（电机与电器专业论文）通信技术在过载保护中的应用研究.pdf

= ；：；：一一：= 翌篁堡奎奎兰耋堡堡! 竺堡望竺窒 = ： r e s e a r c h0 nc 0 m u n i ca r r l 0 ni n0 v e r l o a d p r o t e c t l 0 n a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p a r a t u si st h ep o i n to fr e s e a r c hi nt h ew o r l d ，i tm a i n l yu s e s m i c r o p r o c e s s o rt od i s p o s e ，r e s t o r ea n dc o m p a r et h ec o l l e c t e dd a t as oa st oa c h i e v et h em o d u l a r p r o t e c t i o nf u n c t i o n b u ti th a s n tc e n t r a l i z e d c o n t r o ls y s t e mf o rc e n t r a lh a r m o n ya n dr e m o t e c o n t r o l ，t h er e l a t e da r t i c l e sa n dp r o d u c t i o n sa r es c a n t ，e s p e c i a l l yt h ec o m m u n i c a t i o n c a p a b l e p r o d u c t i o n sb a s e do nd e v i c e n e t t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fi n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p a r a t u s i st h ef o u n d a t i o no fr e m o t ec o n t r o la n dan e wd i r e c t i o ni ni n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p a r a t u sr e s e a r c h ， f r o mt h ev i e wo f p r a c t i c e ，t h es t u d yi sw o r t hr e s e a r c h i n ga n da p p l y i n g t h ef i e l d b u s ，w h i c hi sa r to p e n ，d i g i t a l ，b i d i r e c t i o n a l ，m u l t i - s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， h a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s t h ep a p e ri n t r o d u c e si t sp r o d u c t i o n ，d e v e l o p m e n t ，f e a t u r e a n da p p l i e df i e l d d e v i c e n e t ，w h i c hi s s p o n s o r e db yr o c k w e l la u t o m a t i o n ，i sal o w - c o s t c o m m u n i c a t i o n sl i n k m o s ts u i t a b l ef o rd e v i c e l a y e re o m m u n i c a t i o n s a tt h ee n do f2 0 0 2 ， d e v i c e n e tb e c a m ec h i n a sn a t i o n a ls t a n d a r d t h ed e v i c e n e tt e c h n o l o g yi nc h i n ae n t e r e dan e w e r a t h ep a p e ri n t r o d u c e st h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fr o c k w e l la u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yt h e d e v i c e n e t a n a l y z e sd e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s e s t a b l i s b e d t h e m o t o r so p e r a t i o n ，o v e r l o a dp r o t e c t i o n ，p a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o n ，m o n i t o r i n gc a nb ea c h i e v e d t h r o u g ht h en e t w o r k k e y w o r d s ：d e v i c e n e t ，i n t e l l i g e n te l e c t r i c a la p p a r a t u s ，o v e r l o a dp r o t e c t i o n 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 引言 随着电力电子、计算机控制及网络通讯等新技术的发展与应用，一种以数字处理技术为核心的智能 电器应运而生。