（计算机软件与理论专业论文）基于现场总线技术的电力自动化抄表系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 ， f 现场总线技术是当今自动控制领域最热 的技术之 ，被誉为白 动化领域的计算机局域网，它是现场控制技术与现f i ur 、计算机、 通讯技术相结合的产物。现场总线使得现场仪表之n | j 、现场仪表与 控制没符之间构成网络互连系统，实现全数字化、一k 向、多变埘的 数字通h t ，这人人地提高了系统的可椎性和抗干扰能力，同时，省 r 栏个系统的投资、安装及后删维护费川。 c a n 属j _ 串行通讯网络，由丁采川了独特的帧结 自、总线仲裁1 0 检错措施，与其他总线相比，具有可靠性高、系统t f 一、实时好等 特点，仡汽乍、i 乜力、1 1 业自动化锝领域得到了广t ：的j j 川。7 7 本课题“变电站白动化抄表系统”中，由丁采川j 抗干扰性女r 的c a n 现场总线披术及现代移动通讯技术，升列脉。- 、i0 采j j 光电 隔离和信号秘形技术，井采川独特的软什滤波于f 蚰服r 变i = l 站 严重的电磁 二扰对通讯和数据采集系统的影响，j 阪j j 。令人满意的 效果。 木文共分5 个部分，首先介纠了现场总线的发l 心足i 种类然 后详细介纠丁c a n 技术的特点，最后重点闹述了川l n 术实现的 自动化抄表系统的荚键技术和系统设训中戍注意的。 消息 关键阋：现场总线控制系彬c a n 自动化抄表抗i “扰算法，短 a b s t r a c t tl 、ch 1 1 0 lo gy ，w h ic histh ef esu l t0 ffi0 idc o n t r 0 1 t ，h ln e dw ll hm o d er ne l e c lr o n ，c o m d u t era n d lo c h n o 0 8y ，h hsb e e no i i eo ilheho te sl l o p ic s l ，idsn o w a d a ys ，a n di th a sag o o df l i i o0r l a n in j0 1d b usb u i lds u dif i ter c o n no cl io ns a l l l o n g f ie l d l i idiie 1dc or l tr o l u n i ts b yp r o v id i i i g aw h 0 1 1y d lg i i 1 1 ，i j i 。c t io n a la n d1 1 d 1 1l i v a r i3 n tco i l l l l l ur l ic a t io np a t h w 1 1 ichhc 【、，、。，n 1yg r e a t 】yi p r o v e dt h er e 【in b i l i t ya n dn b i l i ty o id i i lil 1 i 。l lb “nce ，bl ila 1s 0 s h a r p ly r o du 。0st h ec o s tso f i 1 3s ta l la tlo i i 。if i dr o u t ir l ei l l a in t e n 3 1 3 c e c a n ( ( f ，f lc 1 0 llo ra r e ab u s ) b e l o n g s t oc h e a s y n c h f o i l o us c0 i l l i i t 1 1 1 lcr ll 【一，1 1i l e t w o r k d t l el oi ts s p e c ia l ir a l l i es t i l iclur e b us ac cessn 1 。l 1 1rdc l n der r o r t o ler a n c et e c h n 0 1 o g y ， c a ne n j o ysg o o d r e lia b l j y ，ilex ib i l il ya n dr e s p o n s e t i i n e c a n ，( j s j l 一s m s ( s h o r tm ess a g es e r v ic e ) t e c h n o l o g y ar eus e d ina m r ( 4 u lu i l l a t ic m e t e r - r e a d in g ) sysl e m ，t h a n k st ot h e o p to is oj l l 【、) 1 1c ir c u i ta n ds o f t w a r ef i1 t er i l qg d l g o r it h m t h e a m rsvs il | | j 。jc lf ib ef f e eo ft h e s er ie usd is tur b a n c ein p o w e r sl a l jo i i ，l l t 、 1h asw o nus e r s s a t i s f a cl io n t h 。1l “il ，11v ep a r tsint h is p a p er al c h eb e g in v l in g t h e dev e l o p i l ll 1 1 t “n d c a t a l o g l i eo ff ie l d b uste c h n o l o gy at e in tr o d urll j ，。