（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的网络监控系统及在泵站中的应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fp u m ps t a t i o ni sm a i nf a c i l i t y w h i c ha r eu s e di n c i t yf l o o dp r e v e n t i o n t h es y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n s u r i n gs a f e t ya n dn o r m a l l i f ea n dj o b m a n yo fo v e r s e a sp u m ps t a t i o nh a v er e a l i z e dg o o da u t o m a t i o na n d p e r f e c t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n tm a n yo fp u m ps t a t i o n i no u rc o u n t r yl a c k g o o da n da d v a n c e da u t o m a t i o nm e a s u r e s t h e r e f o r em a n yp e o p l eb e g i nt o a t t e n t i o n h o wt oe s t a b l i s hi n t a c tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fp u m ps t a t i o na n dq u i c k e nt o r e a l i z ea u t o m a t i o no fp u m ps t a t i o n t h e p a p e ri n t r o d u c e sh o w t od e v e l o p m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mo fac i t yp u m p s t a t i o nb a s e do i lc a nb u s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m f c s i sak i n do fc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l db u s t e c h n o l o g y f c si su p t o d a t ea n d a d v a n c e dc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mw h i c hc o m b i n ec o m p u t e rt e c h n o l o g y n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t e c h n o l o g y t h ep r o j e c tr e a l i z e sr e a l t i m ei n s p e c t i o n a n dd i s p l a yo fm a i np a r a m e t e r s u c ha ss t a t o rv o l t a g e s t a t o rc u r r e n t e x c i t a t i o nv o l t a g e e x c i t a t i o nc u r r e n t p o w e r p o w e rf a c t o r o f p u m ps y n c h r o n o u s e l e c t r o m o t o r t h e p m j e c tr e a l i z e sl o n g r a n g e o p e r a t i o no f e l e c t r o m o t o rs u c ha ss t a r t u p s t o p e m e r g e n ts t o pt h r o u g hc a n b u s t h ep a p e ri n t r o d u c e ss i m p l yc o m p u t e rn e t w o r k a f t e r w a r dt h ep a p e ra n a l y z e s t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dm e r i t t h e nt h ep a p e rc o m p a r e ss o m et y p i c a lf i e l d b u s e s p e c i a l l y t h e p a p e rs t u d y t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c p r o t o c o l s t a n d a r d s s t o r i e d c o n f i g u r a t i o no fc a n b u s a n db r i n go u tt h er e s e a r c ho fc a n b a s e