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哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 基于c a n 总线的智能数据采集器的研究 摘要 随着信息时代的到来，石油天然气化工工业也开始了由传统控制系统向 信息控制一体化系统方向的转变。而其中现场数据采集是保证产品质量及生 产系统正常运行、提高生产效率和经济效益的关键性基础技术。 本文针对大庆油田有限责任公司的伴生气提馏装置自动控制系统控制精 度低、抗干扰能力差、信号传输距离短、信息无法共享等弊端，创造性的将 可靠性高、实时性好的c a n 总线用于伴生气提馏自动控制系统，将其改造 成现场总线控制系统。并完成了集数据采集、实时数据处理、现场设备实时 控制及数据实时传输功能于一体的智能数据采集器的研究开发。 在智能数据采集器的总体设计中，采用了模块化结构设计，主要对数据 采集模块和c a n 总线通讯模块进行了软硬件的设计开发。创造性地将温 度、压力和液位等不同信号的采集集成在一个智能数据采集器中，改变了传 统的信号和采集器一对一的状况；同时将c a n 总线通讯模块置于智能数据 采集器中，提高了系统的实时性、可靠性与数据传输的安全性：并且通过软 件p i d 控制，实现了智能数据采集器的实时控制功能，体现了智能性。 本文所研究的智能数据采集器成功应用于伴生气提馏装置自动控制系 统，应用以来，系统运行平稳，很好地完成了提馏塔压力、温度及液位信号 的采集与传输任务，同时还对提馏塔的液位进行了有效控制。并通过c a n 总线与监控中心上位机m c g s 组态软件相连，很好地实现了人机交互。增强 了系统的可靠性、稳定性以及抗干扰能力，保证了装置的安全运行，使管理 更加科学化，达到了经济运行的目的。 本文基于c a n 总线的智能数据采集器的成功开发与应用，拓宽了现场 总线的应用领域，虽然本文是针对伴生气提馏自动控制系统的实际控制与测 试需要设计的，但考虑到协议的通用性以及硬件电路的可移植性，可方便的 移植到其他应用环境中，具有较大的现实意义。 关键词数据采集；c a n 总线：p i d 控制；现场总线控制系统 ：玺耋窑：奎：耋璧圭兰竺竺兰 s t u d y o ft h ei n t e l l i g e n c ed a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e b a s e do nc a nf i e l d b u s a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go ft h ei n f o r m a t i o ne r a , c h e m i c a li n d u s t r yo f p e t r o l e u ma n d n a t u r a lg a sh a sc h a n g e df r o mt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mt oi n t e g r a t i v es y s t e mo f i n f o r m a t i o nc o n t r 0 1 d a t aa c q u i s i t i o ni st h ec r i t i c a lb a s i ct e c h n o l o g y w h i c hc a l l e n s u r ep r o d u c tq u a l i t ya n dw o r k i n go r d e ro fp r o d u c ts y s t e m ，r a i s ep r o d u c t i v i t y a n de c o n o m i ce f f i c i e n c y a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fa c c o m p a n yg a sd i s t i ld e v i c eo fd a q i n go i l f i e l d c o l t d h a ss o m ed r a w b a c k s ，s u c ha sl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，b a da n t i - j a m m i n g a b i l i t y , s h o r ts i g n a lt r a n s i t i o nd i s t a n c ea n di n f o r m a t i o nw h i c hc a nn o tb es h a r e d a n ds oo n t om a k e u pt h e s ed r a w b a c k s ，t h ep a p e ra p p l i e st h ec a nf i e l d - b u si n t o a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fa c c o m p a n yg a sd i s t i ld e v i c e ，c a nf i e l d - b u sh a s h i g h s e c u r i t ya n dw o r k sf a s t a f t e rt h i sa p p l i c a t i o n ，t h es y s t e mi sc h a n g e di n t oa f i e l d _ b u sc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rd e v e l o p si n t e l l i g e n c ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e 1 1 1 ed e v i c eh a ss u c hf u n c t i o n sa sd a t aa c q u i s i t i o n ，r e a l - t i m ed a t ad i s p o s i n g r e a l - t i m ec o n t r o la n dr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n t h em o d u l a rs t r u c t u r ei sa p p l i e di n t ot h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n c ed a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e t h ed e s i g nf o c u so ut h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fd a t a - g a t h e r i n gm o d u l ea n dc a nf i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h eg a t h e r i n go f t h et e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n dl i q u i dl o c a t i o ns i n g a l sa r e i n t e g r a t e di n t ot h e d e v i c e t h i sc h a n g e st h et r a d i t i o n a lo n e - o n er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i n g a l sa n d a c q u i s i t i o nd e v i c e m e a n w h i l et h ec a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sp u ti n t o i n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ，w h i c he n h a n c et h er e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t yo f s y s t e ma n ds a f e t yo fd a t at r a n s i t i o n t h r o u g hp i dc o n t r o l ，t h er e a l t i m ec o n t r o l f u n c t i o no f t h ed e v i c ei sr e a l i z e da n dt h ei n t e l l i g e n c eo f i ti sa l s oe m b o d i e d 1 1 l ei n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n t o a u t o m a t i ce o n t r o ls y s t e mo fa c c o m p a n yg a sd i s t i ld e v i c e s i n c ei t s a p p l i c a t i o n ， n ：尘耋矍三奎兰三兰2 圭兰堡竺兰 t h es y s t e mw o r k ss t e a d i l y , t h ed e v i c eh a sa c c o m p l i s h e dt h et a s ko fg a t h e r i n ga n d t r a n s m i t t i n gt h es i n g a l so fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dl i q u i dl o c a t i o ni n s i d e t h e d i s t i lt o w e r ，a n dc o n t r o l st h el i q u i dl o c a t i o no fd i s t i lt o w e re f f e c t i v e l y b e i n g c o n n e c t e du pt ot h ep c m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nt h es u p e r v i s i n gc e n t e r t h r o u g hc a nf i e l d - b u s ，t h ed e v i c em a k e sh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o np o s s i b l e 1 1 1 ed e v i c en o to n l ym a k e st h es y s t e mw o r k sm o r er e l i a b l ea n ds t a b l e 。