（计算机应用技术专业论文）现场总线及其在智能断路器中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现场总线是一种串行数据通讯链路，是连接智能现场设备和自动化系统的一 种通信网络。现场总线因其具有信号传输全数字化、控制功能全分散、标准统一 全开放等特点，目前在国内外得到了广泛的应用。本课题针对断路器实现联网通 信、集中监控的功能需求，引入现场总线技术，进行断路器的核心部件一智能脱 扣器和上位p c 机构成的网络系统的设计。该智能脱扣器网络系统具有较高的可 靠性和先进性，充分体现了应用现场总线的优越性 本文首先介绍断路器的历史、现状及发展趋势，阐述本课题的研究目的和意 义，继而介绍现场总线技术以及选择c a n 作为本课题现场总线的应用标准，接 着简单介绍智能脱扣器的系统结构设计，包括硬件框架设计及系统软件的设计。 然后本文重点描述基于c a n 总线标准的控制网络的设计，其中包括网络框架的 设计、c a n 应用层协议的制定及网络通讯软件的设计过程等。最后对系统的调 试和运行问题进行说明。 本课题主要应用内嵌c a n 总线构筑低压断路脱扣器网络系统，并针对系统 的需求，对网络的应用层协议提出自己的设计方案，使得开发的网络系统不仅满 足用户需求，且具有功能完善、控制方便、可靠性高、通信协议开放等特点。 调试和测试结果表明：本网络系统的设计方案新颖、合理，为其它控制系统 的应用提供了一定的参考价值，具有较广阔的应用前景。 关键词：现场总线c a n 总线断路器智能脱扣器应用层协议 上位p c 机 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l db u si sas e r i a lc o m m u n i c a t i o n sb u s ，w h i c hc o n n e c t st h ei n t e l l i g e n t e q u i p m e n t s t oa u t o m a t i o ns y s t e m b e c a u s eo ft h ef e a t u r e so fd i g i t a l s i g n a l t r a n s m i s s i o n ，s c a t t e r e dc o n t r o lf u n c t i o n ，o p e na n ds t a n d a r dp r o t o c o l ，i th a sb e e n w i d e l ya p p l i e do v e rt h ew o r l d i no r d e rt oi m p l e m e n tf u n c t i o n so fc o m m u n i c a t i o na n d c o n c e n t r a t e dc o n t r o lb e t w e e ni n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r s ，t h i sd e s i g na d o p tt h ef i e l db u s t e c h n i q u et oi m p l e m e n tt h ec o n t r o l l e rs y s t e mc o m p o s e db yt h ec i r c u i tb r e a k e r s k e r n e l - - i n t e l l i g e n tr e l e a s ec o n t r o l l e ra n du p p e rc o m p u t e r , a n dm a k et h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rs y s t e mm o r er e l i a b l ea n dm o r e i n n o v a t i v e ，s u f f i c i e n t l y s h o w st h e s u p e r i o r i t y o f f i e l db u sa p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , c u r r e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n sa n d t h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h ec i r c u i tb r e a k e ra r es u m m a r i z e d t h e nt h ep u r p o s e a n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c ha r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , w ee x p l a i nt h ef i e l db u s t e c h n i q u ea n dc a n b u sw h i c hi sc h o s e na sa p p l i c a t i o np r o t o c o lo ft h i sd e s i g n a n d a l s ot h ea r t i c l es i m p l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r