（电力系统及其自动化专业论文）lonworks技术在电气化铁道监控系统中的应用研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 r e s e a r c ha n dp r a c tic eo f eie c t rifle dr ai l w a ys u p e r v i s o r y s y s t e mb a s e d l o n w o r k s p o s t g r a d u a t en a m e ：l i uz h i g a n g t u t o rn a m e ：q i a n q i n g q u a n g r a d e ：9 7 r e j o i nd a t e ：2 0 0 0 3 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 m p u t e r t e c h n o l o g y 、c o n t r o lt h e o r y a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，i n d u s t r y c o n t r o l s y s t e m i s c o n t i n u o u s l y d e v e l o p e da n di m p r o v e dt of u l f i l lb e t t e rc o n t r o le f f e c t i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m p a s s e dt h r o u g ht h r e ep h a s e s ：c o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m 、d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e ma n df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m i nf a c t ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi s t h e c o m p l e xp r o d u c t o f c o n t r o lt e c h n o l o g y 、m e t e ri n d u s t r yt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ，w h i c hw i l lr e p l a c et r a d i t i o n a l d c sa n db e c o m et h es t a n d a r do f o p e nc o n t r o ls y s t e mi nt h ef u t u r e l o n w o r k sw i t h i n d i v i d u a l a d v a n t a g e c o m p a r e dw i t ho t h e rf i e l d b u s e sa c t u a l l ya c h i e v e dt h et h i n k i n go ff i e l d b u s i n t h i sp a p e r ，t h ew h o l es t r u c t u r eo fl o n w o r k si sp r e s e n t e di nd e t a i la n dt h e f e a s i b i l i t yo fi t s i nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a ys u p e r v i s o r ys y s t e mi sr e s e a r c h e d a c o u p l eo fa p p l i c a t i o np r o g r a m sb a s e dl o n w o r k s a r ed e v e l o p e d i nt h ee n d ， t h ef u n c t i o no fr t ui se m u l a t e db ym e a n so fas i m p l ec i r c u i t a tp r e s e n t ， l o n w o r k sh a sb e e na p p l i e di nw i n e r yi n d u s t r y 、b u i l d i n g 、i n d u s t r ya u t o m a t i o n a n ds oo n w eb e l i e v et h a tl o n w o r k sw i l lb ea p p l i e di nt h ee l e c t r i f i e d r a i l w a ys u p e r v i s o r ys y s t e mb e f o r el o n g k e y w o r d ：l o n w o r k s ，d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e r r n n e u r o nc ，n e t w o r kv a r i a b l e ，l o n t a l kp r o t o c o l 第1 i 页 西南交通大学研究生学位论文 刖昌 随着计算机技术、控制理论和通讯技术的不断发展，工业控制系统 也不断地发展和完善。