（农业电气化与自动化专业论文）lonworks技术在现场总线实验系统中的应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随著我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到 了迅速发展。现场总线是近年来出现在工业控制领域的新兴事物，它应用于生产 现场，在智能测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通讯的新型数据总线， 也被称为开放式、数字式、多点通讯的底层控制网络。 l o n 现场总线是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年推出的局部操作网络( l o c a l o p e r a t i o nn e t w o r k ) ，为全分布式测控系统提供了很强的实现手段。为了支持 l o n 总线，e c h e l o n 公司的一套完整的开发平台，被称为l o n w o r k s 技术。 本文首先阐述了现场总线的基本概念。在介绍了现场总线的基本理论、课 题提出的背景和作者的主要工作等内容之后，简要回顾了现场总线控制系统的产 生历程，介绍了现场总线先进的技术特点，提出了现场总线发展的展望。本文详 细阐述了l o n 现场总线的技术内容，介绍了l o n w o r k s 的核心技术，包括神经元 芯片、n e u r o n 芯片固件、n e u r o nc 软件系统、常用的l o n w o r k s 开发工具等， 讨论了e c h e l o n 公司互操作性的理论和实现方法，对l o n w o r k s 总线集成技术和 工作机制进行了研究和分析，根据具体的控制系统对这两种总线集成技术做了详 细地叙述。 在这个基础上搭建出一套现场总线试验平台，通过o p c 技术使不同总线可以 相互通信，达到多种总线在一个系统中可以无缝联结的目的。然后在l o n w o r k s 子系统中，对实验对象多电梯模型提出一种改进的以最小等待时间为原则的电梯 群控算法。 关键词：现场总线，l o n w o r k s ，电梯群控，最小等待时问 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y 、c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m a t i ct h e o r ya r ed e v e l o p e dr a p i d l y , f i e l d - b u sa r en e w b u s i n e s s e sa p p e a r i n gi nr e c e n ty e a r s i ti san e wt y p eo fd a t ab u s ，w h i c hc a n c o m m u n i c a t eb e t w e e nm a n yi n t e l l i g e n tm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e si nas e r i a l d o u b l em u l t i - n o d ed i g i t a lw a y , a l s ok n o w na sb a s i cc o n t r o l l i n gn e t w o r kf o ro p e n i n g d i g i t a la n dm u l t i - n o d ec o m m u n i c a t i n g l o ni sal o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k sp u tf o r w a r db yc o n t r 0 1 f o rs u p p o r t i n gt h e l o n 、e c h e l o nc o r p o r a t i o nd e s i g n sas u i to fp l a t f o m l ，t h a ti sc a l l e dl o n w o r k s t e c h n o l o g y f i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sb a s i cc o n c e p to ff i e l d b u s a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i c t h e o r yo f f i e l d b u s ，b a c k g r o u n do f p u t t i n gf o r w a r dt h et a s ka n dt h ea u t h o r sm a i nw o r k ， i tr e v i e w sb r i e f l yt h ed e v e l o pc o u r s eo ft h ef i e l d b u s ，i n t r o d u c e st h ea d v a n c e d c h a r a c t e ro ff i e l d b u sa n dp u t sf o r w a r dt h ep r o s p e c to ft h ec o r et e c h n o l o g yo f l o n w o r k s ，i n c l u d i n gn e u r o nc h i p ，f l r m w a r eo