ed e s i g no f t h ec i r c u i tb r e a k e r sk e r n e l - - i n t e l l i g e n tr e l e a s ec o n t r o l l e r , i n c l u d i n gt h ei m p l e m e n t a r yo f t h eh a r d w a r ef r a m e w o r k a n ds y s t e ms o f t w a r e t h i r d l y , t h ea r t i c l ep l a c e se m p h a s i so nt h ec o n t r o l l e rn e t w o r k d e s i g nb a s e do nc a n b u sp r o t o c o l ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n so f t h en e tf r a m e w o r k , c a n a p p l i c a t i o nl a y e ra n dt h ei m p l e m e n t a r yp r o c e s so ft h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h i sa r t i c l ei l l u s t r a t e st h ed e b u ga n dt h ei m p l e m e n t a r yo f t h i ss y s t e m n e p a p e ri sm o s t l yt oa p p l yt h ee m b e d d e dc a n b a si n t ot h ei n t e l l i g e mr e l e a s e c o n t r o l l e ro ft h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r , a n di no r d e rt of u l f i l lt h es y s t e m r e q u i r e m e n tn e wd e s i g ni sb r o u g h tf o r w a r d sf o rt h ec o n t r o l l e rn e t w o r k sa p p l i c a t i o n l a y e r t h i sn e t w o r ks y s t e mi sn o to n l yi m p l e m e n tt h es y s t e mf u n c t i o nb u ta l s oi s p r o v i d e d w i t hp e r f e c t f u n c t i o n ，s i m p l ec o n t r o l ，s t r o n gr e l i a b i l i t ya n do p e n c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h et e s t sh a v es h o w nt h a tt h ed e s i g ni si n n o v a t i v ea n dr e a s o n a b l e ，a n di to f f e r s r e f e r e n c e dv a l u ef o ro t h e rc o n t r o l l e rs y s t e ma n dw o u l db ea p p l i e di naw i d er a n g eo f f o r e g r o u n d k e y w o r d s ：f i e l db u s 。c a nb u s , c i r c u i tb r e a k e r , i n t e l l i g e n tr e l e a s ec o n t r o l l e r , a o o l i e a t i o np r o t o c o l ，u p p e rp c 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，同意学位保 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。 本学位论文属于 保密函，在乞年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：雇冱火 虮比年；月d 日 指导教师签名专 b 一年占月，日 爷 it i o j g 2 0 3 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：雇欲 日期：洲年；月旷日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 断路器是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的一种开关电 器，广泛应用于各类电网的供配电系统中。它可以对配电系统、电力输送系统和 用电设备的过载，短路、单相接地以及欠电压等实施保护，以避免或减小故障给 电力系统及用电设备所造成的损失，确保供电系统的安全性和可靠性，是保障电 力安全地、可靠地传输、分配、供应的必不可少的电力设备( 1 1 f 2 1 【8 】。 