l f l d l h e nt h ec h ar a c t e r is t ic so fc a nf je ld b usa r e d esc tib 。d - 【_ d el a i l ， f in a l ly 。t h ek e yt e c h n ie a lp o 【e tst ot h e a m rsysl l - ；l us ig nb a s e do nc a na r e g iv e n s m s k e yw ords ： f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，c a n ，a m r ，a l g o r i t h mo fa n t i d i s t u r b a n c e 2 0 s o _ 二 uct 第一章前言 第一章前言 臼功 圳j ! 水是当代发展檄为迅速、麻州十分) 。泛、最引人注 h 的高技术：，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。 随着现代j j _ _ 【“j l 沦的发展，自动控制技术已从单变 i = 控制到多变餐 挖制，从r | ， - r ，一1 ，剑最优控制。肌在对白动控制的婴求已不仪是保 持个别变* ( “fd 1 度、转数、电e 等) 的稳定，而足要求实现多个 变封的域仉”i “。分析与设计最优控制系统己成为现代控制理论的 丛本内弈。f j 触j 计算机的出现，特别是微型计算机应1 于控制 系统，为hl i l i l j 制带来了根本性的变革。对丁复杂的、分散的控 制刺象，ij 。l ，们往往是同时、并行，且独立地f 作，控制对象分 布丽义很j ，i q 此把它们联系起米实现分布控制是现代控制技术中 的个重婪发j k 山向。 典) 弘的分舣，控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信 | 殳备组成。现场总线( f 1 e l d b u s ) 能同时满足过秽控制利制造业自 动化的需要，j m 现场总线己成为【业数据总线领域中最为活跃的 个领域。m 场总线的研究与戊川已成为一l ：业数据总线领域的热点。 控制器局部h ( 、a n ( c o n t r o l l e ra e r an e t w o r k ) l l 娃在这种 背景f 府k j 小的，它首先被州于汽车行业，由于c a n 总线技术具 有实时性女r 、 1 十勾灵活、抗干扰能力强等特点，它的成州己不再局 限 j 汽印领域，r l ：1 业自动化、电力、医疗等领域也得剑了很好的 麻h j ，并牢儿戊乃国际标准化组织1 s o 的一个标准i s 0 1 18 9 8 。 电力i 、l k 地吲【b 经济的一个重要支柱产业，而i 乜力作为一种特 殊商品在m 场纶济中处于举足轻重的地位。随着农网和城网改造的 深入，城乡h jl n 坩的日益扩火，变电站的数量科i 变电站山线f 日路数 的不断增加，没变电站手工抄表的弊端越来越突出。基于计算机c a n 现场总线姐信4 是术的变电站及火j h 户自动抄表系统很好地解狄了这 个问题。 墨三兰墨堡璺竺垫查 第二章现场总线技术 随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术及 y 能传感器技术 的发展，在r 业控制领域出现了一种新兴的控制技术，即现场总线。 现场总线是继可编程序控制器( p l c ：p r o g j l a m m a b l e l o g i c c o n t r 0 1 1e f ) 和集散式控制系统( d c s ：d i s t r ib u t e d ( ：n 1 1l f o ls y s te m ) 之后最具有生命力的控制系统，被誉为自动化领域的计尊机局域网。 白它诞生之曰起，特别是二十世纪九十年代后，得到了广泛的应_ l j 和迅速的发展。现场总线是以独立的、全数字的投向多变茸通讯代 替传统现场仪表的0 1 0 m a 或4 2 0 m a 信号，以实现仑数字化的、开 放的控制系统，因此，国际电工委员会( i e c ) 、国际化标准编织i s 0 及 廿：界各国的技术协会、大公司等对给该项技术的怀准化i 作给予 了极人的关注。 2 1 现场总线的发展 现场总线控制系统是继基地式气动仪表控制系统、i u 动单元组 台式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集散式挖制系统d c s 斤彳 的新一代控制系统，它遵循了i s 0 的开放系统模型f l s i ，人人地提高 了系统的开放性及可互操作性。 5 0 年代以前，山于当时的生产规模较小，检测控制仪表处于发 展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、l 具备简单 测控功能的撼地式气动仪表，其信号仅在本仪表内- 睫作，一般不 能送给别的仪表或系统，即备测控点只能为刻闭状，惫无法与外界 沟通信息，操作人员， 能通过生产现场的巡视，j 蝌乍产过科的状 况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌据彰一1 i 的运行参数 与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于恺现了气动、 电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制宝。