fn e u r o nc h i p ，s o f t w a r es y s t e mo f n e u r o nc ，u s u a ll o n w o r k sd e v e l o p m e n tt o o l s ，d i s c u s s e st h et h e o r i e so f i n t e r o p e r a b i l i t y a n dt h em e t h o d so fr e a l i z i n gt h e i n t e r o p e r a b i l i t yb ye c h e l o n c o r p o r a t i o n a n dt h et h e s i ss t u d i e sl o n w o r k s t e c h n o l o g yo fi n t e g r a t i o na n dt h e i r w o r km e c h a n i s m ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a lc o n t r o ls y s t e mt h i sk i n do fi n t e g r a t i o n t e c h n o l o g yo f f i e l d b u sa b o v ei sd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h i sb a s e ，w eb u i l taf i e l d b u se x p e r i m e n ts y s t e m d i f f e r e n c ek i n d so fb u sc a n c o m m u n i c a t i o nw i t he a c ho t h e rb yo p c t e c h n o l o g y r e a c ht h ea i mo f a l lt h eb u sc a n b eo r g a n i z e di nau n i t a f t e rb u i l tt h i ss y s t e m ，w em o d i f e dt h ea l g o r i t h mo f m i n i m u mw a i t i n gt i m ei ss u g g e s t e db yp r e s e n t m gt h em i n i m u mw a i t i n gt i m e a l g o r i t h mi nm u l t i - e l e v a t o re x p e r i m e n ts y s t e m k e y w o r d s f i e l d b u s ，l o n w o r k s ，e l e v a t o rg r o u pc o n t r o ls y s t e m ，o p t i m i z a t i o n c o n t r o lm i n i m u mw a i t i n gt i m e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于在年- f t l 密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：导师签名 左f 始 签字同期：年月日签字日期：d f 年占月2 。日 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 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 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年 月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 十八世纪以前，人类发展了机械工具和使用现存的能源。工业革命的先决条 件是生产能源以及将能源转换成另一种形式。随着时间的推移，人力不得不让位 给机器，从而形成了大工业。 近年来，我们进入了第三次工业革命。即信息技术时代。我们不断提高处理 信息、计算、存储、传输和分配数据的能力。有线电话网、移动电话、个人电脑 和i n t e r n e t 都是信息技术领域中令人振奋人心的例子。随着信息技术的发展， 工业进入了一个新的阶段，l a n s 网络的出现使计算机能用比较经济的方式互联， 并能让网络中的计算机相互访问。而l a n s ( l o c a la r e a n e t w o r k s ) 网和w a n s ( w i d e a r e an e t w o r k s ) 的联结，使计算机集成制造( c i m s ) 成为可能。 八十年代中期，国外提出了现场总线。到九十年代，现场总线发展迅速。它 被越来越多的人所重视。 现场总线的定义分为广义和狭义两种。广义上，现场总线包括协议通信网络、 通信设备、现场设备和现场总线软件系统。狭义上，现场总线有下列几种常见的 定义： ( 1 ) 、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、多站的通讯系统。 ( 2 ) 、现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪 表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。 ( 3 ) 、i s a ( i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) s p 5 0 的定义：现场总线是一 种串行化、数字化数据通信链路，它沟通了生产、过程领域的基本控制设备之间 以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系。 ( 4 ) 、国际电工委员会i g c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和现场总线基金会f f ( f je l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 现场总线有两个特点，其一，现场总线是数字化通信网络。现场总线是通信 技术在控制领域的应用。现场的智能仪表拥有自己的中央处理器( c p u ) ，具有 江苏大学硕士学位论文 通信能力，各智能仪表之间完全通过数字信号通信，避免了信号衰减、共模干扰 和外部干扰问题，提高了控制系统的可靠性。其二，现场总线是丌放的分布式底 层控制网络。现场总线是在d c s 的基础上发展起来的，现场总线的智能仪表能完 成基本控制、参数补偿、参数修改、报警、显示等功能，真正的实现了分散控制。 而且各个设备使用相同的协议，也就能够与其它智能仪表进行信息共享，消除了 传统的d c s 的各个系统之间形成“信息孤岛”的缺点，体现了丌放性特点。所以 现在现场总线成为了自动控制中的热点。 由于技术和利益的原因，目前国际上还存在着多种现场总线标准。目前i e c 制定了一个由8 种现场总线组成的国际标准。这八种总线标准分别是： 类型1 基金会现场总线( 即f f 的h 1 ) 类型2c o n t r o l n e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) 类型3p r o f i b u s ( 德国西门子公司支持) 类型4p n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 类型5f fh s e ( 即原f f 的h 2 ，f i s h e r r o s e m o u n t 公司支持) 类型6s w i f tn e t ( 美国波音公司支持) 类型7w o r l df i p ( 法国a l s t o m 公司支持) 类型8i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 为了达到对现场总线市场的占领，对应每一种协议，都有不同的厂商支持并且开 发出各种功能丰富的硬件和软件以及系统产品。于是在应用的市场中，使用不同 公司产品的客户。和同一客户使用了不同公司的产品间的通信，由于涉及不同的 现场总线的标准，不能直接进行通讯。所以对于不同现场总线的通讯的研究显得 比较有必要。川2 1 ” 1 2 主要工作 现场总线是开放的系统，但是目前有很多各个国家的标准和一些大企业制订 标准。所以现场总线的标准实质上并未统一，目前各种现场总线采用的通信协议 不尽相同。造成实际的封闭性。因此，几种现场总线在同一系统中的相互操作和 相互通信是相对困难的。研究不同总线间的通讯就有了其必要性。本文的主要研 究的任务是首先建立一套包含多种现下流行的现场总线的实验室柔性集散系统。 江苏大学硕士学位论文 然后通过利用这一套现场总线的柔性集散系统，研究不同总线问相互通讯以及现 场总线与以太网的无缝联接所涉及的一些问题。其次将解决l o n 总线与其他现场 总线的通讯问题。然后使用基于l o n 技术的总线控制模块w a g o 一8 1 9 和其它w a g o 公司的输入输出模块，使用w a g o 公司的专用软件w a g o i o p r o 软件对总线控 制器进行编程，一起对实验室电梯模型进彳亍控制。最后利用搭建好的l o n 总线平 台和实验对象多台电梯模型，对电梯的群控算法进行了一点探讨。 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线控制系统 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、 企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革， 逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一 形势发展起来的新技术。 2 1 现场总线的发展 2 0 世纪5 0 年代前，第一代过程控制体系结构出现。随后的2 5 年，第二代 过程控制体系使用的是4 2 0 r o a 的模拟信号。到了7 0 年代，人们在测量、模拟 和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而产生了集中式控制，即第三代控制 体系结构。集中控制是以计算机为基础加上扩展i 0 接口而构成。 其主要缺点是： ( 一) 、集中式的计算机使风险非常集中，降低了可靠性。 ( 二) 、模拟信号数字化在计算机一侧，使信号容易受到干扰。 ( 三) 、开发大范围的系统比较困难。 到了8 0 年代，由于微处理器被嵌入到各种设备中。使设备具有了智能化， 于是产生了分布式控制，即第四代过程控制体系结构( d c s ) 。它针对集中式控 制系统风险集中的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同 完成，采用阶梯式控制结构。具有现场级的控制单元。现场控制单元中的i 0 模 块接收来自现场设备的4 2 0 m a 模拟信号，再将其转换为数字信号传送给控制单 元。并同时接收来自控制单元的指令，转换成相应的控制信号，指挥现场设备完 成控制功能。