建筑自动化论文精品(七篇)

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论文摘要：从办学思路、教材设置、师资结构等方面讨论了目前高校建筑环境与设备工程专业中出现的问题和应改革的内容;结合中南大学建筑环境与设备工程专业教学实践,提出了明确办学思路、强调专业特色、加强实践环节等方面的专业教学体系改革的思路。

科学技术是第一生产力,是推动社会进步的巨大动力。人是从事科学技术的主体,因此当今社会的竞争就是人才的竞争。而人才核心竞争力的培养,主要来源于大学教育。为了适应社会的发展,教育部在上世纪末对大学很多专业都进行了调整,包括建筑环境与设备专业。论文百事通建筑环境与设备工程专业是根据教育部1998年颁布的全国普通高等学校本科专业目录,将“供热通风与空调工程”和“燃气工程”两专业合并,调整、拓宽组建而成的新专业[1]。该专业以培养从事工业与民用建筑室内环境及建筑设备、公共设施、建筑热能供应系统的设计和建筑自动化与能源管理工作的人才为目标。这次调整,不是简单的合并,而是产生了一个面向21世纪新的专业学科。近年来,该专业如雨后春笋般在全国范围91所各类众多高校中涌现出来,问题也随之凸现。笔者认为有必要进行深入的、切实可行的教学改革。

一、主要凸现的问题

(一)办学思路不清晰

虽然很多学校秉承了“厚基础、宽口径”的办学思想,在教学内容上增加了建筑环境、建筑热能供应以及建筑自动化等方面的知识,并把建筑环境学列为了专业的平台,搭建了新的本科专业的框架体系。但是“厚而宽”不是“大而全”。知识口径的拓宽不是各种知识的堆积和罗列。专业的办学首先要服从于所在大学的办学思路,即学校的定位。一般院校和重点院校不同,创新型大学与研究型大学和综合型大学也不同。如果全国九十一所建筑环境与设备专业的教学体系都参照某一两个名牌大学的教学体系,那么这样的后果是显而易见的:一,专业建设没有或者散失了原有专业的特色;二,专业培养出来的人才也没有特色。

(二)教材建设的质量不容乐观

目前围绕建筑环境与设备专业的教材种类繁多,质量参差不一。教材是教学内容的具体体现,教学体系中的教材应该具有知识的系统性、延续性和完整性。而不是各个知识块之间简单的粘贴或移动的关系。以《暖通空调》为例,集结了原来供热、供燃气及通风空调工程专业的主要专业课:《空气调节》、《工业通风》以及《供热工程》的主要内容。剔出了三门课管网输配的交叉部分,而另设了一门课:《流体输配管网》。但就这两门课程的教材来看,共同的缺点是把原来空调、通风和供热三门课的三个系统简单地归类总结,系统总结有余,阐述不足。使得在具体教学过程中,出现老师觉得不好讲,学生不易接受的情况。

(三)配套的师资队伍结构有待改善

由于建筑环境与设备专业由原来的暖通空调专业或燃气专业演变而来,因此师资基本上是暖通空调或燃气专业的。但是专业的领域已经扩充到建筑室内环境、建筑设备、公用设备和智能建筑等方面。专业的内涵已经由原来的设备或系统扩充到既包括设备、系统,也包括智能建筑。其中的弱势部分是智能建筑。因为智能建筑技术也是一门交叉学科,而大部分搞自动控制的人才是自动化专业、电气工程及其自动化专业或计算机专业的人员。对智能建筑、智能化系统及设备缺乏全面的了解和掌握,缺乏建筑结构、建筑设备、供热空调等方面的专业知识和理解。另一方面,搞设备的人才又缺少对建筑自动化、BAS功能科学要求的理解,缺少有效的上层控制管理逻辑与算法。两方面人才又缺少“接口”,从而制约了智能建筑技术的发展[2]。因此合理搭配师资,在教学安排方面与其它专业知识交叉融合,才能培养出新时代的建筑环境与设备复合型人才。

二、改革的内容

(一)明确办学思路,办出专业特色[3]

明确办学思路是确定专业人才培养目标和教学体系的前提和基础。是以科研人才为主,还是以工程技术人员为主,不仅与专业本身的内涵有关,更重要的是与专业所在大学的性质有关。这样才能形成专业建设和发展的良性竞争。办学思路还与专业特色有着密切联系。专业特色与专业在多年的建设发展过程中的教学和科研历史有关,如有的学校在暖通空调的系统工程方面是强项,而有的学校在制冷空调设备的研究与开发方面是强项。那么在培养人才方面,这些特色就应该很好的继承和发挥,在课程设置和训练中要体现出来。

