（电力电子与电力传动专业论文）基于lonworks现场总线的智能电动执行机构的研究.pdf

a b s t r a c t i ni n d u s t r i a lp r o c e s sa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，e l e c t r i c a lp e r f o r m e ri s i n d i s p e n s a b l e i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec r e d i b i l i t yo ft h e c o n t r o l s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r i c a lp e r f o r m e r d e v e l o p m e n ti sv e r yf a s t i n t e l l e c t u a l i z a t i o ni sg e n e r a lt r e n do ft h ee l e c t r i c a l p e r f o r m e rd e v e l o p m e n t b u tn o wt r a d i t i o n a le l e c t r i c a lp e r f o r m e r sw h i c hc a n t c a r r yo u tc o m m u n i c a t i o na r ew i d e l yu s e di nm a n yf a c t o r i e s l o wp r e c i s i o n ， w i d ei n s e n s i t i v ea r e aa n d c o m p l i c a t e d c o n n e c t i o na r ea l s ot r a d i t i o n a l e l e c t r i c a l p e r f o r m e r s i n n a t ed e f e c t s t r a d i t i o n a le l e c t r i c a l p e r f o r m e r s c a p a b i l i t yi sv e r yl o w e rt h a nt h e e l e c t r i c a lp e r f o r m e rb a s e do nf i e l d b u s c a p a b i l i t ya n di tc a n tm e e tm o d e r ni n d u s t r yp r o d u c t i o nn e e d s s os t u d yo nt h e i n t e l l i g e n te l e c t r i c a lp e r f o r m e rb a s e do nl o n w o r k sf i e l d b u si sv a l u a b l e h o s t - b a s e de l e c t r i c a l p e r f o r m e rn o d eb 。a s e d o nl o n w o r k sf i e l db u s t e c h n o l o g y i s d e s c r i b e d ，w h i c h h a s s t r o n g f u n c t i o n sa n dt a k e so nn e w m i c r o c o n t r o l l e ra d g c 8 1 2a sh o s tp r o c e s s o r a d g c 8 1 2h a st h ea d v a n t a g eo f p o w e r f u lf u n c t i o n sa n dh i g hr a t i o o fp e r f o r m a n c ea n dp r i c e t h i s p a p e r i n t r o d u c e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n o ft h e i n t e l l i g e n t e l e c t r i c a l p e r f o r m e r t h e nt h ei n s t a l l a t i o na n da d j u s t m e n to fn e t w o r ka r ed e s c r i b e d t h e e l e c t r i c a lp e r f o r m e rn o to n l yh a sc o n t r o l ，i n t e r c o m m u n i c a t i o na n di n t e l l i g e n t c a l i b r a t i o nf u n c t i o n sb u ta l s oc a nd i s p l a yv a l u ep o s i t i o na n df a i l u r e s i t e o p e r a t i o n ，d i s t a n c eo p e r a t i o na n dn o n d i s t u r b a n c es h i f t i n gf r o mm a n u a lm o d e t oa u t o m a t i cm o d eo ft h ep e r f o r m e ra r ea l s or e a l i z e d k e y w o r d s ：f i e l d b u s ；l o n w o r k s ；e l e c t r i c a lp e r f o r m e r 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的 研究工作及取得研究成果： ( 1 )基于l o n w o r k s 现场总线技术将电动执行机构设计为现 场总线系统中的一个节点。