8 0 年代末至现在逐渐发展起来的现场总线控制系 统( f c s ) 将替代传统的集散式控制系统( d c s ) 已成为人们的共识。l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出的局部操作网技术。与当前 已有的几种现场总线技术相比，l o n w o r k s 以其特有的突出特点：统一 性、开放性、互操作性，成为实际上现场总线推荐标准。 本文在第一章介绍了电气化铁道牵引供电监控系统结构的发展，即 由集中式控制系统向集散式控制系统发展，再由集散式控制系统向现场 总线控制系统发展。主要通过举例说明了传统集散式控制系统存在的不 足，引入了现场总线概念，介绍了现场总线的思想和与传统集散式控制 系统相比的优点，并介绍了常见的几种现场总线。第二章详细介绍了l o n w o r k s 技术，首先介绍了l o n w o r k s 的性能和优点，与其它几种现 场总线的性能对比：接着介绍了l o n w o r k s 的n e u r o n 芯片的结构和内存 分布：介绍了n e u r o nc 编程，在n e u r o nc 编程这部分内容中，介绍了n e u r o nc 的特点、n e u r o nc 的任务调度、n e u r o nc 的输入输出对象等；最 后对l o n t a l k 协议进行了详细介绍。第三章在现有设备基础上进行了应用 程序的开发，实现了d d e 通信、串行通信 f l a d 转换的三个应用程序的功 能。第四章在提出了基于l o n w o r k s 的电气化铁道牵引供电监控系统结 构，对其性能进行了分析和对比，并利用简单的电路模拟了r t u 端的功 能。最后一章对基于现场总线的控制系统的发展进行了展望。 本文旨在学习和分析l o n w o r k s 体系的基础之上，对l o n w o r k s 在电气化铁道牵引供电监控系统中的应用进行了研究和分析，提出了基 于l o n w o r k s 的结构体系，并利用l o n w o r k s 简单地模拟了r t u 端的 功能。 第l 页 西南交通大学研究生学位论文 第一章电气化铁道牵引供电监控系统结构 的发展 自本世纪5 0 年, f - h 算机开始应用t - 工业控制系统以来，工业控制领域 得到了迅猛发展，随着计算机技术、 工业控制进一步得到了发展和完善， 控制理论和通讯技术的不断发展， 其结构也随之不断的改进以达到更 好的控制效果，工业控制系统的结构经历了三个发展阶段，第一个阶段 是6 0 年代至此7 0 年代集中式计算机控制系统的发展。它的主要特点是由 单一计算机高度集中控制整个系统，其缺点是显而易见的：第二个阶段 是7 0 年代至8 0 年代集散式计算机控制系统的发展，到目前为止，集散式 控制系统( d c s ) 的发展己相当完善，它的主要特点是系统由各个子系 统组成有机整体，各个子系统可独立自主地完成分配的任务，但是人们 越来越发现利用d c s , 很难实现整个控制系统真正地开放性和互操作性： 第三个阶段是8 0 年代末至目前逐渐发展起来的现场总线控制系统( f c s ) ， 这里的现场总线与人们早期所提到的现场总线有着本质的区别，它实际 是控制技术、仪表工业技术和网络技术三者结合的产物，人们相信它将 取代传统的d c s ，成为2 l 世纪的开放式控制系统的标准。 1 1 集中式监控系统和集散式控制系统的发展过程及特点 下面以电气化铁道牵引供电监控系统中的微机远动系统为例，探讨 一下电气化铁道监控系统结构的发展。 早 图i - 1 集中式牵引变电所监控系统结构示意图 第2 页 西南交通大学研究生学位论文 这种结构的主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和 对所有被控对象实施控制，采用的双机切换装置是影响系统性能的主要 限制之一，其明显的缺点是系统脆弱性很大，而且实现功能有明显的局 限性，因此为了克服这些缺点出现丁集故控制系统。 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 也被称为分布式控制系 统，般要有四个部分组成：系统网络、操作员站、工程师站和现场i o 控制站，操作员站、工程师站和现场i 0 控制站一般都由独立的计算机构 成，分别处理各自的任务，完成相对分散的功能。操作员站主要功能是 为系统的运行提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时全面地了 解现场运行状态，并可以通过操作员站对过程进行控制和调节；工程师 站主要功能是对系统进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控 制、维护整个网络工作；现场i o 控制站主要完成对现场i o 处理并实现直 接数字控制功能，如将各个现场发生的过程量进行数字化并存储，将本 站采集的实时数据通过系统网络送到操作员站、工程师站和其他现场i 0 控制站：网络系统是整个d c s 系统的基础和核心，它对于系统的实时性、 可靠性和扩展性起决定作用，因此所采用网络的性能直接影响了整个d c s 系统的性能。