它是将计算机技术、数字处理技术、网络技术同电器与电器控制技术结合而形成的新型 电器。各种各样的新型智能电子装置不断出现并在供用电系统中大量运用，初步形成低压智能配电中心、 智能马达控制中心、变电站综合自动化系统、电器现场总线控制系统等一系列的产品，对于提高电力系 统自动化水平和运行的可靠性起到很大作用。同时智能化电器的广泛应用和发展对信息的收集、处理和 控制的要求也在不断提高。在国内，电器智能化的研究与应用正在逐渐展开，并将d e v i c e n e t 现场总线 定为国家标准，为电器智能化提供了统一开放的网络通信平台。 河北工业大学一罗克韦尔智能电器实验室采用现场总线技术，以三层网络，即以太网( e t h e r n e t ) 、 控制网( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 为架构，以s m c 智能马达控制器、e 3 、s m p 3 智能固态 继电器、p o w e r m o n i t o r 3 0 0 0 电力监视器等智能电器为实验对象旨在用于研究和开发基于d e v i c e n e t 的智能电器产品。本课题即来自对智能电器的通信、远程控制及在过载保护中的应用进行研究。 卜2 1d e v i c e n e t 现场总线 1 - 2 国内外现状及发展趋势 目前，国际上以美国罗克韦尔自动化公司( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 、日本的欧姆龙公司( o m r o n ) 等联合推出的由以太网( e t h e r n e t ) 、控制网( c o n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 三层网络为架构的自 动化网络系统，代表着国际上自动化技术方面的最高水平。其中d e v i c e n e t 是基于现场总线而实现的设 备网，用来联结智能传感器或拓展设备，实现全数字、网络化的生产过程自动化系统。因此，研究和开 发基于d e v i c e n e t 的智能电器或控制设备是自动化技术发展的必然趋势。在国外人们投入了大量的人力 物力开发基于d e v i c e n e t 的多种产品，其发展势头十分迅猛j 。 d e v i c e n e t 进入我国较晚，“开放式设备网络供货商协会”o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 在中国的d e v i c e n e t 管理和推广分支机构o d v ac h i n a 于2 0 0 0 年在上海电器科学研究所 成立，这标志着d e v i c e n e t 正式进入中国。d e v i c e n e t 以其低成本、高可靠性、广泛的芯片支持等优点。 自进入中国之日起，就引起国内许多厂商的关注和支持，在国内获得了快速发展。不少高校和科研院所 也开始关注或开发d e v i c e n e t 的相关产品。o d v a c h i n a 的会员数量每年以5 0 以上速度增加。1 。 i 河j e 工业大学硕士学位论文 第一章绪论 卜1 引言 随着电力电子、计算机控制及网络通讯等新技术的发展与应用， 种以数字处理技术为核心的智能 电器廊运而生。它是将计算机技术、数字处理技术、网络技术同电器与电器控制技术结台而形成的新型 电器。各种各样的新型智能电子装置不断出现并在供用电系统中大量运用初步形成低压智能酣电中心、 智能马达控制中心、变电站综台自动化系统、电器现场总线控制系统等一系列的产品，对于提高电力系 统自动化水平和运行的可靠性起到很大作用。同时智能化电器的j 泛应用和发展对信息的收集、处理和 控制的要求也在不断提高。在国内，电器智能化的研究与应用正在逐渐展开，井将d e v l e e n e ! 现场总线 定为国家标准，为电器智能化提供了统一开放的网络通信平台。 河北工业大学罗克韦尔智能电器实验室采用现场总线技术，以三层网络，即以太网( e l h e r n e t ) 、 控制嘲( c e n t r e n e t ) 、设备网( d e v i e e n e t ) 为架构，以s m c 智能马达控制器、e 3 、s m p 3 智能固态 继电器、p e w e r m o n i t o r 3 0 0 0 电力监视器等智能电器为实验对象旨在用于研究和扦发基于d e v i e e n e t 的智能电器产品。本课题即来自对智能电器的通信、远程控制及在过载保护中的应用进行研究。 卜z 一1d e v i o e n e t 现场总线 l _ 2 国内外现状及发展趋势 目前，国际上阻美国罗克韦尔自动化公司( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 、日本的欧姆龙公司( o m r o n ) 等联合推出的由以太网( e t h e t n e t ) 、控制网( c e n t r o l n e t ) 、设备网( d e v i c e n e t ) 三层网络为架构的自 动化网络系统，代表着国际上自动化技术方面的最高水平。