i - r j 现场箨处的 参数通过统一的模拟信号，如0 0 2 0 1 m p a 的气爪佑o j 0 一i0 m a 、 4 2 0 m a 的随流电流信号，1 5 v 真流电压信号等，送集中控制室。 操作人员可以坐在控制室纵观生产流稃各处的状况，t t j 以把各单元 仪表的信号按需要编合成复杂控制系统。 4 第二章现场总线技术 山j 模j h ；) 的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢， 捉禹卵迅j 女j 精度的开销、难度都很人，信号的抗干扰能力也较 蕞人们川娟求川数字信号取代模拟信号，丁是j “现了直流数字 控制。由j1 t j 内数字计算机技术还不发达，价格昂贵，人们企幽 川一台汁砟饥j “控制室的儿乎所有的仪表盘，丁是出现了集中式 数字控制系吼世由于当时数字计算机的可靠性还较著，一1 主控 计算：机山现址川敞障，就会造成所有控制同路瘫痪、生产停产的严 重局面，这种屯险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 随着计 儿可靠性的提高，价格的火幅下降，山现了数字调节 器、可编样控； j ! | 器p l c ) 以及由多个计算机构成的集中、分散相结 合的集敞控t | j | 示统。这就是今天止在被许多企业采川的d c s 系统。 d c s 系统中，测i “变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字 j m 合系统。这忡系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制 系统有了 h 人的进步。但是，在d c s 形成的过程中，由丁受计算机 系统早删存l ：勺系统封| = i j 这一缺陷的影响，组成更火范围信息共享 的网络系统存仡很多凼难。 新型的现场总路线控制系统j i 【i j 实破了d c s 系统中通信由专用网 络的封刚系统米实现所造成的缺陷，把基于封闭、专川的解决方案 变成了基 。公jf 化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而 遵守同一协议，蛳范的自动化设各，通过现场总路线刚络连接成系统， 实现综合白动化的各种功能：同时把d c s 集中与分散相结合的集散 系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底f 放到现场， 妖椎现场智能驶箭本身便可实现基本控制功能。 现场总路线是一种工业的数据总线，是一种全数字化、舣向、 多站的通信系统，是臼动化领域中计算机通信体系最底层的低成本 网络，它叫以1j 现场设备直接相连，构成控制网络，爿：在现场设备 之间实现数据交换，使所有现场设备具备了原先只有中央控制室才 有的控制功能，从而避免了控制高度集中，一旦中央控制室发生故 障，就会造成恺个系统全面瘫痪的后果。控制网络体系结构的这种 变革，将任令j 斤儿十年中直接影响控制领域的发展。因此，可以说 - 5 - 第二章现场总线技术 现场总线技术开辟了过程控制的新纪元。 2 2 现场总线的定义及技术特点 国际电t 委员会( ie c ) 和现场总线基金会( f f ) 刈现场总线作 了如下定义：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字 式、双向传输多分支的通信删络”。现场总线的基本内容包括：以串 行通信方式取代传统的4 - 2 0 m a 的模拟信号，一条现场总线可与众多 的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场钭能设备与高层 的系统通过公用传输介质交换信息。现场总线的核心是它的通信协 议，这些1 办议根据国际标准化绍织i s o 的计算机h 络开放系统互连 的o s i 参考模型来制定。 与传统的集散式控制系统( d c s ) 相比，现场总线控制系统( f c s ) 具有以下特点： 信号传输的数字化 在传统的d c s 系统中，现场仪表到控制站之间采用4 2 0 m a 模拟 信号传输，而f c s 则采用数字信号，在网络传输中还采用了防i r 碰 撞、检错、纠错等技术措施，实现了高速、双向、g 变最、多站点 之间的可靠通信，在通信质量和连线方式上都有了咀人的实破。 系统的开放性 不同厂家的d c s 往往无法兼容，而f c s 技术及杯准是全开放式 的，从总线标准、产品检测到信息发布都是公开的1 、( 、s 遵循国际标 准化组织is d 的开放系统互连标准0 d i ，具有“互】f 1 ：”f i 操作性，也 就是说，不同厂家的现场总线产品可以组成统一的系统，可以实现 互直互通，这就使得用户可以自由地选择不同厂商所提供的设备来 集成系统，不会因系统集成中不兼容的协议、接l m 一耸奠展。 系统结构的高度分散化 现场总线构成了一种新的全分散控制系统的休统；f i 构，f c s 废 弃了d c s 的控制站和输入输出单元，而将这一级的5j j 能分配给现场 仪表，从根奉| 二改变了现有d c s 集中与分散相结合旧集敞控制系统 体系，使系统结构得到了简化，人人提高了系统的r qj l z 性。 现场设备的智能化与功能自治性 - 6 - ；善i 矗j 奄张幽建基戳稼磊疆鹾j 埔；j 第二章现场总线技术 f c s 将传感测母、补偿计算、1 ：群量处理与控制功能分散到现 场设符中完成，依靠现场设备即可完成自动控制的鞋本功能，并可 随时诊断设备的运行状态，提高了控制系统的鲁棒性。