采用何种类型的网络、采用何种形式的网络拓扑结构和网 络协议是设计系统的关键，现在一般均采用技术成熟的局域网。下面以 侯月线电力监控系统结构为例对d c s 系统进行说明，如图2 所示： 图1 - 2 侯月线电力监控系统结构示意图 其中工程师站是整个系统的核心，主要分析和处理来自r t u 的数据 第3 页 西南交通大学研究生学位论文 并对整个系统进行监控：操怍员站主要有一台或多台的计算机加上大屏 幕显示器、模拟屏和打印机等外设组成，完成操作员对电力调度的操作 和监视：网络系统采用以太网，e t h e r n e t 网具有较高的数据传输率，而且 技术已相当完善：现场i o 控制站被包含在r t u 之中，主要完成下方的遥 控( y k ) 、遥测( y c ) 、遥信( y x ) 和遥调( y t ) 等功能，现在一般采 用s t d 总线方式对完成各项功能的模板进行集中，这样便于对各项功能 进行统一管理。相比于集中式的系统，该系统具有运行可靠，系统稳健 性增强，组态灵活等特点，但就目前集散式控制系统来讲，其还不能实 现系统的真正开放性和互操作性，尤其被控现场的网络是影响整个系统 性能的主要因素。 1 2 集散式控制系统的缺点 从上面分析可以看出，集散式控制系统比集中式控制系统要优越得 多，它具有明显的优点，但集散式控制系统也存在着很大的缺陷，我们 以传统d c s 的现场控制方式为例说明其存在的缺点。 下面是传统d c s 的现场控制方式示意图： 图1 3 传统i ：k s 的现场控制结构 我们从上图可以看出，i o 控制站是上下方数据传输的必经设备之 ，关系到上方控制命令能否顺利送到现场设备，下方数据能否顺利传 第4 页 西南交通大学研究生学位论文 送剐上方工程师站和操作员站，传统的1 1 0 控制站过去一般采用s t d 控制 总线，那末根据集散式控制系统概念的实质，这种方式其实并没有实现 监控系统的完全分布式控制，因为集散式控制系统实现的就是任务分散 和管理集中，i 0 控制站实现了对各种住务的统一管理，即集中各种不同 功能的模块与s t d 总线上，但是如果i 0 控制站出现故障，则下方的整个 系统都将瘫痪；而且各个不同处理模块之间的数据交换实现起来比较复 杂，需要花费一定的时间和精力去完成；这样一来，各个不同模块之间 很难实现完全的互操作，更不用说实现真正的开放性，这种方式实际把 原来集中式控制系统的主机中负责现场处理的所有任务集中f i o 控制站 的主机上来，所以说i o 控制站是集散式控制系统的“瓶颈“。造成这种 原因主要是因为：我们在考虑集散式控制系统实现时，着重考虑了现场 控制系统上方的网络设计要求及实现功能，却忽略了现场控制系统本身 对网络实现的要求，造成这种结果与现场控制系统处于的环境状况、本 身的测量要求以及成本要求有着密切地关系，因此，现场控制系统的实 现，实质上仍依靠大量的人工工作来实现。有人曾尝试把成熟的局域网 ( l a n ) 技术用于集散式控制系统中来，但实验证明，它存在的性能不 匹配的问题，而且以传递大量数据、文件为目的的l a n 并不适合用于以 传递控制信息为目的的中、低传输速率网，另外还有一点是它不能适应 恶劣的环境。总之，传统的集散式控制系统存在如下几个缺点： 不能实现真正的分布式控制，也就是说分散控制不完全彻底； 生产d c s 的各公司都有各自的标准，不能进行互联，比如：h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 、y o k o g a w a 的c e n t u m c s 和w e s t i n g h o u s e 的w d p f i 、 a b b t a y l o r 的m o d 3 0 0 等大型d c s 也是如此； 工程费用和维护费用较高。 1 3 集散式控制系统的改进 由于集散式控制系统存在以上几个缺点，因此对集散式控制系统的 改进一般都是从以下几个方面考虑： 增强现场各个模块的处理能力，比如在模板上配置性能较高的处 第5 页 鹾南交通大学研究生学位论文 理器等； 以网络的方法设计现场控制系统： 对硬件和软件制订统一的标准等。 为了改善现场监控的性能，早期的总线技术应用到电气化铁道电力 监控系统中来，下面是资阳变电所的监控系统示意图，如图4 所示： 图l 一4 资阳变电所监控系统结构示意图 b i t b u s 系统是i n t e l 公司于己于1 9 8 4 年推出的一种基于单片机8 0 4 4 或 8 3 4 4 或8 7 4 4 的串行总线标准，它在一块单片机上集成了网络的通讯接口、 通讯链路、节点处理机等，而且将网络的控制软件和处理机的实时多任 务固化于其中。b i t b u s 是一种主从式、总线型高速串行网，其电气接口 采用高可靠性的r s - 4 8 5 接口，链路协议符合i b m 的同步链路控制( s d l c ) 标准。