（电气工程专业论文）工业设备网通信接口技术在电力监控系统中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着控制技术、计算机技术、通信和网络技术的快速发展，现场总线以其开 放性好、可靠性高、成本低、可维护性好等优点，已经成为工业自动化领域技术 发展的必然趋势。设备网( d e v i c e n e t ) 是当今工业自动化领域内一种应用广泛的 现场总线。它是基于c a n 总线的，属于总线式串行通信网络。由于采用了许多新 的技术，与一般的现场总线相比，d e v i c e n e t 具有突出的可靠性、快速性与灵活性， 目前已经成为工业自动化领域的标准网络之一。然而，国内d e v i c e n e t 现场总线的 研究和开发还处于起步阶段，远远落后于市场的需求。 本文的主要内容是d e v i c e n e t 从站设备通信接口的设计，主要目的是将 d e v i c e n e t 应用于电力监控系统中。本文致力于以下凡方匿的工作， 对现场总线技术的特点和发展状况作了详细的阐述，比较了几种常见的现场 总线技术，针对目前现场总线发展的技术壁垒，提出了相应的对策；分析了 d e v i c e n e t 协议规范，给出了d e v i c e n e t 通信接口设计的一般步骤。 本文以d e v i c e n e t 协议规范为理论基础，选择从底层协议着手，设计d e v i c e n e t 从站设备的通信接口。选用内嵌c a n 控制器模块的5 l 系列单片机和c a n 收发器， 为d e v i c e n e t 从站设备的通信接口搭建硬件平台；采用5 1 单片机的c 语言和面向 对象的编程思想，编写了c a n 协议规范程序和d e v i c e n e t 协议规范应用层程序； 遵照d e v i c e n e t 协议规范编写了设备的电子数据文件( e d s ) 。 最后，本文针对目前电力监控系统存在的缺点和不足，提出一种基于d e v i c e n e t 现场总线的分布式电力监控系统的设计思想，这种系统有助于提高电力监控系统 的开放性、安全性和可靠性。文中还给出了一种基于p c 平台的d e v i c e n e t 通信接 口的设计方法。 本文在实现d e v i c e n e t 从站设备通信接口基本功能的基础上，对d e v i c e n e t 现 场总线在电力监控系统中的应用作了有益的探讨，并对其发展和应用前景以及今 后进一步的工作作了展望。 关键词：现场总线，设备网，c a n ，从站设备接口，电力监控系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o l ，c o m p u t e r , n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o 西e s ，f i e l d b u s h a sb e e na ni n e v i t a b l et r e n di ni n d u s t t i a la u t o m a t i o nf i e l d s b e c a u s eo fi t s g o o do p e n n e s s ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o w c o s ta n d s i m p l em a i n t e n a n c e d e v i c e n e to r i g i n a t e sf r o mc a nb u sa n di so n eo ft h ew i d e l yu s e df i e l d b u s e si n i n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l d sa tt h ep r e s e n tt i m e c o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a lf i e l d b u s e s ， d e v i c e n e th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲r e l i a b i l i t y , g o o de f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t y b e c a u s ei ti n t e g r a t e s , s o m en e wt e c h n o l o g i e s h o w e v e r , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o nd e v i c e n e ti nc h i n ai s j u s ti nt h ep r i m a r yp e r i o da n d f a rb e h i n dt h em a r k e td e m a n d t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e i g nt h ed e v i e e n e tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ef o rs l a v ed e v i c e sa n dt h ep u r p o s ei st o a p p l yd e v i c e n e ti n e l e c t r i cp o w e r s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m t i f f sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so b t h ef o l l o w i n gw o r k f i r s t l y ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc u r r e n ts i t u a t i o no f f i e l d b u si n d e t a i l , c o m p a r e s s o m e g e n e r a lf i e l d b u s e