dm o n i m r i n ga n d c o n t r o ln e t w o r ks y s t e ma n da p p l i c a t i o ni np u m ps t a t i o n a tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c e s h o wt o d e s i g n d a t ac o l l e c t i o n s y s t e m l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s y s t e m r s 2 3 2 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m c a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fm c u i nb o t t o mc o m p u t e r k e y w o r d s c a n b u s m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l p u m p s t a t i o nm c u i i 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内泵站监控系统的发展和现状 1 1 1 我国泵站监控系统的发展 泵站建设在我国已有近4 0 多年的历史 其功能日趋完善 在灌溉 排涝 航 运补水和市政供水等方面起着非常重要的作用 1 j 我国泵站监控自动化技术是随着 国民经济发展和计算机技术的进步而逐渐发展起来的 以9 0 年代为界 划分为两 个阶段 在9 0 年代以前 中国多次尝试把计算机实时监控技术运用到泵站监控系 统中 但是由于技术等各个方面的原因 没有取得很大的进展 在9 0 年代以后 随着计算机技术迅速发展和普及 监控装置在泵站得到了较快的发展和运用 2 i 纵观我国泵站计算机监控系统的发展 监控系统体系结构经历了集中式数据 采集系统和监控系统 c c s 集散数据采集系统和监控系统 d c s p 1 1 集中式泵站计算机监控系统 集中式是早期的应用形式 主要用在泵站的数据采集和监督上 由于工业控 制计算机和信号调理单元都集中在控制室内 而且所有工作主要集中在一台计算 机中 所以集中式系统存在以下缺点 大量信号电缆要引进控制室 且这些电缆中传送的大多数是非电量的物理 信号或者是微弱的电信号 故抗干扰能力差 误差太 电缆成本高 安装维 护不方便 数据采集 控制 图形画面显示等所有工作都由一台计算机完成 c p u 主 板负荷重 可靠性要求高 一旦c p u 主板出现错误 整个系统瘫痪 2 分布式泵站计算机监控系统 集散控制系统 d c s 于八 九十年代占主导逾位 其核心思想是集中管理 分散控制 即管理与控制相分离 上位机用于集中监视管理功能 若干台下位机 分散到现场实现分布式控制 上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信 湖北工业大学硕士学位论文 息传递 因此 这种分布式控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统 对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷 目前 我国有许多公司 研究所投入大量资金研究泵站自动化技术 而且也 开发出了一些产品 比如 北京四方利公司 h s c 2 0 0 0 p 泵站综合自动化系统 柏元网控信息技术 上海 有限公司 基于i n t e r n e t 的泵站远程监控系统设 计 南京联宏自动化系统工程有限公司 l o n w o r k s 控制网络技术在城市排水泵 站自动化中的应用 近些年来 由于计算机技术的不断发展 经过技术改造 我国少数泵站自动 化技术已达到一定水平 但是与国外相比 仍然有差距 f 2 1 1 2 我国泵站监控系统的现状 目前全国已建成大中型灌区5 6 0 0 多处 固定排灌泵站5 0 多万处 口 国内中小 型泵站水泵机组的起动 运行和停车 大多靠人工手动操作来完成 站内值班人 员一般需6 9 人 这种现状不仅工作强度大 而且工作效率不高 在国内近年来 兴建的大型泵站中 大都设置了微机数据采集系统 但还是有许多泵站还不能 实现对运行过程的计算机控制 国内监控系统主要存在以下不足 l j 1 监控系统开放性不是很彻底 主要表现在 和不同厂家硬件设备接口功 能差 二是数据及功能模块接口功能差 2 故障诊断技术不是非常成熟 监控系统与故障诊断技术有着不可分割的 关系 在泵站监控过程中 如果发现泵站运行的常见故障系统能够自动调用已存 储的故障模式 判断故障类型给出处理措施 及时排除故障 并对该故障记忆 进行自学习 这将减少停机次数 提高生产效率 1 2 国外泵站监控系统的发展和现状 2 湖北工业大学硕士学位论文 国外泵站临控系统搞得比较好的到家有美国 f i 本 英国 荷兰 前苏联等 这些国家起步早 技术也很先进 比如 口本水管理系统j l 乎全部实现了自动化 监控系统大都采用集中管理分层分 布方式 即在一个水系上设中央管理站 采用电子计算机和遥测 遥控装黄 对 各种泵站 水工建筑物 渠道等进行集中监控 达到水资源综合利用的目的 2 j 美国西部调水工程泵站自动化也有着较高的水平 美国a n j i i 调水工程由水资 源部统一管理运行 并于1 9 6 4 1 9 7 4 年安装了控制系统 包括计算机 通信设备 和电子设备 中央控制系统主要由计算机系统 c r t 系统 调度控制台 