硕士论文-基于CAN BUS现场总线的SCADA系统的研制.pdf

山东大学 硕士学位论文 基于can bus现场总线的scada系统的研制 姓名：王松磊 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李正军 20040518 山东大学硕士学位论文 摘要 现场总线( f i e l db u s ) 是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自 动化领域的计算机局域网。其作为工业数字通信网络的基础，沟通了生产过程 现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之问的联系。 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，属于现场总线( f i e l db u s ) 的范畴，是德国b o s c h 公司在8 0 年代初，为解决现代汽车内部众多的控制与 测试仪器直接数据交换而开发的一种串行通信协议。由于其高性能、高可靠性 及其独特的设计，现在已不再局限于汽车领域，从高速网络到低成本多任务网 络的自动化领域都广泛采用，已成为最有前途的现场总线之一。 本课题中将c a n 现场总线技术应用于s c a d a 系统的研制。系统架构中， 开发出置于上位机p c i 插槽中的p c i c a n 智能网络适配器、放在工业现场的 基于c a n 总线的智能测控模块和f b c 2 0 0 0 现场控制单元。同时开发出与 p c i c a n 网络适配器配套的基于w i n 3 2 的驱动模型( w d m ) 程序和上位机监 控软件，上位机监控软件通过该驱动模型与p c i c a n 网络适配器进行数据交 互，进而对c a n 总线网络上的智能测控模块和f b c 2 0 0 0 现场控制单元等下位 机进行数据的实时采集和监控。 p c i c a n 智能网络适配器是基于p c i 接口的c a n 总线适配器。接口电路 采用p c i 接口芯片c y 7 c 0 9 4 4 9 的内置双口r a m 作为数据通信的缓冲区和通信 仲裁区，以实现网络数据的并行高速传输；符合p c i 总线规范2 2 ，可以方便 的插在普通p c 机或工控机的p c i 插槽中。 基于c a nb u s 现场总线的f b c 2 0 0 0 现场控制单元采用“m c u + p s d ”结 构，利用p s d 8 1 3 f 2 单片机可编程外围芯片，实现现场控制单元的在应用编程 ( 1 a p ) 特性，通过上位机可以实现用户程序的下载、执行、停止、清除、重 新下载以及监控程序的自升级等功能。f b c 2 0 0 0 现场控制单元提供了 “a l l i n o n e ”结构的外围扩展功能模块，包括3 2 路模拟量输入模块、8 路 模拟量输出模块、1 6 路数字量输入输出模块、1 6 路继电器输出模块、时钟、 显示、键盘和打印模块等。基于c a nb u s 现场总线和m o d b u s 协议的双通信 接口、在系统编程( 1 a p ) 特性和功能丰富的外围扩展模块的存在为f b c 2 0 0 0 第l 负 山东大学硕士学位论文 现场控制单元在各种测控场合的使用提供了便利。 系统丌发过程中对模糊p i d 控制在f b c 2 0 0 0 现场控制单元中的应用作了理 论研究。 关键词：现场总线控制器局域网p c i c a n 网络适配器w i n 3 2 驱动模型 现场控制单元在应用编程模糊控制p i d 控制 第1 1 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s f i e l db u st e c h n o l o g y ，w h i c hi sc a l l e dt h el o c a la r e an e t w o r ki nt h ea u t o m a t i o n d o m a i n ，i so n eo f t h eh o ts p o t si nt h ec o n t r o ld o m a i n a st h eb a s eo f i n d u s t r i a ld i g i t a l c o m n m n i c a t i o nn e t w o r k i tc o m m u n i c a t e st h ei n d u s t r i a if i e l dc o n t r o ld e v i c e sl e v e l a n dt h em a n a g e m e n tl e v e l c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，c a t e g o r i z e d i n t o t h ed o m a i n o f f i e l d b u s ，i s o n es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e v e l o p e db yb o s c h c o m p a n yi ng e r m a n yi n t h e19 8 0 s i tw a sd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e mo fd i r e c td a t ae x c h a n g e sb e t w e e n m a n yc o n t r o la n d t r i a li n s t r u m e n t si nm o d e r na u t o m o b i l e s n o w a d a y si ti sn o to n l y u s e di nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yb u ta l s oi no t h e rf i e l d sb e c a u s eo fi t s p r e e m i n e n t p e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n du n i q u ed e s i g n i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n y f i e l d ss u c ha sh i g h s p e e dn e t w o r k sa n dl o w c o s tm u l t i - t a s kn e t w o r k s a n di ti s b e c o m i n g t h em o s t p o p u l a rt e c h n o l o g y u s e di nt h ed o m a i no f f i e l db u s c a n t e c h n o l o g yi s u s e di nt h i ss c a d a s y s t e m i nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， p c i c a n i n t e l l i g e n tn e t w o r ka d a p t e r 、t h ei n t e l l i g e n tc a n n o d e sa n dt h ef b c 2 0 0 0 f i e l dc o n t r o lu n i ta r ed e v e l o p e d 1 1 1 eh o s