b i t b u s 的同步方式传输速率为5 0 0 k 2 4 m b p s ，节点数最大可达 n 2 8 个，其传输媒介为双绞线，访问控制方式为请求应答方式，节点的 处理采用的c p u 为8 0 5 1 ( 具体介绍见文献 3 5 1 ) 。这种系统的主要特点是： 结构上尽可能分布化； 现场控制系统初步实现网络化，使系统的扩展性增加； 结构的模块化和较高的可靠性。 这种系统实际上是牵引变电所综合自动化的应用，它使系统具有的功 能和空间有较大的伸缩能力。 b i t b u s 存在的缺陷： b i t b u s 数据通讯方式为命令响应型，网络上任一次数据传输都是 由主节点发出命令开始，从节点接到命令后，以响应的方式传给主节点， 这样使得网络上的数据传输效率大大降低，而且使主节点控制器非常繁 第6 页 西南交通大学研究生学位论文 忙。同时下端出现异常时，数据不能立即上传，必须等待主节点下发命令， 灵活性非常差，在许多实时性要求较高的场合，这是b t t b u s 致命的弱 点。 b i t b u s 采用的r s 一4 8 5 规范和s d l c 协议较陈旧，主节点板上的 程序对报文仅规定了站地址和长度，怎样完成用户要求的通信任务，用户 必须自行在各站的c p u 系统板上编写程序以制定报文格式来完成通信， 实际上b i t b u s 系统仅仅实现了部分网络功能，用户本身还必须花费一 定时间和精力去实现网络功能。 b i t b u s 为主从式结构，网络上只能有一个主节点，其余均为从节 点。其潜在危害是无法构成多主结构或冗余的系统，一旦主节点出现故障， 整个系统将瘫痪。从图上可以看出b i t b u s 主节点成为b i t b u s 系统通 讯的枢纽，造成通讯的瓶颈。 另外，随着嵌入式控制和离散数据采集的普及，台湾威达工控公司推 出了牛顿7 0 0 0 系列离散数据采集智能控制模块，这一系列适用于工业现 场或其它分散式数据采集和控制场合，它采用r s - 2 3 2 1 4 8 5 4 2 2 通讯网络， 将分散的各点信号传输到主机或由p c 控制远端各点。下图是牛顿7 0 0 0 系列离散数据采集智能控制模块结构示意图： 圈1 - 5 牛顿7 0 0 0 系列控制模块结构示意图 牛顿7 0 0 0 系列离散数据采集智能控制模块的主要特点有 第7 页 西南交通大学研究生学位论文 较高的可靠性应用程序可以下载到模块上的r a m f l a s h 中 含有4 个串口； 带看门狗定时器和实时时钟； 串口支持中断方式并带有1 k 的缓存： 动态数据可存入e e p r o m s r a m ； 体积小、组建灵活、费用较低。 根据牛顿7 0 0 0 系列智能控制模块的特点组建的网络如下： 图1 - 6 由牛顿7 0 0 0 系列控制模块组建的网络示意图 其中1 7 5 2 0 模块用来把r s 2 3 2 网转换为r s 4 8 5 网，m o d e m 用来 和远方设备进行通讯，p l c 是可编程逻辑控制器，1 - 7 0 0 0 模块用来采集 数据和控制现场设备。 从上述介绍我们可以看出，牛顿7 0 0 0 系列离散数据采集智能控制模 块的指导思想是： 增加现场模块的数据处理能力，如采用8 0 1 8 8c p u ； 增加不同传输形式的兼容性，如可以采用r s 2 3 2 或者r s - 4 8 5 形 式进行通信； 增加系统的自调节功能( s e l f - t u n e r ) ，如在同一r s - 4 8 5 网络上可 以挂不同波特率的设备 增加系统的网络控制功能，如该系统实际是一个简单的串行网络： 但是该系统本身也很受限制： 第8 页 西南交通大学研究生学位论文 现场模块的c p u 处理能力不够，没有充分发挥其处理任务的能力： 采用的通信规约和协议陈旧，这决定了该产品的适用范围； 设备之间的互操作性差，对于现场不同要求、不同类型的设备，很 难做到简单地连接； 网络功能过于简单，不能满足日益增长的用户需要。 1 4 现场总线技术的出现及种类 集散式控制技术的发展，出现了不同方面的改进措施，但该控制系统 仍然存在如下几个主要问题： 以微处理器为核心的调节器硬性地被指定组特定的任务，在绝大 多数情况下，通信由一个具有“网关”的专用网络来完成，而且网关的大 部分程序由用户编写，开发技术相当复杂： 有着特定任务的基本调节器使得组网手段及网络结构不灵活、开发 费用也相当高； 对于通信网络中的控制站或输入输出单元，现场仪表依旧是一对一 的模拟信号传输： 被控现场的网络问题一宜没有得到彻底解决。 在8 0 年代中期，国外就提出了现场总线。原始的现场总线思想非常 简单，它只是针对传统的d c s 的问题试图用一个开放的、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。随着微电子技术的 不断发展，在工业自动化仪表领域，数字化和智能化的调节控制仪表以及 分散型控制系统相继问世这些技术迅速向计算机集成制造系统( c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r es y s t e m ) 和计算机集成过程控制系统 ( c i p s c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o c e s ss y s t e m ) 方向发展，完成控制、调 度、优化、决策等功能。