其中d e v i c e n e t 是基于现场总线而实现的设 备网，用来联结智能传感器或拓展设备，实现全数字、网络化的生产过程自动化系统。因此，研究和开 发基于d e v i e e n e t 的智能电器或控制设备是自动化技术发展的必然趋势。在国外人们投入了大量的a 力 物力开发基于d e v i c e n e t 的多种产品，其发展势头十分迅猛l l j 。 d e v i c e n e t 进入我国较晚，“开放式设各网络供货商协会”o d v a ( o r l e nd e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 在中国 | 勺d e v i c e n e t 管理和推广分支机构o d v ac h i n a 于2 0 0 0 年在上海电器科学研究所 成立，这标志着d e v i c e n e t 正式进入中国。d e v i c e n e t 以其低成本、高可靠性、广泛的芯片支持等优点 自进入中国之日起，就引起国内许多厂商的关注和支持，在国内获得了快速发展。不少高校和科研院所 也开始关注或开发1 ) e v i e e n e t 的柏关产品。o d v a c h i n a 的会员数量每年以5 0 以上速厦增加”。 也开始关注或开发d c v i e e n e t 的相关产品。o i ) v a c h i n a 的会员数量每年咀5 0 以上速度增加”。 l 通信技术在过载保护中的应用研究 目前，上海电器科学研究所和国内部分企业已经开发了一批d e v i c e n e t 与p r o f i b u s 总线产品与可通 信低压电器，包括：数字量输入输出单元i o ( 正在开发模拟量i 0 ) 、框架式断路器通信接口、塑壳式 断路器通信接口、接触器通信接口、自动转换开关通信接口、可通信电量监控器( 智能仪表) 。上述产 品专用协议芯片和上位机组态软件已开发完成。目前，已具备智能化可通信低压配电与控制系统集成能 力，并制定了有关标准【4 j 。 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，公布了d e v i c e n e t 现场总线已被批准为国 家标准。d e v i c e n e t 成为国家标准，为国内开发、生产、销售、应用d e v i c e n e t 现场总线技术的研制单 位、生产企业提供了国家的支持及最终的利益保护，中国d e v i c e n e t 总线技术发展进入新时代。 卜2 2 智能电器 随着现代工业对电器的精度、速度和通信等方面的要求越来越高，在某些场合，传统电器己不能满 足人们的要求。于是，计算机嵌入技术应用于电器后，智能电器诞生了。所谓智能电器，就是以徽处理 器为中央控制元件，完成物理信号的输入、输出和转换，按预定规律算法进行计算、控制、处理，实现 对电动机的保护，并能与上级控制计算机进行通信，完成信息交换【5 1 。 与传统电器相比，智能电器具有以下几个主要特点m ： ( 1 ) 具有对电力线路的监测能力。能准确监测电力线路的运行情况，并能准确地切除过载、短路等各种 故障，还能按运行人员的要求进行各种操作。 ( 2 ) 具有对低压电器本身的监测能力。能对电器本身进行检测和对故障进行自我诊断。 ( 3 ) 控制技术的智能化。将新的智能化控制理论( 如模糊理论、神经网络等) 应用到低压电器的控制中。 ( 4 ) 具有通信功能智能化电器应能和系统进行通信。这样才能构成整个智能化的控制系统。 国外许多公司已推出第四代可通信低压电器产品和智能化配电系统l 】i 。新开发的配电系统的各个部 件，如万能式断路器、开关柜等也都具有了现场总线通信接1 2 1 l t l 。 国内，虽然技术含量较高的第三代电器产品己出现，但其市场占有率还很低。只有少数公司新开发 的断路器等低压电器产品开始具有m o d b u s 通信接口，还没有提供d e v i c e n e t 等其它总线接口。具有国 际水平的高档、智能、现场总线型可通信的新型低压电器及其配电系统的相关产品还基本上属于空白。 目前，开发现场总线智能低压电器已被列入国家“十五”火炬计划。 智能电器进一步实现信息化，是使智能电器在现场级实现i n t e r n e t i n t r a n e t 功能，其技术核心是实 现t c p i p 协议。把t c p i p 协议嵌入到智能电器的r o m 中，使得信号的收发以t c p i p 协议方式进 行，进一步发展智能电器的信息化功能。利用i n t e m e t i n t r a n e t 功能，不但使企业的网络授权用户，并 且在任何开通i n t e m e t 的地区都可以浏览、共享现场信息，并对现场的智能电器进行远程在线监控、编 程和组态等，这使智能电器进入了信息电器的新时代p ”j 。 2 2 - t1 现场总线概念 第二章d e v i c e n e t 现场总线 2 - 1 现场总线概述 国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 对现场总线( f i e l d b u s ) 的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与 控制室内的白动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”j 。