ts u p e r v i s o r ys o f t w a r ea n dt h ew i n 3 2d r i v e r m o d e l ( w d m )w h i c hi su s e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h ep c i c a nn e t w o r k a d a p t e ra n d t h eh o s ts u p e r v i s o r ys o f t w a r ea r ep r o g r a m m e d t h ef b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r o lu n i tb a s e do nc a n t e c h n o l o g y a d o p t s “m c u + p s d s t r u c t u r ea n du s e st h ep r o g r a m m a b l ep e r i p h e r a lc h i pp s d 8 13 f 2 w h i c hh a st h ei s pf e a t u r e t h ei na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ( 1 a p ) f e a t u r ei s a c h i e v e di nt h ef b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r o i u n i t ，t h r o u g h t h i s f e a t u r e ，t h e d o w n l o a d i n g ，e x e c u t i n g ，s t o p p i n g ，c l e a r i n ga n dr e d o w n l o a d i n g o f u s e r p r o g r a m m s c a n b ea c h i e v e da tt h eh o s ts i d e 1 1 l e u p d a t i n g o fs u p e r v i s o r yp r o g r a m m si nt h e f b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r o lu n i tc a l la l s ob ei m p l e m e n t e d t h ef b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r 0 1 u n i t p r o v i d e sp e r i p h e r a le x p a n d e d f u n c t i o nm o d u l e sw h i c ha r eb a s e do nt h e “a l l 一1 n o n e ”s t r u c t u r e i ti n c l u d e st h e3 2c h a n n e l sa n a l o gi n p u tm o d u l e ( 3 2 a i ) ， t h e8c h a n n e l sa n a l o go u t p u tm o d u l e ( 8 a o ) t h e16c h a n n e l sd i g i m lo u t p u t i n p u t 第l l i 页 山东大学硕士学位论文 m o d u l e ( 1 6 d o ，d i ) ，t h e1 6c h a n n e l sr e l a yo u t p u tm o d u l e ( 1 6 r l ) ，t h et i m e ，d i s p l a y , k e y b o a r d a n dp r i n t e rm o d u l e t h ef b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r o lu n i th a st w o c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c c ：t h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dt h em o d b u s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c a u s e r sc a ns e l e c t eo n eo ft h e mt oc o m m u n i c a t ew i t ht h e h o s t i nt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s t h e f u z z yc o n t r o lt h e o r y i sr e s e a r c h e di nt h e f b c 2 0 0 0f i e l dc o n t r o lu n i t a n di tw o r k sw e l l k e yw o r d s ：f i e l db u s c a n p c i p c i c a nn e t w o r k a d a p t e r w i n 3 2d r i v e rm o d e l ( w d m )f i e l dc o n t r o lu n i t i a p f u z z y c o n t r o l 第l v 页 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丕担耋 日 期：趔5 e ! ：) 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂整垒 导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 现场总线技术简介 第一章绪论 信息时代的自动控制系统技术发展日新月异。智能化、数字化、信息化、 网络化、微型化、分散化代表着当今自动控制系统发展的主流方向。现场总线 是代表自动控制系统顺应这一发展方向的新型技术，标志着计算机技术在自动 化领域应用的新阶段，对计算机控制系统技术的发展产生重要影响。 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。现场总线是当今自 动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工 业数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制 管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分 布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合 技术，己受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化 系统结构与设备的深刻变革。 1 1 1 现场总线的产生 在过程控制领域中，从五十年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就 是4 2 0 m a 的模拟信号标准。七十年代，数字式计算机引入到测控系统中，而 此时的计算机提供的是集中式控制处理。