sa n dp u t sf o r w a r d t h es o l u t i o nt ot h e t e c h n o l o g y b a r r i e r so ff i e l d b u s t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y s e sd e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n a n d p r o v i d e st h eg e n e r a lp r o c e d u r e o f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n b a s e do nd e c e n e t s p e c i f i c a t i o n , t h i s d i s s e r t a t i o n d e s i g n s t h ed e 埘c e n e t c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es t a r t i n gf r o mt h eb o r o md e v i c e n e tp r o t o c 0 1 t h e51s e r i a l m i c r o c o n t r o l l e rw i t he m b e d d e dc a nc o n t r o l l e rm o d u l e sa n dt h ec a nc o n t r o l l e r i n t e r f a c ea r c a d o p t e dt op r o v i d et h eh a r d w a r eo f t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h e r o u t i n e so fc a n s p e c i f i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o nr o u t i n e sw h i c hr e a l i z ed e v i c e n e t s p e c i f i c a t i o na r ep r o g r a m m e d 、“t l lc 5 1 p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h eo b j e c t - o r i e n t e d t h i n k i n g a c c o r d i n g t od e v i c e n e t s p e c i f i c a t i o n ，t h ee d s f i l ei sa l s oe d i t e d f i n a l l y , a l li d e ao fd e s i g n i n gt h ed i s t r i b u t e d e l e c t r i cp o w e rs u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nd e v i c e n e t ，w h i c hi sh e l p f u l t o i m p r o v et h eo p e n n e s s ，s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y , a n da m e t h o do f d e s i g n i n gt h ed e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eb a s e do n p ci sg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n ， o nt h eb a s i co f r e a l i z i n gt h em a i nf u n c t i o no f d e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ， t h e a p p l i c a t i o n a n d p r o s p e c t o f d e v i c e n e ta r ed i s c u s s e de f f e c t i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：f i d d b u s ，d e v i c e n e t , c a n ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e f o rs l a v ed e v i c e s ， e l e c t r i cp o w e r s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 现场总线是在生产现场的微机化测量控制设备之间的双向、串行、多节点、 数字式的通信系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，在制造 业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景【”。近年来， 随着控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术的飞速发展，自动化控制领域 开始出现了基于现场总线的开放型自动化控制系统。它将计算机技术、自动化技 术、通信技术、显示技术和转换技术融合在一起，在适应范围、可扩展性、可维 护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统 都具有明显的优越性。现场总线技术主要解决现场的智能化仪表、控锘4 器、执行 机构等设备间的数字通信，以及这些现场设备和高级控制系统乃至整个企业信息 化管理系统之间的信息传递问题。现场总线在现场设备间实现双向、串行、多节 点数字通信，将现场变送器、现场测量控制仪表连成一个系统，按照公开、规范 的协议进行通信，实现可靠的数据传输和信息交换。它还能进一步与管理、商务 等层次的网络互连为一体，形成企业信息的集成 2 】。