（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线的嵌入式直流屏电源监控系统的应用研究.pdf

基于现场总线的嵌入式直流屏电源 监控系统的应用研究 摘要 ( c a n 总线( 控制器局域网总线) 是现场总线的一种，它具有多主竞 争、传输速率快、高数据安全性等优点，因而广泛地应用于各种控制 h 7 过程中。j 本文首次提出使用c a n 总线对蓄电池直流屏实现监控，满足 了对其进行实时、可靠监控的要求。 嵌入式系统最显著的特点是面对工控领域的测控对象，嵌入到工 控应用系统中，这样就要求系统体积应尽可能小，同时具有较强的抗 干扰能力。 蓄电池直流屏监控系统由各监控节点及c a n 总线构成。系统的监 控节点构成分为两种，一种以p h i l i p s 公司的内部集成c a n 控制器的 8 0 c 5 9 2 单片机为核心构成，另一种以8 9 c 5 2 单片机和s j a i 0 0 0c a n 控 制器为核心构成。c a n 总线将各节点联接起来，构成局域网络，实现各 节点间的命令和数据的传递。论文对直流屏的交流部分、直流部分、 对地绝缘、蓄电池安时容量等提出了有效的监测计算方法。系统软件 编程采用f r a n k l i nc 5 1 和汇编语言。 关键词：c a n 总线，现场总线，嵌入式系统，蓄电池直流屏 一卜 _ a p p l i c a t i o na n ds t u d yo fe m b e d d e d s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fd cs c r e e n0 nf i e l db u s a b s t r a c t c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) b u si sak i n do f f i e l db u s ，i th a sa d v a n t a g e ss u c ha s m u l t i p l em a s t e r s ，h i g ht r a n s m i tr a t e ，h i g hd a t as a f e t y ，a n di ti sw i l d l yu s e di nm a n y k i n d si f c o n t r o lp r o c e s s e s t h i s p 印e rp r o p o s e so r i g i n a l l yt ou s ec a n b u si nb a t t e r yd c d i s t r i b u t i o ns c r e e ns u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m a n dt h i sc a r lp r o v i d e sr e a lt i m ea n d r e l i a b l es u p e r v i s o r yc o n t r o lf o rt h i ss y s t e m t h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e mi st h a ti ti si nt h ef a c eo f t h em e a s u r ec o n t r o lo b j e c to fi n d u s t r yc o n t r o lf i e l da n de m b e d d e di n t ot h e i n d u s t r y c o n t r o la p p l i c a t i o ns y s t e m s ot h ev o l u m eo ft h es y s t e mm u s tb ea sl i u l ea sp o s s i b l e a n di th a sp o w e r f u la n t i - j a m m i n g a b i l i t y b a t t e r yd c s c r e e ns u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po f s e v e r a ls u p e r v i s o r y c o n t r o ln o d e sa n dc a nb u s t h e r ea r et w ok i n d so f s u p e r v i s o r yc o n t r o ln o d e s o n e k i n do ft h e mi sb a s e do nt h e8 0 c 5 9 2 m i c r o - c o n t r o l l e rw h i c hh a s i n s i d ec a n c o n t r o l l e r t h eo t h e ri sb a s e do n8 9 c 5 2m i c r o c o n t r o l l e ra n ds j a l 0 0 0c a n c o n t r o l l e r a l lt h ec o n t r o ln o d e sa r el i n k e db yc a n b u sa n dt h u sm a k eu pa l la r e a n e t w o r k t h ec o m m a n d sa n dd a t ac a nb et r a n s m i t t e db e t w e e n t h en o d e