(二)稳固基础知识,拓宽专业口径

建筑环境与设备专业是一门跨学科的工科专业,学生基础知识应包括数理方面、工程热物理方面、流体机械方面、建筑热物理方面和自动化控制的知识。只有牢固的基础知识,学生才能深刻地理解专业课程,拓宽本专业的服务领域。当然,正如前面强调的,专业办学的前提是要继承和发扬本专业的特色。这些基础知识本身就是属于很多领域,要与专业在建设和发展过程中的特色结合起来,构造和稳固所必需的专业基础知识。

专业知识的拓宽,是构架新时代建筑环境与设备专业教学体系的重要部分。专业教学体系不仅仅局限于暖通空调,或是供热供燃气,或是把这两方面的课程全部笼统地包括进去,或是把建筑环境、公用设备和智能建筑方面的知识硬塞进去。在专业学时有限的条件下,很有可能会造成各种知识的七拼八凑。因此,要有侧重点地把某些方面作为原本专业特色的延伸和发展,切忌一口吃成一个胖子的思想,盲目地贪大。

(三)编制优秀的教材,配备合理的师资队伍

正如前面所说,由于原有专业教学体系架构的割断和组合,使得最近几年采用的教材在编制上都有这样或那样的问题,因此在教材的建设方面还必需投入更多的精力。而选用合适的优秀教材的基础正是现在的教学体系的完善,必需从根本上理解和制定本专业的教学体系和知识模块。

师资的知识结构要分布合理,除了保留原来专业特色的知识结构以外,还要补充新的知识,如智能建筑和建筑环境方面的知识结构。师资的梯队建设也很重要。教学梯队的形成有利于知识传授的传承和不断更新。每个专业知识模块,也就是我们所说的课群下面,形成以教授为龙头,教授副教授主讲,青年教师为重要组成的教学梯队。

三、我校建筑环境与设备专业教学体系改革的几点思路

中南大学建筑环境与设备工程专业主要源于长沙铁道学院的制冷空调学科。长沙铁道学院从上世纪70年代起,就开展了制冷空调及冷藏运输方面的研究工作,1985年在机车车辆系成立制冷空调教研室,并开始招收制冷空调专业专科学生;1989年开始招收供热通风与空调专业本科学生;1998年根据教育部文件调整为建筑环境与设备专业。因此,在二十多年的建设中,形成了制冷与暖调、系统与设备并重的特色。我专业在调整后修订了教学计划,增加了供燃气、建筑环境和建筑自动化方面的知识模块,保留了原来的制冷方面的知识模块,包括有制冷原理、制冷压缩机和铁路车辆制冷、制冷装置自动化等课程。

目前已拟定完2008级新的教学体系和教学计划,主要的思路有如下几点。

(一)明确办学思路,与学校的定位一致。

我专业隶属于以本科生、研究生教育为主的高层次综合性大学——中南大学,学校的定位是立足湖南,面向全国,放眼世界,努力建设国内一流、国际上有重要影响的高水平、综合性、研究型、创新型大学[4]。因此,我专业的办学思路是以创新素质教育为核心,坚持全面发展的人才培养标准,面向社会主义市场经济的人才需求,培养出具有实践能力、创新能力,既懂技术又懂管理的复合型人才。

(二)继承和发扬专业特色,整合知识架构。

充分利用能源知识的平台。从2008年开始本专业与同属能源科学与工程学院的热能专业进行能源与动力大类招生,使学生在低年级的时候的基础知识面广,起到“厚基础、宽口径”的作用。

继续保留专业的特色之一:制冷模块。从毕业生就业的反馈来看,用人单位对既懂制冷,又懂暖通,既了解系统,又了解设备的人才非常欢迎。

加强暖通和建筑环境的优势。把空调、供热、通风和建筑环境的节能、环保、热舒适与空气品质结合起来,也是当前时展的需求。

减弱供燃气和燃烧模块。从本系教师多年从事的科研工作来看,燃气和燃烧模块并没有形成特色,因此可以适当减少其份额,作为选修课程开设。

加强智能建筑模块。智能建筑是楼宇发展的重要方向。本系在制冷和空调系统的自动化控制方面有着多年的研究和实践经验。可以在此基础上进一步扩充相关领域的知识内容。新晨

(四)加强实践环节,培养创新人才

实践环节包括实习、课程设计和毕业设计。实践环节应受到更多的重视。既保证实践环节的“量”,又要保证实践环节的“质”。即:实践环节的课时量必需严格保证,同时要求学生在实践环节动手、动脑,培养其综合运用所学知识和创新能力。

毕业设计从选题开始抓起,选题来源于教师的科研课题或工程实际,具有很强的实际意义和理论研究价值,有利于培养学生的综合能力。

严格把握好实践环节的考核。本系在近两年所有的专业实践环节考核中都涵盖有答辩部分的考核,既锻炼了学生的胆量、自信和表达能力,又能很客观地反映实际的情况。

参考文献:

[1]肖勇全,李岱森.建筑环境与设备工程专业[J].高等建筑教育,2002,(2).