现场总线除了能及时可靠的传 送数字信息外，还解决了危险区域( 如可燃、易爆区) 的安全性问题。 设各网( d e v i c e n e t ) 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种基于c a n 总线技 术的、符合全球工业标准的开放型通信网络 3 】 ”。它是一种低成本的通信连接，将 工业设备( 如限位开关、光电传感器、阀门、电动机启动器、过程传感器、条形 码读入器、变频器、屏幕显示和操作界面等) 连接到网络，从而可以节省大量昂 贵的硬接线。d e v i c e n e t 也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 之间的互连性不仅改善了设备问的通信，同时还提供了相当重要的设各级诊断功 能，这是通过硬接线i 0 接口很难实现的。d e v i e e n e t 已经成为工业自动化领域的 标准网络之一，它属于总线式串行通信网络，由于采用了许多先进的新技术，与 一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 现场总线以其可靠性高、分散性好、投资及维护成本低等特点，适合在电力 监控系统中应用。随着现场总线技术的发展，电力监控技术也发生了巨大的变化， 由原来的集中式模拟信号系统向分布式数字信号系统发展p 。目前，c a n 总线已 经被应用于分布式电力监控系统中，但由于c a n 总线协议的局限性，不利于监控 系统的蒹容和推广，这就要求有一种新型的、具有标准应用层协议的现场总线弥 补c a n 总线的不足。d e v i c e n e t 总线采用了c a n 总线协议的物理层和数据链路层， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 并增加了标准统一的应用层协议，因此采用d e v i c e n e t 总线，在c a n 总线的基础 上开发一种新型的分布式电力监控系统，不仅有利于监控产品的兼容与标准的统 一，为系统的组态和管理带来很多方便，并且无须更改系统的物理层与数据链路 层协议程序，也无须更换总线的物理传输媒介。 1 2d e v i c e n e t 技术的研究现状 6 j d e v i c e n e t 现场总线作为当今主流的底层设备现场总线技术，已经于2 0 0 0 年6 月1 5 目正式成为i e c 6 2 0 2 6 国际标准之一。由于诞生和发展的时间较晚，d e v i c e n e t 采用了更为先进的通信概念和技术，相对于其他现场总线，具有较大的领先性。 d e v i c e n e t 是一个开放的协议，它最初由a l l e n b r a d l e y 公司提出，目前由其 管理组织o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 支持d e v i c e n e t 产品和 d e v i c e n e t 协议规范的进步开发，并通过o d v a 得到全球众多制造商的支持， 如r o c k w e l l 、o r r r o n 、h i t a c h i 、a b b 、s s t 等。d e v i c e n e t 制造商协会拥有遍布全 世界的数百多个会员，d e v i c e n e t 总线已成为工业岛动化领域的标准踊络之一。 但是，目前d e v i c e n e t 总线通信接口的研究和开发在国内还处于起步阶段，尤 其是主站的研制，基本上还是空白。据调查，国内有数家研究所、高等院校和公 司在做这方面的工作，但其开发出的产品也仅限于简单的输入输出模块和智能泵 控制器等。这主要是由于国内目前所能提供的开发资源和技术支持十分有限。 d e v i c e n e t 进入我国虽然较晚，但园其突出的优点而受到了我国有关部门和单位的 高度重视。由上海电器科学研究所与国际o d v a 组织合作筹建的o d v a c h i r t a 于 2 0 0 0 年7 月6 日在京正式成立，国家机械局、国家技术监督局、中国电器工业协 会、中国f f 基金会给予了大力支持。o d v a c h i n a 将致力于d e v i c e n e t 现场总线 在中国的开发与应用，促进我国自动化和现场总线技术的发展。 在2 0 0 2 年1 2 月1 日发行的国家标准化管理委员会通报中，宣布d e v i c e n e t 现场总线已于2 0 0 2 年l o 月8 日被批准为国家标准，并于2 0 0 3 年4 月1 日开始实 施。d e v i c e n e t 中国国家标准的编号为g b t1 8 8 5 8 2 2 0 0 2 ，名称为低压开关设 备和控制设备控制器一设备接口( c d i ) 第3 部分；d e v i c e n e t ) ) 。 d e v i c e n e t 成为国家标准，为国内开发、生产、销售和应用d e v i c e n e t 现场总 线技术的研制单位、生产企业、贸易单位以及用户提供了技术桥梁。o d v a 总部 正在中国筹建新的d e v i c e n e t 独立实验室。d e v i c e n e t 国家标准的颁布也为产品的 一致性测试提供了依据。 1 3 课题研究的意义 随着计算机网络技术的飞速发展，现场总线因为其开放性好、性能可靠、造 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 价低廉、可维护性好等优点，引起了自动化领域的革命性变革，并已成为当今自 动化领域技术发展的必然趋势。为了适应这一要求而开发的现场总线通信接口， 提供了设备与现场总线之间的连接，使现有设备通过很少的改进就能接入现场总 线控制系统，以较低的硬件成本大幅度提高现场设备的应用水平，可满足相关行 业的迫切需求，推动自动化领域的革新与进步，具有广泛的应用前景。 多年来，过程工业一直致力于开发一种单一的、开放的标准对现场的各类设 备进行编制。标准最初的目的是用单一的数字标准取代4 2 0 m a 的模拟信号标准。 当范围扩展到寻址复杂的、高难度的服务( 如控制器间的高速通信、大量快速扫 描设备间的时间同步等) 时，单一标准的开发变得困难了。同时，通信技术的成 本近几年已经明显降低，将简单设备直接连接到两络上的成本由此变得经济。简 单设备的这种标准要求同现存的1 2 0 2 2 0 v a c 和2 4 v d c 的离散、硬接线i o 标准 具有相同级剐的互换性。d e v i c e n e t 在允许多个复杂设备互连的同时，允许简单设 备的互换性。