i ta l s ol i f t i t sa b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g a f t e rt h e a p p l i c a t i o no ft h ed e v i c e ，t h es e t sc a n w o r k i n gs a f e l ya n dt h em a n a g e m e n tw i i lb em o r es c i e n t i f i ca n de c o n o m i c a l 1 1 1 et h e s i si sb a s e do ns u c c e s s f u le x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eo fc a nf i e l d - b u sa n dh a sb r o a d e dt h ea p p l i c a t i o nf i e l d s o ff i e l d - b u s n l et h e s i si sd e s i g n e dt om e e tt h en e e d so fr e a l t i m ec o n t r o ia n d t e s t i n go fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fa c c o m p a n yg a sd i s t i ld e v i c e ，c o n s i d e r i n g t h ec o m m o n a l i t ya n du n i v e r s a l i t yo fp r o t o c o la n dt h e t r a n s p l a n t a b l ea b i l i t yo f h a r d w a r ec i r c u i t ，i tc a na l s ob ea p p l i e di n t oo t h e re n v i r o n m e n tc o n v e n i e n t l y s o ，t h i sp a p e rh a sg r e a tp r a c t i c a lm e a n i n g 、 k e y w o r d s d a t aa c q u i s i t i o n ；c a nf i e l d - b u s ；p i dc o n t r o l ；c o n t r o ls y s t e mo f f i e l d b u s - m - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a n 总线的智能数据 采集器的研究，是本人在导师指导下。在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：善涩日期：2 0 0 6 年2 月2 2 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c a n 总线的智能数据采集器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：荨淑 导师签名： 冰永辱 日期：2 年2 月2 2 日 日期：2 彩年2 月群日 哈尔滨理t 大学t 学母i 十学付论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 信息时代的到来，对社会的各个领域都产生了深刻的变革和巨大的影响。 尤其在工业自动化方面开始强调工业生产过程自动化和工业信息管理自动化。 而今，信息控制一体化己经成为自动化领域的主体，是信息社会的基础和平 台。作为我国经济发展的重要支柱性基础产业的石油天然气化工工业，必然也 开始了由传统控制系统向信息控制一体化系统方向的转变。随着数字通信技 术、网络技术和微处理技术的迅猛发展，把传统的由数字信号和模拟信号混合 的系统变成全数字信号系统成为可能，现场总线就是在这种背景下产生的，由 于它适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展方向，所以，一经 产生便成为全球工业自动化的焦点，它的出现同时导致了现场总线控制系统 f c s 伊i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的产生，带来了自动控制技术领域黾的一次产业 革命。 大庆油田有限责任公司的伴生气提馏装置自动控制系统，改造前采用的集 散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，在控制现场需要大量的传感器、 执行器、调节器等相关设备，他们相对分散且分布在较广泛的范围内，连线过 多不便于安装和维护，而且远距离传输导致信号衰减，局域通讯网络采用 r s 4 8 5 方式，使系统开放性差，组态比较繁琐，不具备在线调试功能，抗干扰 能力差，仅2 0 0 3 年由于外界干扰，造成死机达8 次之多，给安全平稳运行带来 隐患。针对这一系列弊端，我们提出了应用可靠性强、稳定性好、抗干扰能力 强、通信速率快、造价低、维护成本低的c a n 总线，形成工厂底层网络，完成 现场设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的 信息交换。