节点采用基于主机的方案设计，大大 增强了执行机构的功能，使其在具有控制功能的同时还具有通 信、智能校准和显示等丰富的功能。 ( 2 )节点的主处理器采用高可靠性、高精度、高速度、高 性能价格比、内含1 2 位a d 转换器的新型单片机a d g c 8 1 2 ，使整个 节点电路简单，元件数少，可靠性高，接线方便。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：日期：2 q 她：1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 1自动化仪表的发展 2 0 世纪七十年代，过程仪表开始采用4 - 2 0 m a d c 信号标准，到八十 年代，微处理器技术应用于工业自动化，分散控制系统( d c s ) 开始广泛应 用。到八十年代中期，以微处理器为技术支持，将集成电路芯片嵌装于现 场仪表中的智能仪表诞生。它将现场仪表的信号经过数据运算处理后，再 送往计算机，极大地提高了仪表精度和可靠性，并且克服了模拟信号传输 所存在的信号衰减、精度降低、干扰信号的引入等问题。到九十年代中期， 自动化领域发生了一次最具有深远影响的重大变革。现场总线技术的诞生 引发了传统工业自动化仪表与控制系统的革命。基于现场总线技术的工业 过程智能自动化仪表和开放的自动化系统引起了广泛的注意和高度的重视 的原因在于： ( 1 ) 产生先进的现场仪表一以微处理器为基础的现场仪表可以为控 制装置、过程设备及环境提供自动、连续的诊断。 ( 2 ) 把许多先进功能赋予现场仪表一以微处理器为基础的变送器及 阀门可完成的先进功能有：信号的表示特征、线性化、工程单位的转换、报 警、阀门的表示特征及流量的补偿计算等。 ( 3 ) 将控制功能下放到现场仪表一因为现场总线可以使现场仪表之 间以及与控制室之间进行相互通信，控制功能将从集中的、多回路控制器 向现场仪表转移。 现场总线实际上是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的 结合，也是仪表供应商们利用计算机网络技术在工业控制市场上进行的一 次革命，它代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。 1 2 现场总线技术 1 2 1 现场总线 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的 实时控制通讯网络，遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分 通讯协议。现场总线控制系统( f c s ) 则是用开放的现场总线控制通讯网络将 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 自动化最底层的现场控韵器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系 统。 1 2 2 现场总线控制系统( r c s ) f c s 形成的控制网很容易与i n t r a n e t 企业内部网和i n t e r n e t 全球信息网 互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。现场总线控制系统有如下 特点： ( 1 ) 开放性和可互操作性 开放性意味f c s 将打破d c s 大型厂家的垄断，给中小企业发展带来 了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而 使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 ( 2 ) 彻底的分散性 彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进 行重组和扩建，且易于维护。 ( 3 ) 低成本 衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统 从安装调试到运行维护整个生命周期内的总投入。相对d c s 而言，f c s 开 放的体系结构和o e m 技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底 分散的分布式结构将1 对1 模拟信号传输方式变为l 对n 的数字信号传输 方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d ，d a 转换装置、布线安装成 本和维护费用。因此从总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。 可以说，开放性、分散性和低成本是现场总线最显著的三大特征，它 的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广 度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。 