由于f c s 设 备的标准化、功能模块化，因此，f c s 还具有设计简甲易丁重构等 优点。 多种传输媒介和拓扑结构 f 作在生产现场前端，作为1 ：厂网络底层的现场总线，是专f j 为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、) 缆、红外线、 电力线等，具有绞强的抗干扰能力，可以采刚两线制实现供电与通 信，并可满足本质安全防爆要求等。根据控制系统巾h 点的空间分 布情况，可以采取多种拓扑结构，这种传输介质和拓扑结构的多样 性，给白动化控制系统的施工带来极大的方便，省叫阆、省材料， 据有关介 m 与传统的d c s 从结构上相比，仅在布线j a 面一项就可 仃约4 0 的成本。 2 3 常见的几种现场总线标准及其比较 现场总线的开发和应用，起源于欧洲，在现场总线技术早期的 发展过程中，世界上有影响的仪表生产厂家为抢 市场和争取t h 身 的最大利茄，纷纷推出了自己的现场总线。下面分别加以介绍： 一、基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e 1d b us ) 基金会现场总线f f 的前身f is h e r r o s e m o t ln t 公司为首，联 合8 0 家公司制定的i s p 协议和以 t o n e y w e l l 公司为甜，联合欧洲15 0 家公司制定的w o r 1d f i p 协议，两大集团于19 9 4q j ? 州，成立现场 基金会，致力与习发统一的现场总线标准。f f 目前棚仃12 0 多个成 员，这包括f 汁界上摄主要的自动化设备供应商：a b 、 帅、i t o n e y w e ll 、 s m a r t 、f u ie 1e c ”ic 等。f f 的通信模趔以i s o t ) , qt 门。放系统模刑 为基础，采刚了物理层、数据链路层、应用层，j f 化其 ：j 曾加了 户层，符厂家的产品在用户层的基础上实现。f f ，昏线采川的是令牌 总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信。f r 前有高速利低 速两种通信速率其中低速总线协议h l 已丁19 9 f ；r 发表，现在已 应h rr 作现场，高速协议原定为h 2 协议，但e f 河2 很有能可胎 ， 第二章现场总线技术 北艘中，e t h l 将取而代之。h 1 的传输速率为3 1 25 k b p s ，传输 距离可达tgu ，可采州中继器延k 传输距离，并可支持总线供电， 支持本质五3 个_ ；j j 垛环境；h 2 的传输速率分为i m b ps 和2 5 m b p s 两种， 其通信距离分训为75 0 m 利5 0 0 m 。f f 可采用总线型、树卧菊花链 等网络拓扑，p _ 络中的发备数量取决于总线带宽、通信段数、供电 能力年f i 通信介胍的规格等因素。f f 支持舣绞线、同轴电缆、光缆肃 无线发射暂0 0 输介质，物理传输协议符合i e c l l5 8 2 标准，编码采 刖丝彻斯* i “、q 。f f 总线拥有非常出色的互操作性，这在于f r 采t 【_ j 了功能模块川砹箭捕述语言d d l ，使得现场节点之间能准确、可靠的 实现信息且姐。1 1 前f f 有2 9 个功能块，其中包括l 0 个基本功能块 羊l9 个先边助 毙块。用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之 间通过标准的d b i ，实现互操作。 二、过程化现场总线p r o e i b u s ( p r o c e s se ie 1db u s ) p r o f ib l ；s 是p r o c e s sf i e l i ) b u s 的缩写。1 9 8 4 年，德国慕尼 黑人学的一似教授提出了p r o f i b u s 的技术构想，此后，联邦德国科 技部组织了以心f j 子为首的1 3 家公司和5 家科研机构，根据i s 0 7 4 8 9 标准以开放系统且联网络作为参考模型，开始制定现场总线技术的 德国国家标准，并同时研制p r o f i b u s 现场总线产品。1 9 8 9 年1 2 月 成立了p n o ，l9 9 6 年p r o f i b u s 成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 ，同时义 是欧洲标准e n 5 0 17 0 。p r o f i b u s 在实际应用中业绩彪炳，在众多总 线中居丁前列，广泛应用于各种行业。同f f 一样，它也是最具竞争 力的一类现场总线。目前的p r o f i b u s 有三种系列：p r o f i b u s - d p 、 p r o f i b u s p a 年p r o f i b u s e m s 。p r o f i b u s d p ( 传输速率为1 2 m b p s ) 应刖丁现场级，经过优化的高迷、廉价的传输形式适于自动控制系 统与现场改街之间的实时通信，它采用了r s 一4 8 5 传输。p r o f i b u s f m s 川丁车间级，t ! l jt ，、f 层，要求面向对象，提供较大数据量的通信 服务，它有钦e t h e r n e t 取代的趋势，它也采用了r s 一4 8 5 传输。 p r o f i b u s p a0 为过程自动化设计，它采用了i e c l l5 8 2 传输技术 可刚于有爆士1 - 危脸的环境中。