八十年代微处理器在控制领域得到应 用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。在分布式控 制系统中，各微处理器被指定一组特定任务，通信则由一个带有附属“网关” 的专有网络提供，网关的程序大部分是由用户编写的。 随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以i c 代替常规电子线路，以微处 理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。 一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备 第1 页 山东大学硕士学位论文 了诸如自动量程转换、自动调零、自校正、自诊断等功能，还能提供故障诊断、 历史信息报告、状态报告、趋势图等功能。通信技术的发展，促使传送数字化 信息的网络技术开始广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全 相关系统的测试的记录、环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息， 并在必要时允许被管理和访问。这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大 增。另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护 性、可移植性等方面提出新需求。由此，导致了现场总线的产生。 现场总线就是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准化 的数字式通信链路，可进行全数字化、双向、多站总线式的信息数字通信，实 现相互操作以及数据共享。现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告 等工作。现场总线通信协议的基本要求是响应速度和操作的可预测性的最优化。 现场总线是一个低层次的网络协议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络， 负责文件传送等工作。现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台，基 于现场总线的分布式控制系统( f c s ) ，将是继d c s 后的又一代控制系统。 1 1 2 现场总线的特点和优点 1 现场总线的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一 的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室 的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物 理连接。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于 控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能 力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统 功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的 分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号。因而可实现一对电线上传输多个信号， 如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时叉为多个设备提供电源，现 第2 页 山东大学硕士学位论文 场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换器件。这样就为简化系统结构、 节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2 现场总线的技术特点 ( 1 ) 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信 息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的丌放系统。 这罩的丌放是指对相关标准的一致、公丌性，强调对标准的共识与遵从。一一个 开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线 功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用 户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可 实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味黄不同生产厂家的性能 类似的设备可进行互换而实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完 成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状 态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成 种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相 结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境 工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等， 具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防 爆要求等。 3 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统 第3 页 山东大学硕士学位论文 的设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控 制、报警和计算功能因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计 算单元等也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其 复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由 于控制设备的减少还可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接 多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校 对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可 就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据 有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节约维护开销 出于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将 相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信 息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统 结构简化连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一 品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、 接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高 了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备 与连线减少。