1 2 3 现场总线的发展现状 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发 出有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s ，b i t b u s ，d e v i c e n e t ，m o d b u s ，a r c n e t ， p - n e t ，f i p ，i s p 等，其中最具影响力的有5 种，分别是f f ，p r o f i b u s ，h a r t ， c a n 和l o n w o r k s 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 ( 1 ) f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 由美国仪器协会o s a ) 1 9 9 4 年推出，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。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 o 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 l 实现可互操作性。目前基于f f 的现场总线产品有，美国s m a r 公司生产的 压力温度变送器，h o n e y w e i l l & r o c k w e i l l 推出的p r o c e s s l o g i x 系统， f i s h e r r o s e m o u n t 推出的p l a n t w e b 。 ( 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e i d b u s ) 德国西门子公司1 9 8 7 年推出，主要应 用于p l c 。产品有三类：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 为一过渡性标准，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“0 ”，1 2 0 0 h z 表“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，预计其生命周期为最近2 0 年。 ( 4 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制局域网络) 德国b o s c h6 公司 1 9 9 3 年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为 非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉 价。m o t o r a l a ，i n t e l ，p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的 8 0 c 5 1 芯片。c a n 型总线产品有a b 公司的d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集产品等。 ( 5 ) l o n w o r k s ( l o n ：l o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 美国 e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 业等。l o n t a l k 的全部7 。层协议，介质访问方式为p pc s m a ( 预测p 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。e c h e l o n 公司推出的n e u r o n 芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处 理功能配以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网 络通讯方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进 行控制策略的编制，因此业内许多专家认为l o n w o r k s 总线是一种很有希 望的现场总线。基于l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公司的 f l e x n e t & f l e x l i n k 等。 1 2 4l o n w o r k s 技术的发展及前景 e c h e l o n 公司于9 0 年代初在美国推出l o n w o r k s 技术后立即引起轰动。 随后，l o n w o r k s 技术的用户、系统集成商和o e m 产品生产商的队伍迅速 扩大，其中包括世界上许多著名的自动化厂商如h o n e y w e l l ，j o h n so n c o n t r o l s ，a b b ，p h i l i p s ，y o k o g a w a ，h p 等。在欧洲，l o n w o r k s 协议被认为是 欧洲标准c e nt c2 4 7 和c e nt c2 0 5 的一部分。