[2]刘春蕾,赵三元,海.智能建筑相关专业课程体系建设研究[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004,(4).

篇(2)

关键词：智能建筑；楼宇自动化 ；设备安装；质量监控

Abstract: with the people in recent years the improvement of living standards, the emergence of the intelligent building further improve the quality of life. Intelligent building system will intelligent computer technology, communication technology, information technology and construction technology organically, to all sorts of equipment can automatic monitoring information analysis, judgement and processing. The improvement of intelligent building requirements will occur in the electrical equipment system is complicated, the installation construction put forward a higher demand.

Key words: intelligent building; Building automation; Equipment installation; Quality monitoring

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

引 言

本文基于多年从事建筑机电设备安装的工作经验,以建筑自动化机电设备安装为研究对象,深度探讨了设备安装过程中应该注意的细节和要点,首先分析了建筑设备自动化的定义,而后研究探讨了主要设备的安装和安装过程中的质量监控要点,以下是多年从事建筑机电设备安装经验在文中阐述了机电设备安过程应注意的问题。

1、智能建筑的概念和构成

1.1谈到楼宇自动化, 首先要引入智能建筑的概念。建筑设备如水、电、暖通和通信等随着科学技术的发展, 尤其是计算机技术、自动控制技术的发展, 已越来越多地采用自动控制的方式。而建筑物除居住外, 已向多功能的方向发展, 如提供集娱乐、生活、办公一体化的人工舒适环境等。

1.2智能建筑是建筑技术与信息技术相结合的产物, 起源于80 年代初期的美国。当时大公司为满足公司本身办公业务和设施管理发展的需要, 依靠通信和计算机技术迅速发展的条件, 在自由竞争体制下发展起来的。1 9 8 4 年美国康涅狄格州哈特福特市的“城市广场” 是世界上公认的第一座智能化大厦。1 9 8 5 年日本东京的一座智能大厦电报电话大楼落成。日本还于当年底成立了国家智能建筑专业委员会, 准备将智能化建筑从单一扩大到整个城市、国家。新加坡政府的公共事业部门为推广智能建筑, 专门制定了“ 智能大厦手册” 。英国、法国、加拿大、瑞典、德国等也相继在80 年代末90 年代初建成了各具特色的智能建筑。据初步统计, 在美国已有上万座智能建筑, 日本在现在新建的大型建筑中约有60 % 是属智能型的。

1.3智能建筑目前尚无统一的定义。美国的智能建筑学会(AIBI )把智能大厦定义为: 通过对建筑物的四个基本要素即结构、系统、服务和管理以及它们之间的内在关联的最优化考虑, 来提供一个投资合理的、且又拥有高效率的舒适、温馨、便利的环境。日本智能大厦研究会认为:智能大厦是指兼备信息通信、办公自动化信息服务以及楼宇自动化各项功能的、便于进行智能活动需要的建筑物。

2、设备自动化系统

2.1智能建筑的管理系统(Intelligent Building Management system一IBMS )由楼宇设备自动化系统(B A )、通信自动化系统(C A ) 、办公自动化系统(OA)构成, 俗称3A系统。结构化综合布线系统(PDS) 是构成3A系统的基础。

(l) 楼宇设备自动化系统主要是对现代建筑物中所有的机电设备和能源实现控制。

(2) 通信自动化系统是利用集成网络系统和现代通信技术实现通信的自动控制。

(3) 办公自动化系统支持日常事务处理及决策管理。

(4) 综合布线系统是建立在双绞线或光导纤维传导技术基础上, 解决不同计算机系统间的信息传递网络。

2.2楼宇自动化(BA) 只是智能建筑系统的一个子系统。

从技术上讲, 智能建筑系统是采用先进的4C技术的集成系统, 即:

(1)计算机技术(Computer )。采用并行处理分布式结构, 由个人计算机或工作站组成。

(2)现代控制技术(Control)。实时的集散控制系统(DCS,DDC ) , 使用微处理器技术, 软硬件采用标准化、模块化设计, 组态灵活。

(3) 现代通信与网络技术(Communieat-ion )。

采用综合业务数字网ISDN、以太网和ATM交换式网络技术。

(4) 现代图形显示技术(CRT)。动态图形和图形符号显示, 采用多媒体技术。

。

建筑电气设备自动化系统为智能建筑系统的重要系统之一。其采用具有高速处理能力的微处理机，通过通信网络对整个建筑物的空调、供热、给排水、变配电、照明、电梯、消防、广播音响、闭路电视、通信、防盗、巡逻等众多设备进行实时测量、监视和全面监控，实现最优化的管理，从而提高了系统运行的安全可靠性;节省了人力、物力和能源;降低设备运行费用;随时掌握设备状态及运行时间、能量的消耗及变化等。因此要深入了解业主的各种需求，并据此制定详细的实施计划，提出能满足其需求的智能建筑标准，使智能系统具有可靠性、开放性和先进性。