除了读取离散设备的状态外，d e v i c e n e t 还可以完成如报告马达启动 器内的温度、读取负载电流、改变驱动器加减速速率、统计前- d , 对通过传输带 传送的包裹计数等工作。 d e v i e e n e t 总线既可以连接底层工业设冬，又可以连接如变频器、操作员终端 这样的复杂设备，是分布式控制系统的理想解决方案。d e t e n e t 遵从i s o o s i 模 型，按照该基准模型，它的网络结构化分为三层：物理层、数据链路层和应用层， 物理层下面还定义了传输的物理介质【7 j 。 d e v i c e n e t 建立在c a n 协议基础上，采用c a n 物理层和数据链路层规约，使 用c a n 控制器芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持。它采用先进的通信概念， 在技术上具有较大的领先性，已成为i e c 6 2 0 2 6 ( 低压开关设备与控制设备使用的 控制器电气接口标准) 中的国际标准网络之一，占有很大的市场份额。为了将现 有的机电产品成功地接入d e v i c e n e t 网络，共享现场总线技术所带来的种种优势， 研制开发d e v i c e n e t 通信接口软件显得尤为重要。 现场总线技术的应用是当今电力监控系统发展的趋势，将d e v i c e n e t 应用于电 力监控系统中，对提高电力监控系统的开放性、实时性、安全性和可靠性都具有 相当重要的意义。 1 4 论文的主要工作与论文的结构 本文设计了d e v i c e n e t 现场总线从站设备的通信接口，提出了一种基于 d e v i c e n e t 现场总线的分布式电力监控系统的设计思想。本文的主要工作包括以下 几点： ( 1 ) 对现场总线技术作了详细的介绍，分析了现场总线控制系统的特点，介 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 绍了几种常见的现场总线技术，分析了我国现场总线技术发展的壁垒和解决方法， 并对现场总线技术的发展作了展望。 ( 2 ) 学习d e v i c e n e t 协议规范，了解d e v i c e n e t 现场总线技术的特点，掌握 d e v i c e n e t 协议规范的主要内容。包括d e v i c e n e t 的i s o o s i 模型、d e v i c e n e t 的物 理层与物理介质、d e v i c e n e t 的数据链路层和应用层协议规范等。 ( 3 ) 在理解和掌握d e v i e e n e t 协议规范的基础上，给出了d e v i c e n e t 通信接 口设计的一般步骤，在此基础上介绍了基于单片机平台的d e v i c e n e t 从站接口的设 计方法。硬件设计采用了内嵌c a n 控制器模块的单片机d s 8 0 c 3 9 0 ，软件设计选 择从d e v i c e n e t 底层协议着手，编写了c a n 协议程序、d e v i c e n e t 应用层协议程序 以及e d s 文件等。 ( 4 ) 介绍了分布式电力监控系统的特点，提出一种基于d e v i c e n e t 总线的分 布式电力监控系统，分析了该系统的结构及其子系统的功能，给出了基于p c 机的 d e v i c e n e t 总线通信接口的设计思想。 全文共分为6 章，分别是绪论、现场总线技术、d e v i c e n e t 现场总线技术、 d e v i c e n e t 现场总线从站通信接口的设计、d e v i c e n e t 在电力监控系统中的应用、 总结与展望，最后是致谢和参考文献。 4 重庆大学硕士学位论文2 现场总线技术 2 现场总线技术 随着控制、计算机、通信和网络等技术的飞速发展，信息交换将工厂的现场 设备层、控制层和管理层紧密地结合起来，覆盖了工段、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，使得传 统的控制系统在结构和性能上都发生了巨大的飞跃，逐步形成了以网络集成自动 化系统为基础的企业信息系统”。现场总线技术就是顺应这一形势发展起来的。 2 1 现场总线技术概述1 1 1 2 1 【8 1 1 9 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，是计算机局域网在自动化 领域的应用。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的规定，现场总线是安装在制造 和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通 信的数据总线。其关键标志是能够支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现 场总线技术的出现是当今3 c 技术，即计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信技术 ( c o m m u n i c a t i o n ) 与控制技术( c o n t r 0 1 ) 飞速发展的必然产物。 2 0 世纪中叶，随着电气仪表的出现，生产现场各点的参数可以方便地输送至 中央控制室，因此可以把现场参数转换成标准的0 1 0 m a 和4 , - 2 0 m a 的直流电流 信号或l 5 v 的电压信号，通过电缆传送到控制室。工作人员在控制室内，就可以 对整个生产过程进行监控。但是模拟信号的传输精度低，并且容易受到干扰，因 此整个系统的抗干扰能力差。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着高性能、可嵌入式的微处理器的出现，现场设备逐 步实现了智能化，形成了分散控制、集中管理的集散控制系统( d c s ) 。由于在这 种控制系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因此它是一种模拟数字混合系统。 在早期的集散控制系统中，各厂家的产品自成体系，不同厂家的产品难以互连和 互操作，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，整个自动化控制系 统成为一个个信息孤岛。 随着计算机与信息技术的发展，为了提高企业的管理水平，实现企业、工厂 信息的集成，对工厂综合自动化的要求越来越高，信息交换从控制、管理的各个 层次延伸到现场设备层。