传统的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现 的，因而体积较大，效果也不够理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供 电线路以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，满足低压电网对配电型断路器 日益提高的要求，需要在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保 护功能的断路器。不仅要求断路器具备很大的短路电流分断能力，实现选择性保 护和供电安全，同时要满足电业管理提出的能在断路器上显示电网电压、电流、 功率因数、电能等参数的要求对于单台断路器要求其自动化、智能化、模块化， 对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控。在此情况下，智 能型低压断路器应运而生f 4 】【5 】【7 i 【9 i 【1 钉。 采用微电子技术和计算机技术的新型智能断路器具有较高的性能和可靠性， 不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能够实时显示电路的各种参数( 电 流、电压、功率、功率因数等) 。各种保护功能的动作参数也可以显示，设定和 修改，保护电路动作时的故障参数可以存储在非易失存储器中以便查询。新型的 智能断路器可采用区域选择性联锁功能，便于实现级联保护协调，较好地解决电 网级间选择性的配合问题，能够在最小的范围内将故障部分从系统中切除，从而 最大限度地保证非故障部分的继续供电。最值得高兴的是，引入现场总线技术， 将若干个智能型断路器通过网络构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使智 能断路器实现与中央控制计算机的双向通讯，具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能 【3 j 【9 】【l 1 3 1 。 1 2 断路器国内外发展现状和趋势p 叼【1 川 低压断路器的各种保护功能，全部是由断路器的核心器件一脱扣控制器来完 江苏大学硕士学位论文 成的，它通过对电参数的感知和判断，决定是否让执行机构动作。 早期的过电流脱扣控制器多为电磁式，2 0 世纪7 0 年代开始出现了电子式脱 扣控制器，2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初国外较早地把微处理器技术引入到脱 扣控制器中，推出了智能型脱扣控制器，使断路器从实施基本保护功能发展到智 能化多样化的保护功能。目前，国外具有代表性的智能型断路器有法国施耐德公 司的m t 系列、德国l e g 公司的m e 0 7 系列、a b b 公司的f 系列、日本寺崎公 司的a t 系列等。这些产品内部附件结构模块化、安装积木化且全系列通用，具 有智能型功能，其中包括各种保护功能、外部故障记忆、内部故障白诊断、通信 对话【1 1 1 1 4 ”】等。其中法国施耐德公司的m t 系列和美国g p 的p o w e rb r e a k 系列 还具有选择性区域联锁功能。 8 0 年代末，在控制系统和自动化仪表领域内出现了对现场器件进行彻底变 革的新技术】觅场总线。连接在基于现场总线技术构建的局域网中的智能断路 器设备，可实现与主控中心进行数据交换功能，能接收主控站的指令，达到对电 网运行状态的监测和控制。这将有助于提高电力运行状态的远程监测、保护和控 制水平，将极大地推进电力配网的自动化水平。因此，具有通信功能，能与现场 总线相连接的智能化、高性能的新一代智能型断路器将成为今后断路器的一大发 展方向。 目前，国外已经开发出了可通信的智能断路器，但大多是外置式的，还处于 推广应用、不断发展和完善阶段。其发展趋势主要是现场通信模块内置和将“蓝 牙”技术及内嵌w e b 技术应用于断路器中，以便故障时能迅速及时地通知检修人 员且能够直接通过互联网进行远程控制。在我国，断路器的新品开发大部分仍以 仿制为主要手段，真正有自主知识产权、有自己特色的新产品很少。其开发和应 用尚处于上升发展阶段，有待完善提高。主要发展趋势是在解决技术问题的基础 上自主开发有特色的新产品，产品质量也需完善与提高，并进一步能将现场总线 技术应用于断路器中，以实现断路器的网络化和智能化等多种功能。 1 3 研究的目的和意义 目前，将信息技术应用到电气行业产品中已成为世界趋势，国外和国内对智 能化、可通信的断路器的市场需求越来越大。据预测，“十五”期间，我国对低 压断路器的年需求量将达到3 9 0 万台以上，产值近2 0 0 亿元。其中，这种智能化、 2 江苏大学硕士学位论文 可通信的、高档次断路器产品市场占有率将达到3 0 以上，市场前景非常广阔。 国外大公司，如施耐德、西门子，a b b 等都投入巨资进入该领域。如施耐德等， 已经可以提供外置式现场总线的智能断路器产品，目前正着手研究开发内嵌式现 场总线的智能断路器、外置式w e b 服务器的智能断路器、内嵌式w e b 服务器的智 能断路器等。而国内的产品就其品种、规格、性能、质量、技术水平来看，和国 外产品有很大的差距。基于以上形势，我们必须抢占先机，研制具有高性能的网 络化断路器产品，以提高我国在国际电力电器领域内技术与产品的竞争力。 本论文是以国家8 6 3 、省科技攻关项目为支撑，在充分调研国内外同类产品 的基础上进行的。主要工作是在对智能断路器实现的基础上，内嵌现场总线的功 能，使之具有高性能，高可靠性、小型化、多功能、模块化、智能化、可通信的 特点。