3. 主要设备安装

3.1远程处理机的安装

楼宇自动控制系统与各可重构处理单元RPU之间的通信是透明的，可利用同一线路不同的RPU完成同一个控制系统。一般而言，建筑电气设备自动化系统大量监控的是空调机组，所以将RPU布置在机房之中或附近，把空调机组控制系统使用后剩余的输入输出接口用于连接附近的水流量计、水位信号、照明控制等。为了日后的发展，RPU的接口要留出20%～30%为宜。

3.2建筑电气设备自动化系统的布线

在建筑电气设备自动化系统进行布线时，要注意某些线路需要专门的导线，如通信线路、温度湿度传感器线路、水位浮子开关线路、流量计线路等，它们一般需要屏蔽线，或者由制造商提供专门的导线。电源线与信号、控制电缆应分槽、分管敷设;数据显示通道(DDC)、计算机、网络控制器、网关等电子设备的工作接地应连在其他弱电工程共用的单独的接地干线上。

3.3输入设备的安装

输入设备应安装在能正确反映其性能的位置，便于调试和维护的地方。不同类型的传感器应按设计、产品的要求和现场实际情况确定其位置:水管型温度传感器、蒸汽压力传感器、水流开关、水管流量计不宜安装在管道焊缝及其边缘上开孔焊接;风管型湿度传感器、室内温度传感器、风汽压力传感器、空气质量传感器应避开蒸汽放空口及出风口处。

3.4输出设备的安装

风阀箭头、电动阀门的箭头应与风门、电动阀门的开闭和水流方向一致;安装前宜进行模拟动作;电动阀门的口径与管道口径不一致时，应采取渐缩管件，但阀门口径一般不应低于管道口径二个档次，并应经计算确定满足设计要求;电动与电磁调节阀一般安装在回水管上。

4. 安装过程中的质量监控

4.1配电装置

配电装置是电气工程的核心，一旦出现问题，设备无法正常工作，供电可靠性下降，整个工程失去安全感。因此，对配电装置从设备进货到安装调试，都要严格按图施工并规范验收。

4.2电力电缆

电缆是输送电能的载体，若质量不高，会造成火灾等事故的频繁发生。电缆多数是沿竖井、桥架和沟道铺设。电缆集中、数量多、各类型号规格多，若不分门别类，严格审查，容易导致施工混乱，造成运行中电缆过热，信号电缆相互干扰。

4.3配电箱

配电箱型号多，工作原理复杂，各专业又有自己的使用特点，受干扰的情况较多，会造成设计修改通知单增加，箱内的设备和回路修改多。若施工单位在订货时只考虑按蓝图订货而忽视修改，在安装时只对号入座而不仔细地进行技术审核，就满足不了有关专业功能的要求。

4.4电梯安装

(1)安装程序及质量要求。轿箱地坎与各层门地坎间距的偏差均不得超过电梯行业有关规定。开门刀与各层门地坎以及各层门开门装置的滚轮与轿箱地坎问的间隙均必须在5mm～8mm范围以内。轿箱组装牢固，轿壁结合处平整，开门侧轿壁应垂直。层门指示灯盒及召唤盒其面板与墙面贴实，横竖端正。门扇启闭时无摆动、撞击和阻滞现象。中分式门关闭时上下部同时合拢。

(2)电梯装置安装。电梯的供电电源线必须单独敷设，保护接地系统必须良好。电线管、槽及箱、盒连接处的跨接地线必须紧密牢固、无遗漏。电梯的随行电缆敷设长度必须保证轿箱在极限位置时不受力、不拖地。机房内的配电、控制屏、柜、盘的安装要布局合理，横竖端正。配电盘、箱及设备配线要连接牢固，接触良好，包扎紧密，绝缘可靠，标志清楚。

(3)安全保护装置。与机械配合的各安全开关，必须可靠动作，能达到电梯本身的设计技术参数要求。电梯起动、运行和停止，轿箱内无较大的振动和冲击，制动器可靠。运行控制功能达到设计要求：指令、召唤、定向、程序转换、开车、截车、停车、平层等准确无误，声光信号显示清晰、正确。消防电梯要保证通过政府有关部门的验收。

4.5闭路电视系统调试

闭路电视系统调试包括电源检测，线路检查，接地电阻测量，电动云台、摄像机、控制器、门禁系统、监视器进行单体试验及系统调试。

4.6电讯系统

电讯系统调试包括电话交换机系统、数据科技网络系统、电讯综合布线系统和多媒体数据终端机的线路测试，设备单体调试，系统调试和各系统联合调试。

结束语

智能建筑是社会信息化与经济国际化的必然产物;是多学科、高新技术的巧妙集成;也是综合经济实力的象征。在建筑智能化工程建设中，机电安装作为工程非常重要的一部分，认真做好机电安装工程只有不断的创新，通过技术更新和改造，才能有效地保证工程使用功能，增加经济效益。

参考文献

[1] 裴燕玲,张钊.建筑设备监控系统的设计[A].2005年度山东建筑学会优秀论文集[C].2005.