因此需要一种能够在工业现场环境中运行的、性能可靠 的、成本低廉的通信系统，以形成工厂的底层网络，完成信息的交换a 现场总线 技术应运而生。现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之 具有数值计算、数字通信和故障检测等能力，采用连接简便的双绞线等作为传输 介质，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位 5 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 于现场的多个微机化测量设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数 据佑输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，现场总 线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以总线为纽带，将它们连接成可以 相互交换信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统。 它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的各种智能设备连接 为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控、优化等综合自动化功能。因此，现场总线综合了智能传感器、 控制、计算机、数字通信以及网络等方面的知识。 现场总线既是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制系统。它可与因特网 ( i n t e m e t ) 和局域网( i n t r a n e t ) 互连，且位于生产控制和网络结构的底层。现场 总线一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信 设备之间的信息交换；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室， 并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息交换。一个现场设备 的运行参数状态以及故障信息等可以通过现场总线被送往相关的现场设备，因此 实现了生产过程现场级控制设备之间及设备与控制管理层之间的联系。由于现场 总线担负的是测量控制任务，因而它要求信息传输的实时性强、可靠性高，且多 使用短帧信息进行传输。 2 。2 现场总线控制系统的技术特点【1 】【j 由于现场总线控制系统具有全数字通信、可互操作、高度分散、开放性好、 可靠性高、投资与维护成本低等优点，它已经成为未来控制系统发展的必然趋势。 它的逐渐完善和推广，必将对自动化领域的发展产生重大的影响。 具体说来，现场总线控制系统在技术上具有以下特点： ( 1 ) 现场总线控制系统是一种全数字化的底层控制网络。 现场总线是用于将过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的底 层数字通信网络。所有的现场总线设备通过一对传输线互连，利用数字信号代替 模拟信号进行信号传输，抗干扰能力强，测量精度高，大大提高了系统的性能。 ( 2 ) 现场总线控制系统是一种开放式互联网络。 现场总线控制系统是一种开放式互联网络。现场总线的标准、协议和规范是 公开的，所有制造商都必须遵守。现场总线控制系统具有互操作性和互换性，能 实现互连设备之间、系统之间的信息传递与沟通，以及不同生产厂家性能类似的 设备之间的相互替换。用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络对现 场设备和功能模块统一组态，把不同厂商的网络及设备有机地融合为一个整体， 6 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 构成统的现场总线控制系统。 ( 3 ) 现场总线控制系统具有高度的分散性，现场设备具有较强的功能自治性。 现场总线控制系统是新型的网络集成式全分布控制系统，其结构与控制功能 高度分散。结构上采用全分布方案，设备之间可以采用点对点、一点对多点或广 播等多种方式进行通信；智能化的现场设备可以完成许多新的功能，包括部分控 制功能，将简单的控制任务转移到现场设备中来。现场设备具有数据采集、数据 处理、控制运算、数据输出以及设备诊断等多种功能，从而实现控制功能上的分 散。现场总线的高度分散性从根本上改交了d c s 的集中与分散相结合的体系结构， 构成了一种新的全分布式控制系统，提高了系统的自治性和可靠性。 ( 4 ) 现场总线控制系统对现场环境具有高度的适应性。 现场总线是专门为工业现场环境设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光 缆、射频、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。常用的传输线是双绞线， 允许现场仪表利用数据通信线供电，可满足本质安全防爆等要求。 ( 5 ) 现场总线控制系统具有较高豹可靠性、可维护性和经济性。 现场总线控制系统采用数字总线通信线路代替传统d c s 中一对一的i o 连线， 使用一对传输线连接多台现场设备，不仅减少了由接线带来的不可靠因素，同时 大大减少了接线的数量，降低了安装费用，缩短了工程周期，且易于维护。 2 3 开放系统互连参考模型1 】 1 l 】 随着计算机控制技术的迅速发展，越来越多的不同厂家的计算机控制装置需 要相互交换信息，组成一个统一的计算机控制网络，因此迫切需要一个通用的计 算机网络通信标准。国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) 提 出了开放系统互连o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o r m e c f i o n ) 参考模型。一个开放的 系统可以与另外一个遵循同样标准的系 统进行通信，而这两个系统可以由不同的 制造商提供。 