现场仪表内部功能加强；减少了信号的往返传输，提高了系统的 工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重 构等优点。 第4 页 山东大学硕士学位论文 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点，国际上现场总 线的研究、丌发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢走上开放发展的征 程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。 国内现场总线技术的应用研究刚刚起步，国家专门成立了现场总线专业委员会 ( c f f c ) ，制定了现场总线发展的前景目标、发展方针和规划要点。 1 1 3 当前流行的几种现场总线 1 f f ( 基金会现场总线) 现场总线 基金会现场总线，即f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动化领 域得到广范支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 f i s h e r r o u s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司 制订的i s p 协议和以h o n e yw e l l 公司为首、联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的 w o r df i p 协议。屈于用户的压力，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现 场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以i s 0 o s i 开放 系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相 应层次，并在应用层上增加了用户层。 2 p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总 线，i s o 0 s i 模型也是它的参考模型。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速传输，适 合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动 化、可编程控制器、低压开关等一般自动化而p a 型则是用于过程自动化的 总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。 3 l o n w o r k s l o n 是l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的缩写，为美国e c h e l o n 公司推出。 l o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c h e l o n 公司推出 并由它们与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通 第5 页 山东大学硕士学位论文 过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m h p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) 支持双绞线、同轴电缆、 光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品， 被誉为通用控制网络。 4 c a n c a n 是控制局域网c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公 司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被i s o 困际标准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，己广泛应用在离散控制领域。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过， 其模型结构只有3 层，只取o s i 的物理层、数据链路层和应用层。其信号传输 介质为双绞线，通信速率最高可达l m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达 1 0 k m 5 k b p s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时 间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节 点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰 能力。 c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点 发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收，发送数据。它采用总 线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继 续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 c a n 总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监 控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已被公认为最有前途的现 场总线之一。 5 d e v i c e n e t d e v i c e n e t 是一种低成本的通信连接，它将工业设备连接到网络，从而免去 了昂贵的硬接线。d e v i e e n e t 又是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商 同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时 间。d e v i c e n e t 的直接互连性不仅改善了设备阃的通信，而且同时提供了相当 第6 页 山东大学硕士学位论文 重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线i o 接口很难实现的。 1 1 4 现场总线网络拓扑结构 1 总线型网络 总线型网络是从计算机的总线访问控制发展而来的，它将所有的入网计算 机通过分接头接入一条载波传输线上，网络拓扑结构就是一条传输线，如图1 1 所示。 图1 - 1 总线型网络拓扑结构 其特点是所有入网计算机共用一条传输信道，信道利用率高；同一时刻只 能有两处网络节点在相互通信；网络延伸距离有限：网络容纳节点数受信道访 问机制影响，因而是有限的。