p r o f i b u s d p 和ip r o f i b u s f m s 使用了 同样的传输投术_ i 总线访问协议，所以它们可以在同一根电缆上同 - 8 - 、；t 誓。懿戴鑫谗；蕊巍黝鑫涎漶。蠡 第二章现场总线技术 时操作j 町l ，l f lb u s p a 殴备通过分段耦合器可以很方便地集成到 p r o f i b u sd i ，h 络。p r o f i b u s 有三种传输类型：p r o f i b u sd p 和 p r o f ib u s i ：；i s jr s 一4 8 5 ( t t 2 ) ：p r o f i b u s p a 的i e c l l5 8 2 ( 1 1 1 ) ； 光纤( ? 0 ) 。 p l i o i ，1 1 3 l b 多馍型也是遵循is o o s i 模剁，它省略了3 6 层， 增加了川，1j j = ：p r o f i b u s d p 使州第l 、第2 层利川广j 接口。 p r o f l b u sf , m si ，1 、2 和7 层均加以定义，p r o f ib u s p a 的数据传 输延峭p r o fj i j 【卜d p 的协议，只是在上层增加了描述现场改各行为 的p a 行划。4 亡帕总线访问方式m a c 为：主站之问通信采川令牌传输， 土站利从站之川采川主从方式。p r o f ib u s 可以采_ l j 总线型、树型、 譬删等网络抓扑，总线上最多可挂接12 7 个站点。p r o f lb u s 行规的 制定，为遵触l r o i ? i b u s 协议的设备之间的互操作奠定了基础。通过 对殴备指定符台p r o f i b u s 行规的过程参数、：| = 作参数、厂家特定参 数，设备之间就”j 以实现互操作。p r o f i b u s 在中国的用户组织为c p o 。 地点在北京，它仃p r o f i b u s 的标准、资料，并提供技术培训、产品 测试和产品u 、讪：。 三、世界工厂仪表现场总线w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u i l l e n t p r o t o c 0 1 ) v o r l d f ip 挞下f i p 协议，其最初由法国予8 0 年代开发，并成为 法国国家标准l r ec 4 6 ( 1 、2 、7 层) 。w o r l d f i p 协议采_ h ji e c i s as p 5 0 物理层( i e cl j5 8 2 ，支持总线冗余) ，选择f i p 数据链路层和应用 层，符合is a 讣j 0 川户层子集。提供传感器执行器与p l c 、控制器 之间的连接。v or 1d f i p 提供高速确定性控制霸i 双冗余网络。数据链 路层采j _ j 确芷比的集中总线调度器l a 8 ( l i n ka cc i v e s c h e d u le r ) 实现访问控制，总线仲裁器处理所有通信，为实时变量和报文提供 服务。应州层为川户应用中的实时变量和报文提供服务。 四、i n te r b u s in ter s 是一种传感器级的现场总线，令牌网、经济性是它 的一人特，- 氧。小缘其它总线，其至今仍是在其最早的总线协议上发 展并壮人。口f j u ，它在欧洲市场i 绝对优势，为宝马，通心，福特 9 第二章现场总线技术 等0 ：界臣头所糸川。 五、h a r l 现场总线( h i g h v a ya d d r e ss a b l er e m o tet r a n s d u c e r ) 由荧k u i i i o ur l t 公司开发并得剑8 0 多家代表公司的支持，于 19 93 年成、jj ，i t a r t 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高 速通道的 放迎信协议，其特点烛在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信，h ej 。模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品， 阳而，住当 j u 的过渡时期具有较好的市场，得到了快速的发展。i t a r t 协议符合u sl _ i 的l 、2 、7 层。物理层使心基1 ：f s k 技术的b e 2 0 2 。 h a r t 为i 从c 义。应l = | 层定义了3 类命令：通州命令、特殊命令和 专川命令。 六、l o n w o r k s 现场总线( l o c a lo p e r a t i l a gn e t w o r k s ) 它是由咒蚓e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 公司共同倡导于 19 9 0 年止式公布的。它采刚i s 0 0 s i 模型的全部7 层通信协议。采 州了面向对像的改计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参 数设计，其传输述率为3 0 0 b ps 一1 5 m b p s ，当传输率为7 8 0 k b p s 时，传 输距离为27 0 0 m 。 l o n w o i l ( s 技术采用的l o n t a lk 协议被封装在被称为n e u r o nc h ip 的神经元，占片内得以实现，每片：邕= 片带3 个8 位微处理器和独特的 4 8 侥i d ，址t 0 个l o n v d o r k s 节点的重要组成部分。