它的研制在技术上提高了国内产品对国外产品的竞争能力，缩小了国内外 产品之间的差异，必将扭转我国整个电器行业技术落后被动的局面，对我国电器 产业更新换代、赶超国际同行，增强企业国际竞争力，振兴民族工业都具有重要 的经济与战略意义。 1 4 研究的主要内容 本论文研究的内容属于现场控制系统领域，主要是通过现场总线技术，使得 网络中的智能设备具有数据交换功能，实现用户对智能设备的遥测、遥控、遥讯 和遥调的操作 6 9 - 7 0 l 。本文将紧紧围绕这方面进行研究。研究的主要内容如下： ( 1 ) 针对断路器实现联网通信、集中监控的功能需求，在对断路器的核心部 件一智能脱扣器实现的基础上引入现场总线技术，根据系统特点和应用场合，选 择c a n 作为现场总线的应用标准，构成智能脱扣器网络系统的框架。 ( 2 ) 基于c a n 总线标准，根据系统功能需求，对智能脱扣器网络系统的应 用层通信协议进行研究和设计。 ( 3 ) 基于c a n 协议标准和高层协议的建立，开发智能脱扣器网络系统的通 讯模块，其中主要包括智能脱扣器端通讯软件的设计和上位p c 机监控软件的设 计。 基于以上三大步骤的实现，可完成智能脱扣器与上位p c 机的数据交换功能， 其功能主要表现为两方面：一方面智能脱扣器把从电网中采集到的数据上传给上 位p c 机，以使上位p c 机对数据作综合分析处理；另一方面智能脱扣器接收上 江苏大学硕士学位论文 位p c 机的命令，解释并执行之，实现上位p c 机对智能脱扣器的集中控制等 利用这个网络系统，我们可以安全可靠地、远程地对电网进行实时分段保护、区 域分段处理、区域控制等操作。 本论文就智能脱扣器网络系统的设计和实现，在以下几个方面有所创新。 首先，硬件上实现对智能脱扣器内嵌c a n 模块的通讯，内嵌c a n 控制器可直 接与现场总线连接，系统更加紧凑；软件上考虑到智能脱扣器功能繁多、系统复 杂等特点，在满足其功能需求的基础上将智能脱扣器软件的各个模块有机地结 合，以提高智能脱扣器整体运行的可靠性和资源利用率： 其次，基于c a n 的底层协议，设计本网络系统的高层协议，该协议既满足系 统的功能需求，又具有一定的可扩展性、灵活性和通用性，可作为其它类似的 c a n 总线控制系统设计和开发的参考； 再者。结合应用层协议的规范和智能脱扣器的d s 8 0 c 3 9 0 的工作机制，对智 能脱扣器的通讯模块进行设计，并在设计中对通讯模块的有关信息传送问题的处 理采用了一定的技巧；最后利用模块化思想和面向对象技术对上位机监控程序进 行开发，该监控程序运行可靠，具有可扩展性和可维护性。 1 5 本章小结 本章首先叙述智能断路器在国内外的研究现状及发展趋势，阐述进行本课题 研究的目的和意义，最后简要叙述本论文研究的主要内容和创新点。 4 江苏大学硕士学位论文 2 1 现场总线技术 第2 章现场总线技术 2 1 1 现场总线概述 现场总线是在8 0 年代末、9 0 年代初发展起来的，根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 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。目前，现场总线已成为自动化领 域技术发展的热点之一，广泛应用在制造业、流程工业、冶金、电力、交通、楼 宇等各个领域。 现场总线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、优化及控制一体化的综合自动功能，是一项以智能设 备、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。因此，有理由认为 现场总线技术开辟了控制技术的一个新时代【1 6 】f 2 ”。 现场总线控制系统( f c s ) 是诸多现场智能设备通过现场总线互联与控制室 内人机界面组成的系统，是基于现场总线的新一代开放型的自动化控制系统。它 一方面突破了集散式分布控制系统( d c s ) 采用通信专用网络的局限，而采用了 基于公开化、标准化的解决方案；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散 系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能 设备本身便可实现基本控制功能。现场总线控制系统与传统的d c s 相比，具有 不同的特点和优越性 1 6 - 1 8 2 0 - 2 2 2 4 - 2 8 1 3 0 - 3 1 l ： ( 1 ) 全数字化通讯 d c s 的通信网络一般截止于控制站或输出单元，与现场仪表仍然是一对一模 拟传输，f c s 中从现场仪表到控制室内p c 机全部采用数字化通信技术，是一个纯 数字系统。它使得过程控制的准确性和可靠性大为提高。 ( 2 ) 系统的开放性 现场总线通信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换，用户可 按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场 江苏大学硕士学位论文 总线构筑自动化领域的开放互连系统。 ( 3 ) 互操作性和互用性 不同厂家生产的d c s 因通信标准的不同，所以不能直接互联，f c s 中现场总线 的通信标准要求不同厂商的智能现场仪表可以互换，这不仅可以相互通信，而且 可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。 ( 4 ) 真正的分散控制 d c s 中的控制单元一般集中安装在控制室内，它把控制功能分散到控制单元 中的一些控制板上，每个控制板上又可控制多个控制回路。f c s 采用的是完全分 散的控制方式，将d c s 的控制功能部分，分散地分配给各个现场仪表，从而实现 了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性 ( 5 ) 效益的提高 采用f c s 取代d c s 具有很大的经济效益，如“变千百根电缆为一根”，可 以节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确性、实时性、快 速性和可靠性大为提高；省去i ，o 端子柜和控制柜后，使控制室占地面积大大减 少，并使系统简化，带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的 减少。 基于这些突出的优越性，现场总线在全世界范围内得到了非常的重视，其应 用范围已涉及到工业过程控制领域、制造业自动化领域、石油化工领域、能源领 域、楼字自动化领域等几乎每一个行业。在我国，9 0 年代中期以来，国家有关 部门已投入巨资用于现场总线技术及其产品的研究开发，已有相关科研院所、公 司企业加入了相关现场总线国际组织。 现场总线在电厂、变电站和电力系统中也有非常广阔的应用前景，特别在新 建项目中能在可靠性、高精度、经济型等诸多方面获得最大的效益。在配电系 统中应用现场总线技术构成的分布式配电自动化系统，可提高系统的可靠性，实 现系统数据的集中处理、监控、分析及优化调度等 总之，基于现场总线的控制系统将在下世纪初期成为我国电力系统自动化的 主导设备。 2 1 2 现场总线标准及其选取1 1 p 1 洲1 1 ”1 1 1 2 卅 国际上虽然投入了相当的人力物力进行现场总线的标准化工作，但迄今尚未 6 江苏大学硕士学位论文 形成一个统一标准，各大公司都相继开发出自己的产品，遵循的协议、接口标准 各不相同，其中较具代表性的有基金会现场总线( f f 现场总线) 、美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 现场总线、b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 现 场总线、p r o f i b u s 总线等 w l z 3 l 【2 9 】。 2 1 2 1 现场总线标准及其应用领域 ( 1 ) f f 现场总线 f f 现场总线是国际f f 基金会在9 0 年代初开发的现场总线技术，是在i s o 0 s i 模型的基础上开发完成的具有可互操作性的双向通信协议。其主要特点是： 采用o s i 模型中的l 、2 、7 层，即物理层、链路层、应用层，并在应用层上增加了 用户层；网络拓朴结构采用星型分层结构：总线分为低速h 1 总线和高速h 2 总线 两种，h 1 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，支 持总线供电，支持本质安全防爆环境；h 2 的传输速度为i m b p s 和2 5 m b p s 两种， 其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m ；物理传输介质支持双绞线、光缆和无线发射同 轴电缆；总线供电能满足工业现场环境使用要求及安全防爆要求；数据传输方式 有三种：令牌传送、申请立即响应、总线时间调度，保证了信息传输的实时性； f f 现场总线具有充分的检错纠错措施，保证通信的可靠性；用户层专门针对过程 控制领域，采用功能模块与设备描述( d d l ) 语言。确保了设备的互换性与互操作 性。目前，国际各大公司( 如日本横河、a b b 、h o n e y w e l l 等) 纷纷推出了符合低速 现场总线( h 1 ) 协议的现场总线产品：如变送器( s t l l 5 1 ) 、流量计、阀门控制台器、 总线控制器等。 f f 总线技术是针对工业过程自动化来开发的，该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，因此较适合工业过程控制领域。 ( 2 ) l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司推出的。与其它现场总线不同的是，l o n w o r k s 采用了o s i 的全部7 层模型，是面向对象的协议，采用网络变量的形式，通过网络 变量的相互连接实现节点间的数据传输。l o n w o r k s 的核心技术是它的神经元芯 片。该芯片是l o n w o r k s 的总线通信处理器，也可用作数据采集或控制的通用处理 器。它是构成网络控制节点的主体。该芯片有3 个8 位的c p u ，分别用于完成0 s i 模型中的第l 2 层、3 6 层和7 层的功能。另外，l o n w o r k s 技术还包括1 个网 络管理工具，这个工具用于网络安装、维护和监控。l o n w o r k s 通信速率为 7 江苏大学硕士学位论文 3 0 0 k b p s 1 5 m b p s ，通信距离最大为2 7 0 0 m ，支持多种传输介质( 双绞线、电缆、 光缆、电力线、红外线等) ，可工作在防爆环境。 l o n w o r k s 总线技术拥有电力线载波收发技术独特优势，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，具有很好的灵活性。目前在世界范围内，l o n w o r k s 总线技 术已被推广应用于楼宇自动化、工业自动化及电力自动化等领域。 ( 3 ) c a n 总线【3 2 i 。