（机械电子工程专业论文）基于can总线的升降横移式立体车库控制系统设计及研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 目前，我国各大中城市停车位严重不足，造成了普遍性的“停车难 问 题。建立机械式立体车库成为解决这一问题的重要途径。升降横移式立体车 库是应用最为广泛的机械式立体车库。 当前，升降横移式立体车库普遍采用基于p l c 的集中式控制系统。这种 系统存在结构复杂、扩展性能差、成本高等缺点。c a n 现场总线控制系统结 构相对简单、扩展性能好、成本低、可靠性高。本文对基于c a n 总线的升降 横移式立体车库控制系统研究。 本文分析了基于p l c 的集中式立体车库控制系统的结构和运行原理，指 出其不足；分析了现场总线的技术优势及其在立体车库控制系统中的应用现 状。在此基础上，对两种控制系统进行对比，得出后者具有明显优势的结论。 网络拓扑结构的设计是组建c a n 的前提，文中采用了总线拓扑结构。根 据系统功能，将c a n 节点分为车位节点、主节点和上位机。其中，上位机是 特殊的c a n 节点。 根据控制系统的功能需求，设计了c a n 节点的硬件功能、总线接口、数 字输入输出模块以及相关外围电路。在考虑元器件布局和布线原则的基础上， 完成节点的p c b 设计和制作。 c a n 总线协议只定义了物理层和数据链路层，具体的应用中需要自定义 或者应用标准的应用层协议。本文在标识符分配、数据交换方式等方面设计 了适用于本系统的应用层协议。在深入研究c a n o p e n 和m i c r o c a n o p e n 协议栈 的基础上，通过移植和修改等方法将m i c r o c a n o p e n 协议栈应用到本系统，使 得设备描述得到标准化，设备的互操作性得到提高。 关键词：c a n 总线；立体车库；应用层协议；c a n o p e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i t sa c o l n l t l o np r o b l e mt h a tp e o p l ef e e ld i f f i c u l tt op a r kt h e i rc a r s 嬲ar e s u l to ft h es e r i o u ss h o r t a g eo fp a r k i n gs p a c e si nm a j o rc i t ya l lo v e rc h i n a t ob u i l dm e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g e si sav e r yi m p o r t a n ts o l u t i o nt ot h i sp a r k i n g p r o b l e m l i f t i n ga n ds l i d i n gm e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g ei st h em o s tw i d e l yu s e d m e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g e a tp r e s e n t , c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do np l ch a sb e e nw i d e l y u s e di nl i f t i n ga n ds l i d i n gm e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g ew i d e l yb u tt h e r ea r e s e v e r a ld i s a d v a n t a g e si nt h i sk i n d o fc o n t r o ls y s t e m ，s u c ka ss t r u c t u r a lc o m p l e x i t y , w e a ke x p a n s i b i l i t y , a n dh i 曲c o s t c a nb u sc o n t r o ls y s t e mi so fs i m p l es t r u c t u r e ， s t r o n ge x p a n s i b i l i t y , l o wc o s ta n dh i 【g hr e l i a b i l i t y t h em a j o r m i s s i o no ft h i sp a p e r i st os t u d yt h ec o n t r o ls y s t e mo fl i f t i n ga n ds l i d i n gm e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g e b a s e do nc a nb u s t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ep l c - b a s e d c o n t r o ls y s t e mf o rc e n t r a l i z e dt y p eo fm e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g