o s i 参考模型是计算机网络体系结 构发展的产物它的基本内容是开放系统 通信功能的分层结构，如图2 1 所示，模 第7 层 第6 层 第5 层 黼 第3 层 第2 层 第l 层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 1o s i 参考模型 f i g 2 io p e ns y s t e mh a t e r e o r m e c f i o nm o d e l 型把开放系统的通信功能划分为7 个功能独立而又互相关联的层次，其中每一层 都定义了信息传送的一些过程。这些层次的组织是以在一个通信会话中事件自然 发生的顺序为基础的。 7 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 由于o s i 参考模型具有7 层结构，因此它具备的通信功能相当齐全。对于现 场总线应用来说，由于总线上大量的节点均为工业现场的设备，如传感器、控制 器和执行器等。相对而言各节点的通信信息量不大。但对某些性能如传输速度和 成本等有一定的要求，因此典型的现场总线保留了o s i 参考模型中的第l 层、第2 层和第7 层，为了提高协议的效率，大多数现场总线省去了中间的第3 层到第6 层。由于减少了中间环节，因此加快了数据传输的速度，提高了网络通信和数据 处理的实时性。 2 4 几种常见的现场总线技术 现场总线技术已受到国内外自动化设备制造商的广泛关注，各厂商都在研究 开发各种各样的现场总线产品。自2 0 世纪8 0 年代以来，已经有数十种现场总线 在世界范围内得以应用，其中又有几种总线在一些特定的应用领域内显示出了优 势，下面就这几种常用的现场总线予以介绍。 2 4 1c a n 总线【1 】【1 2 】 c a n 是控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e r o ) 的简称，最早由德国的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。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并得到了包括i n t e l 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、 d a l l a s 、n e c 、t i 、m i c r o c h i p 等多家公司的支持，广泛应用于离散控制领域。c a n 协议是建立在i s o 的开放系统互连参考模型o s i 的基础上的，但其模型结构只有 3 层，即只取o s i 的底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号的传输介 质为双绞线，传输速率最高为1 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 ， 总线上最多可连接11 0 个设备。 c a n 支持“多主”工作方式，网络上的节点无主从之分，任何节点都可以在 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等方式 进行数据的接收和发送。c a n 采用载波侦听无损逐位仲裁总线技术c s m a n b a ( c a r t i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s w i t hn o n d e s t r u c t i o nb i t w i s ea r b i t r a t i o n ) ，当多个节 点同时向总线发送信息时，优先级高的节点可以不受影响地继续发送数据，而优 先级低的节点则主动停止发送，从而有效避免了总线冲突。c a n 的信号传输采用 短帧结构，每一帧的有效字节数仅为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。 当某一节点出现严重问题时，能自动切断它与总线的连接，使总线上的其它节点 和通信不受影响。c a n 总线还采用了循环冗余校验( c r c ) 和其它检错措施，具 有极高的信息传输可靠性。 现在已经有多家公司开发生产出了符合c a n 协议的控制器芯片，如i n t e l 公 司的8 2 5 2 7 、m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 x x 、p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 、s i e m e n s 公司 8 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 的8 0 c 1 6 7 c r 等。还有多家公司生产出了内嵌c a n 控制器模块的微控制器，如 d a l l a s 公司的d s 8 0 c 3 9 0 、p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 以及i n t e l 公司的8 7 c 1 9 6 c a c b 等。 2 4 2d e v i c e n e t 总线 1 【2 】【1 3 】 如绪论中所述，d e v i c e n e t 是2 0 世纪9 0 年代中期发展起来的一种基于c a n 总线技术的、符合全球工业标准的开放型通信网络，最初由a l i e n b r a d l y 公司设 计，目前由o d v a 支持其产品和协议规范的进一步开发。它既可以连接底层工业 设备，又可以连接如变频器、操作员终端这样的复杂设备，是分布式控制系统的 理想解决方案。 d e v i c e n e t 遵从i s o o s i 参考模型，采用了其物理层、数据链路层和应用层， 物理层下面还定义了信号传输的物理介质。d e v i c e n e t 建立在c a n 协议基础上， 采用了c a n 的物理层和数据链路层规约，并采用c a n 控制器芯片，得到了国际 上主要芯片制造商的支持。 d e v i c e n e t 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多先进的新技术，与一般 的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，目前已经成为工业自动 化领域的标准网络之一。 2 4 3 基金会现场总线( f f ) 1 】 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是由现场总线基金会提供的一种 全新概念的通信标准，在过程自动化领域内得到广泛的支持和良好的发展。