s t h i s p a p e r p r o p o s e se f f i c i e n ts u p e r v i s o r ym e a s u r ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o dt oa c 、d c 、i n s u l a t i o nt o g r o u n d 、a m p e r e t i m ec a p a c i t yo ft h ed c s c r e e n s y s t e ms o f t w a r ei sp r o g r a m m e di n f r a n k l i nc 5 1a n d a s s e m b l yl a n g u a g e k e yw o r d s ：c a n b u s ，f i e l db u s ，e m b e d d e d s y s t e m ，d cs c r e e n i k 堑堑三些盔堂堡圭兰羔l 丝- 三蔓一 1 1引言 第一章绪论 自动控制技术是当代发展极为迅速、应用十分广泛、最引人注目的高技术之一， 也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。随着现代控制理论的发展，自动 控制技术已从单变量控制到多变量控制，从自动调节到最优控制。现在对自动控 制的要求已不仅是保持个别变量( 如温度、转数、电压等) 的稳定，而是要求实 现多个变量的最优控制。分析与设计最优控制系统已成为现代控制理论的基本内 容。随着微型计算机的出现，特别是微型计算机应用于控制系统，为计算机控制 带来了根本性的变革。对于复杂的、分散的控制对象，由于它们往往是同时、并 行且独立地工作，控制对象分布面又很广，因此把它们联系起来实现分布控制是 现代控制技术中的一个重要发展方向。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成 为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统 可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化， 系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控 制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5 c 技 术- - c o m p u t e r ( 计算机技术) 、c o n t r o l ( 自动控制技术) 、c o m m u n i c a t i o n ( 通信技 术) 、c r t ( 显示技术) 和c h a n g e ( 转换技术) 紧密结合的产物。它在适应范围、 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n 从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的变革：一次是五十年代末由 旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是八十年代从电子模拟 仪表到d c s 的转变。这两次大的转变，远远不及现场总线对控制系统发展的影响 那样深刻。 塑坚三、业丕堂堡主堂垒婆耋一 现场总线使控制系统发生了概念上的全新变化。廉价的智能化的现场设备的普 及与基于现场总线的微处理器及标准数字通讯链路的发展相互促进，促使简单的 控制任务迁移到控制现场。能够处理p i d 算法和控制逻辑的现场驻留微处理机接 管了大部分简单的控制任务。总线产品在其协议中除实现了物理层、数据链路层 和应用层外，还实现了网络层甚至其它更多层。现场设备具备了网络寻址能力， 控制系统中的信息传递己不仅仅局限于现场设备和控制器之间，现场设备之间也 能实现点对点、点对多点及广播式多变量通讯，形成了所谓的控制网络。控制网 络中的现场设备称为节点，由微处理芯片( 收发器模块、晶振电路等) 及外围电 路组成。现场总线是实现节点( 现场设备) 间互连的较为简单的种机制，它处 理的更多的是物理的( 如光、电) 和通讯介质的低层次特性( 如差错校正等) 1 2 】1 3 j 1 4 】。 现场总线采用了三层网络结构一物理层、数据链路层和应用层。流量控制和 差错控制在数据链路层执行。报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。这种 网络结构具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，同时性能又令人满意。 因此，现场总线是一种开放式实时系统，它只具有简化的网络结构，而与o s i 不 完全保持一致。f i e l db u s 体系结构模式如图1 1 所示。 图1 一l f i e l db u s 体系结构模式 近年来，现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一个焦点 甚至有人预言：2 l 世纪是现场总线的世纪。这是因为： 一2 堂堡王些盔堂翌三兰j 墨兰l 墨一 现场总线标准将开辟过程控制的新纪元； 现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革； 目前所做出的有关现场总线的决定将在几十年中影晌控制领域； 现场总线将大大改变现有的实现控制和维护的全部方法； 造成这些影响和变化的根本原因是现场总线所具有的优点。 对于工业领域，采用现场总线的最大优点是可大大节约连接导线、维护和安 装费用。