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 总线是德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为解决现代汽车 中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据总线，其总线规范 现已被i s 0 国际标准组织指定为国际标准。目前，c a n 总线主要由m o t o r o l a 和 p h i l i p 两家公司提供技术产品，已广泛应用在美国和欧洲的汽车领域：国内也正 从事c a n 总线技术的应用产品开发 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型o s i 基础上的，其模型 结构只有三层，即应用层、数据链路层和物理层。c a n 传输介质为双绞线，通信 速率最高达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 ，可挂设备最多可 达1 1 0 个。信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8 个，可满足通常工业 领域中控制命令、工作状态及测试数据的要求，同时，8 个字节不会占用总线时 间过长，从而保证了通信的实时性且受干扰率低。c a n 支持多种工作方式，网 络上的任何节点均可自由地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。 c a n 总线技术具有实时性好，抗干扰能力强，自动出错处理及故障保护等技术 特点。可应用于环境复杂、可靠性要求高的领域。 ( 4 ) p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 现场总线是以德国西门子公司为首的1 4 家德国公司、研究所共同 推出的，是符合德国国家标准d i n l 9 2 5 4 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线，包括 p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s d p 三部分。p r o f i b u s 现场总线的主要 特点是：通信协议建立在i s 0 0 s i 模型的基础上，采用了其中的3 层，即物理层、 数据链路层、应用层；通信方式支持主从方式、纯主方式与多主方式，采用总线 型网络拓朴结构：网络体系为多级分层：现场控制设备采用p r o f i b u s p a 总线、 现场智能设备采用p r o f i b u s d p 总线，车间单元级采用p r o f i b u s - f m s 总线、工 8 江苏大学硕士学位论文 厂级采用工业e t h e r n e t 网络。p r o f i b u s 定位于f f 。其协议的三部分分别应用于 非控制信息的传输过程、自动化的信号采集与控制和制造业自动化它是满足用 户快速通讯的最佳方案，是f f 的主要竞争对手 2 1 2 2 现场总线标准的选取 对于现场总线控制系统的开发。为了保证系统安全可靠的运行，必须选择合 适的总线应用标准。在本课题所开发的智能脱扣器网络系统中，电力线上的电流 可能会很高，在这样强电磁干扰下，就要求系统具有很高的抗干扰性和纠错能力。 系统还要求产生的大量电力数据要及时采集和及时处理，并要对相关电力设备进 行快速精确的控制。因此就本网络系统而言，选择精确可靠、抗干扰性强和实时 性高的现场总线标准成了首选的方案。 c a n 总线技术是为分布系统在强电磁干扰等环境下能够可靠工作而研制开 发的，因其较低的成本和较高的实时处理能力等优点被越来越多的用户采用。 将c a n 用于本系统，有着其它几种现场总线技术无法比拟的特性：c a n 采用短 帧结构，传输时间短，受干扰少；采用c r c 校验及其他校验措施，纠错能力强， 可靠性高；采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向总线发送报文时，优先级 低的报文主动停止发送，而不影响优先级高的报文的发送，因此当网络负载很重 时，也不会导致网络瘫痪；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 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，此 外，c a n 总线开发成本低、硬件结构简单。综上所述，使用c a n 现场总线能够 很好地保证智能脱扣器网络系统的可靠性和实时性，在电力系统中使用推广 c a n 技术已成为一大趋势，为此，本课题选用c a n 现场总线技术【3 3 】嘲m 作为 智能脱扣器网络系统的总线应用标准。 2 2c a n 总线技术 2 2 1c a n 总线概述 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测 试仪器之问的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议1 9 9 1 年9 月p h i l i p s 公司制定并颁布了c a n 技术2 0 a b 版本，2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，2 0 b 定义了标准和扩展的两种报文格式：1 9 9 3 年1 1 月 9 江苏大学硕士学位论文 国际标准化组织1 8 0 t c 2 2 技术委员会正式颁布了高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为c a n 总线的标准化、规范化应用铺平了道路世界半导 体知名厂商也随之推出各自不同c a n 总线产品，如独立的c a n 控制器有：i n t e l 公司的8 2 5 2 6 ，8 2 5 2 7 = p h i l i p s 公司的8 2 c 2 0 0 ，s j a l 0 0 0 = n e c 公司的7 2 0 0 5 。