一般局域网络多采用此种方式，本s c a d a 系统 中采用总线型网络拓扑结构。 2 星型网络 星型网即以一台称之为中心处理机的计算机为主组成的网络，各种类型的 入网机均与该中心处理机有物理链路直接相连，因此，所有的网上传输信息均 需要通过该机转发，其结构如图1 2 所示。 其结构特点是：构造较容易，适于同种机型互连：通信功能简单，它可以 根据需要由中心处理机分时或按优先权处理：中心处理机负载过重，扩充困难； 每台入网计算机均需与中心处理枫有线路直接互连，因此线路利用率不高，信 道容量浪费较大。星型网主要用于楼宇自动化领域。 第7 页 山东大学硕士学位论文 图i - 2 星型网络拓扑结构图 3 环型网 环型网通过一个转发器将每台入网计算机接入网络，每个转发器与相邻两 台转发器用物理链路相连，所有转发器组成一个拓扑为环的网络系统，如图1 3 所示。 图1 3 环形网络拓扑结构圈 环型网由于其点一点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建 计算机网络。但它也是一种较为实用的局域网拓扑结构，尤其是在实时性要 求较高的环境比较实用。 1 2 c a n 现场总线 目前，世界公认的基金会现场总线f f 协议还没有全部颁布，国外专家预 计，完全过渡到f f 现场总线还需十年左右的时间。在众多的现场总线中，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线受到越来越多的关注并被国外许多大公司采 用，如p h i l i p s 、i n t e l 、m o t o r o l a 、s i e m e n s 和n e c 等公司的微处理器以及 t i 的数字信号处理器( d s p ) 也集成了c a n 控制器。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网络，是由德国b o s c h 公司 于8 0 年代为解决现代汽车中各种过程控制器、执行机构、监测仪器、传感器之 间的数据通讯而提出并开发的总线式串行通讯网络，1 9 8 1 年由i s 0 制定为国际 第8 页 山东大学硕士学位论文 标准( i s 0 1 1 8 9 8 道路车辆的高速控制器局域网数字信息交换标准) 。出于c a n 采用了许多新技术和独特的设计使得基于c a n 总线构建的系统在可靠性、 实时性和灵活性等方面具有突出的优良性能，从而也更适合于工业过程控制设 备和监控设备之间的互联，因此较之f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等现场总线， c a n 在国外工业测控领域应用更为广泛，它已经被公认为八种最有发展前途的 现场总线之。目前，c a n 总线技术在我国工业测控领域的应用还为数不多， 广泛开展对c a n 总线测控网络的应用性研究开发工作是提高我国工业测控技 术水平的客观需要。 1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通 信控制器局域网国际标准i s o1 1 8 9 8c a n 高速应用标准，i s o1 1 5 1 9c a n 低速 应用标准，这为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路， 1 2 2c a n 的性能特点 c a n 具有如下主要特性： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址 等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4 9 s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网 络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几 种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最 高可这】m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标 第9 页 山东大学硕士学位论文 识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识 符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极 低。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。c a n 节点 在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的 操作不受影响。 c a n 总线产品由于结构简单、应用灵活方便、价格低廉等优点，越来越受 到工业界青睐。据1 9 9 2 年成立的国际c a n 用户和制造商非盈利组织c i a ( c a n i na u t o m a t i o n ) 统计，在1 9 9 8 年销售了9 7 0 0 万个节点。其中8 0 安装于欧洲 ( 其中又有8 0 安装于德国) 。c a n 节点的8 0 应用于车辆，其余应用于嵌入 式网络和工业控制系统，如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床 控制系统等。在欧洲高能物理项目c e r n 中也采用了c a n 总线。 基于c a n 总线的以上优点，我们选择c a n 总线作为通信媒介构建s c a d a 系统。与传统的r s 4 8 5 构成的系统相比，c a n 总线构成的网络各节点之间的 数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活 性。c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响，从而保证不会出现象在r s 4 8 5 网络中，因个别节点出现 问题而使得总线处于“死锁”的状态。 c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现， 从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的 r s 4 8 5 所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是- 3 中具 有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的已形成国际标准的现场总 线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要 原因。采用c a n 现场总线技术的s c a d a 系统，性能价格比高，通用性强，可 靠性高，可广泛用于电力监控、工业过程控制领域，具有良好的经济效益和社 会效益，同时具有广泛的应用前景。 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 第二章系统结构及p c i c a n 智能网络适配器 2 1 系统结构 2 1 1 系统结构柱圈 基于c a n 总线的s c a d a 系统的系统结构如图2 - l 所示。 能 图2 - l 基于c a n 总线的s c a d a 系统结构框图 基于c a n 总线的s c a d a 系统设计应在保证系统可靠工作和降低成本的条 件下，具有通用性强、实时性好和可扩展性强等特点，因此，针对研究课题，本 系统主要由上位计算机及监控软件、基于p c i 接口的p c i - c a n 智能网络适配 第1 1 页 山东大学硕士学位论文 器及与其相配套的设备驱动程序( w d m ) 、f b c 2 0 0 0 现场控制单元和若干个功 能各异的f b c a n 系列智能测控模块( 基于c a n 总线的智能测控模块) 等部分 构成。 