集散控制系统( d c s ) 的确切定义没有形成一个明确的标准。 目前比较常用有两种理解方式： 第一种是广义上的，从d c s 的字面语义上理解的，控制器通过某种通讯协 议能实现相互之间进行数据交换，并能实现“管理集中，控制分散”功能的控制 系统就可以称为集散控制系统( d c s ) ； 第二种是狭义上的，相对于p l c 而言的。集散型控制系统源于模拟仪表技 江苏大学硕士学位论丈 术，在运算放大器的基础上得以发展的，侧重于模拟量处理。过去在复杂的过程 控制中流程工业的控制系统一般选用集散型控制系统( d c s ) ，他们般是一些 国际大公司专门研发的功能很完善的一整套控制系统。 d c s 产品在电力、石化、化工等行业发挥了重大作用，但是国际上d c s 产 品的专有化生产和高昂的价格；同时由于整套系统的各种产品都由自己研发，存 在产品更新慢、通讯协议采用自己的专用协议各公司都有各自的标准，缺乏通用 性和系统的开放性，这些都严重阻碍了d c s 的普及和技术改造。 在8 0 年代中期，国外就提出现场总线的概念。原始的现场总线思想非常简 单，它针对传统集散型控制系统( d c s ) 的问题，希望用一个开放的独立于产品 厂家的多回路通信系统来取代4 2 0 m a 的电流标准。到了9 0 年代，由于电子技 术和计算机技术的高速发展，现场总线的技术条件才得以完善。”“” 2 2 现场总线概述 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是 连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网 络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络 集成式全分布式控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机集成制造系统) 的最底层。现场总线一出 现，就受到了各方面的关注。国内外各大著名的自动化厂商出于各自利益的考虑， 都研究并开发了各种各样的现场总线产品。于是出现了多种现场总线的企业标 准、集团标准和国家标准。1 9 9 9 年底，i e c 通过了f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 等 八种国际总线标准。 现场总线表现为一种通信网络现场总线符合自己的通信协议，并最终表现为 具体的设备。正确地理解现场总线，应该从本质特征上来考虑。现场总线的本质 含义表现在以下几个方面： ( 1 ) 、现场总线是一种数字化通信网络。这方面的特征是现场总线在控制领 域带来革命性变化的本质基础。现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设 备，是一种用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信 网络。在此基础上，出现了各种现场总线通讯协议，包括f f 、h a r t 、p r o f i b u s 、 江苏大学硕士学住论走 术，在运算放大器的基础上得以发展的，侧重于模拟量处埋。过去在复杂的过程 控制中流程工业的控制系统一般选用集散型控制系统( d c s ) ，他们般是一些 国际大公司专门研发的功能很完善的一整套控制系统。 d c s 产品在电力、石化、化工等行业发挥了重大作用，但是国际上d c s 产 品的专有化生产和高昂的价格；同刚由于整套系统的各种产品都由自己研发，存 在产品更新慢、通讯协议采用自己的专用协议各公司都有各自的标准，缺乏通用 性利系统的开放性，这些都严重阻碍了d c s 的普及和技术改造。 在8 0 年代中期，国外就提出现场总线的概念。原始的现场总线思想非常简 单，它针对传统集散型控制系统( d c s ) 的问题希望用一个丌放的独立于产品 厂家的多回路通信系统来取代4 2 0 m a 的电流标准。到了9 0 年代， 扫于电子技 术和计算机技术的高速发展，现场总线的技术条件才得以完善。”“” 2 2 现场总线概述 根据国际电工委员会( c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是 连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网 络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络 集成式全分布式控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机集成制造系统) 的最底层。现场总线一出 现，就受到了各方面的关注。国内外各大著名的自动化厂商出于各自利益的考虑， 都研究并开发了各种各样的现场总线产品。于是出现了多种现场总线的搬业标 准、集团标准和国家标准。1 9 9 9 年底，i e c 通过了f f 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 等 八种国际总线标准。 现场总线表现为一种通信网络现场总线符台自己的通信协议，并最终表现为 具体的设备。正确地理解现场总线，应该从本质特征上来考虑。现场总线的本质 含义表现在蛆下几个方面： ( 1 ) 、现场总线是一种数字化通信网络。这方面的特征是现场总线在控制领 域带来革命性变化的本质基础。现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设 备，是种用于过程自动化和制造自动化的现场设各或现场仪表互连的现场通信 网络。在此基础上，出现了各种现场总线通讯协议，包括f f 、h a r t 、p r o f i b u s 、 网络。