[2] 马智亮.建设领域信息化下的工程设计信息化[A];勘察设计企业信息化建设研讨会资料汇编[C],2003.

[3] 温伯银.智能建筑设计标准. 1995

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图1 ：数字发动机控制框图 a. 发动机设备 数字发动机控制可采用多种类型的发动机。最常用的类型是超小功率旋转发动机。它们可以进一步分为AC、DC电刷或DC无电刷型，这主要取决于其整流方式。小型发动机的尺寸设计一般取决于框架尺寸和瓦功率。而一般像 AC 型这样较大的发动机，是根据其马力功率进行分类的。尽管旋转发动机是最常用的类型，但也可获得其他类型，如：线性发动机以及带各种传动装置的减速发动机（gearhead motor）。

图 2：旋转发动机 b. 反馈 为提供有关位置、速度、扭矩或传动系统其他动力属性的反馈，需要具备反馈传感器。最常用的反馈传感器可能是旋转编码器，它是由安装在发动机轴上、带有变化条带的转轮构成的。在发动机转动时，光传感器会检测条带的经过并生成电信号，控制器可利用这些信号来确定发动机的转动情况。其他类型的传感器为转速计、同步器和分解器，这些均是基于电感的传感器；另外还有基于电磁的霍尔效应传感器以及基于电阻的电位计。 无论采用哪种传感器方式，数字控制器必须重复采样传感器信号，以便不断了解系统的当前动力运转情况。根据系统对速度、动力响应及精度的要求，反馈采样率可超过每秒几千次采样。 c. 控制器 无论是数字控制器还是模拟控制器，都需要与系统的预定转动和实际动力进行比较，同时处理相关输入，来产生对传动装置的控制信号。如果采用数字控制器，会需要一些附加任务，包括系统启动例程、诊断程序、通信控制以及多个采样传感器。 数字控制器可能像专用计算机处理器般复杂，也可能如单芯片编程门阵列般简单。设计人员不仅可设计出具有为传动控制而优化的功能的数字信号处理器，还可设计出具有可变功能的微控制器，以便实现适应众多应用的最佳解决方案。请参见 ti.com 上的"数字控制"部分。 d. 数据传输 本节将重点讨论在发动机控制和传动控制应用中采用 RS-485 的优势。如下所述，该技术在与抗扰性、广泛的共模范围、充足的数据速率以及多点功能有关的这些应用中具有众多优势。其他应用也采用 RS-485 信令，以期利用这些相同优势。因此，诸如过程控制网络、工业自动化、远程终端、建筑自动化和安全系统等应用均广泛采用了RS-485，以便满足对强大可靠的远距离数据传输的需要。通常 RS-485 信令与 Profibus、Interbus、Modbus 或 BACnet 一起使用，这些协议都是针对最终用户的特殊需求而量身定做的。 如果 R-485 的优势不足以满足需求，还可以采用其他信令技术。例如，RS-232 或 RS-422 信令技术在某些应用中可能是非常适用的，而在另外一些应用中可能会首选CAN（控制器局域网）或 EtherNet/IP（行业协议），因为它们可与现有网络进行兼容。对于高速应用以及对长途及共模电压要求不高的情况，M-LVDS可提供较低的功耗。在 ti.com 上的应用手册"总线方案对比"中讨论了多种替代方法。 e. 基本拓扑 在所示的传动控制应用示例中，需要特别注意多个不同接口的数据传输问题。下表说明了信号的多种分类并总结了信令速度和信号电平的关键特性。

表1：典型传动控制系统中的信号 信号说明典型速度典型电平 传动指令数字（脉冲或二进制编码）可达 10MbpsTTL 或 CMOS 逻辑 模拟达到系统的伺服带宽10V 典型范围 传动反馈数字（脉冲或二进制编码）可达 10MbpsTTL 或 CMOS 逻辑 位置反馈同步器、分解器（正弦）可达 10kHz >20Vac 编码器、数字输出（A、B 及索引脉冲）可达 10Mbps（内插之后）TTL 或 CMOS 逻辑 驱动电压发动机线圈电压，1～3相如果是 DC 或AC，则可达 1kHz；如果是PWM，则可达 100kHz可达 200V，取决于发动机功率和绕组 整流信号二进制信号，通常为3相，用于根据绕组位置来确定发动机的整流可达 3kHzTTL或CMOS 逻辑 工具／负载指令专用指令信号，通常与运动轨迹保持一致专用的专用的 传动装置限制／状态限位开关、连锁装置、自动寻的传感器（homing sensor），等可达 1 kHzTTL、CMOS 或 DC，可达 24V 该表显示了任何数据传输方案都必须具有广泛的操作范围，以便适应各种数字传动控制需要。RS-485信令技术由于速率范围介于 DC～10MHz 以上，并且具有强大可靠的信号电平，因此可很好地满足大多要求。图3显示了这些信号。请注意：该图显示了单轴系统；多轴系统可共享相同的控制器并把相关机构（mechanics）连接到相同的工具或负载上。