2 1 2 系统工作原理及设计中完成的主要任务 系统工作过程中，f b c 2 0 0 0 现场控制单元和f b c a n 系列智能测控模块完 成对工业现场各种信号的实时采集和控制功能，并通过c a n 现场总线将现场 信息传输到p c i c a n 网络适配器。基于上位机平台的监控软件通过与p c i c a n 相配套的驱动程序( w d m ) 完成与p c i - c a n 网络适配卡的数据交互，将 p c i c a n 网络适配卡接收至4 的来自工业现场的数据获取并显示在上位机上，供 用户观察现场的实时信息。用户还可以通过上位机监控软件，将所需的控制信 息实时通过p c i c a n 网络适配卡由c a n 总线输出至f b c 2 0 0 0 现场控制单元和 f b c a n 系列智能测控模块以控制相应输出。 上位计算机常选用p c 机，因为p c 机上面有很多p c i 插槽，利用p c i - c a n 智能网络适配器。使得该系统很容易与其他生产管理部门联网，便于统一调度 和管理。另外，选用p c 机还可以充分利用现有的软件工具和开发环境，方便 快捷地设计功能丰富的计算机软件。设计中利用v c 6 0 开发出了基于p c 机平 台的上位机监控程序。 p c i c a n 智能网络适配器是基于p c i 接口的c a n 总线适配器。本设计中， 接口电路采用p c i 接口芯片c y 7 c 0 9 4 4 9 ，内置双口r a m 作为数据通信的缓冲 区和通信仲裁区，以实现网络数据的并行高速传输；符合p c i 总线规范2 2 ， 使p c i c a n 适配器以p c i 总线通用卡的形式插入p c 机的p c i 扩展槽中；并开 发出相应的w i n 3 2 设备驱动模型( w d m ) 和上位机监控程序，使其在实现通 信任务的同时，完美解决好与其他监控软件平台的动态数据交换功能。 本设计中着重开发的f b c 2 0 0 0 现场控制单元为采用8 0 c 5 9 2 微控制器和 p s d 8 1 3 f 2 单片机可编程外围芯片组成的“m c u + p s d ”结构的嵌入式监控系统， 作为基于c a n 总线的s c a d a 系统中的一个多功能的下位机单元，负责与现场 仪表、传感器、执行机构等连接。具有在应用编程( 1 a p ) 功能，利用此功能 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 可以实现用户程序的下载、修改、清除、执行和系统内核程序的自升级等。陔 现场控制单元带有光电隔离的c a n 通信接口和m o d b u s 通信接口：用户可以根 据实际情况选择其一。f b c 2 0 0 0 现场控制单元提供多种功能的外部扩展功能模 块，如模拟量输入输出模块和数字量输入输出模块等。在设计过程中，还将模 糊p i d 控制的有关理论在f b c 2 0 0 0 现场控制单元中做了应用研究。 基于c a n 总线的s c a d a 系统中的下位机除f b c 2 0 0 0 现场控制单元外， 还包括基于c a n 总线的智能测控模块。c a n 智能测控模块( f b c a n 系列智 能测控模块) 包括数字量输入，输出模块( f b c a n 、8 d i f b c a n 8 d o ) 、模拟量 输入，输出模块( f b c a n 一8 a i f b c a n 一4 a o ) 、热电阻，热电偶测温模块 ( f b c a n 4 r t d f b c a n 3 t c ) 、脉冲量计数模块( f b c a n 。2 c t ) 和p i d 调节 模块( f b c a n p i d ) 。因该系列模块的设计由他人已完成部分工作，本设计中 在其基础上做了改进和完善，由于篇幅所限，文中不再加以论述。 网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构比环形结构信息吞吐率低，但结 构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。选用c a n 总线连 接各个网络节点，形成多主机控制器局域网。信息的传输采用c a n 通信协议。 传输介质采用双绞线。 2 2p c i c a n 智能网络适配器 2 2 1p c i 总线概述 p c i 总线的英文全称为：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e r c i a li n t e r e s t g r o u p ，简称p c i s i g ，即外设部件互连。p c i 总线是由i n t e l 公司提出的。i b m 公 司为保护自身的利益，将计算机总线由i s a 总线升级到m c a 总线，且没有对 外公开总线的技术标准。于是，c o m p a q ，a s t ，e p s o p , ，h p 等9 家公司在1 9 8 8 年联合推出了一种兼容性更强的e i s a 总线。到了1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首 先提出了p c i 总线的概念。并与i b m ，a s t ，h p ，d e c 等1 0 0 多家公司联合 共谋计算机总线的发展大业，于1 9 9 3 年推出了p c i 局部总线。p c i 总线不是由 a n s i 通过的标准，但由于它是由厂家自发制定执行的标准，具有众多的优点， 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 拥护者、执行者众多，成了事实上的标准。现在，摄新的p c i 规范版本是2 3 。 计算机的p c i 总线示意图如图2 2 所示。 中央 处理器 数据传输 局部总线 土存储器 ip c i 接桥 商速缓冲 存储 p c i 局部总线 ( 3 2 b i l ，3 2 m 字节s ) 扩展总线 控制器 羔区 总线 ii 工作站 标准总线( 1 6 b i t 5 m 字节s ) 小型 汁算机 标准总线媒体 图2 - 2 计算机的p c i 总线示意圈 p c i 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位：最高工作频率3 3 m h z ，支持猝发工 作方式，传输速度更高；低随机访问延迟( 对从总线上的主控寄存器到从属寄 存器的写访问延迟为6 0 n s ) ：处理器内存子系统能力完全一致；隐含的中央仲 裁器：多路复用体系结构减少了管脚数和p c i 部件：给予i s a ，e i s a ，m a c 系统的p c i 扩展板，减少了用户的开发成本。 对p c i 扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用：处理器独立。 不依赖任何c p u ，支持多种处理器及将来待开发的更高性能处理器；支持6 4 位地址：多主控制允许任何p c i 主设备和从设备之间进行对点访问：p c i 提供 数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为主设备； 而被主设备选中以进行通信设备称为“从设备”或“目标设备”。对于相应的接 口信号线，通常分为必备的和可选的两大类。p c i 总线共有1 0 0 个引脚，如果 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 只作为目标的设备。至少需要