e ，a n dp o i n to u ti t s s h o r t c o m i n g s b e s i d e s ，i ta n a l y z e st h ea d v a n t a g e so ff i e l db u st e c h n o l o g ya n di t s r e c e n ts t u d yi nt h ef i e l do f m e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g ec o n t r o ls y s t e m t h e nt h i s p a p e rc o m et oac o n c l u s i o nt h a t t h ef i e l db u si s a p p a r e n t l ym o r es u i t a b l ef o r m e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g eb yc o m p a r i n gt h e s et w ok i n d so fc o n t r o ls y s t e m s a sn e t w o r kt o p o l o g yd e s i g ni st h ep r e m i s eo ft h ef o r m a t i o no fc a n ，t h i s p a p e ru s e sab u s - t y p et o p o l o g y a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n s ，c a nn o d ei s d i v i d e di n t op a r k i n gs t a l ln o d e ，m a s t e rn o d ea n dh o s tc o m p u t e r h o s tc o m p u t e ri s as p e c i a lk i n do fc a nn o d e s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h eh a r d w a r e f u n c t i o n so fc a nn o d e ，b u si n t e r f a c e ，d i g i t a li n p u ta n do u t p u tm o d u l e s ，a n d r e l a t e dp e r i p h e r a 】c i r c u i t s t h i sp a p e ra l s of i n i s hc a nn o d ep c bd e s i g n 。 c a nb u sp r o t o c o lo n l yd e f i n e st h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ed a t al i n kl a y e ls o t h a tu s e rn e e dt oc u s t o m i z eo ru s es t a n d a r da p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li ns p e c i f i c a p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rh a sd e s i g n e daa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o ls u i t a b l ef o rt h i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 c o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d et h ea l l o c a t i o no fi d e n t i f i e r s ，d a t ae x c h a n g em e t h o d s a n ds oo n a f t e r d o i n gd e e p l yr e s e a r c hi nc a n o p e na n dm i c r o c a n o p e n p r o t o c o ls t a c k ，t h i sp a p e rh a ss u c c e e d e di nu s i n gm i c r o c a n o p e np r o t o c o li nt h i s s y s t e mb yu s i n gp o r t i n g ，m o d i f y i n ga n do t h e rm e t h o d sw h i c hs t a n d a r d i z e st h e d e v i c ed e s c r i p t i o na n de n h a n c et h ei n t e r o p e r a b i l i t yo fd e v i c e s k e y w o r d ：c a nb u s ；m e c h a n i c a lp a r k i n gg a r a g e ；a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ； c