其前 身是以f i s h e r - r o s e r n o u n t 公司为首的8 0 多家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首的1 5 0 多家公司制定的w i d df p 协议。f f 总线将两者合成，以i s o o s i 参考模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为自己的相应层次，并在应 用层上增加了用户层，组成了f f 通信模型。 f f 分低速总线( h 1 ) 和高速总线( h 2 ) 两种。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ， 通信距离可达1 9 0 0 m ( 与传输介质有关，可加中继器延长) ，可用总线供电，支持 本质防爆安全要求。h 2 的的传输速率分为lm k b p s 和2 5m b p s 两种，对应的通信 距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。h 1 每段节点数最多3 2 个，h 2 最多1 2 4 个。物理传输 介质支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。 目前，已经有公司生产带有h 1 总线的芯片，但由于f f 现场总线标准尚在发 展中，因此产品开发难度大，生产厂商少，价格较贵。 2 4 4l o n w o r k s 总线【1 【1 4 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a f i n g n e t w o r k ) 总线是一种基于嵌入式神经元芯片的现 场总线技术，被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化以及工业过程控制等领域。 最初由美国的e c h e l o n 公司推出并由其与m o t o r o l a 、t o s h i b a 等公司共同倡导，于 9 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 1 9 9 0 年正式公布形成。l o n w o r k s 总线采用了i s o 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 至1 2 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ， 一个网上的节点数最多可达3 2 0 0 0 个。l o n w o r k s 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，并开发了相应的本质安全防爆产品，被 誉为通用控制网络。 l o n w o r k s 技术的核心是具备通信和控制概念的n e u r o n 神经元芯片。n e u r o n 芯片是高性能、低成本的专用神经元芯片，它封装了l o n t a l k 协议，能实现完整的 l o n t a l k 通信协议。n e u r o n 芯片中有3 个8 位的c p u ，第一个是介质访问控制处 理器，用于完成开放系统互连模型中第1 层和第2 层的任务：第二个为网络处理 器，用来实现第3 层到第6 层的功能，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、 路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制、数据包的收发等；第三 个是应用处理器，用于实现协议的第7 层，执行操作系统服务和用户代码。芯片 中还具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应 用缓冲区。目前，已有多家公司推出了l o n w o r k s 产品。l o n w o r k s 提供了开发工 具平台l o nb u i l d e l 和n o d eb u i l d e r 。n e u r o n 芯片的编程语言为n e u r o n c 。 2 4 5p r o f i b u s 总线u j p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是符合德国国家标准d 烈1 9 2 4 5 和欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 的现场总线。由s i e m e n s 等1 0 多家公司共同推出，主要应用于制造业的 分布式控制。p r o f i b u s 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 b u s ，p a 组 成。其中，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、可编程序控制器、低压开关 等；p a 型专为过程自动化设计，采用标准的本质安全的传输技术，遵从i e c l l 5 8 2 标准，用于对安全性要求较高的场合和由总线供电的站点。 p r o f i b u s 采用i s o o s i 参考模型的物理层和数据链路层，其中f m s 还包含 了应用层。p r o f i b u s 传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大直接传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，在1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至l o l a n 。其传输介质可以是 双绞线或光缆。最多可挂接1 2 7 个节点。 2 4 6h a r t 总线u j h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 被称作可寻址远程传感器高 速通道的开放通信协议，由美国r o s e m o u n t 公司研制，并得到8 0 多家著名仪表公 司的支持。 h a r t 参照了i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层。它规定了3 类命 令，并且按命令方式工作，采用统一的设备描述语言d d l ，现场设备开发商用这 1 0 重庆大学硕士学位论文2 现场总线技术 种标准语言来描述设备的特