在工业控制领域，根据自 动化研究协会( a r c ) 和风险开发协会( v d c ) 的独立研究，l o n w o r k s 网络被 认为是工业传感器和设备总线网络市场的开拓者和领导者，它和c a n ， p r o f i b u s ，w o r l d f i p ，i s a s p 5 0h a r t 等相比，有突出的特点，它有统一 性、开放性和互操作性，已成为实际上现场总线的推荐标准。 l o n w o r k s 技术的迅速发展和普遍采用使许多用户及生产商认识到，为 监控网络建立一个互操作的标准是非常必要的，只有实现了网络互操作的 功能，最终用户和集成商在设备采购方面才有更多选择余地，他们可以在 一个网络系统上使用多家厂商的产品进行安装和组态，这样会给用户带来 极大便利。于是，在1 9 9 4 年5 月成立了l o n m a r k 互操作协会，它被世界 上许多著名的自动化公司所支持，现己有3 2 0 家会员。l o n m a r k 互操作协 会的主要任务是制定并维护l o n w o r k s 技术的指导标准，以帮助生产厂商 和最终用户制造和使用统一的开放式可互操作的l o n w o r k s 产品。l o n m a r k 互操作协会的工作对l o n w o r k s 技术的发展和应用起到了极大的推动作用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o n w o r k s 技术诞生至今己有近1 0 年的历史，随着科学技术的飞速发 展，它本身也在不断地更新改进，如新一代n e u r o nc h i p 的时钟频率己从 1 0 m h z 升至2 0 m h z 而且e c h e l o n 公司已经宣布，开发商可以把l o n t a l k 协议固化到任何一种微处理器中去，这就为l o n w o r k s 技术打开了新的发 展空间。为了和迅猛发展的互联网i n t e r n e t 及其它网络系统交换信息，现 己有生产厂商开发出多种网络接口卡，使用j a v a 语言编程，可进行远程查 询和控制，这就使l o n w o r k s 技术又插上了远航的翅膀。 1 3目前电动执行机构发展现状 电动执行机构作为现场仪表在现代生产过程自动化中起着十分重要的 作用，它在石油、化工、热电、冶金、轻纺等工业部门有着广泛的应用， 常被称为实现生产过程自动化的“手足”。工作原理如图1 1 所示。 执行器 l i 图1 - 1 电动执行机构工作原理 电动执行机构以电能为动力，由控制器和执行器两大部分组成。电动 执行机构的控制过程是一个闭环控制，通过接收上位控制系统发来的标准 给定信号并与位置发送器的位置反馈信号进行比较来控制电机运转，电机 的运动通过减速器最终带动控制对象运动，使它稳定在所需位置上，以达 到对被调参数( 温度、压力、流量、液位等) 进行自动调节的目的，使生产 过程按预定要求进行。 电动执行机构对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣 都有很大影响，而在一个控制系统中就往往需要多台电动执行机构来完成 其控制任务，因此随着现场总线的发展，研究开发总线型、智能化的电动 执行机构就非常具有实际应用价值。由总线型、智能化的电动执行机构构 成的系统框图如图1 2 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 图1 - 2 系统总体框图 为了适应现场总线发展的要求，国际上许多大公司己对总线型智能电 动执行机构从事了十几年的开发研究工作，并有不少产品相继问世，甚至 在现场得到了应用，而国内从事这方面的工作却起步较晚。下面就国外、 国内执行机构的发展现状进行简要的介绍。 1 3 1 国内发展现状。 执行机构和调节阀是目前我国自控系统中最薄弱的环节。我国最早的 气动调节阀生产是在五十年代末从仿制苏、德产品开始的。经过1 9 6 5 年全 行业的统一设计和联合开发，于1 9 6 7 年逐渐形成我国自己的气动调节阀产 品体系。八十年代d d z i i ，d d z i i i 型电动执行机构和伺服放大器占主导地 位。九十年代初，仪表行业组织了d d z s 仪表系列与执行机构的联合开发， 初步实现了控制仪表及过程控制的数字化技术。 由于现有的国产电动执行机构存在着控制方式落后，可靠性不高，缺 乏完善的保护和故障报警措施以及必要的通信手段等问题，使得现有的电 动执行机构不便于调试和维护，也不能根据生产的实际要求进行参数的现 场调整，不能组成网络进行远程控制。虽然我国现有的执行器厂商有几十 家，但是由于他们的电动执行器产品在技术水平、控制精度、智能化水平 和安全性能等方面与国外先进产品的差距，国内对高端电动执行器的需求 主要还是通过进口来满足。目前国产的执行机构，只能满足一般的冶金、 轻工、化工、电站等成套工程4 0 左右的配套，不具备为5 0 0 万吨炼油、 1 2 0 0 立方米高炉、3 0 m w 发电机组等大型成套工程的配套能力，更不能满 足当今现场总线及开放式控制系统的要求。 目前，国内在执行机构领域以引进为主，进行了一定程度的消化和吸 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 收。如鞍山阀门厂引迸了日本的相关技术，所生产的系列电动执行机构具 有相当好的性能和控制精度，吴忠仪表七厂和四川仪表十一厂又引进了西 门子的电动执行机构。国内一些单位在执行机构智能化方面做了一些探索。 如上海工业自动化仪器仪表研究所开发了新型智能电动执行机构，其主要 特点是：主要技术指标超过国内现有产品，工作死区小于o 5 级，基本回差 和误差都小于1 级，使用方便，具有自诊断、自调整和p i d 调节功能，但 目前仅是个别使用，没有形成产品。 