该项技术已广泛 戍州楼宁山功比、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、 r 业过程控制7 7 j 领域。 七、 m o d b usp 1u s g o d bl isp lus 是为工业控制应用( 如过程控制和监控信息传递) 设计的局域h ，由a e gm o d i c o n 开发。网络总线采用单烈电缆布局， 可近接至多6 q 个可寻址：常点，l m b p s 传输速率。信息格式为h d l c ， 介质访问采川令牌方式。 八、p n e t ：p r o c es sa u t o m g t i o nn e t p - n e t 的发计目的是用普通2 线制电缆实现过程自动化中分散过 程组件的连接，由p r o c e s s - i ) a t as j l k e b o r ga p sd e n m a r k 开发。应 “ 主要集r f t 亿i 立程【：业利制造厂。覆盖0 s i r m 的1 、2 、3 、4 、7 层， 1 0 - ：t i 文靠；：盛瘦痔赫懿攮德凌敷a j 第二章现场总线技术 并利刖信遁绝定义了州户层。 该总线为忖多网络平| | 多端口功能的多主总线，允许儿个总线区 域的直接寻j 。 ，l m 无需递阶网络结构。所有的通信均基丁i 这样的原 则：士1 ，t i 发眨一个请求，被寻址的从+ 悼点在3 9 0 zs 内立即返回一 个响应，只订已仔放到从节点内存中的数据方可被访问。主节点之 间的总线访川极限通过虚拟令牌传递解决。每个从盯点中| ! | 含一个 通h j 单芯片微处理器，带2 k b y t ee p r o m ，不仅仅为通信用，而且可 川 一测量、f m 疋、转换币l 应_ i ；| 功能。p - n e t 接口芯片执行数据链路层 的所有功能，如：j 层和第4 层的功能由宿主处理器中的软件解决。 九、p i d o e b u s p h o e b u s 足瑞士联邦丁艺于l9 8 7 年推出的串行现场总线。它采 h 开放系统互联( o s i ) 参考模型的第1 、2 和7 层结构，可把传感 器、变送器剌执行器连接到p l c ( 可编程序控制器) 上，主要t e ；| 于机 床行业。 一f _ 、c o n t r o l n e t c 。n t i o l n o , l 是a b 公司开发的现场总线标准，用于高速生产流水 线的测控平一股的t 业信号处理。 十一、控制器局域网络c a n 总线( c o n t r 0 1 l e ra r e an e t w o r k ) c a n 总线足德国b o s c h 公司为汽车电气控制系统开发的一种有 效支持分布，控制和实时控制的串行通信网络。由t - c a n 总线具有 较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境。并具有较 远的传输距l 岛。闪此，c a n 协议对于许多领域的分布式测控是很有吸 引力的，特别遁合于小型分布式测控系统。目前己在工业自动化、 建筑物环境控f 虬机床、医疗设备等领域得到了较广泛的应用。 p h i l ip s 、l r ll 。l 、m o t o f o l a 等半导体制造商开发了支持c a n 协议的 集成器件，如8 2 c 2 0 0 、8 2 5 2 6 ，s j h l0 0 0 ，6 8 h c 0 5 x 1 6 等等。 c a n 的通；n 模型遵循i s o o s i 模型，采用了其中的物理层、数 据链路层和应j h 层。c a n 已成为国际标准化组织( i n t e rr l a t io n a l s t a n d a r ds 0 r g a n iz a t io n ) i s 0 l l8 9 8 标准。 c a n 以多主方式一r 作，网络上任意一个节点均可以在任意时 第二章现场总线技术 剥主动地向州络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵 活。利川这j - l 也可方便地构成多机备份系统；c a n 网络上的节点 ( 信息) u j 分成1 ；同的优先级可以满足不同的实时要求；c a n 采j _ i ! | 歧上 、性总? k 。j i ，阿技术，当两个：带点同时向网络上传送信息时，优 先级低的j j 功停j 数据发送，而优先级高的节点可不受影响地 继续传输数据，人人节省了总线冲突裁决时间。最重要的是在网络 负载很重的f jmr ，也不会山现网络瘫痪的情况( 以太网则可能) ： f a x 司以点刑j 1 、一点对多点( 成组) 及全局j “播几种传送方式接收 数据；标准报义标j 占符可达2 0 3 2 种，而扩展标准的报文标志符几乎 不受限制；c ，、f n 直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b s 以f ) ， c a n 的通信述率最高可达i m b s ( 此时距离最k4 0 m ) ：c a n 上的节点 数实际可达l l0 个：c a n 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个， 这样传输时间翘，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 l c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低；通 信介质采j + j 廉价的舣绞线即可，无特殊要求：c a n 节点在错误严重的 情况r ，具有自动关 i ：f 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，并采阍位填充技术。 