a n o p e n 西南交通大学曲南爻逋大字 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酣，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：烈懒 日期：硼鲆l _ 2 印弓日 指导老师签名：矛芗咯 日期：卅，叭l 乡 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 在升降横移式立体车库控制系统中引入c a n 总线技术，设计了全分 布式控制系统，简化了结构，提高了扩展性，降低了成本； ( 2 ) 结合升降横移式立体车库的结构和运行特点，参考c a n o p e n 、 d e v i c e n e t 、s d s 、h ii o na b 和i c a n 应用层协议，自定义了有针对性、结构 紧凑的应用层协议： ( 3 ) 研究了c a n o p e n 应用层协议和m i c r o c a n o p e n 协议栈，对其在基于 c a n 总线的升降横移式立体车库控制系统中的应用进行了设计，从而为系统 提供了较为完善的设备描述、网络管理、通信对象收发与处理、c a n 控制器 驱动等功能，提高了c a n 节点的标准化程度、互操作性和开发的便利性。 学位论文作者签名：掰镛- 纭 日期：渺 坪l 胡i a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 国内机械式立体车库发展状况 随着国民经济的高速发展，我国轿车保有量直线上升。国家统计局2 0 0 9 年9 月2 3 日发布的报告显示，2 0 0 8 年全国轿车保有量达2 4 3 8 万辆，其中私 人轿车1 9 4 7 万辆，相当于每百人拥有1 5 辆轿车。2 0 0 8 年城市停车位的缺 口在六成以上，为城市交通带来了诸多的问题。城市和己建小区有限的地面 面积己无法提供足够的停车车位，建立机械式立体车库成为当前解决这一问 题的一条重要途径。 截至2 0 0 7 年底，包括北京、上海、广州、银川、东莞等城市，我国已有 4 0 个城市的政府部门，为解决“停车难 问题而先后制定推行了各种政策和 措施。多个城市，将建设公共类机械式立体停车场列入城市规划当中，如广 州、南京、大连、合肥、成都等地。西安市出台了建设停车场的优惠政策， 武汉市制定了公共停车和机械式立体停车车库的实施细则。国家经贸委也将 “城市立体车库”列为“近期行业技术发展重点 。 在此情况下，我国的机械式停车设备行业进入了高速发展阶段。到2 0 0 8 年机械式立体停车位拥有量达近5 3 万；生产企业也由最初的3 4 家大幅增加 到近2 0 0 家。受宏观经济影响，2 0 0 8 年增长速度有大幅下滑，但仍有一定的 增长。据统计，2 0 0 8 年内进行安装的机械式停车库达到6 8 7 个，比2 0 0 7 年 的6 5 2 个增加了3 5 个，增长了5 。3 7 。2 0 0 8 年在中国整体外贸出口增速大幅 下滑的情况下，立体停车设备出口额增长仍达到了6 8 1 的增速。表卜l 显 示了2 0 0 8 年机械式停车设备行业主要经济指标。表卜2 显示了2 0 0 8 年新安 装车库( 车位) 排名前十位省、直辖市。 从市场需求、价格的合适成都和政策导向来看，市场消费都已经走出了 原来的受到普遍称赞但实际使用率低的状态，已为民众所广泛接受。目前， 在北京、上海、广州等大城市，立体停车设备已经走出了使用率低下的状态， 部分使用率已经达到8 0 一9 0 。立体停车设备的普遍推广是必然的趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表卜12 0 0 8 年行业主要经济指标 车库数车位数国内销售额出口额销售总额 名称 ( 个)( 个)( 万元)( 万元)( 万元) 2 0 0 8 年 6 8 71 2 5 4 5 92 5 8 9 2 8 4 13 9 7 0 5 1 8 2 9 8 6 3 3 5 9 2 0 0 7 年 6 5 21 1 8 8 9 92 4 1 7 7 8 4 92 3 6 1 8 2 42 6 5 3 9 6 7 3 同比增长 5 3 7 5 5 2 7 0 9 6 8 1 1 1 2 5 2 数据来源：中国重型机械工业协会停车设备工作委员会统计数据 国家质量监督检验检疫总局颁布的特种设备目录( 国质检锅 2 0 0 4 3 1 号) 中，把机械式停车设备共分为九大类，代码4 d l o - 4 d 9 0 ，即：升降横移 类( p s h ) ，垂直循环类( p c s ) 、多层循环类( p d s ) 、平面移动类( p p y ) 、巷道堆 垛类( p x d ) 、水平循环类( p s x ) 、垂直升降类( p c s ) 、简易升降类( p j s ) 、汽车 专用升降机类( p o s ) 。 表1 - 22 0 0 8 年新安装车库( 车位) 排名前十位省、直辖市分布 车库地点新增车位( 个)占全国比例( ) 北京 1 9 ，9 3 5 1 5 9 江苏 1 4 ，8 4 0 1 1 8 山西 1 4 ，3 7 7 1 1 5 浙江 1 3 ，9 1 9 1 1 1 上海 1 3 ，1 0 8 1 0 4 四川 7 ，9 4 0 6 3 山东 7 ，1 2 5 5 7 广东 5 ，8 8 8 4 7 安徽5 ，5 3 7 4 4 天津 4 ，0 9 4 3 3 合计 1 0 6 ，7 6 3 8 5 1 数据来源：中国重型机械工业协会停车设备工作委员会统计数据 根据我国机械式车库实际安装情况，由于p s h ( 升降横移) 类具有类型 多样、规模易于调整、场地适应性强、价格便宜等特点，使用最为广泛，数 量占绝大多数，并且今后相当一段时间内p s h 仍将占主导地位。