内 嵌c a n 控制器的单片机有i n t e l 公司的8 7 c 1 9 6 c a c b ；p h i l i p s 公司的8 0 c 5 9 2 ， 8 0 c e 5 9 8 ：d a l l a s 公司的d s 8 0 c 3 9 0 等【3 5 l 【3 9 i 4 3 1 由于c a n 总线是根据复杂的工业环境设计的，具有强有力的检错能力和抗干 扰性，这使得c a n 总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。目前 c a n 的应用范围不再局限于汽车行业，已面向过程工业、机械工业、纺织工业、 楼字自动化、农业机械传感器、自动化仪表等广泛的领域发展，c a n 已经形成了 国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一【3 6 1 1 4 1 - 4 2 4 卯。 2 2 1 1c a n 总线主要特点p 司m 3 1 1 4 6 】【4 8 i ( 1 ) 通信介质选择灵活，可以采用双绞线、同轴电缆或光纤；通信距离最远 可达l o k m ( 通信速率为5 k b s ) 。通信速率最高可达1 m b s ( 通信距离为4 0 m ) ； c a n 总线节点易扩充。节点最大数取决于总线驱动电路，实际可达1 1 0 个； ( 2 ) c a n 通信方式灵活，可以工作在多主方式，网络上任何节点均可主动向 其它节点发送信息，它可以通过报文过滤实现点对点、一点对多点及全局广播等 方式传送和接收数据； ( 3 ) c a n 报文采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受 干扰的概率低： ( 4 ) c a n 节点可被设定为不同的发送优先级，利用接口电路中的“线与”功能 巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁。当两个节点同时发送报文时，优先级 低的报文主动停止发送，而不影响优先级高的报文的发送，大大节省了总线冲突 裁决时间，又满足了节点不同的实时要求。 ( 5 ) 采用c r c 校验并提供相应的出错处理，保证了数据通信的可靠性；发送 期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可以自动重发；当故障节点发生严重错 误，将自动脱离总线，不影响总线上其它节点。 2 2 1 2c a n 分层结构【3 2 c a n 总线是根据开放系统互联模型( o s i ) 制定的，它采用了七层模型的物 理层和数据链路层，其分层结构如图2 - 1 所示。 l o 江苏大学硕士学位论文 肇啦冀h 期簟麓细 矗蔓f 蠢 i ，n c 童羟 囊培斟鹱，再冀 镇籀玛( 壤意，解t 壤完) l 曩律葫片砖 i 鉴鉴 馕鼍翻 一 _ 出锚拓定 。 i 尊c r 哇s - 敏1 ) 膏。) 蒈夏i l 霸e 等 特让，群薄掌抒匕 、 托s t 情码，譬码 ； 篇铲 ； m 麓硝，麓收幢性 ，i 崔接嚣 譬2 一ic 媸分层撼构 ( 1 ) 物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。它 定义信号怎样进行发送，涉及位定时、位编码及同步的描述。物理层划分为： 1 ) 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ：实现与位表示、定时和同步相关的 功能： 2 ) 物理媒体附件( p 姒一p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ：用于实现总线发送接 收功能的电路，并可提供总线故障监测方法； 3 ) 媒体相关接口( m d i m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ：实现媒体和m a u 之间机 械和电气的接口。 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层分为逻辑链路控制( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 与媒体访问控制 ( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两部分 1 ) l l c 子层 l l c 子层主要负责报文滤波、过载通知以及恢复管理。 报文过滤：确定接收哪一个报文，每个接收器通过帧接收过滤确定此帧是否 要接收。 过载通知：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或远程帧，则通 过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远 程帧 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或错误干扰的帧，l l c 子层具有自动重 江苏大学硕士学位论文 发功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可 2 ) 姒c 子层 i i a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 层接收到的报文和对l l c 子层发送 的认可报文。