1 3 2国外发展现状 随着现场总线的出现与发展，国外电动执行机构厂家自从8 0 年代起就 己经推出了符合现场总线的执行器产品。近年来，国外电动执行机构产品 获得了迅速的发展，一些在国际上有影响的生产工业阀门和执行器的专业 化大公司相继开发设计出符合现场总线通讯协议的阀门和执行器产品，形 成许多系列，广泛应用于许多工业领域中。国外仅美国就有2 4 个研究所( 公 司所属) ，如r o c k w e l l 公司具有十分完善的测试基地和设备，包括动态、 抗震、紧急切断、可靠性等多种试验设施，对产品进行多方面性能参数的 测定。有限元法、电子计算机技术、微机控制技术已在阀门设计中广泛得 到应用。阀门一般都能达到国际通用标准a p i ，i s o ，j i s 和b s 等有关标准 的规定，各项性能测试数据齐全。阀门驱动装置品种多，电动、气动、液 动、电一液联动和气一液联动，规格齐全，安全可靠。国外电动执行机构 的代表产品有费歇尔一罗斯蒙特公司( f i s h e r r o s m o u n t ) 的f i e l d v 数 字阀门控制器，西门子公司( s i e m e n s ) 的s i p a r t 智能定位器和s i p o s 智 能执行机构，瑞士a b b 公司向国内市场推出的c o n t r a c ，o n t r a c 智能 总线型电动执行机构和英国r o t r o k 公司推出的i q 智能型电动执行机构 等。这些智能执行机构品种，在死区上通常做得较小，如美国 f o x b o r o j o r d a n 公司产品为o 5 ；控制上采用微机控制，把微处理 器与传统意义的执行机构结合起来，使执行器能适应被调参数的变化而进 行自动补偿、自动校准、自寻故障、自动调整、自动进行指标判断与分析， 具有自适应、自诊断、自保护等功能；性能可靠，调整方便，消除了d d z i i 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 电动执行器制动装置易哭灵和高速较繁等现象。 1 4 本课题的目的和内容 1 4 1 选题的背景及意义 新型智能电动执行机构根据控制电信号，直接操作改变阀的位移，利 用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅实现 了双向通信、p i d 调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术 要求的功能，有效地提高了控制水平，另外它还增设了行程保护、过力矩 保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等 功能。它可进行现场操作或远方操作，完成手动操作及手动自动之间无扰 动切换。智能电动执行机构是现代电动执行机构的发展方向。 目前，我国各行业广泛采用的电动执行机构普遍存在着许多缺陷，远 远不能跟上工业发展的需要。本人曾在阜新发电厂工作过多年，那里国产 电动执行机构应用就非常广泛，当时就深深感到国产电动执行机构存在许 多缺点和不足： ( 1 )执行机构不能把有关自身的状态信息及其它故障信息与别的现 场仪表和上位机通信，不利于控制任务的分解和完成。 ( 2 ) 每一次阀位开度和阀位输出电流的“调零”和“调满”的校准， 均需调整电位器，用测量仪表进行反复的调试。 ( 3 ) 生产现场缺少阀位电流显示，影响调试和故障判断。 ( 4 ) 执行机构在定位过程中反复惯性惰走，引发振荡。 ( 5 ) 作为执行机构控制器的伺服放大器线路复杂，故障率较高，维护 困难。 随着能源、化工、钢铁、运输和建筑等现代工业高速发展以及与其有 密切联系的水、气( 汽) 、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀 门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行机构的功能和使用要求 也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高 生产效率。虽然国外已经推出了一系列的智能电动执行机构产品，但国外 生产的阀门电动执行机构及其控制器价格昂贵，而且很难和国内目前使用 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 的电动装置相兼容，售后服务不完善，零部件配套困难。因此，运用数字 技术、单片机技术、电力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功能 完善，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制，以满足国 内广大用户生产使用的要求，适合我国工业生产和发展需要的新型智能电 动阀门执行机构，形成我国自己的产品有着十分重要的现实意义。 本人非常荣幸能够借着攻读硕士的机会来研究智能电动执行机构，同 时借此机会也实现了理论与实践的相结合。在通过对l o n w o r k s 技术的大 量调研，充分看到了它的前景和趋势，了解了其在国内的现状和不足。本 着对此技术的浓厚兴趣，通过大量的实验，进行智能电动执行器节点的开 发和设计。通过对本课题的研究以及实际的开发实施工作，希望能对中国 l o n w o r k s 技术的推广与应用进些绵薄之力，同时对中国智能电动执行机构 的工作起到一定的推广作用。本课题具有如下的现实意义和实际价值。 ( 1 ) 把电动执行机构设计为l o n w o r k s 现场总线下的一个节点，推广 了l o n w o r k s 技术在工业控制网络中的应用。 ( 2 ) 实现了自动化仪表技术从模拟技术向数字技术的转变，自动化系 统从封闭式系统向开放式系统的转变。 ( 3 1 实现了执行机构与控制室内的控制设备的数字化、串行、双向通 信网络。 ( 4 ) 控制、显示等功能下载到执行机构中，简化了上层系统。 ( 5 ) 缩短我国执行机构与国外同类产品的差距。 ( 6 ) 为国民经济各部门( 电力、冶金、石化、建材、轻工、造纸等行 业1 提供新的自动化装备，从而带来更高的效益。 ( 7 1振兴我国仪表工业。当前世界上有名的仪表公司的产品进入我 国，市场竞争激烈，只有保持技术上和国外同步，促进仪表产品结构的调 整，才能立于不败之地。 1 4 2 本课题研究的内容 本课题的内容是完成基于l o n w o r k s 现场总线的智能电动执行机构的 研究开发，以l o n w o r k s 现场总线为通信标准，充分利用现代微计算机技 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 术，以微处理器控制盯方式代替传统的模拟控制，研究开发一种新型的、 实用的电动执行机构。 本课题将电动执行机构设计为l o n w o r k s 现场总线系统中的一个节点， 为使节点电路简单、功能强大，本节点设计采用基于主机的节点设计方案。 在对l o n w o r k s 技术熟练掌握的基础上，利用e c h e l o n 公司的神经元芯片和 收发器和国内容易采购的组件，采用高性能价格比、内部集成a d 转换的 单片机作为主处理器设计开发基于l o n w o r k s 的智能节点电路。 本课题关键技术可分为系统硬件设计、系统软件设计和系统的安装与 调试三部分，而系统硬件设计和系统软件设计乃本课题研究任务的重中之 重。 硬件部分主要是开发电动执行机构控制电路来实现执行机构的电机控 制，同时开发l o n w o r k s 通信电路完成通信功能。硬件设计主要包括神经 元芯片与单片机的接口电路、神经元芯片的外围电路、单片机的外围电路。 在设计的时候要注意按照神经元芯片的要求，选择与神经元芯片兼容的硬 件；同时要注意抗干扰设计，复位电路的可靠性，接口电路的地址分配等。 软件部分主要是开发电动执行机构控制程序实现信号采集及电机控制 等功能，并开发电动执行机构通信程序实现执行机构与上位机和其他节点 通信的功能。软件设计包括控制软件模块和通信软件模块两部分。 完成l o n w o r k s 智能电动执行机构的研究与开发，使其具备以下功能 和特点： ( 1 ) 符合l o n w o r k s 现场总线的通讯协议，具有智能化的通讯功能。 这是和传统电动执行机构最大的区别所在。 ( 2 )开发的智能执行机构的另一个显著优势则是具有自诊断功能，以 帮助系统快速识别故障原因，这会增加系统可靠性并延长设备使用寿命。 ( 3 ) 控制任务由传统的伺服放大器转为执行机构的微处理器来完成。 实现了机电一体化结构，电路简单，元件数少，可靠性高，接线方便。并 且在执行机构的控制上，采取有效的控制算法，达到减小超调量和提高控 制的精度和灵敏度的目的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 l ( 4 ) 具有丰富的在线显示功能。采用液晶显示技术，不仅可准葫豆示 阀门开度，且系统有故障时，也能显示出重要信息。 ( 5 ) 实现智能校准功能。即只要在阀门的实际的全开和全关位置各按 一次键即可。省去了每一次阀位开度和阀位输出电流的“调零”和“调满” 校准中的反复调整电位器，反复调试的繁琐步骤。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 2l o n w o r k s 现场总线技术 2 1 概述 2 1 1l o n w o r k s 技术简介 l o n w o r k s 作为一种新的现场总线技术，使传统的自动控制系统在体系 结构、设计方法、安装调试方法等发生了革命性变革。 l o n w o r k s 技术是一个实现控制网络系统的完整平台。这些网络包括智 能设备或智能节点。一个典型的节点包括一个n e u r o n 神经元芯片、一个电 源、一个通过网络介质通信的收发器及被监控设备接口的应用电路。图2 1 为一典型的智能节点组成框图。 图2 1 典型节点方框图 l o n w o r k s 技术使用开放式通信协议l o n t a l k ，l o n t a l k 协议的最大特 点是对o s i 的七层协议的完全支持，是直接面向对象的网络协议，这是其 它现场总线所不支持的。通过网络变量使各个节点之间的数据传递变得简 单可靠。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也是作为采集和控制的通用处理器。按照 l o n w o r k s 标准网络变量来定义数据结构也可以解决和不同厂家的互操作 性问题。正是这些特点使l o n w o r k s 技术成为当今最流行的现场总线之一， 并且广泛应用于各种智能化管理系统。 l o n w o r k s 技术包括以下几个组成部分：( 1 ) l o n w o r k g 通信控制处理 器一神经元芯片( n e u r o nc h i p ) ；( 2 ) l o n w o r k s 的通信协议一l o n t a l k ：( 3 ) l o n w o r k s 面向对象编程语言一n e u r o n c ；( 4 ) l o n w o r k s 开发工具。 