在此基础上，出现了各种现场总线通讯协议，包括f f 、h a r t 、p r o f i b u s 、 江苏大学硕士学位论文 c a n 、l o n w o r k s 等等。对应每一种协议，都有支持厂商和各种硬件和软件以及 系统产品。网络数字化，是现场总线应用的本质之一。正是因为实现了数字化， 才导致了双向通讯、通讯多变量，从而控制分散，管理分散。 ( 2 ) 、现场的核心是总线协议，即总线标准。一种类型的总线，只要其总线 协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本 原理而言各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。 但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线满足可 互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在i e c 国际标准，现场总线通讯协议 模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个 现场总线装置都用装置插述d d 来描述。d d 能够认为是装置的一个驱动器，它包 括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于d d 包括描述装餐通信所需 的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。 ( 3 ) 、现场总线的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是f c s 系统 的硬件支撑，是基础，道理很简单，f c s 系统执行的是自动控制装置与现场装置 之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即 相关的通讯规约，不具备数字通信功能。那么所谓双向数字通信只是一句空话， 也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场 一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统 的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。 ( 4 ) 、现场总线系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统，无论是 采用d c s 还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上， 采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少， 甚至增加了，丽传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆 传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制 机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。 ( 5 ) 、减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返 常常可带来改善系统响应时间的好处。因此。网络设计时应优先将相互间信息交 换量大的节点，放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互 矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的 6 江苏大学硕士学位论文 话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时问比较紧张，稍微减少一点信息 的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。现在一些带现场总线的现场仪 表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个 网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上 的功能块，是系统组态要解决的问题。考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上 的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能 块。啪悯 2 3 几种现场总线技术介绍 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成影响并在一些特定的应 用领域显示了自己的优势。但由于目前现场总线的标准众多，为用户选择使用造 成了极大的不便。但各种总线各有各的长处，下面对现存的几种影响较大的现场 总线技术做概要的介绍。 f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 基金会现场总线) 是现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ) 专门针对过程自动化在功能、环境与技术上的特点而开发的总线技 术，它的前身是以f i s h e r - - r o s e m o u n tf o x b o r o 、y o k o g a w a 、a b b 、s i e m e n s 等 8 0 多家公司联合成立的互操作系统协议i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) ， 以及由h o n e y w e l l 、b a i l e y 等1 2 0 多个公司组成的世界工厂仪表协议w o r l d f i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 。