根据其功能可以把m a c 划分完全独立工作的两个部分，即发送部分 和接收部分。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 又称 之为“故障界定实体”的一个管理实体监控，具有永久性故障或短暂性扰动的自 监测机制。 2 2 2c a n 总线协议规范1 3 2 1 1 4 9 i i 删 2 2 2 1c a n 帧格式 c a n 报文有两种不同的帧格式，不同之处为仲裁场的标识符长度不同：具有 1 1 位标识符的帧称之为标准帧( 如图2 2 a 所示) ，含有2 9 位识别符的帧为扩展 帧( 如图2 2 b 所示) 5 0 i 。 k 竺l - ! 竺二- k 一竺竺竺 三互亘 址臣丑二二二二 田2 - - 2 扫准曩据l 格式 2 2 2 2c a n 帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的 延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与 前面的帧分隔。 ( 1 ) 数据帧 8 0 e 江苏大学硕士学位论文 数据帧由7 个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场，帧结束，其组成如图2 3 所示。 阳 蚋 目2 3 熬嚣螭组废 1 ) 帧起始：标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个“显性”位构成。只 在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送。所有站必须都同步于开始发送的那 个站的帧起始前沿 2 ) 仲裁场；由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。标识符的长度可以 为1 1 位或2 9 位，这些位以i d l 0 或i d 2 8 至i d 0 发送，最低位为i d 0 ，其中最高 7 位必须不是全“隐位”。r t r 位在数据帧中，必须是“显性”电平，而在远程 帧中，r t r 位必须是“隐性”电平。 3 ) 控制场由6 位组成，可包括数据长度码和两个保留位。数据长度码d l c 为4 位，指出数据场的字节数目，在控制场中被发送。两个保留位必须发送“显 性”电平，但是接收器认可“显性”和“隐性”的全部组合。 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0 至8 个字节，每个字 节包括8 位，其中首先发送最高有效位。 5 ) c r c 场包括c r c 序列和l 位c r c 界定符。用于帧校验的c r c 序列由特 别适用于位数小于1 2 7 位帧的循环冗余码校验( b c h 码) 驱动。为实现c r c 计 算，被除的多项式被定义为这样的一个多项式，其系数由帧起始、仲裁场、控制 场、数据场( 如果存在) 和1 5 位最低系数为0 组成的解除填充的位流给定。此 多项式被下列生成多项式 x + z 1 4 + x o + z 。+ 7 + x 4 + z + l 除( 系数为模2 运算) ，该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。c r c 序列后随c r c 界定符，它只包括一个“隐性”位。 6 ) 应答场为2 位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送站送出两 个“隐性”位。所有接收到匹配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把“显性” 位写入发送器的“隐性”位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是 江苏大学硕士学位论文 “隐性”位，因此，应答间隙被两个“隐性”位包围 7 ) 帧结束：每个数据帧和远程帧均由7 个“隐性”位组成的标志序列界定 ( 2 ) 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的 数据。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应 答场和帧结束。 同数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”。远程帧不存在数据场。远程帧 组成如图2 4 所示 期 蛸 ( 3 ) 出错帧 出错帧由出错标志和出错界定符两个场组成。错误帧监测c a n 控制器的出 错状态及出错类型，作为检测出错条件的信号 ( 4 ) 超载帧 超载帧由超载标志和超载界定符组成。当接收器线路在接收下一个帧前需要 更多的时间处理当前数据，亦即接收器未准备好，或在间歇场期间检测出显性位 时将发送超载帧。 2 2 2 3 本论文应用的部分标准 对于帧的类型，本论文主要采用远程帧和数据帧：对于帧的格式可以选择使 用标准帧或扩展帧。现成的c a n 总线产品都遵循物理层和链路层规范，为了在应 用层上实现发送数据的打包、分类、合并和接收数据的滤波、拆解，需填写帧的 仲裁场、控制场和数据场。 2 3 本章小结 本章首先论