c a k 不能川 防爆区。 目前住我倒，c a n 、l o n w o r ks 、p r o f i b us 等得到了比较广泛的 应用，许多公司郡开发出了基于现场总线的产品利系统，井取得了 比较好的效果。表2 1 是l o n w o r k s 与c a n 的性能比较，可以看出， l o n w o r k s 系统涵盖了0 s i 的7 层模型，系统功能强火，结构复杂， 造价较高，适川于智能建筑等参变量较多的场合。而c a n 由于系统 构成简单，且 1 - j 采用了非破坏性总线仲裁机制，使得系统的实时 性很好，侄汽17 、j ：业自动化等要求系统响应较快的行业得到了厂 泛的应川。据文献介绍，o p e lv e c t r a 汽车上就采州了三个基于c a n 的控制网络：a b s 及引擎控制的5 0 0 kb i t s 的高速c a n ；汽车音响 及其他电子发备的9 5 2 kb i t s 中速c a n ；用于灯光、空调及门窗控 制的3 3 3 kb il s 低速c a n 。 - 1 2 - 第二章现场总线技术 挺2l ：l o n w o r k s 与c a n 的性能比较 、：望线彰 l 0 n w o r k sc a n 称特性、 j 避_ l j 场合智能建筑，电力等汽车、j ：业自动化 j u s i 层次j ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7l ，2 ，7 总线访问c s m d c ac s m d c r 媒介类烈光纤、舣绞线、同轴电缆等光纤、烈绞线 差错控制 c r cc r c 劂络规模人( 可多至几万个节点)取决于驱动器，最多 l l0 个* 点 最人速率1 2 5 m b sl m b s 复杂程度复杂简单 经济性昂贵，适用于控制量多的系便宜，易于实现 统 2 4 现场总线技术在国内的应用 现场总线技术在中国正在健康地发展，一些世界主要的现场总 线矧纵在中国波立了分支机构。住一些专业领域，国l j 专家正在推 j 一一些专川现场总线，如在航天领域，某些高校和研究单位正在积 极推j “m il s t i ) 一l5 5 3 总线。一些现场总线在国内的应_ l = j 已经取得良 好业绩，如f ol l n d a t i0 nf ie l d b us 、h a r t 、l o n w o r ks 、p r o f i b us 和 w o r id f l p 等。它”j 有的已经打入国内重点一 程，有的已经在特定领 域获得j 泛认州，儿乎成为事实上的标准，如l o n w o r k s 产品几乎成 了智能建筑领域的首选。 国内企业盯发的产品开始投入使用，一些国内企业在国家“九 五”科技攻关项日或其它科技项目的支持下，完成了国产现场总线 产品的开发。毖中生产系统产品的有：浙大中控公司、北京和利时 公司、，i l 京华控技术有限责任公司、康泰克公司、冶金自动化研究 院、沈刚臼动化研究所和上海工业自动化仪表研究所等。采用的现 场总线有：c a n 、h a r t 、f o u n d a t i o nf ie l d b us 、l o n w o r ks 、p r o f i b u s 等。生产智能现场检测仪表和执行器产品的有：上海自动化仪表股 1 3 第二章现场总线技术 份有限公_ j 、点庆四联集团有限责任公司、_ 蝤安仪表有限责任公司、 北京华控披术fj 限责任公司、巫庆自动化仪表研究所平上海1 ：业自 动化仪表训冗肌曾。采_ l j 的现场总线有：d e v t ce n e t 、p r o f ib us 等。 有公司开始：j 矾1 ：同现场总线之问的互连产品开发，推出了a n y b u s r 3 总线且迎广h 有的在尝试将e t h e r n e t 羽it c p i p 技术整合到现 场总线中厶的i 作。 但是，拽企业在现场总线技术方面还有很多的不足之处，一 是核心技术进j l 本上掌握在国外人公司集团的手里，我们自有知识 产权的产 小多：二：是宣传的力度尚且不够，关心现场总线技术的 以技术人员乃j ，有决策权的企业领导对现场总线的了解还很不够， 这就对现场总线技术的推j “和使川带来一定的困难。 1 4 - 第三章控制器同域网总线c a n 第三章控制器局域网总线一c a n c a n 1 1l i0 1 1e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网。由于其高 性能、高j ，if 7 及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。c a n 最 初是b o s c t l 公 为汽车监洲、控制而设计的，由于c a n 总线本身的 特点，其一川d 用已扩展到过程1 1 业、机械一j ：业、机器人、传感器 及医疗器眦等预域。随着c a n 在各种领域的应用硐i 推广，对其通信 格式的标准化提出了要求。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s se i l l jc o n d uc 10 s 制订并发布了c a n 技术规范v 2 0 。