模拟屏 打印系统和通信系统组成 模拟屏高3m 长1 6m 带有警铃装置一旦出现事故 或非常情况 警铃就会自动报警 1 2 1 1 3 课题选择背景以及研究内容 1 3 1 课题选择背景 我国泵站计算机监控系统体系结构经历了集中式数据采集系统和监控系统 c c s 集散数据采集系统和监控系统 d c s 虽然 相对c c s 而言 d c s 有 许多优点 而且在国内已有广泛应用 但是遗憾的是 不同的d c s 厂家为达到垄 断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式 不同厂家的d c s 系 统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息 共享 因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的 不具可互操作性 的分布式控制系统且d c s 造价昂贵 在这种情况下 用户对网络控制系统提出了 开放化和降低成本的追切要求 1 由于微处理器技术和通讯技术的发展 从8 0 年代中期 即出现了很多带有微 处理器的智能化现场仪表 从此萌发了现场总线的思想 正是在这种情况下 出 现了现场总线监控系统 现场总线控制系统 f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 阱下简称f c s 一方面突破了d c s 湖北工业大学硕士学位论文 系统采用通信专用刚络的局限 采用了基丁二公开化 标准化的解决方案 克服了 封闭系统所造成的缺陷 另一方面把把d c s 的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 把控制功能彻底下放到现场 现场总线既是新兴的工 业控制系统 又是低带宽的底层控制网络 它可以与因特网 i n t e r n e t 企业内部刚 i n t r a n e t 相连 位于生产控制和网络结构的底层 现场总线控制系统 f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 以下简称f c s 是正在兴起的一 种基于现场总线技术的计算机控制系统 它是集当今计算机技术 网络技术和控 制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术 是一种全分敬 全数字 全开放 的控制系统 它适用于工业过程控制 制造业及楼宇自动化等领域 将成为下世 纪计算机控制系统的主流 6 1 f c s 基于现场总线技术 现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种全 分散 全数字化 智能 双向互联 多变量 多点 多站的通信网络系统 具有 可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 通信速率快 系统安全 造价低廉 维护 成本低等特点 现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础 提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性 节省了系统的硬件和布线费t e 方便了用户对系统的组态 管理和维护 泵站调度管理系统将对整个泵站的多个检测点及泵站设备实现分布式监控和 集中管理 泵站调度管理系统采用分布式远程控制网络对各监控点的液位 流量 雨量 泵站水泵的电流 电压 开机台时设备运行状态等数据进行实时采集 同 时对各排水泵站的水泵等设备实现实时自动远程控制 为了对分布广 数量多的各监测点进行实时监测与控制 经过认真 仔细地 对国内排水调度管理系统的现状进行调研及分析后 我们开发了基于c a n b u s 技 术的泵站远程监控系统 1 3 2 课题研究内容 本课题是湖北省教育厅重点项目 项目编号为 2 0 0 2 a 0 0 0 1 2 4 湖北工业大学硕士学位论文 泵站监控系统的研究内容包括 上位机 下位机 p l c 三部分 具体有以下 各个方面 1 上位机电量 温度参数动态显示 故障诊断 2 泵站电动机的远程 现场开机和关机任务 3 泵站监控系统的下位机电量参数动态显示 4 泵站监控系统的下位机温度参数动态显示 5 泵站监控系统的下位机温度信号采样 6 泵站监控系统的下位机电量信号采样 在该课题的中 我主要完成了以下工作 1 研究了当今流行的几种现场总线的结构特点和技术特点 2 比较深入的研究了c a n 总线的性能特点和技术规范 研究了c a n 网络的 基本工作原理 c a n 控制器的结构和协议规范 提出了基于c a n 总线的泵站监 控系统的研制 3 完成泵站监控系统的电量信号采样 4 完成下位机电量参数动态显示 5 完成泵站电动机的远程 现场开机和关机任务 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章计算机网络和协议 2 i 计算机网络分类 2 1 按拓扑结构分 1 星型网络组成 各节点间无直接的链路 分节点问的通信必须通过中 l x 节 点间接实现 优点 结构简单 构造容易 便于管理和访问协议简单 缺点 中心 节点负担过重 扩充困难 对中 1 1 节点的可靠性要求高 通信线路总长度长 费用高 安装 维护麻烦 2 环型网络组成 各主机经由各自的中继器或转发器和点到点链路组成闭 合环 优点 结构简单 传输路径长度较短 最大延迟确定 时实性较好 缺点 某个 节点出错可能会终止全网运行 既可靠性较差 同时扩充困难 这是由于此时需要对 全网拓扑和访问机制进行调整所致 3 总线型网络组成 采用单根传输线作为传输介质 