但是，由于检测、变送、执行等现场仪表仍采用 模拟信号连接，无法满足上层系统对现场仪表的信息要求，限制了上层系 统功能的发挥，从而产生了对现场进行数字通信的迫切要求。 另二方面，从八十年代起出现了智能化的现场仪表，这些智能化现场 仪表的功能远远超过了模拟现场仪表，如可以对量程和零点进行远方设 第9 页 西南交通大学研究生学位论文 定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自 动补偿等，深受用户欢迎。智能化现场仪表的出现，也迫切要求与上层系 统实现数字通信。 因此，到了9 0 年代，网络技术和通讯技术的飞速发展，使实现现场 总线技术的所有条件都已具备，现场总线技术发展相当迅速。 现场总线的种类有：i s a s p 5 0 、p r o f i b u s 、i s p 和i s p f 、w o r l df i p 、 h a r t 、c a n 和f f 现场基金会总线等等( 具体内容参见文献 4 】) 。 1 5 现场总线技术 1 5 1 现场总线技术的主要特点 现场总线控制系统( f c s ) 将代替传统的集散式控制系统( d c s ) 己 成为人们的共识，f c s 与传统的d c s 进行比较【2 0 】，以下几方面的特点： f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就 采用现场总线网络，逐层向上至最高层均为通信网络互连。传统d c s 的 通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表依然是一对一模拟信号 传输。 f c s 的系统结构是全分散式，f c s 废弃了d c s 的输入输出单元 和控制站，由现场设备或现场仪表取代，把d c s 控制站的功能分散地分 配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，实现彻底的分散控制。由于功能模 块分散在多台现场仪表中或和现场仪表直接相连，并可以统组态，供用 户灵活选用各种功能模块，构成所需控制系统。 f c s 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连， 也可统一组态，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性。用户希望 选用不同厂商的产品，根据性能价格最优比集成在一起，实现“即插即用”。 f c s 的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可 与不同层网络互连。不同制造商的网络互连非常简便，用户不必在硬件或 软件上花费多大气力。开放式网络互连还体现在网络数据库的共享，通过 网络对现场设备和功能块统一组态。 f c s 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人 第1 预 西南交通大学研究生学位论文 使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个 制造商和用户。 1 5 2 现场总线技术的标准 现场总线作为自动化领域的通信技术，对其开放性、可互操作性的 要求是显而易见的，制定统的总线标准是应用的迫切需要也是发展现 场总线这一技术的初衷。但是，由于现场总线已成为自控领域的热点，其 开发工作受到了许多国家和企业集团的极大重视，据称现在己开发出了一 百多种现场总线，现场总线的标准多种多样，因此长期以来一直没有得到 统一。其实，最主要的原因是现场总线的标准的制定涉及国家、企业集团 的经济社会利益，这种斗争是非常激烈的，所以现场总线国际标准中出现 的多元化趋势至少在短期内难以得到改观。有人认为，实行现场总线标准 的大统一只不过是一种理想化的追求，它追求技术的完满，要求各种各样 的系统达到完各的国际统一，实现起来在技术上、经济上都有尖锐的矛盾， 至少在短期内难以达到目标。 根据国际电工委员会i e c ( i n t e m 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 i e 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 3 。现场总线的本质含义表现在以下六个方面： 现场通信网络 现场设备互连 互操作性 分散功能模块 通信线供电 开放式互连网络 第1 顶 西南交通大学研究生学位论文 第二章l o n w o r k s 技术 2 1l o n w o r k s 简介 l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e “v o r k ) 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出 的局部操作网技术。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。l o n m a r k 是与e c h e l o n 公司无关的l o n w o r k s 用户标准化组织，按照l o n m a r k 规范设计l o n w o r k s 产品，均可非常容易地集成在一起，为用户今后 的维护和扩展提供了极大方便。 