即将提馏装置自动控制系统改造为现场总线控制系统。其中关键是 在最底层需要一种造价低、可靠性高的适应石油工业现场环境使用，并能够和 现场总线进行通讯的数据采集设备。本课题“基于c a n 总线的智能数据采集器 的研究”就是针对这一问题提出的。它的提出对提高企业经济效益，促进企业 的发展具有极强的现实意义。 同时，为了能够使我们的控制技术也能跟得上时代的前沿，我国政府十分 重视在仪表行业发展现场总线技术，开发现场总线仪表产品。国家计委将“现 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 场总线智能仪表开发研究”列为十五号项藿点科技攻关项目，并且支持成立了 “中国机电一体化应用协会现场总线号业委员会”和“中国仪器仪表协会现场 总线号业委员会”以推进工作。因而本课题“基于c a n 总线的智能数据采集 器的研究”的提出，同时顺应了祖国经济建设发展的需要，拓宽了现场总线的 应用领域，对现场总线在其它领域的迸一步研究具有一定的参考价值。 伴生气提馏自动控制系统的工艺过程主要分为原油缓冲、原油加热、原油 提馏三部分。分别对应原油缓冲罐、加热炉、提馏塔三个主要装置。整个系统 有5 0 0 多个数据采集点。为讨论方便，本文仅以提馏塔为例来设计c a n 总线智 能数据采集器。虽然是结合伴生气提馏装置自动控制系统实际控制与测试需要 而做的设计，但考虑到协议的通用性以及硬件电路的可移植性，可方便的移植 到其他应用环境中，具有较大的实际意义。 1 2 国内外数据采集技术发展及应用状况 1 2 1 现场总线技术与控制系统的发展概况 信息技术的飞速发展，引起了现场总线技术的产生。现场总线技术发展的 同时又推动了控制系统的向前发展。 l 2 1 1 现场总线技术现场总线即应用在生产现场，在控制设备之间实现双 向、串行、多节点通信的数字通信系统。它是在8 0 年代后期发展起来的一种 先进的现场工业控制技术。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技 术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的点对点式的 模拟信号或数字模拟信号控制的局限性。构成一种全分散、全数字化、智能、 双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统”1 。现场总线的基础足智能现 场设备，本文中即为智能数据采集器，分散在各个工业现场的智能数据采集器 通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的监控设备一起共同构成现场总线 控制系统。 ， 现场总线控制系统f c s 通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场 总线产品集成在同一套f c s 中，具有互换性和互操作性。f c s 把传统d c s 的 控制功能进一步下放到现场智能数据采集器，由现场智能数据采集器完成数据 采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场智能数据采集器的数据， 通过现场总线传到控制室的监控设备上。控制室的监控设备用来监视各个现场 设备的运行状态，保存各智能数据采集器上传的数据，同时完成一定的控制功 哈尔演理t 大学1 学顾十学位论文 能。因此f c s 更好地体现了“信息集中，控制分散”的概念”1 。而且f c s 连线简 单，将大大降低安装和连线的费用，现场装置的智能化将增强现场设备的功 能，减少一半甚至一半以上的i o 设备，并提供更多的信息流动。由于结构上 的改变，f c s 比d c s 节约硬件设备。同时减少大量电缆，使施工、调试大大简 化。 总之，现场总线是高可靠性、低成本、组态简单、可互换、可互操作性、 分散控制、运行方便、数据库一致的开放式系统。f c s 是控制体系结构的一场 革命，它将影响今后几十年内自动控制技术的发展。f c s 将成为自动控制系统 的主流。 1 2 1 2 控制系统的发展概况现场总线的产生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，即现场总线控制系统“1 。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、集中式控制 系统和集散式控制系统之后的新一代控制系统。 1 基地式气动仪表控制系统由于5 0 年代以前生产规模小，检测控制仪表 尚处于发展的初级阶段，所以采用的是安装在生产设备现场、只具备简单测控 功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，各测控点只能成为封闭 状态。 2 电动单元组合式模拟仪表控制系统随着生产规模的扩大，操作人员需 要综合掌握多点的运行参数和信息进而实行操作控制，于是出现气动，电动系 列的单元组合式仪表和集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号 送往集中控制室，操作人员可以在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各 单元仪表的信号按需要组合成复杂的控制系统。 3 集中式数字控制系统模拟信号的传递需要一对一的物理连接；信号变 化缓慢，提高计算速度与精度的开销和难度都较大，信号传输的抗干扰能力也 较差。于是出现用数字信号取代模拟信号的直接数字控制。由于当时数字计算 机技术尚不发达、价格昂贵，所以需要用一台计算机取代控制室的几乎所有仪 表盘，即集中式数字控制系统。 