图3：发动机控制系统中的接口（单轴） 根据特定应用的物理安排，控制器、伺服放大器、发动机和负载之间可能会有比较大的距离。除了距离之外，在设计这些系统时还应该考虑其他因素，如：电气噪声、温度和线缆故障等。尽管存在距离或环境条件干扰，但有效数据传输的目的仍是在这些部件之间提供可靠通信。 II. 数据传输问题与485的应对方法 数字传动控制应用对在实现系统部件之间有效、可靠的通信方面面临众多挑战。根据其内在性质，这会涉及到机电传动装置，而这种装置会产生电气噪声及较高的电流电平。安全性和可靠性进一步要求通信通道必须非常可靠，以便控制运动机构。另外与运动应用相伴而来的还有对线缆路由的限制，这需要更长的布线。伺服系统的稳定性对信令速率也有额外要求。 a. 环境 i. EMI/抗扰性 电磁干扰（EMI）会破坏发动机控制系统中的信号。典型的EMI源是发动机驱动电压、发动机电刷噪声、工具源、以及来自时钟、显示器和其他计算机组件的电气噪声。在模拟系统中，噪声信号可能会造成有害的运动或不稳定性。由于二进制编码的内在信噪比，数字系统的主要问题是寄生脉冲，这可能会被解释成指令或反馈信号。 RS-485 信令标准包含了非常适于解决这些 EMI 问题的功能。RS-485 信令具有平衡及差分的特点，一般通过双绞线进行传输。它会导致任何电气噪声都会被等同连接到两条线路上。因此，由于接收器对差分电压很敏感，这种噪声会被消除，而电压差会继续携带该信号信息。 RS-485 信号电平进行了定义，因此对于任何有源驱动器，一条线路为高电平驱动，另一条为低电平驱动。两条线路上的电压差必须高于 1.5V 或者低于 -1.5V，以便传输有效状态。这适用于所有有效负载条件。 接收器规格对于EMI噪声消除极其重要。485标准要求在接收差分信号强度达到200mV以上时对有效状态进行检测。这种灵敏度可以弥补线缆中的损耗，而这种损耗会在驱动器端将信号幅度降至1.5V以下（或更低）。 接收器磁滞虽然在485标准中未予以规定，但也非常重要，它是低电平到高电平以及高电平到低电平传输阈值之间的差分。

图4：具有及没有磁滞的接收器功能 因为不存在完美平衡的线对，因此 EMI 源会产生以下差分噪声。如果没有接收器磁滞，无论是由于有效信号改变还是噪声响应，接收器均会在每次输入交叉（0差分电压）时改变状态。因此，需要磁滞来避免寄生脉冲，在空闲总线或过渡期间更是如此。这些寄生脉冲会被解释成编码器计数、阶跃指令（step command）或传动装置信号，其取决于它们在系统中出现的位置。接收器磁滞值越高就越能抵抗EMI噪声。一般RS-485接收器的磁滞为40～60mV，而磁滞达到100mV的接收器可应对尤为恶劣的电气噪声环境，如：数字发动机控制。

图5：磁滞可消除寄生过渡 ii. 接地电势／共模 另一个可影响传动控制应用中通信的电气挑战是驱动器与接收器节点之间的接地参考参考。电流负载（如：高功率工具可能产生的电流负载）会造成这类问题。由于发动机反向 EMI、设备故障以及附近闪电产生的二次浪涌（secondary surge），会出现局部电压浪涌。 通过示例可说明在传动控制应用中如何会出现接地偏移。设想一个典型的发动机与放大器／控制器，它们采用一定长度的线缆相互连接来进行通信并提供电源。 如果节点1与2之间的 24V 电源采用50米 14 AWG 线缆连接的话，则RCOPPER 大约为 0.5Ohm。在正常操作中，发动机电流低于 2A。但是在失速故障（stall fault）情况下，电流可能激增到 10A。由于接地线上的压降，这会导致 GND1 与 GND2 之间 5V 的压差。因此，任何引用 GND1 的信号在节点2被接收到时都会出现 -5V 的偏移。由于所有信号都会受到普通偏移的影响，因此其称为共模电压偏移。 尽管这种情况会阻止与单端数据传输之间的可靠通信，但 5V 接地偏移仍处于标准 RS-485 共模电压 (VCM) 范围之内。由于节点1的差分信号进行了同等偏移，因此差模信号仍然有效，而 RS-485 接收器也将可靠地接收正确的信号。