其中的三类 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 循环类车库数量很少，所占市场份额非常有限，p c x 和p s x 两类在0 8 年只销 售了2 0 个车位，p d x 只售出1 2 1 个车位。p j s 、p p y 、p x d 、p c s 这四种类型车 库中，p j s 结构简单、操作方便、价格便宜，使用较多；p p y ( 多层的结构类 型) 、p x d 、p c s 都属于自动化程度较高、全半封闭式的大型立体车库，技术 复杂，价格也相对较高，一般而言适用于停放车辆多且集中的区域( 如繁华 商业区、机场、车站、住宅密集区、城市中心区、公共活动场所等) ，今后， 在建设对广泛民众开放的大型公共停车场时，这些类型的车库将有可能越来 越多地采用。2 0 0 8 年国内新增机械式立体停车设备类型排名见表1 - 3 。本文 以使用最为广泛的p s h ( 升降横移) 类作为研究对象。 表1 - 32 0 0 8 年国内新增机械式立体停车设备类型排名表 设备类别新增车位数( 个)所占比例( ) p s h 1 1 2 ，2 4 8 8 9 4 7 p j s 5 ，0 0 0 3 9 8 p p y 4 ，1 4 1 3 3 0 p c s 2 ，0 7 1 1 6 5 p x d 1 ，8 5 8 1 4 8 p d x1 2 1o 1 0 p c x2 00 0 2 合计 1 2 5 ，4 5 9 1 0 0 数据来源：中国重型机械工业协会停车设备工作委员会统计数据 1 1 2 机械式立体车库控制系统概述 目前，自动化技术已经在机械式立体车库得到广泛的应用。一些规模较 大的停车设备生产企业，正在积极推广自动化技术的应用，在大型的立体车 库项目中广泛使用自动化技术，小型企业生产的机械式停车设备自动化程度 也在逐步提高。 当前的立体车库控制系统多采用以p l c 为控制核心的控制系统。在国内 市场排名前十的机械式停车设备厂商生产的机械式停车设备中，9 0 以上的都 会用到p l c 。这种系统存在着连线复杂、灵活性差、可靠性较低、成本高等 问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 现场总线控制系统( f c s ) 是一种开放、具有可互操作性、彻底分散的分 布式控制系统，具有很高的可靠性、自治性和灵活性。目前，已有部分厂家 开始将现场总线技术应用到立体车库控制系统中。 c a n 现场总线是当前最重要的总线之一，具有可靠性高、成本低、灵活 性高等特点。将其应用到立体车库控制系统，将大量节省连线，简化设备连 接，提高可扩展性，降低成本。本文对基于c a n 总线的升降横移式立体车库 控制系统进行设计及研究。 1 1 3 论文研究的意义 现场总线系统代表了当今工业控制系统的发展方向，c a n 是应用最为广 泛的现场总线之一。将c a n 总线应用到升降横移式立体车库控制系统，解决 了现有系统中的连线复杂、灵活性差、可靠性较低等问题，增强了系统的扩 展性，降低了成本。通过研究c a n 应用层协议c a n o p e n 并将其应用到系统中， 有利于提高设备的标准化程度和互操作性。 1 2 论文主要研究内容 本文研究内容包括以下方面： ( 1 ) 分析当前升降横移式立体车库控制系统的现状，比较现有系统和现 场总线系统的优劣，并在此基础上进行基于c a n 的控制系统的总体设计； ( 2 ) 研究c a n 总线技术规范； ( 3 ) 分析系统的功能，以模块化思想设计系统硬件，设计c a n 节点的硬 件电路，完成p c b 制作； ( 4 ) 深入研究c h n o p e n 应用层协议和m i c r o c a n o p e n 协议栈，并将 m i c r o c a n o p e n 应用到本系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章控制系统的总体设计 21 升降横移式立体车库简介 国家质量监督检验检疫总局颁布的特种设各目录把机械式停车设备 共分为升降横移类( p s h ) 、垂直循环类( p c s ) 、多层循环类( p d s ) 、平面移动类 ( p p y ) 、巷道堆垛类( p x d ) 、水平循环类( p s x ) 、垂直升降类( p c s ) 、简易升降 类( p j s ) 、汽车专用升降机类( p q s ) 九大类。 升降横移( p s h ) 类具有类型多、规模易于调整、场地适应性强、价格 便宜，应用鳋为广泛，数量占绝大多数。从表1 3 可知，2 0 0 8 年国内新增机 械式立体停车设各中，升降横移新增数量达到1 1 2 2 4 8 个，占全年新增数量的 , 9 94 7 。今后相当一段时间内，升降横移仍将是机械式停车设备的主导产品。 本文选取升降横移式立体车库作为研究对象，具有报强的现实意义。 图2 一l 升降横移式立体车库宴物图 升降横移立体车库车位结构为n m 二维矩阵形式，可设计为多层、多列 车库提供的总车位为： p = n x m 一( n 1 )( 2 1 ) 式中：k 为二维矩阵的行，即车库的层数，m 为二维矩阵的列，即车库的列数 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 升降横移立体车库的层数是有限制的。