同时，现场总线能够传送多个过程变量。传统的4 m a 2 0 m a 控制回路 一般只能携带一个信号，通常为过程变量。而采用现场总线后，在传输变量的同 时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。数字信号的精确性是现场总 线的又一个优点，数字信号比4 m a 2 0 m a 模拟信号分辩率高，因此，可排除过 去在模数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场智能仪表后也 将成为可能。由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进 行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测，一个更为重要的方 面是仪表的兼容性可以使用户大大受益。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线是现场总线的一种。c a n 是由德国b o s c h 公司为解决现代汽车工业中众多控制与测试仪表之间数据交换于1 9 8 3 年开发的一 种串行通信协议，目的是通过较少的信号线将汽车上的电子设备通过网络连接起 来，并提高数据在网络中传输的可靠性。c a n 是一种先进的串行通信协议，它有 效地支持分布式实时控制系统，具有很高的可靠性和实时性。通信介质可以是双 绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线通信接口中集成了 c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填 充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。c a n 协议的一个最大特 点是废除传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的 优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方 式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常 有用。数据长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及 测试数据的一般要求。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。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信 塑塾三些查堂堡主j 生垡j 垒皇一 的可靠性。c a n 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。c a n 被广泛应用于工业生产自动控制过程。除此之外，c a n 还被 应用于机械制造、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、建筑物 管理监控、火车、船舶、传感器等等 i j 【5 】【6 】 。 1 2 直流屏电源监控系统的发展 直流屏是用于能源、交通等作为高低压配电装置分合闸回路、信号回路、控制 回路的供电电源，也可以作为继电保护装置、远动装置、自动装置的供电电源以 及事故状态下应急负荷的直流电源，可以用于车、船、柴油机的应急备用电源、 启动电源和其它需要大电流的场合。 直流屏通常由电池屏和控制屏组成，包括蓄电池、主充电机、浮充电机、直流 馈出回路、电压监测、绝缘监测、闪光回路及直流系统。 直流屏的工作分为充电、放电、浮充电、交流电压消失等状态。设有直流过电 压、直流欠电压、交流电压消失报警装置，并设有各支路及总回路的短路保护。 并有绝缘监视、绝缘检查的闪光装置瞵】。 由于直流屏的工作环境恶劣( 无人值守的发电厂、变电站等) 。工作电流大( 几 百安培) ，所以要求直流屏能够可靠稳定的工作。有必要采用微机对系统进行监控 且微机监控系统必须具有很高的可靠性。直流屏微机监控系统经历了个发展的 过程，从初期的采用s t d 总线结构的系统到采用串行内总线结构的集中监控系统， 再到嵌入式微机监控系统，在其发展过程中，系统的体积、功耗和成本部在不断 的下降，可靠性在不断的提高，但由于监控系统的工作环境恶劣，系统的可靠性 和实时性还是不能达到要求。所以将现场总线应用于蓄电池直流屏微机监控并将 系统的各监控部分设计为一智能性节点嵌入到监控对象上是一个很有意义的尝试 和探索。现场总线是近年来工业控制领域的热点，c a n 总线作为现场总线的一种 典型类型，在我国的研究仅仅处于起步阶段，课题选用c a n 总线用于蓄电池直流 屏的微机监控系统，有助于c a n 总线在我国的研究和应用。将现场总线应用于蓄 电池直流屏的微机监控，不仅能降低成本，还可满足系统对实时、可靠性的要求。 正 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本文工作的主要内容 本文的主要内容： 构成嵌入式直流屏微机监控系统的总体方案： 分别以微控制器8 0 c 5 9 2 和s j a l 0 0 0 为核心，构成监控节点 依据c a n 总线协议，构成控制器局域网： 系统的软件实现 一，一 塑婆三些丕兰塑主堂垡j 垒皇二一 2 1 引言 第二章直流屏微机监控系统的总体方案 随着电力系统自动化水平的提高，无人值守电厂的出现，对直流屏微机监控 系统也提出了更高的要求。