图6：带有接地电势偏移的系统 TI 的所有RS-485收发器均可满足或超出可在介于-7～12V共模电压范围内操作的 TIA/EIA-485标准要求。对于更宽VCM范围的操作，诸如 SN65HCD22 的新产品将在-20V～25V的共模范围内操作。 iii. ESD 静电放电 (ESD) 对于通过线缆连接的所有电路都是非常危险的，其可能导致产生处理或外部高电压。诸如 JEDEC 人体模型 (HBM) 与IEC ESD 抗扰性测试 (IEC 61000-4-2) 等各种测试方法可用于模拟差分ESD危险。某些收发器具有集成到总线电路中的 ESD 保护功能。 典型的保护电平为 8kV～15kV，而诸如 SN65LBC184 的某些收发器可提供超过30kV的事件保护。任何特定应用所需的保护电平很难进行预测，但设计人员应考虑以下因素： 收发器所处的电气环境 处理条件与线缆接入频率 确定故障点的诊断程序 替换停机时间以及相关的人力费用另一类电气危险是由于瞬态（浪涌）过压造成的损害。由击穿次级电源变压器的闪电或者由机器故障导致的局部电源故障会造成这类事件。IEC61000-4-5 中规定了这种危险类型的测试方法。一般通过添加外部保护二极管来提供这种能量消散的安全通道。带有集成瞬态电压抑制电路的 SN65LBC184 能够保护浪涌电压电源超过 400W 的总线输入。 iv. 一般强度 其他考虑因素与发动机控制应用的苛刻环境有关。对于高功率及工业应用来说，需要具备温度范围较大的性能。TI 提供了专门用于商业、工业、汽车和军事温度范围的 RS-485 收发器。 另一个问题是收发器的电源及电源容限。TI 认识到高电流发动机应用可能会在电源中产生压降，因此，TI 提供了一套精选的收发器，它们能够满足电源中5％或10％变化的完整性能规格。在大多情况下，即使在更大的电源变化范围内，RS-485 收发器也能运行，但是它可能无法满足所有参数规格。收发器选项包括 5V 与 3.3V 电源的产品。 b. 速度 i. 反馈环路延迟 工程师在设计数字发动机控制的通信时应考虑通信部件是否会明显增加伺服环路的延迟。一般来说，与RS-485数据传输相关的传播延迟在典型系统中可以忽略。通信延迟可分为： 收发器与介质的传播延迟 信令速率（同步）延迟 由编码增加的开销ii. 传播延迟（线缆传输延迟，收发器延迟……） 收发器与介质的传播延迟主要是通过半导体器件及铜线传输电信号的物理过程造成的。收发器的典型传播延迟为10到100毫微秒量级。诸如 RS-485 的双绞线等线缆的传播延迟一般为每米5毫微秒。 相比而言，可想象一下具有 10 kHz 伺服带宽的高性能系统。因此，即使是速度非常快的系统，1微秒（1000毫微米）的收发器延迟也只是对应不到4度的相移。对于长度不到100米的线缆，由线缆延迟造成的附加相移也可以忽略不计。 iii. 信令速率 如果数据传输达到一旦数据可用就能够收发时，那么信令速率一般只受数据源的限制，而不受数据传输链的限制。例如，一旦检测到运动就异步发送脉冲的编码器。旋转编码器可以产生每转8192个、甚至32000个计数，其速率超过每秒一百万个计数。如果直接与收发器相连，不到1微秒就可将这些脉冲发送出去，而其对系统造成的延迟一般可以忽略。但是，如果控制器同步对收发器定时，则信令速率将会大大降低，同时会限制系统的性能。典型的同步信令速率为 9600bps、19200bps、115kbps 等。系统设计人员应该考虑这种信令速率对数据传输时间以及系统性能的影响。 iv. 串行通信更大的有效负载 除了传播延迟和同步信令延迟之外，与数据协议相关的编码格式也会造成延迟。出于多种原因，在数据传输方案中可能结合了编码。其中一个原因是提供错误检测方式。典型的示例是常用于验证每组8个数据位保真度的奇偶校验位。另一个示例是用于指示消息开始与结束的起始位与停止位。如果数据源具备足够复杂性来支持这些单元，诸如指令／状态代码等说明位也可以构成消息协议的一部分。 这些增加的位可为传输方案提供附加功能，但还需要传输及解码时间。因此，系统设计人员在设置系统速度要求及信令速率时必须要保证为这些"开销"位提供裕度。例如，假设一个应用带有通过三个8位字方式提供绝对位置数据的编码器。凭借 9600bps 的信令速率，反馈速度可达到每秒400个位置。但是，如果消息协议需要每条信息8个附加位（用于确定最高位字、起始位、停止位、奇偶校验位等），则有效更新速率会降低至每秒200次位置更新。 c. 多点拓扑 另一个应考虑问题的是是否有两个以上的节点在同一总线上进行通信。如果一个节点向多个接收器发送数据，则这称为多点配置。如果多个节点中的任何一个都可以控制总线并向其他节点发送数据，则这称为多点结构。当然，随着系统复杂性的增加，信令协议必须包含可确定哪个节点何时发送数据的程序。这可以避免总线争用，此时两个收发器会彼此争着设置总线电压。为安全起见，RS-485标准还要求每个收发器包含防止总线争用造成损害的保护功能。这就是说，如果两个驱动器出现相反的有源状态时，则两者均不会因为争用共享总线上的电压电平而遭受损害。 利用 RS-485 信令技术，在多点分配中可将32个节点（或者如果采用更低单元负载的收发器，可达到256个节点）连接到相同的双绞线线缆上。这可简化多轴、多传感器系统中的布线。 所选的信令速率应足够高，以便允许所有节点都能够满足各自的更新要求。TIA/EIA-485 标准建议信令速率为 10Mbps。虽然这种速率已经完全满足大多系统的需要，但某些收发器为满足最苛刻高速系统的需求，具有可提供超过 30Mbps 信令速率的能力。 多个标准协议均采用了基于 RS-485 的信令技术。这些协议可实施各种方法来设置消息格式，检查错误，进行多点总线控制及协商信令速率。发动机与传动控制常用的协议包括Modbus、Profibus 及 Interbus-S。每种协议均由不同厂商及商业机构所支持，并且专门针对不同网络条件而进行优化。 III. 应用示例 a. 到高性能伺服驱动器的阶跃与方向指令 由于时间限制删除了这部分内容 b. 来自高分辨率增量式编码器的编码器反馈信号 在图7的应用示例中，RS-485信令技术用于向传动控制器报告编码器信息。将传动控制器放置到离编码器一定距离的地方非常必要，这主要是因为空间的限制或者出于轻松接入控制器的需要。 在此示例中有4个点对点配置信号，因此需要一个四通道驱动器与一个四通道接收器。在总线的接收端需要一个终端电阻，以匹配线缆阻抗并从而消除信号反射。最佳驱动器和接收器芯片的选择将取决于多个因素： 编码器到控制器的距离 发动机的最大转速 内插因子，可决定编码器分辨率 ESD 保护、功耗及成本等要求