两大集团于1 9 9 4 年合并，组成了 今天的f f 。f f 在过程自动化领域得到广泛支持具有良好发展前景。实现了o s i 模型的1 ，2 ，7 层，并在此基础上增加了一个内容广泛的用户层，定义了信息存 取的统一规范，这是f f 的关键特点。o s i 模型与f f 现场总线通信模型的具体对 应关系如图2 1 所示。 用户层由两部分组成：功能块和装置描述语言。 功能块将控制功能进行了标准封装，如模拟输入、输出、p i d 控制等。功能 块可根据需要内置于现场装置。功能块的设置使得控制系统的设计、连接及操作 变得非常容易。 装置描述d d ( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) 以设备描述语言写成由设备供应商提 供，一旦d d 上载到主机系统后，系统及所有其他装置就能识别出该装置的所有 7 江苏大学硕士学位论文 性能。由于新增了用户层， 不容易做到的。 s o o s i 参考模型 f f 就可以充分实现设备的互操作性，这是其他总线 现场总线协议 f f 总线 应用层 应用层 用户层 表示层 ： 功能块应用与 设备描述 通信栈 对话层无 。 传输层 网络层总线访问子层 数字链路层数据链路层 物理层物理层物理层 图2 10 s i 模型与f f 现场总线通信模型的对应关系 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，h 1 总线经网桥可真接连接高速以太网； h 2 传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 其通信距离可达7 5 0 m 和5 0 0 m 两种。物理传输介 质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。其物理媒介的传 输信号采用曼彻斯特编码。 该技术是针对工业过程自动化来开发的，协议在满足工业现场环境、安全防 爆、总线供电等方面有全面考虑。 l o n w o r k s ( l o n 总线现场总线技术) 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它 与摩托罗拉东芝公司共同倡导。它采用o s i 模型的全部7 层通信协议，采用了面 向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。其通信速率 从3 0 0 b p s 一1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m 。支持双绞线、同轴电缆、 光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。 l o n w o r k s 技术的核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 的神经元芯片。 n e u r o n 芯片实现完整的l o n t a l k 通信协议，节点间可以对等通信。 7 6 5 4 3 2 ， 江苏大学硕士学位论文 l o n w o r k s 技术拥有电力线载波收发技术等独特优势，并消除了布线复杂度， 可直接实现与e t h e r n e t 的联接，具有通讯速率高、通讯距离远的特点。在应用 层给用户很大的自由度，有很好的灵活性，因此，极适合于楼宇自动化，家庭自 动化等。在开发智能通信接口，智能传感器以及组建分布式监控网络方面都具有 独特的优势。但在工业环境和防爆方面考虑不够。 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s 过程现场总线) 是由西门子公司为主的十几 家德国公司共同推出。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 p r o f i b u s 系列。它们均使用单一的总线访问协议。d p 型用于分散外设间的高速 数据传输，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、p a 型则是用于过程控制领域的总线 类型。支持总线供电与本质安全防爆。 它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层( f m s 还采用的应用层) 。o s i 模 型与p r o f i b u s 现场总线通信模型的对应关系如图2 2 所示。应用层有两个子层： 现场总线访问子层f a s 和现场总线信息规范子层f m s ，并将从数据链路到f a s ， f m s 的全部功能集成为通信栈f m a 、f a s 的基本功能是确定数据访问的关系模型 和规范，根据不同的要求，采用不同的数据访问模式。现场总线信息规范子层 f m s 的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据。 