4 集散式控制系统随着计算机可靠性提高、价格大幅度下降，出现了数 字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集 散式控制系统。这就是今天正在被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中测 量变送仪表一般为模拟仪表。因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功 能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有很大的进步，可在此基础上实 现装置级、车间级的优化控制。 哈尔滨理t 大学t 学预t 。学忙论文 但是在d c s 系统形成过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这 一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统、不同厂家的设备不能互连在一起，难 以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。 5 现场总线控制系统新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由 专用网络的封闭系统实现的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成基于公开 化、标准化的解决方案。 现场总线控制系统可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设 备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相结合的集散系统结构变成新型全分布式结构，即把控制功能彻底 放到现场，依靠现场设备本身实现基本控制功能。 控制系统经历了从封闭到开放，从单点控制、组合式模拟控制系统、集中 式数字控制系统、集散式控制系统，发展到当前应用现场总线开放式网络化控 制系统阶段。网络控制结构也相应的经历了集中式、递阶式和分布式的演化过 程，控制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向。1 。 控制系统的变迁过程对现在的工业现场仪表的开发也提出了新的要求，即 开发基于现场总线的智能仪器己成为大势所趋。对于工业控制领域，采用现场 总线可以节省硬件数量，大大减少导线，节约安装和维护费用，同时，采用数 字信号传输，减少了模拟量在传输过程中的误差，又大大提高了抗干扰能力。 i 2 2 数据采集技术及数据采集系统的发展状况 数据采集属于信息科学的一个重要分支，它是以传感器技术、信号检测和 处理技术、电子技术、计算机科学等技术为基础而形成的- f - j 综合应用技术学 科”，。人类从诞生开始就离不开信息活动，但是信息真正成为科学研究对象并 发展成为- n 科学，确是始自于2 0 世纪4 0 年代中期。发展至今数据采集技术 已经成为一种号门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。 数据采集是工业控制的基础部分，无论是集中式数字控制系统、集散式控 制系统、还是现场总线控制系统，都必须首先将多个地点的诸如温度、湿度、 光照、压力、机械振动和流量等模拟量转换成数字量，才能利用智能仪衷的数 字计算功能进行相关处理，因此数据采集的性能在很大程度上决定了控制系统 的性能。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表和计算机 融为一体的数据采集系统。2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系 略尔滨理t 犬学t 学珂i 卜学位论文 统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集 成电路的组合，用软件管理使系统的成本降低、体积减小、功能成倍增加、数 据处理能力大大加强。2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上，技术先进国家的数据采 集技术已经在军事、航空、电子设备、宇航技术及工业等领域被广泛应用。随 着现场总线技术和网络技术的发展，数据采集系统向分布式系统结构和智能化 方向发展，可靠性不断提高，可以更好地实现生产环节的在线实时数据采集与 监控m 。 1 3 国内外数据采集器的发展状况 1 3 1 国内外数据采集器现状 数据采集器是应用 乍常广泛的电子设备，国内外许多科研单位和技术公司 都在积极研制。国际上七十年代就开始开发适于工业恶劣环境应用的分布式数 据采集器，并逐渐应用于工业生产，八十年代初基本形成定型产品。 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目 i i i 国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产 品可以看出，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方 面1 。如美国恩泰克科学公司推出的新一代数据采集器e d l ，该仪器技术先进， 功能齐全。美国p a c es c i e n t i f i c 公司生产的x r 4 4 0p o c k e tl o g g e r 具有体积小，测 量范围广( 可以对温度，相对湿度，压力，交流信号等进行测量) ，操作简 单，可靠性高等特点，并配备界面友好的计算机软件，能够方便地进行数据处 理和图形显示。 