受到提升设备( 链条或者钢丝绳) 和存取车的时间限制，国家规定最高为4 层，但很多厂商也提供5 层的产品 从目前的使用情况看，2 和3 层居多。 升降横移立体车库可根据泊车的多少决定停车库的规模。可根据需要使 用式2 - 1 计算层数和列数。 车库可设在地上，也可设在地下，或采用半埋式结构( 部分在地上，部 分在地下) 。车库整体由多个结构规格基本相同的车位单元组合而成，可纵向 延伸、分段集中控制，也可横向并列，分排单独控制。车库组合布置的不同 形式可适应不同场地条件的需要，配置非常灵活隍3 。 升降横移式立体车库每个车位均有载车板，存取车辆的载车板通过升降 和横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊 在这类车库地面的车只作横移，不必升降，地面以上的层需通过其对应的下 层横移让出空位，将载车板降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车存入 或取出车库n 们。升降横移式立体车库运行原理如图2 2 所示。 图2 - 2 升降横移式立体车库运行原理示意图 以图2 - 2 所示车库为例，升降横移式立体车库运行原理的运行原理课详 细分析如下：第一层( 地面层) 的车位1 - 3 无需横移和升降，直接存取车； 第二层存取车时，第一层的对应车位需要横移让出升降通道或者第二层通过 横移获得升降通道，然后第二层车位下降完成存取；第三层原理与第二层相 同；第四层车位存取车时，不能通过自身的横移获得升降通道，下方各层必 须横移让出空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 立体车库控制系统的发展 2 2 1 控制系统的发展 控制系统在发展初期，采用的是气动仪表控制系统、电动单元组合式模 拟仪表的方式。2 0 世纪6 0 年代，人们利用微处理器和一些外围电路构成了 数字式仪表以取代模拟仪表，这种控制系统被称为直接数字控制( d d c ) 。这 种控制方式较原来的模拟仪表的方式有明显优势，大大提高了系统的控制精 度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无 法比拟的性能价格比。 不过d d c 控制系统采用的是集中式结构，中央计算机的负担很重，而且 对其可靠性的要求极高，一旦中央计算机出现故障，整个系统将陷于瘫痪。 2 0 世纪8 0 年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多， 集中式的控制系统己经不能满足现场的生产控制和生产工作的管理要求；同 时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大的提高，于是采用中小型计算 机和微机的分层控制系统应运而生，即集散控制系统( d c s ) 。它利用多台计 算机分担了控制的功能和范围，使系统的处理能力和系统安全性都得到了极 大的提高。目前i ) c s 普遍采用了三层的体系结构，即将系统分为现场控制层、 协调控制层、管理控制层。 随着过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术、嵌入式技术等 的发展，d c s 体系结构不可避免的受到影响。一个明显的发展趋势是d c s 进一步分散化，而这种发展的基础就是现场总线技术的产生和发展。基于现 场总线的控制系统已经受到世界范围的关注，正成为自动化技术发展的热点， 推动自动化系统结构与设备的深刻变革。一些发达国家和跨国公司都纷纷推 出自己的现场总线标准和相关产品，它们各有特色，广泛应用于各种领域中。 现场总线控制系统( f c s ) 是工业设备自动化控制的一种计算机局域网 络。它依靠具有检测、控制、通信能力的微处理器芯片和数字化仪表设备在 现场实现彻底的分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备作为网络节 点，以总线形式连接起来，从而形成一个现场总线控制系统。它是属于最底 层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统。它将原来集散型控制系统的 现场控制功能，全部分散到各个网络节点处，因此，可以将原来封闭、专用 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的系统变成开放标准的系统，使得不同制造商的产品可以互联，大大简化了 系统结构，降低了成本，更好的满足了实时性要求，提高了系统运行的可靠 性。 现场总线控制系统是在d c s 系统的基础上发展起来的，同时它又可以算 得上是d c s 系统的更新换代。以现场总线为主体的控制系统的现场控制层网 络不仅可以是一个独立基层网络，还可以是构成一个开放式、新型的全分布 式控制系统的重要组成部分。现场总线控制系统涉及到智能传感、控制、计 算机、数字通信、网络、信号处理等众多技术。工业发展的需求是现场总线 控制系统产生和发展的源泉，而上述这些相关技术的发展和成熟则是现场总 线控制系统发展的巨大推动力。 2 2 2 基于p l c 的立体车库控制系统简述 立体车库是一种典型的机电系统，集合了机械、电子、信息等技术，其 控制系统的发展也体现了工业控制系统的发展现状和趋势。目前，立体车库 控制系统主要基于p l c 和单片机，其中，基于p l c 的控制系统占据了绝大多 数。在国内市场排名前十的机械式停车设备厂商生产的立体车库中，9 0 以 上的都会用到p l c 。 