第2 版( e d 20 ) i e c 6 1 1 5 8 2 川1 i 小世控制系统中的现场总线标准一第2 部分：物理层规范( p h y s i c a l l a y e rs p e c i f i c a t i o n ) 与服务定 义fs e r v e ld e f i n i t i o n ) 又进一步指山：现场总线是一种用于底层1 业控制和测姑设备，如变送器 r t r a n s d u c e r s ) 、执行器( a c t u a t o r s ) 和本地控制器( l o c a lc o n t r o l l e r s ) 之间的数字式、串行、多点通 信的数据总线。对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。例如，现场总线一般是指“一种 州j ：连接现场设备，如传感器( s e n s o r s ) 、执行器及像p l c 、调节器( r e g u l a t o r s ) 、驱动控制器等现场 控制器的网络l i i 】：现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多n 点数字 通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【l “；现场总线是一种串行的数字数 f 捌通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备( 现场发备) 之间以及更高层次自动控制领域的 动化控制设备( 车间级设备) 之间的联系”j j ；现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网 络l l “；1 场总线是用于过程自动化和控制自动化( 最低层) 的现场设备或现场仪表互连的现场数字通 信网“是现场通信网络与控制系统的集成；现场总线是从控制室联结到现场设备的双向全数字通 信总线目q ：在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产备等连接构 成的网络“：现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控 倒络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统【i ”1 2 1 - 2 现场总线系统的组成 如上所述，现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用丁现场测垲= f | i 或控制目的，通常称之为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) ，有时也简称为现场总线 系统或现场总线网络。也就是说，现场总线与现场总线控制系统或现场总线系统网络往往是不作露分 的。与计算机系统一样，现场总线( 系统) 也是由硬件和软什两大部分组成的。硬件包括通信线( 缄称 通信介质、总线电缆) 、连接在通信线上的设备( 称为总线设备或装置、节点、站点( 主站、从站) ) 。 软什包括以下几部分：组态_ 【：具软件用计算机进行设备配置、网络组态提供平台的r 具软件：纽态 迎信软件通过计算机将设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件( 将配置与绵态信息 根据现场总线协议规范( p i o t o c o l s p e c m c a t l 0 1 1 ) 的通信要求进行处理，再从计算机通过总线l b 缆传送 军总线j 殳备) ；控制器编程软什刚户 g 序提供编程环境的软件平台；用户程序软件根据系统的 艺流群及其他要求而编写的p l c ( 控制器) 应用程序：设备接口通信软件根据现场总线仂、议规 范而绷弓的州丁总线殴备之间通过总线电缆进行通信的软什；设备功能软件使总线设备实现自身功 通信技术：f | ：过载保护中的心用研究 能( 不包括现场总线通信部分) 的软件；监控组态软件运行于监控计算机( 通常也称为上位机) 上， 足有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。 现场总线( 系统) 的组成可刚图2 1 表示。 2 1 - 3 现场总线的技术特点 图2 1 现场总线的组成 f i g 2 1t h ec o m p o s i t i o no ff i e l d b u s 与d c s 等传统的系统相比，现场总线( 系统) 在本质上具有以下。技术特点： ( 1 ) 总线式结构。 一对传输线( 总线) 挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构与一对 一的单向模拟信号传输结构相比，布线简单，安装费用低，维护方便。 ( 2 ) 开放性、互操作性与互换性。 现场总线采用统一的协议标准，是开放的互联网，对用户是透明的。 在传统的d c s 中，不同厂家的设备是不能相互访问的。而f c s 采用统一的标准，不同厂家的网络 产品可以方便地接入同一网络，在同一控制系统中进行相互操作，而互换性意味着不同生产厂家的 性能类似的设备可实现相互替换。因此，简化了系统集成。 ( 3 ) 彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表利设备中，做到彻底 的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了分布式控制中控制器的计算负担。 ( 4 ) 信息综合，组态灵活。通过数字化传输现场数据，f c s 能获取现场智能仪表的各种状态、诊断信 息，实现实时的系统监控、管理以及故障诊断。此外，f c s 引入了功能块的概念，通过统一的细态 方法，使系统组态简单灵活。 ( 5 ) 多种传输介质和l 拓扑结构。 f c s 由于采用数字通信方式，因此可用多种传输介质进行通信。根据 控制系统中节点的空间分布情况，可应用多种网络拓扑结构。 鉴丁：f c s 的许多优点，控制专家们纷纷预言，f c s 将取代d c s ，成为2 1 世纪控制系统的主流1 。 4 河北工业大学硕士学位论文 2 - 1 4 几种流行的现场总线 ( 1 ) 基金会现场总线 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，f f ) 是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场 总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，f f 总线不附属于任何一个企业或国家。 其总线体系结构是参照1 s o 的o s i 模型中物理层、数据链路层和应用层并增加了用户层而建立起来 的通信模型。f f 得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守i e c 的协议规范，与1 e c 的现场总线国际标准和草案基本一致，加上它在技术上的优势所以极有希望成为将来的主要国际标准。 f f 总线提供了h 1 和h 2 两种物理层标准。h i 是用于过程控制的低速总线，传输速率为3 1 2 5 k b p s ， 传输距离为2 0 0 m 、4 5 0 m 、1 2 0 0 m 、1 9 0 0 m 四种( 加中继器可以延长) ，可用总线供电，支持本质安全 设各和非本质安全总线设备。h 2 为高速总线，其传输速率为l m b p s ( 此时传输距离为7 5 0 m ) 或2 5 m b p s ( 此时传输距离为5 0 0 m ) 。h 1 和h 2 每段节点数可达3 2 个，使用中继器后可达2 4 0 个，h 1 和h 2 可通 过网桥互连。f f 的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。 ( 2 ) 过程现场总线 过程现场总线p r o f i b u s 由s i e m e n s 公司提出并极力倡导，已先后成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧 洲标准e n 5 0 1 7 0 ，是一种开放瓶独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信 网络。p m f i b u s 由p r o f i b u s - p a 、p r o f i b u s - d p 和p r o n b u s - f m s 三个系列组成。p r o f i b u s p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同f f 的h 1 总线，可以提供总线供电和本 质安全，并得到r 专用集成电路( a s i c ) 和软件的支持。p r o f i b u s - d p 与p r o f i b u s - p a 兼容，基本特性同 f f 的h 2 总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接 p r o f i b u s p a 和加工自动化。p r o f i b u s f m s 适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行 f 器、电气传动、p l c 、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用r s 4 8 5 通信标准，传输速率从9 6 k b p s 到 1 2 m b p s ，传输距离从1 2 0 0 m 到1 0 0 m ( 与传输速率有关) 。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌 方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。p r o f i b u s 是一种比较成熟的总线， 在工程上的应用十分广泛。 ( 3 ) 控制器局域网 控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，c a n ) 最早是由德国b o s c h 公司推出的，用于汽车内部测 量和执行部件之间的数据通信。c a n 结构模型采用i s o o s i 参考模型的第1 、2 、7 层协议，即物理层、 数据链路层和应用层。通信速率摄高为1 m b p s ，通信距离最远为1 0 0 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线， 最多可挂接l l o 个节点，支持本质安全。