国内由于技术原因，数据采集器的研发工作进展缓慢，高端产品大部分依 赖于进口。但也有部分国产数据采集器用于工业现场，如研华工控、研祥工 控、威达工控、南京8 9 3 等国产数据采集器。目前国内市场上不断出现各种新 型的数据采集器。北京众人精密测控技术公司的产品是f 5 1 0 0 系列笔记本专用 数据采集控制器，具有通道扩展，0 2 的精度等特点，但分辨率都不超过1 2 位。北京康泰公司推出了w a v e b o o k 系列高速便携式数据采集器、d i 系习j u s b 便携数据采集器以及d a q b o o k 系列并行1 1 1 便携数据采集器，精度都能达到 o 1 。 但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着 哈尔蒺珲t 大学1 学硕士学竹论文 一定的差距。如分析频率范围不宽、数据采集器本身的信号处理功能不强等。 1 3 2 数据采集器的发展趋势 1 3 2 1 现场总线对数据采集嚣发展的影响现场总线技术之所以具有较高的测 控能力指数，一是得益于仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能”1 。 把微处理器置入现场控制设备，使设备具有数字计算和数字通信功能，既 提高了信号的测量、控制和传输精度，又为控制信息的远程传送创造了条件。 在现场总线的环境下借助设备的计算、通信和控制能力，在现场就可以进行许 多复杂计算。形成真正分散在现场的完整的测控系统，提高测控系统运行的可 靠性。 借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段可实现异地远程自动控 制，如操作数百公里以外的电气开关等；还可提供传统仪表所不能提供的如阀 门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更全面深入地了解生产 现场和控制设备的运行状态。 总之，现场总线将使测控仪表的发展产生以下根本的变化： 1 用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向、模拟传 输方式； 2 一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台微 机化仪表的形式； 3 多功能的微机化现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。 当前数据采集器的发展具体表现在结构简化、体积缩小、功耗降低、性能 提高、人机接口友好、网络功能完善等方面“”。 1 3 2 2 数据采集嚣现存的主要问题通过对国内外数据采集器的分析了解，发 现目i ； 数据采集器主要存在以下几个问题： 1 国外数据采集器性能好，但价格昂贵； 2 国内数据采集器在可靠性、采集精度、速度以及智能化程度等方面较国 外先进产品有较大差距； 3 目前数据采集器的局域通讯网络常采用传统的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 方式， 无法满足现代工业控制开放性和实时性的要求。 1 3 2 3 数据采集器的发展趋势现场总线技术的发展为数据采集器的发展提供 了一次良好的机遇，但同时也对数据采集器本身提出了更高的技术要求，数据 采集器必须不断采用更先进的检测技术、通信技术、现场总线技术等来改造发 竺竺篓矍三奎差三兰竺! 兰竺丝三 展自己的产品，丰富发展新的功能，同时提高抗干扰能力和可靠性，才能适应 技术发展的要求。 通过分析国内外数据采集器发展状况及存在问题，结合大庆油田有限责任 公司的伴生气提馏装置自动控制系统的实际要求，本文“基于c a n 总线的智能 数据采集器的研究”是将c a n 总线用于数据采集器的通讯并将其应用于石油工 业的一次探索。 1 4 本文主要完成的工作 本文主要完成了以下凡方面的工作： 1 对国内外数据采集技术及数据采集器的发展状况进行了阐述和分析；， 2 对石油化工工业控制系统的特点及其现场总线的应用进行了总结；对本 文选用的c a n 总线进行了简单的分析； 3 对伴生气提馏自动控制系统进行了具体分析，并提出了将其改造为现场 总线控制系统的总体设计方案；对其中起关键作用的智能数据采集器进行了总 体设计；选用提馏塔为研究对象，主要对提馏塔的温度、压力和液位几个变量 进行研究； 4 对智能数据采集器的软硬件进行了详细设计：并在现场对智能数据采集 器的各项功能进行了测试；最后在伴生气提馏自动控制系统中成功应用。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章石油化工工业控制系统及c a n 总线技术分析 2 1 石油化工工业控制系统 2 1 1 石油化工工业控制系统的特点 石油化工生产具有高温、高压、易燃、易爆、易腐蚀的特点，石油工业生 产过程连续性强，这种连续的生产过程具有实时性的特征1 。因而要求生产安 全平稳地进行，对石油化工工业控制系统提出一定要求。 石油化工工业控制系统对底层自动化程度要求较高，系统的柔性主要是靠 改变生产过程中设备的参数来实现的，这就要求有可靠的实时在线控制系统。 要求实时在线采集生产过程中的生产数据，工艺质量数据，设备状态数据等， 要及时的处理大量动态数据，保存历史数据，并以图形的形式实时予以显示。 2 1 2 基于现场总线的石油化工工业控制系统 石油化工工业控制系统中已大规模地采用电动、气动单元组合仪表和各种 成分和质量分析仪表进行集中监测和集中控制。随着我国电子计算机工业的迸 一步发展，电子计算机已开始在石油工业中使用。例如储运系统中应用电子计 算机进行集中控制和管理，对油罐的液位、温度进行监测并报警，自动开关阀 门等，使油罐区的操作大为改善，提高经济效益。 