由于l o n w o r k s 的优良性能，目前已有5 6 个国家和地区的2 0 0 0 多个公司在使用l o n w o r k s 技术及其产品。它被广泛地用于航空，航天、 楼字自动化、能源管理、工厂自动化控制、家庭自动化、工业过程控制、 电力系统监控、列车内部通信、医药卫生、军事防卫等领域。l o n w o r k s 技术的推广由世界十几个国家的1 4 0 多个公司组成的个独立行业协会负 责，负责定义、发布、确认产品的互操作性标准，这些公司包括a b b 、 h o n e y w e l l 、o l i v e t t 、m o t o r o l a 、i b m 、t o s h i b a 、h p 等公司。其中h o n e y w e l l 公司已将l o n w o r k s 技术用于其楼宇自动化控制系统中，r o s e m o u m 公 司也已将它用于环境检测系统，我国有十几家公司也推出了自己基于 l o n w o r k s 的产品，分别在酿酒、电力、建筑、工业自动化、化工行业 中应用并取得到了效果 3 】。 2 1 1l o n w o r k s 技术性能 l o n w o r k s 的技术性能1 8 1 ： 1 网络结构简单，不需要专用中央处理器和服务器。 2 开放性：网络协议开放，对任何用户平等。 3 通讯介质开放：可在任何通信介质下通信。包括双绞线、电力线、 光纤、同轴电缆、射频电缆、红外线等，并且多种介质可以在同一网络中 混合使用。 第】顶 西南交通大学研究生学位论文 4 互操作性，l o n w o r k s 通讯协议l o n t a l k 是符合国际标准化 ( i s o ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模型。任何制造商的产品都可以实 现互操作。 5 l o n w o r k s 网络通讯采用了“网络变量”，使网络通讯的设计简 化成为参数设置，增加r 通信的可靠性。 6 通信的每帧有效字节数，可从0 到2 2 8 个字节。 7 通信的速度可达1 2 5 m b p s ，此时有效距离为1 3 0 m 。 8 l o n w o r k s 技术的一个智能控制网络上的节点数，可达3 2 0 0 0 个。 9 l o n w o r k s 直接通信距离长达2 7 0 0 米( 双绞线，传输速率为 7 8 k b p s ) 。 1 0 l o n w o r k s 技术基本元件n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u 。 第一个c p u 是介质访问控制处理器，处理l o n t a l k 协议的第一层和第二 层。第二个c p u 是弼络处理器，它实现l o n t a | k 协议的第3 层到第6 层。 第三个c p u 是应用处理器，它执行由用户编的代码及用户的代码所调用 的操作系统。神经元n e u r o n 芯片的编程语言为n e u r o nc 。它是从a n s ic 中派生出来的，并对a n s ic 进行了删、补。m o t o r o l a 将生产具有l o n 功能的性能强大的6 8 h c 3 6 0 芯片。 11 n e u r o n 芯片具有通信和控制功能，并且固化了i s o o s i 的全部 七层协议，以及常用的3 4 种i o 控制对象。 1 2 网络操作系统结构：应该能够使用现在所有的已有的网络结构， 如主从、对等式以及客户服务式结构。 1 3 网络拓朴：应该不受总线式网络拓朴结构的单一形式的限制。 网络拓朴应该可以自由组合。也就是说，除了总线结构之外，用户还可以 选择任意形式的网络拓朴。 2 1 2l 洲w 弧髂产品 l o n w o r k s 的产品主要包括 1 9 1 , n e u r o n 芯片( 由m o t o r o l a 和t o s h i b a 提供) 第1 颞 西南交通大学研究生学位论文 n e u r o n 芯片是l o n w o r k s 控制节点的核心部分，它包括一套完整 的通信协议( l o n t a l k 协议) ，可以使节点间进行可靠的互操作通信。n e u r o n 芯片可以直接与它所监视的传感器和控制设各连接，传输传感器和控制设 备的状态执行控制算法，年f 1 其它n e u r o n 芯片进行数据交换。 l o n w o r k s 收发器 l o n w o r k s 收发器是n e u r o n 芯片和l o n w o r k s 网络之间的物理 量交换的接口，负责n e u r o n 芯片和l o n w o r k s 网络之间的数据交换。 它适用于各种通信媒介和拓扑结构。 l o n w o r k s 网络接口和网间接口 l o n w o r k s 网络接口允许l o n w o r k s 应用程序在非n e u m n 芯片 的主机上运行，从而实现任意微控制器、p c 机、工作站或计算机与 l o n w o r k s 网络的其它节点的通信。l o n w o r k s 网间接口可以作为与 其它控制网络联系的网间接1 2 1 ，把不同的现场总线的网连在一起，实现异 型网之间的连接。 