微机监控系统的主要工作之一即是对数据的采集，也 就是系统各部分之间的通信问题，通信是自动化的基础，它有特殊的要求：( 1 ) 实 时性；( 2 ) 协议简单性；( 3 ) 短帧信息传送；( 4 ) 信息交换的频繁性、网络负载的稳定 性；f 5 ) 较高的安全性、容错能力；( 6 ) 低成本需求等。 目前设备之间的信息传送方式大都使用r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 ，这些通信手段都有 低传输速率和点对点通信的缺点，不能支持更高层次的计算机之间的功能操作。 还有的采用b i t b u s ，b i t b u s 是主从式、总线型高速串行网，它的电气接口采用平 衡传送的r s 一4 8 5 标准，传输介质是双绞线或同轴电缆，数据链路层协议采用同步 数据链路控制标准。在b i t b u s 网中，主站、从站是由系统固定分配的，不能动态 地加以改变。主站向从站发出命令，从站响应命令。从站不能主动向主站发送信 息。它采用主站轮询式，大大加重了主站的负担，同时使系统的实量性也受到限 带i l 。 2 2 蓄电池直流屏的作用和工作原理 2 2 1 蓍电池直流屏的作用 蓄电池直流屏主要是用于各种发电厂、变电站、配电所，作为高低压配电装 置的分合闸、控制回路、信号回路的供电电源，也可以作为继电保护装置、远动 装置、自动装置的供电电源以及事故状态下应急负荷的直流电源，可以用于铁路、 车辆、船舶、柴油机等应急备用电源启动电源和其它需要大电流的场所。 直流系统的可靠性直接影响到发电厂、变电站的正常运行，而作为后备电源 6 塑堑三些奎堂堡圭堂垡堡塞一 的蓄电池在直流屏中起着极其重要的作用。随着无人值守变电站的推广，电力系 统自动化水平的不断提高，蓄电池性能好坏的监测及判别已成为急待解决的难题。 2 2 2 蓄电池直流屏的工作原理 直流屏通常由电池屏和控制屏组成，包括蓄电池、主充电机、浮充电机、直 流馈出回路、电压监察、绝缘监察、闪光回路及直流系统。下面以如图2 一l 所示 p z g 2 系列镉镍蓄电池直流屏为例，说明直流屏的工作原理。 p z g 2 系列镉镍蓄电池直流屏的工作分为充电、放电、浮充电、交流电压消失 等状态。设有直流过电压、直流欠电压、交流电压消失报警装置，并设有各支路 及总回路的短路保护，并有绝缘监视、绝缘检查的闪光装置。该直流屏内装有浮 充电机和主充电机各一套，主充电机能按蓄电池所要求的标准充电制式以恒流方 式充电。新电池开始使用前一般要进行两次充放电循环，使电池处于正常工作状 态，在运行过程中，每1 2 年进行充放电。浮充电机用以提供正常的控制母线馈 出线的负荷电流的浮充电流，浮充电流用来补偿蓄电池自放电电能损耗及合闸电 流的能耗。电池所存安时容量越少，浮充电流就越大。当交流电源中断时，控制 母线馈出的负荷电流无时间间隔地由浮充电机供电自动转换为蓄电池供电。随着 时间增长，控制母线电压可能会略有下降，这时可用电压调节开关手动调整到额 定值。输出合闸电流时，合闸电流直接取自蓄电池两端，可以保证所有蓄电池全 部均衡工作，并能保证输出合闸电流时合闸母线电压不低于9 0 额定值。 直流屏是否能可靠稳定地工作，主要取决于蓄电池的可靠性，正确地给蓄电 池进行充放电维护，保证其实有安时容量处于饱满状态，是延长蓄电池使用寿命 和确保直流屏正常运转的根本保证。现有产品是依靠人工的经验，根据蓄电池电 压估算安时容量来对蓄电池充电，在电池使用初期此法是可行的，但随着使用时 间的延长，蓄电池的充电效率越来越低，根据电池电压难以估算实际安时容量， 特别是到后期，充入少量的电能就会导致电池电压快速上升，这时若合闸，电池 已无力提供足够的电流维持直流屏的正常工作，所产生的不良效果是难以估计的。 为此，对直流屏进行自动测控势在必行吼 一7 、 塑婆三些查堂堕l 兰三三垡j 垒三己一 王i 调压装置，一二二二! 蓄电池组 金圃里线e l l + 百 光 装 墅 正控璺壁土m 卜厂t 一一五一十二 熊龇- 一一i 1 广一一一一四堂堡堡型- 上一 一 个 。i 面1 巷?个 l 一1 ，压缘r 一 ， 监监、，合闸回路 控制回路、，l 测测 图2 一lp z g 2 蓄电池直流屏原理 2 3 直流屏微机监控系统实现方案的比较 到目前为止，直流屏微机监控系统的实现方案有如下几种： ( 1 ) 采用s t d 总线结构的系统。早期的直流屏微机监控系统采用s t d 总线 集中监控系统。如图2 2 所示。它的缺点是体积大、功耗大、成本高、可靠性较低、 连线多。 ( 2 ) 采用串行内总线结构的集中监控系统。如图2 3 所示。比较前一种系统， 体积、成本、功耗大幅度的减小，可靠性有所增加，但仍然连线多，可靠性和实 时性也不尽人意。 ( 3 ) 嵌入式微机监控系统。如图2 - 4 所示。系统的体积、成本、功耗、连线 都大幅度的减小但监测点和主机之间的通信仍采用常规的通信方式( 如r s 一2 3 2 等) 。由于微机监控系统环境恶劣，可靠性和实时性仍然不能令人满意。监测点的 情况主机无法及时了解。 一8 一 塑堑三生垒墅垡登堕堕翌一 = 刊s t d 总线a d 板 二= 直流监测点 s t d 总线d a 板 ： ： 夺流监测点 s t 绝缘监测点：二一j # 二= 11 1 1 璺垡壁垄里歪堡i 二一| o ! 一一、总 f 1 兰! 望篁垡塑望堕塑堡。一，姑 充电机监测点# 二二 j = 二一，o s t d 总线i o 板 i ， 1 蓄电池监测点i 二二jl二二：二二二= # 二二 s t d 总线i o 板l ：二： 图2 2s t d 总线直流屏微机监控系统 图2 3 串行内总线直流屏监控系统 9 塑堡三些查羔生堕二兰兰_ 堡上一 | 串行? = 二一旦鬯旦一 丝堡些型皇一 通信 1 11 i 一一一 一 接口：l t l 坐噬旦一 垄皇塑些! ! 皇 。【j i 吾i 歪鬲磊i _ 一 一。 