图2 - 3 基于p l c 的升降横移式立体车库控制系统结构图 基于p l c 的控制系统可以看作是小型化的d c s 。d c s 是一种“分散式控 制系统”，而p l c 是一种( 可编程控制器) 控制“装置”，两者是“系统 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 “装置”的关系。针对升降横移式立体车库而言，典型的基于p l c 的控制系 统如图2 - 3 所示。 一般来说，基于可编程控制器p l c 能够适应和满足立体车库的逻辑顺序 和电机控制功能。但是，因为p l c 的显示和文字处理功能比较差，且难以实 现网络化管理，而p c 技术具有非常优良的显示和文字处理功能，且易于互相 联网通信，实现网络化管理。故常采用如图2 3 所示的p l c 为下位机、工控 机( i p c ) 为上位的系统结构。 p l c 控制器是整个控制系统的核心，起着连接上位机和车库电气设备的 作用。p l c 接受上位机的指令，将指令进行解释，并转换成机械车库能接受 的控制输出，从而控制车库的运行；车库通过光电传感器等检测装置将车库 的运行情况传送到p l c 控制器，p l c 控制器通常将这些传感器信息存于预先 定义的寄存器中，通过串行通信传送给上位机，完成车库管理和监控。 上位机实时接收和处理下位机p l c 从现场采集的各种状态、控制、报警 信号，利用这些信号驱动i p c 控制界面中的各种图形，实时显示车库的运行 情况，为车库的操作人员( 或监控人员) 生成形象和直观的人机界面。处理 正常状况下的运行信息外，通常还提供故障提示和报警等。 尽管基于p l c 的控制系统大量使用且能基本满足当前立体车库的功能要 求，但也存在着较大的不足： ( 1 ) 控制集中，扩展性较差。从系统的结构上分析，控制功能集中在 p l c 和上位机i p c ，如需增减车位数量或改变车位结构，则需对控制程序进行 较大的修改，硬件上也需有所调整( 如增减或改变p l c 扩展模块) 。 ( 2 ) 连线复杂，可靠性较低。由于控制集中，系统的电气设备( 如交 流接触器、光电传感器、防坠落装置等) 都需要与p l c 连接，造成了线路复 杂，加大了连线的难度，也增加了发生故障的几率。 ( 3 ) 成本较高。由于p l c 产品的开放性和互操作性较差，在设备选择 上常限于单一的厂家，因此存在着一定的垄断性，造成成本过高；同时，大 量的、复杂的连线也增加了成本。这在日趋激烈的市场竞争中是极为不利的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 2 2 3 现场总线技术在立体车库控制系统中的应用 现场总线是应用在工业生产现场，用于实现智能测量仪表控制单元、执 行机构和其他现场设备之间进行数字信息交换的通信网络，也被称为开放式、 全分散、数字化、双向、多点、多变量和多站的底层控制网络。它在制造业、 流程工业、交通、楼字等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总 线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根 本的变革。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都 具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线、同轴电缆、光纤等介质作为 物理媒体，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，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计 算机之间，实行数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系 统。现场总线技术是一个控制技术新时代的开端。 现场总线作为新的控制技术也开始应用到立体车库控制系统中。文献 7 研究了基于现场总线p r o f i b u s d p 的立体车库控制系统的结构和实现方法， 并运用w i n c e 设计了上位机监控程序。文献 8 阐述了l o n w o r k s 总线在机械 式立体车库车库的应用，给出了系统结构，并说明了l o n w o r k s 总线的优越性。 此外，c c - 1 i n k 的应用在相关文献中也有所阐述。同时，在实际的工程项目 中，现场总线也开始得到应用。如本文调研工作中的成都市某立体车库工程 即采用了l o n w o r k s 现场总线，实现了全分布式的控制系统。 上述现场总线技术在立体车库控制系统的应用和相关研究，反映了当今 控制系统的发展趋势，是非常有益的研究和探索。本文将对c a n 现场总线在 立体车库控制系统的应用和实现进行研究。 2 3 控制系统总体设计 2 3 1 现场总线控制系统的特点和优势 现场总线控制系统的特点可总结如下： ( 1 ) 系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标 准的共识与遵从。开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之问 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 都可以互连。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 用户可根据自己的需要，把来自不同供应商的产品组成任意搭配的系统从而 构筑开放互连系统。 ( 2 ) 互可操作性和互用性。互可操作性是指实现互连的设备间和系统间 的信息传送与沟通；互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以实现 互相替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与自治性。现场总线技术的应用将传感测量、补 偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即 可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性。在传统的d c s 中，体现的是集中管理与分 散控制的思想，而现场总线则构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构。 从根本上改变了原有d c s 系统集中与分散相结合的控制体系，简化了系统结 构，提高了可靠性。现场总线系统具有更高的可靠性和灵活性，易于进行重 组和扩建，并且便于维护。 ( 5 ) 对现场环境的适应性。工作在工业现场前端，作为工业控制网络底 层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、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，能采用两线制实现 通信与供电，并可满足安全防爆要求等口1 。 基于以上特点，现场总线控制系统从设计、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 ) 节省硬件资源与投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备 能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量， 不再需要单独的调节器、计算单元等，也不需要信号调理、转换、隔离等功 能单元，从而节省了硬件投资。 ( 2 ) 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条 电缆上通常可挂多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无 需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设 计和安装的工作量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能 力和系统结构、连线简单的特点，便于早期分析故障原因并快速排除，缩短 维护停工时间，减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提 供的设备来集成系统。避免了因选择了某品牌而被限制了以后的选择范围。 ( 5 ) 提高了系统的准确性和可靠性。由于现场总线设备的智能化和数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传送 误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加 强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性船1 。 2 3 2 现场总线类型选择 尽管i e c ( i n t e r n a t i o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委 员会) 于1 9 8 4 年就开始制订统一的现场总线标准，但是统一的标准至今仍未 完成。世界上许多大公司都推出了自己的现场总线技术，形成现在多种现场 总线并存，并且都在一定领域获得广泛应用并有相应支持厂商的局面h 1 。目 前，世界上获得广泛应用的现场总线主要有如下几种： ( 1 ) 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) ：在过程自动化领 域得到了广泛支持和具有良好发展前景。由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 推出， 代表公司有h o n e y w e l l 和f i s h e r r o s e m o u n t ，主要应用于石油化工、连续工 业过程控制中的仪表。基金会现场总线( f f ) 是t y p e l 现场总线的一个子集 ( s u b s e t ) 。f f 的特色是其通讯协议在i s o 的o s i 物理层、数据链路层和应 用层3 层之上附加了用户层，通过对象字典0 d ( o b j e c td i c t i o n a r y ) 和设 备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。 ( 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) ：德国西门子公司于1 9 8 7 年推出， 现在是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 ，同时也是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，主要应用于p l c 。 由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s - p a 组成。