图7：典型应用，编码器反馈信号 IV. 结论 RS-485 信令提供了可应对众多数字发动机控制通信挑战的解决方案。 它克服了具有高驱动器输出电压及高接收器磁滞的电气噪声。 对于远距离情况，强大的差分驱动器与广泛的共模功能可确保可靠的信号发送。 作为集成功能提供 ESD 保护与抗浪涌性；它们可提高在苛刻环境中的可靠性。 RS-485 信令可提供足够快的速度，这样即使在具有差错检查及协议开销负载的情况下，对伺服性能的影响也会微乎其微。 在多点架构中运行的功能可使RS-485成为高级联网应用的灵活、可扩展方案。总之，适当的信令速率、强大可靠的功能以及广泛的精选收发器使这种技术能够非常好地适应大多数数字传动控制应用。 Clark Kinnaird是一名系统工程师，目前就职于达拉斯德州仪器高性能模拟部门。他负责设计新型数据传输产品，其中包括RS-485和CAN收发器。此外，他还为设计人员提供系统分析、电气设计和详细实验室测试支持。Clark Kinnaird还在南卫理工会大学 (SMUP) 教授电气工程课程。 Clark Kinnaird于1999年获得SMU的电气工程博士学位。另外，他还拥有电气工程硕士学位和核工程学士学位。Kinnaird博士在多个领域已经获得和正在申请多项专利，并当选为Eta Kappa Nu和Phi Kappa Phi协会荣誉会员。Clark Kinnaird也是IEEE会员，并且是德克萨斯州注册职业工程师。 参考书目： 《ANSI TIA/EIA-485：用于平衡数字多点系统的发电机和接收机电气特性》，《全球工程设计文件》中提供，global.ihs.com

《TIA/EIA-485（RS-485）的接口电路》，《德州仪器应用记录SLLA036》 ti.com

《总线解决方案比较》，《德州仪器应用记录SLLA067》，ti.com

《采用 Sin/Cos 编码器的高分辨率位置 DSP 解决方案》，《德州仪器应用报告SPRA496》，ti.com

《传动控制电路中的电气噪声》，应用记录 #5438，Galil Motion Control Inc.， galilmc.com

《分解器或旋转编码器，两个测量系统的特性》，Heidenhain 技术论文，Peter Polak，heidenhain.com

《线性发动机的线性编码器》，《Heidenhain技术论文》，heidenhain.com

《MODBUS初学入门》，《Acromag技术参考》，acromag.com

InterBus协会网站，interbusclub.com

Modbus机构网站，modbus.org