2 1 2l o n w o r k s 技术的特点 ( 1 )开放性和互操作性：网络协议是开放的，而且对任何用户都是对 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 3 等的。其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如e i a 7 0 9 和 i e e e l 4 7 3 。网络协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术 提供的m i p ( 微处理器接口程序) 软件允许开发各种低成本网关，方便了不 同系统的互联，也使得系统具有高的可靠性。 ， ( 2 ) 通信介质：可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等 在内的多种介质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。这 一特性使得不同工业现场的不同设备实现互联，增强了网络的兼容性。 ( 3 )网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以 及客户j r 务式( c l i e n t s e r v e r ) 。 ( 4 ) 网络拓扑：可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型等网 络拓扑形式，尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。 ( 5 ) ，分布式处理：网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接 收、发送和处理网络信息。这意味着l o n w o r k s 控制网络上的每个设备都 可以进行决策和信息处理，而不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处 理器。消除中央处理器意味着减少l o n w o r k s 控制网络的总成本。由于个 别设备的故障并不会影响网络中其它部分的工作，也使得l o n w o r k s 控制 网络更加可靠，但如果是p l c 或中央处理器出现故障就造成控制网络的其 它部分不能正常工作。 2 2 神经元芯片 l o n w o r k s 技术使用的l o n t a l k 通信协议被封装在神经元芯片中得掣实 现，神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 网络的通信处理 器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术所有的关于网 络的操作实际上都是通过它来完成的。该集成芯片中有3 个8 位c p u ，另 外该芯片还设有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网 络缓冲区和应用缓冲区。 神经元芯片主要包括3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列，其中3 1 2 0 系列芯片中包 括e 2 p r o m 、r a m 、r o m ，而3 1 5 0 系列芯片中则无内部r o m ，但拥有访 问外部存储器的接口。n e u r o n 芯片内部固化了完整的l o n t a l k 通信协议， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 确保节点间的可靠通信和互操作。 n e u r o n 芯片在大多数l o n 节点中是一个独立的处理器。若需要使节 点具备更强的信号处理能力或i o 通道，可采用其它处理器来处理并由 n e u r o n 芯片交换数据，此时n e u r o n 芯片只完成通信功能，作为通信协处 理器使用。n e u r o n 芯片内部结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2n e u r o n 芯片内部结构 n e u r o n 芯片的主要性能特点如下： 高度集成，所需外部器件较少；三个8 位的c p u ，输入时钟可选择范 围：6 2 5 k h z 1 0 m h z ；片上集成的r a m 、e 2 p r o m 存储器；1 1 个可编程 i o 引脚具有3 4 种可选择的工作方式；两个1 6 位的定时器计数器；1 5 个 软定时器；休眠工作方式；网络通信端口三种方式：单端方式、差分方式 和专用方式；服务引脚：用于远程识别和诊断；4 8 位的内部n e u r o ni d ： 用于唯一识别的n e u r o n 芯片；固件包括：l o n t a l k 协议、i o 驱动器程序 和事件驱动多任务调度程序。 n e u r o n 芯片内部有三个c p u ：m a cc p u 、网络c p u 和应用c p u 。图 2 3 为三个处理器和存储器结构的框图。m a cc p u 完成介质访问控制 ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，处理l o n t a l k 协议的第一层和第二层，包括驱动 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 通信子系统硬件和执行算法。m a cc p u 和网络c p u 用共享存储区中的网 络缓存进行通信，正确的对网上报文进行进行编解码。