i s o o s i 参考模型现场总线协议p r o f i b u s 层次结构 图2 2o s i 模型与p r o f i b u s 现场总线通信模型的对应关系 7 6 5 4 3 2 江苏大学硕士学位论文 p r o f i b u s 总线的传输速率为9 6 k b p s l g r b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时 为l o o m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m 。可用中继器延长至l o k m 。最多可挂接1 2 7 个站点。 与其他现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最重要优点是它的普遍性，它包括 了加工制造、过程和楼宇自动化等广泛应用领域，并可同时实现集中控制、分散 控制和混合控制三种方式，在断续控制为主的工厂自动化领域应用尤其广泛。 c a n 总线( c o n t r o a r e an e t w o r k 控制局域网) 是由德国b o s c h 公司推 出，开始用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。它广泛运用在离散控制 领域。c a n 总线采用了o s i 模型的物理层、数据链路层、应用层。其通信速 率最高可达1 m b p s 4 0 m ，最远可达5 k b p s l o k m 。可挂接设备数为1 1 0 个。 c a n 总线通信特点是采用广播方式并带冲突检测、多主节点以及基于报文的 数据传送方式。它以非常惊人的容错性而著名，能无限容错。执行多级错误识别 机制。c a n 总线只采用了o s i 模型全部七层中的两层，物理层和数据链路层。物 理层又分为物理信令p l s 、物理媒体附件p l l k 与媒体接口鼢i 三部分，完成电气 连接、实现驱动器接收器特性、定时、同步、位编码器解码。数据链路层分为 逻辑链路控制与媒体访问控制两部分，分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理、 以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。 对于c a n 节点可进行优先级设定，c a n 的信号传输采用短帧结构，每个可以 自行决定减速。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，有较强的抗干扰能力， 实时性好。可实现环境复杂、可靠性要求高的应用领域。适合于汽车电于测控网 络和野外监测控制网络。 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 高速可寻址远程传感器 数据通路) 是由美国r o s e m o u n t 公司研制并得到八十多家著名仪表公司的支持。 h a r t 协议参照o s i 模型的1 ，27 层物理数据链路和应用层实现。o s i 模型与h a r t 现场总线通信模型的对应关系如图2 - - 3 所示。它的物理层采用b e l l 2 0 2 国际标 准，数据链路层用于按h a r t 通信协议规则建立h a r t 信息格式。其信息构成包括 开头码、终端与现场设备迤址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶 校验等。应用层的作用在于使h a r t 指令付诸于实施，即把通信状态转换成相应 的信息。 l o 江苏大学硕士学位论文 i s o ，o s i 参考模型 现场总线协议h a r t 总线 应用层应用层 h a r t 指令 表示层 对话层无无 传输层 网络层总线访问子层总线访问子层 数字链路层 数据链路层h a r t 通信规则 物理层物理层 b e l l 2 0 2 图2 3o s i 模型与h a r t 现场总线通信模型的对应关系 h a r t 协议总线技术实际上不是真正的现场总线技术，其特点是在现有模拟 信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性 产品。它保留了4 2 0 m h 的模拟信号，既确保了用户原有投资的有效性，也让用 户对现场智能仪表有深刻体会。在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得 到了较快发展。 d e v i c e n e t 网络是1 9 9 7 年开始研制，1 9 9 8 年和1 9 9 9 年开始应用推广，从 c a n 总线发展而成的简单网络方案。目前全球有一个独立组织，即o d v a ( o p e n d e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) - - 放式设备网络供货商协会，管理d e v i c e n e t 技 术规范，并促进该设备网络在全球的推广和应用。该协会实行会员制，会员分供 货商会员和分销商会员。o d v a 现有生产商会员3 1 0 个，其中包括r o c k w e l l 、 a b b 、p h o e n i x 、c o n t a c t s 、o m r o n 、h i t a c h i 、c m l c r h a f f i m e r 等几乎所有世界上 著名的电器和自动化元器件生产商，主要应用于物流、仓储( 传动、包装、食品、 药物、邮件分检等系统) 、电梯、各种生产线( 电子管、彩管、纺织、钢铁、烟草) 、 铁路信号等部门。它的技术特点有： ( 1 1d e v i c e n e t 是一种低成本的通信链接。