p r o f i b u s 系列的f m s 用于主站之间的通讯，d p 用于制造行业从站之间的通讯，p a 用于过程行业从 站之间的通讯。由于p r o f i b u s 开发生产的现场总线产品开发时间早至十年 前，限于当时计算机网络水平，大多建立在i t 网络标准基础上，随着应用领 域不断扩大和用户要求越来越高，现场总线的产品只能在原有i t 协议框架上 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元( 如各种耦 合器) ，这为该产品今后的进一步发展带来了一定的局限性。 ( 3 ) 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 d u c e r ，可寻址远程传感 器数据通路) ：美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。 h a r t 协议是一个过渡性标准，它通过在4 - 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率 的正弦波( 2 2 0 0 h z 表示“0 ，1 2 0 0 h z 表示“1 ”) 来传送数字信号，从而保证 了数字系统和传统模拟系统的兼容性。由于它是一个过渡型标准，因此预计 其生命周期为最近2 0 年。 ( 4 ) l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gs y s t e m ，局部操作系统) ：一种较新 的，具有强劲实力的现场总线技术。由美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，并由 它与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，主要应用于楼宇自动化、工业自动 化和电力行业等。它基于i s o o s i 的全部7 层协议，介质访问方式为p - p c s m a _ ( 预测p 一坚持载波监听多路复用) 。采用网络逻辑地址寻址方式、优先权机 制保证了通讯的实时性。安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制 系统。 ( 5 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网络) ：德国b o s c h 公司1 9 9 3 年推出，最早应用于汽车监控，现已扩展到开关量控制、制造业等。 介质访问方式为非破坏性逐位仲裁，适用于电磁干扰严重、实时性要求很高 的总线网络，且开发工具低廉。m o t o r a l a ，i n t e l ，p h i l i p s 等世界主要嵌入 式芯片供应商均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的微控制器。由于c a n 总线自身的特点，其应用范围己不再局限于汽车行业，而在过程工业、船舶 工业、自动化仪表、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域获得了广 泛的应用，是目前公认的最具前途的现场总线标准之一。 除了以上几种市场占有率较高的总线以外，其他有一定影响的总线标准 还有p - n e t ，c cl i n k ，c o n t r o l n e t 等。 不同类型的现场总线在功能、性能和价格上有很大区别，各有自己的适 用范围。根据各种现场总线的特点、升降横移式立体车库控制系统功能要求 和特点以及研究工作的实际情况，本文选择了c a n 现场总线作为研究对象。 选择的原因如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 ( 1 ) 抗干扰能力强，可靠性高。立体车库中大量存在干扰源( 对控制 网络而言) ，如交流电机、接触器、汽车的电子电气系统等等，必须选用抗干 扰能力强和可靠性高的控制系统。c a n 数据帧的数据字段长度最多为8 个字 节，这样不仅可以满足工控领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一 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， 并且受干扰概率低。c a n 报文每一帧中都有c r c 校验、总线监测、位填充及 其报文格式检查等检错措施，数据差错率低。 ( 2 ) 多主特性。升降横移式立体车库通常设有数量较多的车位，每个 车位需具备的控制能力是较为独立而又有重复性的，因此单个车位可看作智 能单元。从逻辑上而言，这些智能单元没有主次之分。c a n 总线是一种多主 总线，且能在单个网络上能挂接大量的节点( 节点数量受总线上的时间延迟 及电气负载的限制) ，因此特别适合升降横移式立体车库。 ( 3 ) 公开的协议。c a n 总线协议完全公开且易于获得，协议只包括物 理层和数据链路层两个底层协议，应用层协议可以由用户根据具体应用自己 定义，也可以采用几种已成为标准的高层协议( 如c a n o p e n ，完全公开) ，给 用户自主开发设计的余地很大陌1 。 ( 4 ) 成本低，易于开发和改进。支持c a n 总线的大公司很多，产品种 类十分丰富，而且已有许多厂家把c a n 控制器嵌入到微处理器或d s p 中， 使应用更为方便晡1 。比如，i n t e l 公司、p h i l i p s 公司、m i c r o c h i p 公司、 i n f i n e o