近几年，石油化工工业控制系统发展较为迅速，部分装置实现了集散控 制，控制水平和控制精度都有一定提高。但与现场总线控制系统相比，其通讯 功能稍差，不具备管理和诊断功能“”。随着分散控制系统的规模加大，如一个 原油稳定系统要有若干个独立的控制器，同时它们之间必须能够进行实时、高 效、可靠的通信。为此随着现场总线技术的发展，该技术在石油化工工业控制 系统领域也得到了关注，逐步形成现场总线控制系统。这是种行之有效的控 制系统并被认为是一种发展趋势。因此本文“基于c a n 总线的智能数据采集 器的研究”，是在石油工业控制系统中应用现场总线技术的关键技术研究，具 有极强的现实意义。 哈尔泞珲t 大学t 学碗卜学竹论文 2 2c a n 总线的技术特点 2 2 1c a n 总线的产生与发展 控制器局域网c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 最初是由德国b o s c h 公司为解决 汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议，它属于总 线式串行通信网络。由于它采用了许多新技术和独特的设计思想，与同类产品 相比，c a n 总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。其应用范围遍 及从高速网络到低成本的多线路网络等控制领域。其总线规范在1 9 9 3 年成为国 际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) l s 0 11 8 9 8 标准”“”。 2 2 2c a n 总线的技术特点 c a n 总线具有以下主要特征： 1 c a n 总线的通信方式非常灵活，既可以为点对点的方式也可以为广播方 式，可以是单主方式也可以是多主方式。特别是c a n 以多主方式工作时，网上 任意一个节点可在任意时刻向网上其它节点发送信息。利用这个特点能够容易 地构成多机冗余系统，以提高系统的可靠性。 2 c a n 协议不采用传统的站地址编码方式，而代之以对通信数掘块进行编 码，用一个1 1 位或2 9 位二进制数组成的标志符来区分不同的数据块。这种编码 方式使得系统设置非常灵活，无需站地址等节点信息。 3 c a n 采用 e 破坏性总线仲裁技术。通过c a n 总线传送的信息帧可以设定 成不同的优先级，并依据总线仲裁机制使高优先级的信息能够优先发送，从而 增强了c a n 总线通信的实时性。 4 c a n 的数据帧采用短帧结构，传输时问短。数据段的最大长度为8 个字 节，这样不但能够满足工业控制领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的 般要求，而且保证了通信的实时性。 5 c a n 的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误作出界定，对己 损报文进行标注并自动重新发送，当故障计数大于2 5 5 时，节点被“脱离总 线”，脱离总线状态不允许对总线有任何影响。 6 c a n 总线的通信介质多样化，组合方式灵活。c a n 的通信媒体有双绞 线、同轴电缆、光纤等，在实际系统的应用中，往往可以灵活地混合使用。 c a n 的通讯速率最高可达i m b p s ，通讯距离最远可达1 0 k m 。 2 3c a n 总线协议的分层结构 定义协议的目的是为了使任何两个符合c a n 协议规则的仪表之间达到完 全兼容。为了达到设计的透明度和执行的机动性，c a n 2 0 b 协议遵从i s o o s i 的标准模型，但出于实时性和降低成本等因素的考虑，c a n 只采用o s i 七层 参考模型中的数据链路层和物理层。c a n 2 0 b 协议的分层结构及功能如图2 1 所示： 图2 - 1c a n 2 0 b 协议的分层结构及功能 f i g 2 - il a y e r sa n df u n c t i o no f c a n 2 0 bp r o t o c o l 在工程上，数据链路层和物理层的功能通常由c a n 总线控制器和c a n 总 线收发器实现。 竺竺堡里三查兰三兰竺兰篓丝三 2 3 1 数据链路层 数据链路层的作用是将要发送的数据加上控制信息、开始、结束标志和差 错校验位等附加信息来进行数据封装，并从物理信道上发送出去。在通讯过程 中，收发双方都对附加的控制信息进行判别，并做出相应的处理，从而实现传 输过程中的流星控制和差错检验功能；在接收到数掘帧后，对接收数据进行拆 装，以获得所需的数据“”。 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又分为： 1 逻辑链路控f l ；f ( l l c - - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 2 媒体访问控审l j ( m a c - - m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) l l c m c 物理层接u 图2 - 2 数据连路子层间关系 f i g 2 - 2r e l a t i o nb e t w e e ns u b l a y e r so f d a t al i n k m a c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f c e ) ”的管理实体进行监控。 