控系统中目前得到广泛应用的现场总线技术进行了详细的讨论,指出了现场总线所具有的优势和存在的问题。随后将以太网技术与现场总线技术进行了比较,特别是对以太网技术应用于现场总线领域的实时性、确定性以及总线供电、互操作性等问题进行了研究,并提出了技术改进方案和途径,从而树立了以太网是现场总线发展方向的认识,为基于以太网的DDC的开发与设计奠定理论依据。在对DDC的实际开发过程中,以美国Z-World公司的嵌入式模块RCM3000为硬件平台进行DDC的硬件电路设计;以美国Z-World公司专门为嵌入式系统的软件编程而开发的集成式软件开发系统Dynamic C为软件工具,进行DDC的底层驱动程序开发。并通过实验,成功的对DDC的硬件电路进行了测试,实现了DDC的各项输入输出功能,完成了对DDC底层驱动程序的开发要求,为“以

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摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-15
  1.1 引言  9-11
    1.1.1 智能建筑的发展  9-10
    1.1.2 智能建筑的组成和技术基础  10-11
  1.2 楼宇自动化系统的网络体系结构及网络控制系统发展现状  11-13
    1.2.1 楼宇自动化系统(BAS)的网络体系结构  11-12
    1.2.2 集散控制系统(DCS)  12
    1.2.3 现场总线控制系统(FCS)  12-13
    1.2.4 工业以太网  13
  1.3 直接数字控制器(DDC)  13
  1.4 论文的立题依据  13-14
  1.5 论文结构  14-15
第2章现场总线技术概述  15-21
  2.1 什么是现场总线  15
  2.2 现场总线的特点  15-16
  2.3 楼宇自控系统中几种常见的现场总线  16-19
    2.3.1 LonWorks总线  16-17
    2.3.2 Profibus总线  17
    2.3.3 CANBus总线  17-18
    2.3.4 楼宇自动化控制网络数据通信协议  18-19
  2.4 现场总线技术存在的问题  19-21
第3章以太网技术概述  21-31
  3.1 以太网发展和应用现状  21-22
    3.1.1 以太网的发展简史  21-22
    3.1.2 以太网技术用于工业现场领域的现状  22
  3.2 以太网的技术构成  22-23
    3.2.1 以太网协议  22-23
    3.2.2 以太网帧结构  23
    3.2.3 介质访问控制规则  23
  3.3 以太网的技术优势  23-24
    3.3.1 开放性好  24
    3.3.2 数据传输率高  24
    3.3.3 软硬件资源丰富，成本和费用低廉  24
    3.3.4 易于系统集成，可持续发展潜力大  24
  3.4 以太网应用于工业现场问题分析  24-31
    3.4.1 以太网通信确定性和实时能力分析  25-28
      3.4.1.1 以太网通信过程  25
      3.4.1.2 以太网通信实时性分析  25-27
      3.4.1.3 以太网通信实时性改进方法  27-28
    3.4.2 以太网通信其它问题分析  28-31
      3.4.2.1 总线供点电问题  28
      3.4.2.2 互操作性问题  28-29
      3.4.2.3 网络生存性问题  29
      3.4.2.4 网络安全性问题  29-30
      3.4.2.5 本质安全问题  30-31
第4章 DDC直接数字控制器硬件设计  31-40
  4.1 硬件开发平台  31-34
    4.1.1 RCM3000的性能  31-32
    4.1.2 Rabbit3000微处理器  32-34
  4.2 RCM3000驱动底板设计  34-38
    4.2.1 数字输入DI电路设计  34-35
    4.2.2 数字输出DO电路设计  35-36
    4.2.3 模拟输入AI电路设计  36-37
    4.2.4 模拟输出AO电路设计  37-38
    4.2.5 其它电路  38
  4.3 DDC的技术参数  38-40
第5章 DDC驱动程序开发  40-52
  5.1 软件开发工具-Dynamic C  40-41
    5.1.1 Dynamic C相对于标准C的提高  40-41
    5.1.2 Dynamic C与标准C的不同  41
  5.2 DDC底层驱动程序开发  41-52
    5.2.1 数字输入DI驱动子程序  42
    5.2.2 数字输出DO驱动子程序  42-44
    5.2.3 模拟输入AI驱动子程序  44-47
    5.2.4 模拟输出AO驱动子程序  47-49
    5.2.5 DDC初始化程序  49-52
第6章 DDC功能测试与后续开发设想  52-59
  6.1 DDC功能测试实验设计  52-58
    6.1.1 实验目的  52
    6.1.2 测试系统构成  52-54
    6.1.3 实验步骤及方法  54-57
      6.1.3.1 基本输入输出功能测试  54
      6.1.3.2 DDC程序编程测试  54-57
    6.1.4 实验结论  57-58
  6.2 后续开发设想  58-59
参考文献  59-63
附录  63-72
成果  72-73
致谢  73

楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计

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