它可将工业设备( 如：限位开关、光 电传感器、阀门、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频器、面板显 示器和操作员接口等) 在网络上连接； ( 2 ) 各设备之间以一根电缆互相连接和通信，数据传输率为2 m b p s ； 7 6 5 4 3 2 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 它可实现设备级的诊断功能； ( 4 ) d e v i c e n e t 是一个开放式网络标准。用户对设备可进行最佳系统集成，节 省了安装和调试的费用。2 3 1 4 2 4 现场总线网络的媒体访问控制技术 开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，从某种角度看，f c s 的通信网络还是属于计算机局域网的范畴，因此，其通信协议基本上是局域网通 信协议的变种，但现场总线是一种实时控制网络。对实时性和可靠性要求很高， 为了适应工业控制的环境，f c s 的通信协议一般具有以下几个特点： ( 1 ) 力求简洁，以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提高系统 的健壮性。 ( 2 ) 高可靠性和低传输率，可靠性是工业控制系统的重要一环，为了提高可靠 性，宁可牺牲一些传输速率。至少从目前来看，在工业控制网络中。大流量的数 据传输还不多见，但从发展趋势看，在工业控制网络中进行多媒体通信已是势在 必行，因此，提高网络的传输速率己显得越来越重要。 ( 3 ) 多采用变种的局域网协议。总体来看，f c s 的网络通信协议主要分两大类： 一类是总线令牌协议，属于无冲突网络，具有传播时延确定的特性，在大流量数 据传输的情况下依然能保持有效的吞吐量，能适应多媒体通信。但协议相对复杂， 且由于传送令牌时需占用一定的带宽，因此，带宽的利用率稍低。另一类是采用 总线仲裁的有冲突网络协议，其特点是协议简单，可靠性高，实时性能好。但由 于传播时延是不确定的，因此不能支持高强度、大流量的数据传输。 f c s 网络的媒体访问控制方式有以下几种： 轮询法 所谓“轮询法”是指定一个主机作为主节点未定期轮询各个从节点，以便显 式分配从节点访问共享介质的权力。这类协议的特点是： 1 、简单实用，软硬件开销小，特别是对从站的要求相对低。 2 、轮询法实质上属于令牌协议，只是由主站来负责发放令牌，因此具有传 播时延确定的特点，且可靠性高。 3 、轮询过程占用一定的网络带宽，增加了网络负担。 1 2 江苏大学硕士学位论文 4 、风险完全集中在主节点上，为避免因主节点失效而导致整个网络瘫痪， 有时需设置多个主节点来提高系统的健壮性。 w o r l d f i p 现场总线采用的便是这种通信方式，只是未采用真正的主一从方 式，而是由一个总线仲裁器来负责轮询的工作，以2 0 m s 为一个基本循环，定时 轮询，周而复始，循环进行。每个循环包含4 个窗口，现场采集站点( 生产者) 的数据可以绑定到另一站点的周期性变量上，利用每个循环中的周期扫描窗口， 来实现周期性变量的实时刷新机制。在非周期扫描窗口可以不定期的对非周期变 量进行刷新。而对于一些突发性的消息( 如故障诊断，报警等) ，则可以在消息 窗口中进行处理。 总线令牌方式 采用总线逻辑令牌环协议，网络上所有节点组成一个虚拟环。令牌在虚拟环 中从一个节点传向其逻辑邻居节点。只有持有令牌的节点才能访问网络。令牌总 线网的优点是：在实时性方面是可确定的。因为容易计算出最坏情况下节点等待 令牌的时间，因此在流量很大的情况下，依然具有稳定的吞吐能力。但这种协议 在具体实现时为确保可靠性必须付出较大的代价，例如在网络启动、增加删除 节点时需进行逻辑环重构。 p r o f i b u s 现场总线就是应用这种方式的典型例予，p r o f i b u s 为多主多从 结构，即可由多个主站( 控制主机) 和多个从站( 简单的i o 设备) 方便地构成 集中式、集散式和分布式控制系统。它采用混合媒体访问方式，即主站间按令牌 方式，主站和从站间按轮询方式工作。令牌在主站之间按照地址的升序传递，得 到令牌的主站可在一定的时间内与网上的任何一个主站或从站通信。这种方式保 证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个主站在一个特定的时间片 内都可以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。 c s m a c d ( 带冲突检测的载波监听多路访问) 方式 c s m a i c d 有许多不同的实现版本，其核心思想是：一个节点只有确认网络 空闲之后才能发送信息。如果多个节点几乎同时检测到网络空闲并发送信息，则 产生冲突。检测到冲突的发送信息的节点必须采用某种算法( 如以太网里标准的 二迸制指数后退算法b e b ) 来确定延时长短，延时结束后重复上述过程再试图 发送。 江苏大学硕士学位论文 c s m a c d 在节点数量不多、传输信息量较少时效率很高，且具有很好的实 时性能。但c s m a c d 冲突产生具有很大的随机性，在节点数量多、传输信息量 大的时，响应延时不可确定，无法满足控制网络的实时性要求。l o n w o r k 现场总 线采用了变种的c s m a c d 协议一一种更为简单的p 坚持c s m a 协议。p 坚持 c s m a 使用的是分时隙介质访问控制方法，即时问被分成离散的区间( 时隙) 。 当节点侦听到信道空闲时，以给定的概率p 在一个随机分配的时隙发送报文，而 以概率q = 1 一p 把发送推迟到下一时间，重新监听信道。每一帧的发送总是在时 隙开始时启动，时隙数目r = 饰。这种分时隙m a c 方法，极大地降低了发送包 产生冲突的概率。p 值的大小是随流量的大小而变化的，当流量小时取较大的p 值，以提高信道的利用率，反之，当流量大时取较小的p 值，以降低冲突的概率。 每