l o n w o r k s 路由器 l o n w o r k s 路由器是一个特殊的节点，由两个n e u r o n 芯片组成， 用来连接不同媒质的l o n w o r k s 网络。 l o n m a n a g e r 网络服务工具 l o n m a n a g e r 网络服务工具用于安装、配置、诊断、维护以及监控 l o n w o r k s 网络。 l o n w o r k s 开发工具 l o n w o r k s 开发工具主要包括三部分： n o d e b u i l d e r ：用于单个节点的开发和调试。 l o n b u i l d e r ：用于多个节点的开发、调试；安装、构造节点的网络服 务程序：检查网络交通以确定适当容量和调试改正错误的协议分析器。 l n s d e v e l o p e r sk i t s ，l n st o o l s 和l o n m a n a g e rp m t o c na n a l y z e r ： 用于现场或实验时的网络集成和调试。 21 3l o n w o r k s 与其它总线网络的比较 第l 项 西南交通大学研究生学位论文 下面是一些现场总线网络与l o n w o r k s 在几方面的比较 3 表2 - 1 各种现场总线性能的比较 队 b a c n e tc a nc u b e si s pl o n w o r k s、b r i d f i p 镒宇自消费电子 i 蹦对象汽车披嚣过程控制所有方面过程控制 动地 o s i 层次 l ，2 , 3 7 12 ，7 i ，2 , 3 ，7i ，2 ，7 i ，2 , 7 12 , 34 ，5 ，6 ，7 1 ，27 系统类型网络总线网络总线总线网络总线 c s m a c d 夸 c s m c s m a ，c 主从主从 介质访问牌总线总线c s m a ，c a c rd 令牌传道令牌传道 主从 拨号 c r c 错误校正c r cc r c( 仅电源c r cc r cc r c 线1 通讯介质同轴电无线电无线电。光纤 ( 昧双绞线缆光纤电源线双绞线职绞线同轴电缆电源光纤 外)光纤同轴电缆线 寻址方式 单点 ( 单点、多全部广播全部全都广播广播 广播 点、广播1 速率( m b s ) l ol0 0 l825 l2 525 内在安全 不 不 不不 是是是 吗? 从网络供 不 不是 不 是是是 电? 量大节点数2 “4 0 2 “9 6 i8 1 2 82 | 2 5 6 身份认 保密性身份认证 证 支持优先 是是是 不 是是是 级? 系统控制 r 基于命令两者命令命令命令状态两者两者 基于状态) 从上表可以看出l o n w o r k s 总线网络比其它现场总线有着明显的 优势，比如支持完整的o s i 七层协议、在任何通信介质下通信和使用开 第l 颞 西南交通大学研究生学位论文 放式的通信协议l o n t a l k 等特点，使l o n w o r k s 被誉为通用现场总线， l o n w o r k s 也成为当前最流行的现场总线之一。 21 4l 0 1 州0 r k s 与局域( 广域) 网的比较 l o n w o r k s 网与局域( 广域) 网比较主要体现在如下几个特点：可 靠，安全通信、信息短小、高度分散化、体积小，成本低的节点、不会出 现单点的错误、保障互操作性等。 具体与l a n 比较体现在： 0 ) l a n 主要用于局域区域内计算机系统之间的相互通信，而l o n 主 要用于小范围内各种仪器、仪表、设备之间的相互通信。 l a n 需要一套中央处理器来控制和管理整个网络，l o n 无需中央 处理器和服务器即可实现个节点之间的相互通信。 l a n 传输速率高，适宜于大数据量的传输( 如文件、图形等数据 信息) ，l o n 传输速率低，适宜于数据较小的检测信息、状态信息和控制 信息的传输。 l a n 结构复杂，需要专用的网络电缆，成本高，l o n 构成简单， 可利用电力线或廉价电缆( 如双绞线) 传输信息，故成本低。 2 1 5 1 0 1 哪0 r k $ 的基本单元控制节点 l o n w o r k s 的控制节点是同物理上与之相连的i o 设备交互作用并 在网上使用l o n t a l k 协议与其它节点通信的一类对象。一个典型的现场控 制节点主要包含以下几部分功能模块：n e u r o n 芯片、i o 处理单元、通 p 星 乏 2 笑 网 西南交通大学研究生学位论文 图2 1l o n v o r k s 典型节点结构示意图 l o n w o r k s 的每个控制节点装载有应用程序代码用来处理有关对 象，如网络变量和i o 对象。l o n w o r k s 控制节点的处理类型有两种： 基于节点和基于主机。 基于节点( n e u r o nc h i p h o s t e d ) 方式：不需要专门的处理器，节点 中的n e u r o n 芯片即可处理任务。这种方式在系统中可以允许没有主机， 适用于i o 设备较简单，处理任务不复杂的系统。 基于主机( h o s t b a s e d ) 方式【1 5 】：由于n e u r o n 芯片中的c p u 只是8 位总线，支持的最高主频是1 0 m h z ，因此它处理的功能受到了限制。