该技术规范包括 a 、b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文的标准格式，20 b 给出了标准的 雨i 扩展的酣种恪式。此后，l9 9 3 年1 1 月is 0 正式颁布了道路交通运 输1 。具一一数据信息交换一商速通信控制器局域删( c a n ) 国际标 准i s o i l 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化辅平了道路。 3 1c a n 的分层结构 c a n 总线是开放系统，其通讯模型遵循i s o o s i 模型，采用了 其中的物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层又进一步分 为逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ，而应h 层则包含 了i s 0o s i 模】口中除物理层和数据链路层外其余各层的功能。c a n 总 线的分层结构干功能如图3 1 所示。 l l c 子层的土要功能是为数据传送和远程数据请求提供服务，确 认由l i cf 层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载 提供信息。往定义目标处理时，存在很大的灵活性。m a c 子层的功能 主要是传送删则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定 和故障界定。c a n 总线物理层的主要内容是规定了有关全部电气特性 在不同协点问的实际传送。在c a n 2 o a 8 中对物理层的部分内容作 了规定，而往i s o 8 9 8 标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介 质的材料，闪l m 蹦户可以根据需要选择双绞线、同轴电缆或光纤。 物理层规定了c a n 的电平为两种状态：“隐性”( 表示逻辑1 ) 和“显 性”( 表示逻列0 ) ；而且还规定了通过特定的电路在逻辑上实现“线 与”的功能。 一1 5 。：警。菇瀚鬣l 薹赫。j 知蒜螽孙 第三章控制器局域网总线一c a n 数据封装，拆装 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误监测，出错标定 应答 串行化解串行化 图3 1c a n 的分层结构及功能 c a n 的数据链路层采用了c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检 测) 方式但址利普通的e t h e r n e t 即以太网不同，c a n 采用非破坏 性总线仲裁披术，当多个节点同时向总线传送信息时，优先级较低 的。 点会土动遐山传送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传 送数据，从而人火节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很 重的情况r 也_ i 会出现网络瘫痪情况，网络的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 不会随着负载的增加而有明显的降低，而普通的e t h e r n e t 则可能。 c a n 总线上传送的每个帧都具有一定的优先权，帧的优先权由帧的 1d 决定。冈此，i d 义称为仲裁域。 c a n 总线的物理层和数据链路层的主要功能在c a n 控制器中完 成。 3 2c a n 的报文传送和帧结构 c a n 是一种多主机串行通信局域网络，在c a n 总线中，各节点使 j l j 相同的位迷；筝。正常的位时间由同步段( s y n c s e g ) 、传播段 ( p r o g s e g ) 、相位缓冲段1 ( p h a s e - s e g l ) 和相位缓冲段2 ( p i i a s e - s e g 2 ) 组成。发送器在同步段前面改变输出的位数值。接 收器在两个相位缓冲段之间采样输入的位值。而两个相位缓冲段的 k 度可以自由控制，以保证采样的可靠性。除此之外，由于各节点 - 1 6 第三章控制器局域网总线一c a n 的时钟总有小的著异，c a n 总线使朋时钟同步技术来保证通讯的同步 胜，并在实i 、化送中采_ h j 位填充规则进行编码，即当发送器在发送 的伊流呻- 检1 则刘5 位连续的相同数值时，就自动的在实际传送的位 流中插入一个讣f 】q 位。 ( j a 、总线堪以报文为单位进行信息传送的。在进行信息传送时， 发出报文的o p 儿为该报文的发送器，该单元在总线空闲或丢失仲裁 前叵为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，! j l j 咳单儿为接收器。 在c a n 的报文中包含了标识符i d ，它表示了该报文的优先权。 c a n 总线上的筹个h 点均可主动发送信息，如同时有两个或更多的节 点开始发送引乏义，则采_ l l j 标识符i d 米进行仲裁，发送具有最优先权 的报文 ，点赢得总线使用权，而其他节点则自动停止发送，当总线 再次空闲时，这些节点将自动重发原报文。一个高优先级的报文可 以期望在l3 乱】s 之内开始发送报文( 当波特率为l mb p s 时) 。 在c a n ，o d , 线系统中任何一个节点不使用有关系统结构的任何信 息( 如站地址等) 。报文中的标识符i d 并不指出报文的目的地址， 而是州米描述数据的含义。网络中的所有节点均可由i d