监控主机? = 二二亟；夏王 图2 4 采用常规串行通信的嵌入式系统 ( 4 ) 使用现场总线的嵌入式微机监控系统。如图2 - 5 所示。该系统由于采用了现 场总线进行各控制节点之间、控制节点与主机之间的通信，因而其在体积、成本、 功耗、连线等大幅度降低的同时可靠性比前几种系统结构有很大的提高，基本可 以满足直流屏监控的特殊要求【2 6 】 2 7 】。 图2 5 采用现场总线的嵌入式直流屏监控系统 一1 0 一 塑望三些盔堂堡主堂焦堡一墨 2 4 系统网络配置方案 通信网络主要有以下几种连接方式： 方式一：星型连接 星型通信系统以主监控为中心点，以发散的方式分别通过通信线缆与其它现 场设备的智能仪表连接，形成1 ：n 的连接方式。如图2 - 6 所示。 现场机 图2 - 6星型结构 现场机 星型通信系统方案的特点： ( 1 ) 各现场智能仪表都与主监控独立通信，互不影响，可靠性高，可维护性好。 ( 2 ) 采用串行通信实现互联，简便易行。 ( 3 ) 连线较多。 ( 4 ) 各现场智能仪表之间的通信必须通过主监控进行。 方式二：总线型连接 总线型通信系统在一定程度上可以克服星型连接的不足。这种方式以一条总 线连接系统的各部分，实现各个单元的互联。如图2 7 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 现场机现场机 现场机 主监控 图2 - 7 总线型结构 总线型结构的优点在于它的结构简单，设备挂接方便，且某个设备发生故障 不会对整个系统造成严重威胁，系统仍可以继续工作。 从节约电缆和布线费用考虑，系统各部分之间的连线就尽可能少，同时考虑 到系统的分布，在该系统中将采用总线型通信方式。 2 5 现场总线技术 2 5 1 现场总线的发展 工业过程控制网络传递信息的主要目标是引起物理的运动或能量的变化，因而 工业过程控制网络特别强调可靠性、安全性和可适用性。美国i e e e 8 0 2 ( 1 9 8 4 年 定为国际标准) 目前仅处理i s o 的o s i ( 开放系统互连模型) 所定义的七层协议 中的物理层和链路层，其适用范围是办公自动化及管理信息系统，若用于工业过 程控制环境带有一定的局限性。另外，在计算机数据传输领域内，长期使用的 r s 一2 3 2 和c c i t t v 2 4 通信标准，是一种低数据传输率和点对点的数据传输标准， 无能力支持更高层次的计算机之间的数据操作。同时，在复杂或大规模的应用( 如 工业现场控制或生产自动化领域) 中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等， 它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低层上采用传统星型拓朴结构，那么 安装成本和介质造价都将非常高昂；采用流行的l a n 组件及环型或总线型拓朴结 构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的l a n 介质及相关硬件和软件又使其系统 一】2 一 塑坚三些查兰夔主兰垡堡苎 造价与星型系统相差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又 能经受工业现场环境的通信系统，现场总线( f i e l db u s ) 就是在这种背景下产生的。 现场总线是应用在生产现场，在微机化智能测控设备之间实现双向多节点串行 数字通信的通信系统。它是开放式、数字化，多点通信的底层控制网络。现场总 线的主要特点是通信的实时性高、可靠性高，对现场的适应性强，节点和节点、 节点和主机之间的通信只要通过同样的一条双绞线( 同轴电缆、光缆、射频、红 外线、电力线等) 就可以完成，连线非常精减，系统的开放性强，互换性强，使 用现场总线的测控设备的智能化高。通信时数据主要是短帧传送，通信速率一般 为几k b p s 到1 0 m b p s 之间。 进入八十年代，微处理机技术及智能传感器进入过程控制领域，数字信号逐步 取代4 2 0 m a 模拟信号，先进的网络技术和数据处理功能得到广泛应用，实现了 将各种基于微处理器的现场智能装置集成在一起的用户需求1 9 1 3 1 。 现场总线技术在八十年代问世，自八十年代末以来，有几种现场总线技术已逐 渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点， 也显示了较强的生命力。对现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大作 用。 ( 1 )f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 现场总线规范 由美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司联合f o x b o r o 公司、横河公司、a b b 、西门子公 司等8 0 家公司制定的i s p 协议和美国h o n e y w e l l 公司联合欧洲等地1 5 0 家公司制 定的w o r l df i p 协议开发出来的一种国际上统一的现场总线规范。它采用了o s i 模型中的三层：物理层、数据链路层和应用层。 ( 2 ) l o n w o r k s 现场总线规范 由美国e c l e l o n 公司推出，并与m o t o r o l a 公司、东芝公司共同倡导的现场总线 规范。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议。 ( 3 ) p r o f i b u s 现场总线规范 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。