为 了克服这一缺陷，可以采用于主机方式。在这种方式下，n e u r o n 芯片只 是作为通信协处理器，用更高级的处理器来完成更复杂的测控任务。下面 2 2l 叫帅r k s 的神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心，是一组复杂的v l s i ( 超大 规模集成电路) 器件，使用c m o sc l s i 技术的神经元芯片使实现低成本 的控制网络成为可能。神经元芯片主要包含两大系列：m c l 4 3 1 5 0 和 m c l 4 3 1 2 0 。m c l 4 3 1 5 0 支持外部存储，适合更为复杂的应用。如3 1 5 0 芯 片内部无r o m ，但拥有访问外部存储器的接口，寻址空间可达6 4 k b m c l 4 3 1 2 0 不支持外部存储器：本身带有r o m ，如3 1 2 0 x x 芯片中包括 e e p r o m 、r a m 、r o m e 5 。 2 2 1 神经元芯片结构 第1 顶 pozowj(网 西南交通大学研究生学位论文 。 。娜薛绪器扩刷哉 伍 ：l0 ) j 臀问il 黔lf 船忏司卜m 飘 雨雨雨雨诳雨 ， i l i i l i j 内鄱葛戳裁8 位， ilil ll ll l 定时及控制 降“l l 憔i j 删。馘 i 随到 ffllfiftffff ff 图2 - 3 神经元芯片结构示意图 从上图可以看出，神经元芯片内部有三个c p u ：m a c ( 介质访问) 处理器c p u 、网络处理器c p u 和应用处理器c p u ，每个c p u 有各自的 功能。 m a c 处理器c p u ：处理l o n t a l k 协议的第一、二层，包括驱动通信 子系统硬件和执行m a c 算法： 网络处理器c p u ：处理l o n t a l k 协议的第三至六层，包括处理网络变 量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、网络管理和路 由等，同时它还网络通信端口，物理地发送和接受数据包。 应用处理器c p u ：执行用户编写的代码以及用户代码调用的操作系 统命令。 m a c 处理器和网络处理器用共享存储区中的网络缓冲区进行通信， 正确地对网上报文进行编解码。网络处理器和应用处理器用共享存储区中 的应用缓冲区进行通信。下面画出神经元芯片内三个处理器和存储缓冲区 之间结构示意图： 第1 顷 西南交通大学研究生学位论文 图2 4 神经元芯片内三个处理器和存储缓冲区之间结构示意图 2 2 2 神经元芯片的固件 神经元芯片的固件是指固化在n e u r o n 芯片内的软件。 一：存储映象 n e u r o n 芯片的存储映象是指软件分为三个主要部分：系统映象、应 用映象和网络映象。 系统映象：包括l o n t a l k 协议、n e u r o nc 库函数、任务调度程序和i o 口固件。对于n e u r o n3 1 2 0 x x 芯片，系统映象软件存储在片内1 0 k b 的r o m 中；对于n e u r o n3 1 5 0 芯片，系统映象软件存储在片外的r o m 或闪存中。 应用映象：包括n e u r o nc 编译应用程序产生的对象代码和应用程序 指定的有关参数。n e u r o nc 程序包括程序代码、网络变量、自文档信息、 程序号、域表记录数目、地址表记录数目、缓冲区大小和数目以及接收事 务记录数等。 网络映象：节点地址分配、网络变量的连接信息以及消息标签的连接 信息、安装时要设置的网络参数以及应用程序的配置变量。 下面给出n e u r o n 芯片的内存分配和存储映象在内存中的位置： 第l 顿 西南交通大学研究生学位论文 图2 - 5 内存分配和存储映象在内存中的位置示意图 二：n e u r o n 芯片的数据结构 n e u r o n 芯片的数据结构包括：固定只读数据结构、域表、地址表、 网络变量表、标准网络变量结构以及配置结构。这些结构在a c c e s s h 和a d d r d e s s h 两文件中定义。 2 2 3 神经元芯片的通信端口 一、通信及通信端口 n e u r o n 芯片能支持多种传输媒介，最为通用的是双绞线、电力线， 还有射频( r f ) 、红外光波、光纤和电缆等。 n e u r o n 芯片通信端口为了适合不同的通信介质，可以将五个通信管 脚配置三种不同的接口模式，以适应不同的编码方案和不同的波特率。这 三种模式是：单端( s i n g l e - e n d e d ) 、差分( d i f f e r e n t i a l ) 、和专用( s p e c i a l ) 模式。下面列出n e u r o n 芯片通信端口的配置表 表2 - 2 【嘉 驱动电流差分单端专用模式 ( m a ) 第2 4 西南交通大学研究生学位论文 c p 014 r x + r i n )r x ( i n )r x ( i n ) c p l1 4 r x 一( i n )t x ( o u t )t x ( o u t ) c p 2 4 0 t x + ( o u t ) t xe n a b l e d ( o u t )b i tc l o c k ( o u t ) c