c a n 采用短帧报文，抗干扰能力强、可靠性高。由于成本低， c a n 的应用范围非常广泛，从自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统到工业自动 化、建筑物环境控制、机床、电梯控制、医疗设备等领域都得到了应用。 ( 4 ) 设备网 设备网d e v i c e n e t 在1 9 9 4 年3 月由美国罗克韦尔自动化公司推出，是一种低成本的通讯总线。它 将工业设备( 如：限位开关、光电传感器、阀组、马达启动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动 器、面板显示器和操作员接口) 连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间 的通讯：；。并同时提供了相当重要的设各级诊断功能，这是通过硬接线i o 接口很难实现的。d e v i c e n e t 5 通信技术在过载保护中的应用研究 遵从i s o o s l 参考模型，它的网络结构分为三层，即物理层、数据链路层和应用层，物理层下面还定义 了传输介质。其中物理层和数据链路层采用c a n 协议。传输介质可支持双绞线，最多可挂接6 4 个节 点一三种可选数据传输速率：1 2 5 k b i t s ， 2 5 0 k b i l s 和5 0 0 k b i t s ，分别对应的传输距离是5 0 0 m 、2 5 0 m 和1 0 0 m 。支持设备的热拔插，可带电更换网络节点，符合本质安全要求。 ( 5 ) l o n w o r k s l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k s ) 总线，美国e c h e l o n 公司为满足工业自动控制发展需 要，推出了l o n w o r k s 总线，于1 9 9 0 年正式公布。在国外，l o n w o r k s 总线网络在许多领域获得 了应用；在国内，有人将其应用于继电保护与变电站综合自动化系统中。l o n t a l k 协议是l o n w o r k s 总线的通信协议是被n e u r o n 芯片实现的。n e u r o n 芯片由3 只8 位c p u ，分别完成o s i 模型的 7 层通信协议。( 其中c p u l 完成1 、2 层功能，是介质访问控制处理器；c p u 2 完成3 、6 层功能，是网 络处理器；c p u 3 是应用处理器，完成执行用户编写的程序及用户调用的操作系统服务) 。l o n w o r k s 具有完善的网络功能，这是由于介质访问控制( m a c ) 采用了c s m a c d 标准，此标准规定各节点之 间通信访问采用“先听后说”方式，即在发送报文之前，首先侦听介质是否处于空闲状态，如果空闲， 则立即发送。由于不需要等待所以发送效率高。其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等。直接通信距 离可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，双绞线) 。支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、射频、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。 2 - 2d e v i c e n e t 现场总线 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 技术的开放型、符合全球： 业标准的 低成本、高性能的通讯网络。它通过一根电缆将诸如限位开关、光电传感器、马达启动器、过程传感器、 条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口等智能设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接 线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线 i o 接口很难实现的。d e v i c e n e t 遵从i s o o s i 参考模型，它的网络结构分为三层，即物理层、数据链 路层和应用层。支持设备的热拔插，可带电更换网络节点，符合本质安全要求。 在制造领域里，d e v i c e n e t 遍及全球，尤其是在美国和日本，d e v i c e n e t 已成为事实上的工业自动 化领域的标准网络。d e v i c e n e t 最初由罗克韦尔自动化公司开发，目前由其管理组织o d v a 致力于 d e v i c e n e t 产品和规范的进步开发。o d v a 现有供货商会员7 0 0 多家，其中包括r o c k w e l l 、g e 、a b b 、 h i t a c h i 和o m r o n 等几乎世界著名的电器和自动化元件生产商。 d e v i c e n e t 现已成为国际标准i e c 6 2 0 2 6 - 3 ( 2 0 0 - 0 7 ) 低压开关设备和控制设备控制器一设备接口， 也被列为欧洲标准e n 5 0 3 2 5 。2 0 0 2 年1 0 月8 日d e v i c e n e t 被批准为中国国家标准g b t1 8 8 5 8 3 - 2 0 0 2 。 