它采用了 o s i 模型的物理层和数据链路层。 ( 4 )c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 现场总线规范 由德国保时捷汽车公司推出，并被i s o 国际标准组织制定为国际标准，得到 p h i l i p s 、m o t o r o l a 、i n t e l 、s i e m e n s 、m e c 等公司的支持。c a n 只采用了i s o o s i 一1 3 堑望三些奎兰堡主兰垡j 生苎一 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 p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 、物理媒体附件( p m a p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 与媒体接 口( m d im e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 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 田u 等。该总线的应用正向机械制造、纺织、农机、 搂宇自动化、安全防盗监控系统、数控机床、医疗设备、火车、船舶、传感器等 行业发展。 ( 5 ) 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 c e d u c e r ) 现场总线规范 由r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持。其通信模型由三 层组成：物理层、数据链路层和应用层 7 j 。 2 5 2 现场总线的特点 现场总线网络是一个具有双向数字通信功能，在系统中允许智能现场装置相 互交换信息，它为实时控制系统带来非常好的性能价格比。 现场总线的特点有： 一对n 结构：一对传输线，n 个节点，双向传输多个信号。这种一对n 结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现 场设备，只需并行挂接到总线上，无须架设新的线路。 可靠性高：数字信号传输抗干扰强、精度高，无须采用抗干扰和提高精 度的措施，从而减少了成本。 可控状态：操作者在控制室既可了解到现场设备或现场仪表的工作情况， 也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。提高了系统的可靠性、 可控性和可维护性。 互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场 设备或现场仪表，并将不同品牌的产品互连。即使某个节点故障，换上 其它品牌的同类产品照样工作，实现“即接即用”。 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的产品集成在一起，进行统一 组态，构成他所需要的控制回路。用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌 的产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 一1 4 堑望三些盔堂曼主兰垡丝塞一 综合能力：现场控制设备既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算 功能，实现一机多用，不仅方便了用户，还节约了成本。 分散控制：控制站功能分散在现场设备中，通过现场设备就可以构成回 路，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。 统一编程组态：由于现场设备和现场仪表都引入了功能块的概念，所有 的制造商都使用相同的功能块，并统一编程组态。这样使组态变得非常 简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同带来方法的不同， 而进行培训或学习组态方法及编程语言。 开放式系统：现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准全是公开的， 所有制造商都必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网 络，既可同层网络互连，也可不同层网络互连；另外，用户可极其方便 地共享网络数据1 2 1 4 1 。 2 5 3 现场总线网络的实现 现场总线标准是基于国际标准化组织( i s o ) 的( o s d 七层协议标准提出的。 现场总线使用了其中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并增加了第八层 即用户层。如图2 8 所示。 现场总线各层的主要功能如下： ( 1 ) 物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接设备 数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。 ( 2 ) 数据链路层：该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、 传输差错控制、多主站使用的规范等。该层将通过帧数据检验保证信息传 输的正确性及完整性。 一1 5 一 塑婆三些查堂堡二蔓塑羔- 墨一 用户层 应用层 数据链路层 物理层 图2 8 现场总线使用的0 s i 模型 ( 3 ) 应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或 执行一个信息或一条命令的方法。