哈尔演理t 大学t 学砷十肇付论文 故障界定是使辨别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可 借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控。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 ld a t au n i t ) 相互通信。 c a n 协议的数据链路层协议数据单元l p d u 直接由相应的服务数据单元 l s d u ( s d u - - s e r v i c ed a t au n i t ) 和数据链路层指定控制信息l - p c i ( p c i p r o t o c o l c o n t r o li n f o r m a t i o n ) 构成。图2 2 说明数据链路子层的关系。 2 3 2 物理层 物理层规定了通信介质的机械、电气特性。用户可以根据需要选择双绞 线、同轴电缆、光纤作为通信介质。此外，物理层还规定了c a n 总线电平的 两种状态：“隐性”( 表示逻辑i ) 和“显性”( 表示逻辑o ) 。物理层用来实行不 同仪表之间关于电特性位的传输，在同一个网络中所有仪表的物理层是相同 的，而在给一个网络选择物理层时却有许多特权1 ”。 物理层是将控制单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 连接至总线的电路实 现。e c u 的总数将受限于总线的电器负载。 o s i 摹准层 一 c a n 层 图2 - 3 物理层结构模型 f i g 2 3s t r u c t u r em o d e lo f p h y s i c a ll a y e r 物理层按照i e e e 8 0 2 3 l a n 标准规范构造模型，如图2 3 所示。物理层划 分为三部分。 1 物理信令( p l s 一p h y s i c a ls i g n a m n g ) 2 物理媒体附属装置( 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 ) 3 媒体相关接i = l ( m d m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 物理信令p l s 实现与位表示、定时和同步相关的功能。媒体访问单元 ( m a u - - m e d i u ma c c e s su n i t ) 表示用于偶合节点至发送媒体的物理层的功能部 分。m a u 由物理媒体附属装置p m a 和媒体相关接口m d i 构成。 p m a 子层实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障检测方法。 m d i 实现物理媒体和m a u 之间机械和电气接口。 2 4c a n 总线技术的应用 2 4 1c a n 总线的工作原理 当c a n 总线上的一个仪表发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有 仪表。对每个仪表来说，其报文开头的n 个位称为标识符，定义了报文的优先 级，这种报文格式称为面向内容的编址方案“”。在同一系统中标识符是唯一 的，不可能有两个仪表发送具有相同标识符的报文。当几个仪表同时竞争总线 读取时，这种配置十分重要。 当一个仪表要向其它仪表发送数据时，该仪表的c p u 将要发送的数据和 自己的标识传送给本仪表的c a n 芯片，并处于准备状态：当它收到总线分配 时，转为发送报文状态。c a n 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发 出，这时网上的其它仪表处于接收状态。每个处于接收状态的仪表对接收到的 报文进行检测，判断这些报文是否足发给自己的，以确定是否接收它。 由于c a n 总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控 制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在c a n 总线中加进一些新仪表 而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新仪表是纯数据接收设备时，数 据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分白过程同步化，即总 线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制都有自己独立的 传感器。 2 4 2c a n 总线的可靠性分析 从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据的 竺堑堡! 三奎兰三兰竺：兰竺丝三 识别能力。残余数据的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描 述了传送数据被破坏和这种错误不能被测控出来的概率1 。残余数据错误概率 必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算 残余错误概率要求能够对数据错误进行分类。如果要确定c a n 的残余错误概 率，我们可将残留错误的概率作为具有8 0 9 0 位的报文传送时位错误概率函 数，并假定这个系统中有5 1 0 个站，并且错误率为1 1 0 0 0 ，那么最大位错误 概率为1 0 0 3 数量级。”。例如，c a n 网络的数据传输率最大为1 m b p s ，如果数 据传输能力仅使用5 0 ，那么对于一个工作寿命4 0 0 0 小时、平