2 - 2 1d e v i c e n e t 总线技术特点 d e v i c e n e t 现场总线是种开放、低成本的网络解决方案，它将可编程控制器、操作员终端、传感 器、光电开关、电动机起动器、驱动器等现场智能设备连接起来，减少了i o 接口和布线数量，实现了 6 y q l t ：t 业人学坝i 。学位论文 k 设备的网络化剃远剧管理。由丁采用了许多新技术及独特的设计 山的高可靠性、实时性和灵活性。其主要投术特点可归纳为： ( 1 ) 采用c a n 物理层和数据链路层规约，使用c a n 规约芯片 支持： 与其它现场总线相比，它贝有突 得到了国际上主要芯片制造商的 ( 2 ) 网络上可以容纳多达6 4 个节点地址，每个节点支持的i o 数量没有限制： ( 3 ) 网络拓扑结构灵活： ( 4 ) 。忸点设备可通过网络统一配电( 信号线和电源线都包含在干线中) ，亦可配置为自行供电 ( 5 ) 高电源容量( 每个电源晟大可供应1 6 a ) ： ( 6 ) 网络速度可选1 2 5 k b p s 、2 5 0 k b p s 和5 0 0 k b p s ； ( 7 ) 具有误接线保护功能； ( 8 ) 可带电更换网络节点设备，在线修改网络配置： ( 9 ) 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送方式； ( 1 0 ) 采用非破坏性逐位仲裁机制实现按优先级发送信息： ( 1 1 ) 具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动差别和恢复功能； ( 1 2 ) 支持对等、多主或主从通信结构： ( 1 3 ) 可实现不同厂商的同类设备的互换； ( 1 4 ) 既适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、操作员终端之类的复杂备。 2 - 2 2d e v i c e n e t 总线与c a n 总线 d e v i c e n e t 总线协议是在c a n 总线的基础上建立起来的，c a n 总线已经广泛应用于自动化领域中。 番c a n 总线采用一种称作，“播式的传输工作方式，其特点是废除了传统的以节点地址为中心的编码方式， 而代之以基于数据块的编码方式。这种按数据块编码的方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据。 得益于这种编码方式，它支持主从、多主和对等通信结构。c a n 总线使用包括循环冗余校验和自动重 试在内的多种错误检测和故障限制方法，发生严重错误的节点将自动退出总线，以防止破坏网络，从而 保证了数据通信的可靠性。c a n 采用非破坏性逐位仲裁机制，当两个或多个节点同时欲访问网络时， 这种机制会解决潜在的冲突，而不会损失数据或浪费带宽，因此几乎使带宽得到1 0 0 的利用m 】。 d e v i c e n e t 在c a n 总线的基础上又增加了面向对象、基于连接的现代通信技术理念，并开发了应 川层。其应用层规定了c a n 数据帧的使用方法、重复节点地址检测机制、对象模型及设备的标准化。 2 - 2 3d e v i c e n e t 网络模型 1 s o o s i 参考模型按通信功能分为七个层次，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会请 层、表示层和应用层。c a n 只采用了七层中的物理层和数据链路层，而d e v i c e n e t 则在c a n 的基础上 添加了应用层。如图22 2 0 】所示： 通信拉术在过载保护中的应用研究 l s un y 州层 应用层 d e v i c e n e l ( 层7 )应_ ； j 层协议 逻辑链路控制( l l c ) o 数据链路层 c a n 协议规范 媒体访问控制( m a c ) ( 层2 ) i s o 物理层 物理层信号( p l s ) 媒体访问单元( m a u ) ( 层1 )d e v i c e n e t 0 食质甚 传输介质 物理层和介质层 ( 层o ) 协议规范 图2 2d e v i c e n e ti s 0 0 s i 参考模型 f i g 22d e v i c e n e ti s o o s ir e f e r e n c em o d e l d e v i c e n e t 沿用了c a n 协议标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，并补充定义了不同的 报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和隔离的方法。d e v i c e n e t 应用层规范j i l i j 定义了传输数据的语 法和语义。从幽2 2 可以看出，d e v i c e n e t 的物理层中物理信号和数据链路层中的媒体访问控制f 层沿 刚了c a n 协议。d e v i c e n e t 的物理层中的媒体访问单元是自己定义的，同时，d e v i c e n e t 增加了有芙 传输介质的协议规范。 2 2 3 1d e v i c e n e t 的物理层 d e v i c e n e t 的物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。传输介质为5 芯 同轴电缆，主干网长度最大5 0 0 m ，支网络长度最大6 m 。