其中很大一部分是定义信息的语法。 此外，应用层还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响应式、一 次性方式及使用请求方式等。 ( 4 ) 用户层：该层定义了过程控制系统的基本内容。其中包括现场总线内部 信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送 方法。现场总线结构的基础是功能块，由备功能块完成数据采集、控制 或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由 用户定义的该功能块的唯一标识符。算法功能是预定义的，而数据库的 内容可以通过通信或其它方法来获得。在用户层中，定义了功能块集， 并实现了功能块的兼容性和互换性等方面的转换工作。控制系统结构设 计，通常正是通过连接不同的功能块来实现的【1 5 叫引。 2 5 4 现场总线的系统组成 传统的过程控制系统中，仪器设备与控制器之间是点对点连接，传输信号是 4 2 0 m a 的模拟信号，现场总线系统中现场设备多点共享总线，不仅节约了连线， 而且实现了通信链路的多信息传输，图2 - 9 是现场总线控制系统的体系结构。 一1 6 一 换置 a( 雪 络 屯 统 网张翩 尸 制 通 嵯i 场 l _ 塑堑三些查堂堡_ 二兰主竖j 玺皇j _ 一 工作站i i 现场总线 一 _ 。 (、r一一r7 、 现场总线站点 现场总线接口i 微处理器 a d 传感器 现场总线接口 微处理器 传感器 图2 9 现场总线控制系统结构 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控 制系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地式气动仪 表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散 控制系统d c s 后的新一代控制系统。伴随着控制系统结构与测控仪表的更新换 代，系统的功能、性能也在不断完善与发展。图2 1 0 为各阶段测控仪表能力指 数示意图。它表明，测量控制系统从早期基地式模拟仪表只能实现单点、单控 制回路的测控功能开始，逐渐发展到按装置或过程的多回路、多变量集中监控， 整个装置或车间的优化控制，以致实现生产过程的控制与管理一体化。每一代 系统的测控能力指数会按各自的增长速率不断升高，为生产过程的控制与管理 提供更为完善的服务，带来更大的经济效益。 一1 7 塑婆三些奎堂j 生兰_ _ 堂j 至兰l 墨一 豁 0 ： i 拦 裂 图2 1 0 各阶段测控仪表能力指数示意图 从物理结构上来说，现场总线系统有两个主要部分组成：现场设备和形成系 统的传输介质。现场设备由现场微处理器芯片及外围电路构成，不同的现场总线 产品有自己的微处理器芯片。例如，c a n 总线使用的是c a n 芯片，l o n w o r k s 使用的是n e u r o n 芯片。现场总线使用最多的传输介质是双绞线 1 6 。 2 5 5现场总线系统的优点 由于现场总线的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、 安装，投运到正常生产运行及其检修维护，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检测、控 制、运算功能，因此可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单 元等，也不再需要d c s 系统的信号转换、隔离等功能单元及复杂的接线，从而 节省大量硬件投资，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，只需要一对双绞线，即可挂接几乎所有 设备，因此电缆、接线端子槽盒、架桥用量大大减少。当需要增加新的现场控 一1 8 一 堑坚三些盔堂堡主堂垡堂皇一 制设备时，无需增加新的电缆，可就近挂接在原有的电缆上，减少了投资和工 作量。 ( 3 ) 节省维护工作量 现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通信将相关的诊 断维护信息送往控制室，用户可在c r t 上查询所有设备运行状态，以便早期分析 故障原因并尽快排除，缩短了维护期停工时间，同时由于系统结构简化、连线简 单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户有高度系统集成主动权 用户可自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。由于现场总线的开放 性，协议、接口标准统一，用户在一定程度上可以自由选取现场总线产品，使系 统集成的主动权掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高系统的精确度和可靠性 现场设备智能化、数字化，与模拟信号相比，减少了传送误差，从根本上提高了 测量与控制的精确度。同时，由于系统结构简化，设备与连线减少，现场仪表功 能增强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性 7 1 。 2 6 c a n 总线 c a n 总线最初是由德国b o s c h 公司为汽车的监测、控制系统而设计的一种 有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，由于c a n 总线具有通信速率高、 可靠性高、连接方便和性能价格比高等特点，推动了其应用开发的迅速发展。 