网络c p u 实现 l o n t a l k 协议的第三到第六层，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，它还控制网络通 信端口，物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络缓存 区与m a cc p u 通信，用应用缓存区与应用c p u 通信。应用c p u 完成用 户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。 共享存储器 图2 3 芯片内三个处理器和存储器结构框图 2 3l o n t a l k 协议 2 3 1l o n t a l k 协议和o s i 参考模型 l o n w o r k s 网络技术所使用的通信协议称为l o n t a l k 协议【l 】。协议是设 计使用n e u r o n 芯片外围固件的一部分，它具有一个能够满足广泛的测控领 域应用要求的完整通信协议。对于应用开发者而言，它提供了一个广泛的 可供选择的完善的网络服务集合，所有这些应用开发者都可以利用这些服 务而不用去考虑其它具体细节。l o n t a l k 协议遵循由国际标准化组织( i s o ) 定义的开放系统互连( o s i ) 模型。它提供了与七层o s i 参考协议模型各层兼 容的服务，支持灵活寻址，而且是直接面向对象的网络协议，这是该协议 的最大特点。同时，它又是一个功能强大的网络操作系统，通过网络开发 工具生成的固件，可使通信数据在各种介质中进行可靠传输。表2 - 1 给出 了对应七层o s i 参考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 表2 - 1l o n t a l k 协议层 0 s i 层目的提供的服务 c p u 7 应用层应用兼容性l o n m a r k s 对象( o b j e c t s ) ，配置特性，应用c p u 标准网络变量类型( s n v t s ) ，文件传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外来帧传送，网络c p u 网络接口 5 会话层远程操作请求响应，鉴别，网络服务网络c p u 4 传输层端对端通信应答消息，非应答消息，双重检查，网络c p u 可靠性通用排序 3 网络层寻址点对点寻址，多点之间广播式寻址，网络c p u 路由消息 2 链路层介质访问以组帧，数据，编码，c r c 错误检查， m a cc p u 及组帧可预测c s m a ，冲突避免，优先级，冲 突检测 1 物理层物理连接特定传输媒介的接口，调制方案 m a cc p u x c v r 2 3 2l o n t a l k 网络协议各层的功能 物理层：l o n t a l k 协议物理层支持多种通信协议，为适应不同的通信 介质而采用不同的数据编码和解码。如双绞线使用差分曼彻斯特编码，电 力线使用扩频方式且提供备用通道，红外无线通信使用频移键控( f s k ) 。由 于l o n t a l k 协议考虑对各种介质的支持，l o n w o r k s 总线可以容许使用广泛 的通信介质。如：双绞线、电力线、红外线、r f 、同轴电缆、光纤甚至用 户自定义的介质。l o n t a l k 协议还支持通信介质上的硬件冲突检测，可以 自动将正在发生碰撞的报文取消，然后重新发送。如没有起用冲突检测， 当碰撞发生时，只有到响应或应答超时才会重发报文。 每个l o n w o r k s 节点都需要物理地连接到信道( c h a n n e l ) 上，信道是数 据包的物理传输介质；l o n w o r k s 控制网络可由一个或多个信道组成。不同 信道通过路由器相互连接，路由器是连接两个信道，并控制两个信道之间 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 数据包传送的器件。路由器有四种不同的安装算法：配置路由器( c o n f i g u r e d r o u t e r ) 、学习路由器( l e a r n i n gr o u t e r ) 、网桥( b r i d g e ) 和中继器( r e p e a t e r ) 。 可以任选一种算法来安装路由器。由网桥或中继器连接的信道的集合称为 段( s e g m e n t ) 。节点可以看见相同段上的其它节点发送的包。而智能路由器 ( 配置路由器和学习路由器) 则根据设置决定是否将数据包继续向前传送， 故可用来分离段中的网络交通。 m a c ( 介质访问控制) 子层：l o n t a l k 协议的m a c 子层是链路层的一部 分，它使用o s i 各层协议的标准接口和链路层的其他部分进行通信。目前 在不同的网络中存在多种不同的介质访问控制协议，c s m a ( 载波监听多路 访问) 是其中比较典型的一种。但目前存在的m a c 协议，如8 0 2 2 、8 0 2 3 、 8 0 2 4 等都不能很好的满足在大网络系统和多通信介质，在重负载下网络 j 的传输效率。对于常用的c s m a c d ( 具有冲突检测的载波监听多路访问) ， 如以太网在轻载情况下具有很好的性能，但在重载情况下，一包数据在发 送，可能很多网络节点处于等待状态，一旦这包数据发送完毕，网络空闲， 这些等待节点马上发送报文，由于同时发送必然会发生碰撞，产生碰撞后， 由避让算法使之等待一段时间再发，假如这个随机时间相同的话，碰撞又 会发生，因此在重载条件下，这种网络的效率很低。对于所有的令牌环网， 它具有对多介质的支持，但是这些介质必须在总线上具有环的结构，令牌 在这个环线上轮巡，这对低速介质而言，需要耗费很长