其中一对用于2 4 v d c 电源( + v ，v ) ，一对 川于c a n 数据通讯( c a nh ，c a h l ) ，一根用于信号屏蔽( s h l d ) 。发送信号逻辑电平分为显性状 态( d o m m a n ts t a t e ) 和隐性状态( r e c e s s i v es t a t e ) 2 1 1 。物理层的技术特点如下表所示。 表2 1 d e v i c e n e t 物理层技术特点 t a b l e 21d e v i c e n e tp h y s i c a ll a y e rf e a t u r e 网络大小 最多6 4 个节点 可选的端一端网络长度随网络传输速度而变化 波特率距离 网络长度 1 2 5 k b i t s 5 0 0 m ( 1 6 4 0 f 1 ) 2 5 0 k b i t s 2 5 0 m ( 8 2 0 f 1 ) 5 0 0 k b i f f s1 0 0 m ( 3 2 8 f i ) 数据包 o 8 b 总线拓扑结构线性( 干线支线) ；电源和信号在同一网络电缆中 总线寻址带多点传送( 一对多) 的点对点：多主站和主从轮询或状态改变 传输介质5 芯同轴屯缆，一对电源线，一对信号线，一个信号屏蔽线 河北t 业大学倾卜学位论文 2 2 3 2d e v i c e n e l 的数据链路层 d e v i c e n e t 的数据链路层完全遵从c a n 的数据链路层协议。为了更好的理解d e v i c e n e t 这一部分的 相芙内容，以r 结台d e v i c e n c t ，综述c a n 的数据链跆层的技术特点“。 c a n 的数据链路层分为逻辑链路控制层和媒体访问控制层。媒体访问控制层是通信协议的核心， 主要功能是定义传送规则、控制帧结构、仲裁和检错等。逻辑链路层的主要功能是报文过滤、报文处理 和提供应用层接口等。 ( 1 ) 链路层寻址。在总线上传输的数据帧都被分配一个标识符，每个节点根据这些标识符，确定 是否接收这些帧。这些标识符在数据帧的僻，裁区中定义。需要指出的是，c a n 虽然定义了l 】位柄、识符 的标准帧和2 9 位标识符的扩展帧“，但d e v i c c n e t 仅支持c a n 的标准帧。 ( 2 ) 帧类型和愤结构。c a n 虽然定义了四种不同的帧类型：数据帧、远程帧、超载帧和i 错误帧， 但d e v i c e n e t 仅支持其中的数据帧、超载帧和错误帧。一个数据帧由七个不同区域组成，如图2 _ 3 所示。 囤2 3c a n 的数据帧结构 f i g 2 3t h ed a t af r a m es t r u c t u r eo f c a n 十l 谶区主要用于表示信息内容以及决定信息优先级的高低。控制区包含数据区的长度信息，数据阿 的k 度位o 8 b y t e 。c r c 区用丁c r c 检验序列。 ( 3 ) 媒体访问控制。c a n 节点发送的数据可以被总线上其它节点监听和应答。在任一时刻，只能 仃一个节点发送数据。如果出现多个节点在同一时间开始发送数据，m q 通过使用仲裁区的无损逐位仲裁 算法米解决。仲裁区包括1 1 位标识符区和一个r t r 位。由于d e v i c c n e t 不支持远程帧，所以r t r 位始 终是显- | 兰e 的( 逻辑值o ) 。1 1 位标识符从最高位到最低位顺序发送。总线数据的一位可以是显性的( 逻 辑值o ) ，也可以是隐性的( 逻辑值1 ) 。一个显性位和一个隐性位同时发送的结果是总线上数据节现显 性位。在仲裁区发送期间，每一个c a n 发送器都在监听总线上的当前电平，并与它己发送的位电平进 行比较。如果值相等，那么这个节点继续发送：如果发送了一个隐性位，同时在总线上监听到一个显性 何，那么这个发送= 霄点将失去仲裁权，同时停止发送数据。失去仲裁权的节点可以在当前发送完成的时 候再次尝试发送数据。具有最低数字值的标识符将获得仲裁优先权。 ( 4 ) 出错管理。c a n 提供了五种总线错误类型：位错误、应答错误、c r c 错误、填充错误和格 式错误。为了尽量减少总线上故障节点的负面影响，c a n 定义了一个故障界定状态机制。一个故障节 点可能处于三种错误状态：错误激活、错误认可和离线。 2 - 2 3 3d e v i c e n e l 的应用层 ( 1 ) d e v i c e n e t 的报文分组 d e v i c e n e t 借助c a n 帧来传递自己的信息，然而d c v i c e n e t 协议赋予11 位c a n 标识符除总线仲裁 干信息标识以外新的内涵。d c v i c e n c t 将1 1 位的c a n 标识符分为四组，c a n 标识符除了包含数据帧的 身份荆i 数据帧的优先级等信息以外，还包含了连接i d 信息。如表22 【2 4 1 所示。 9 通信技术在过载保护中的应用研究 表2 2d e v i c e n e t 的报文分绢 t a b l e2 2d e v j c e n e tm e s s a g eg r o u p s 标识符十六进制标识符分纽 范围 l 1 098 765432 10 0组1 报文d源m a c i d0 0 0 3 f f 报文组l 1om a c i d 组2 报文i d 4 0 0 , - , 5 f f 报文组2 1 1 组3 报文i d源m a c i d 6 0 0 - - - 7 b f 报文组3 i11l1组