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 等制造商开发了支持c a n 协议的集成器件如： p 8 x c 5 9 2 、8 2 5 2 6 、8 1 c 9 0 等等。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线 路网络，特别适合于小型分布测控系统。c a n 已有国际标准，如用于高速场合的 i s 0 11 8 9 8 和用于低速场合的i s o l l 5 1 9 。1 。 2 6 1c a n 总线的特点 c a n 总线具有以下特点： c a n 可以多主方式工作，网络上任一个节点均可以在任意时刻主动地 一1 9 浙江工业大学硕士学位论文 向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一 特点也可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级，可以满足不同的实 时要求。 c a n 采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息 时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响 地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间，最重要的是在网络负 载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况( 以太网则可能) 。 c a n 可以点对点、点对多点( 成组) 及全局广播几种传送方式接收数 据。 c a n 的通信速率最高可达1 m b s ( 此时距离最长4 0 m ) 。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b s 以下) 。 c a n 的节点数实际可达1 1 0 个。 c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短， 受干扰的概率低，且具有极好的检错效果。 c a n 每帧信息都有c r c 检验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。 c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与 总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。 n r z 编码解码方式，并采用位填充技术【1 】【6 】t 1 9 “2 2 1 。 2 6 2 c a n 的分层结构 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 基准模型，c a n 结构划分为两层：数据链路 层和物理层，如图2 1 l 所示。 一2 0 浙江工业大学硕士学位论文 位编码解码 位定时 同步 p m a 驱动器接收器特性 m d i 连接器 _ 一- 图2 ii c a n 的分层结构 注： l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) ：逻辑链路控制 监控器 故障界定 ( m a c l m e ) 总线故障管理 ( p l s l m e ) m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ：媒体访问控制 p l s ( p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ：物理信令 p m a ( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ：物理媒体附属装置 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 ) ：媒体相关接口 l m e ( l o g i cm a n a g e m e n te n t i t y ) ：逻辑管理实体 l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元( p d u ：p r o t o c o l d a t a u n i t ) 相互通信。图2 1 2 说明了数据链路子层的关系。 一2 1 塑堑三些盔堂堡_ 三生兰i 垡j 垒蔓_ 一 物理层接口 图2 1 2 协议层间关系 注： s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) ：服务数据单元 p c i ( p r o t o c o lc o n t r o li n f o r m a t i o n ) ：协议控制信息 p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) ：协议数据单元 2 6 3c a n 总线协议的主要内容 c a n 总线协议规定的c a n 总线的特点主要有： 多主竞争式结构 c a n 协议定义了一个具有多主站运行和分散仲裁的串行总线系统，并具有广 播式通信的特点，即一个节点发送到总线上的数据可以被所有的节点接收。其多 主竞争结构如图2 1 3 所示。 c a n 总线的通信媒体可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。在全网范围内保 证数据的一致性是c a n 网的一个重要特性，网中每