所有站点都通过相应的 硬件接口直接连到传输介质既总线上 任一站点发送的信号都可以沿介质传输且 能被其他所有站点接收 但只有目的站点真正接收 其他的站点则把信号丢弃 优点 电缆长度短 可靠性高 易于扩充 缺点 总线的物理长度和容纳的站点数有限 多用于组建局域网 4 树型网络 7 组成 各节点按层次进行连接 处于越高层次的节点 其可靠 性要求越高 优点 这种结构总线路长度较短 容易扩展和进行故障隔离 缺点 结 构比较复杂且对根的依赖性太大 5 网状型网络 8 组成 一般又分有规则和无规则型优点 最大特点是可靠 性高 因为节点间存在着冗余链路 某个链路出了故障 还可以选择其它 缺点 通信线路长 成本高 路径控制复杂 湖北工业大学硕士学位论文 以上各利 拓扑结构图1 1 如下 r j 一 i 星型网络环型网络 论 一i ii 一 树型网络网状型网络总线型网络 图2 1 拓扑结构 2 1 2 按网络的作用范围分 1 局域网l a n l o c a la r e an e t w o r k 是将小区域如工厂 学校 公司等 的计算机 终端和外围设备等互连在一起的通信网络 特点 高数据率 0 1 1 0 0 0 m b p s 短距离 0 1 2 5 k m 和低误码率 2 广域网w a n w i d ea r e an e t w o r k 大区域的计算机网络 如多个l a n 互联而构成的跨市 国家和国际性的计算机网络 广域网有时也称为远程网 特点 数据传输率l a n 低得多 一般是数百至数千b p s 近年来随着通信技术进 步可提高到数十甚至几百m b p s 3 城域网m a n m e t r o p o l i t a n 作用范围在广域网和局域网之间 例如作用 范围是一个城市 其传送速率的范围较宽 其距离范围约为5 5 0 k m 当然 还有其他各种分类 比如 按计算机间的关系分或按信息传输方式分 等 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 计算机网络协议 2 2 1 接口和实体 接口是为两个系统 设备或部件之间连接服务的数据流穿越的界面 计算机 通信接口由设备 或部件 和说明组成 一般包括四个方面内容 物理 电气 逻辑和过程 在物理方面 要指出连接器有多少插脚 在电气方面 要确定接口 电路信号的电压 宽度和它们的时间关系 在逻辑方面 包括说明为了传送如何 把数据位或字符换成字段 以及说明传输控制字符的功能使用等 在过程方面 说明通信控制字符的法定顺序 各种字段的法定内容以及控制数据流穿越接口的 命令和应答 1 在计算机网络内 不同系统中的实体需要通信 一般的说 实体是能够发送 或接收信息的东西 而系统是包含一个或多个实体的物理实体 实体的例子如用 户应用程序 进程 数据库管理系统等 系统的例子是计算机 终端设备等 2 2 2 协议及功能 通过通信信遭和设备互连起来的多个不舄地理位置的计算机系统 要使其能协 同工作以实现信息交换和资源共享 它们之间必须具有共同的语言 交流什么 怎 样交流及何时交流 都必须遵循某种互相都能接受的规则 这些为进行计算机 网络 中的数据交换而建立的规则 标准或约定的集合就称为网络协议 p r o t o c 0 1 7 1 网络协议主要由下列三个要素组成 1 1 语义 s e m a n t i c s 涉及用于协调与差错处理的控制信息 2 语法 s y n t a x 涉及数据及控制信息的格式 编码及信号电平等 3 定时 t i m i n g 涉及速度匹配和排序等 8 湖北工业大学硕士学位论文 协议的功能是控制并指导两个实体的对话过程 发现对话过程中出现的差错 并确定处理策略 2 3 计算机网络体系结构 2 3 1 开放系统互连 o s i 七层模型 开放系统互连 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 基本参考模型是由国际标准化组 织 i s o 制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型门 8 l 所谓 开放 并不是指 特定的系统实现具体的互连技术和手段 而是对可使用的标准的共同认识和支持 一个系统是开放的 是指它可与世界上任何地方的遵守相同标准的任何系统通信 开放系统互连 参考模式的目的是为协调系统互连标准的开发提供一个共 同基础 在该参考模式中 提供的是概念性和功能性结构 而不是互连结构设施 和协议细节的精确定义 各层协议细节的研究是各自独立进行的 o s i 包括了体系结构 服务定义和协议规范三级抽象 o s i 的体系结构定义 了一个七层模型 用以进行进程间的通信 并作为一个框架来协调各层标准的制定 o s i 的服务定义描述了各层所提供的服务 以及层与层之间的抽象接口和交互用的 服务原语 o s i 各层的协议规范 精确地定义了应当发送何种控制信息及用何种过 程来解释该控制信息 如图2 1 所示 o s i 七层模型从下到上分别为物理层 p h y s i c a ll a y e r p h 数据 链路层 d a t a l i n k l a y e r d l 网络层 n e t w o r kl a y e s n 运输层 t r a n s p o r tl a y e r d 会话层 s e s s i o nl a y e r s 表示层 p r e s e n t a t i o nl a y e g p 和应用层 a p p l i c a t i o n l a y e r 舢 每个层次都在完成信息交换的任务中担当一个相对独立的角色 具有特 定的功能 其中第7 层为最高层 第1 层为最低层 9 湖北 t 业大学硕士学位论文 陵 口 应用层 a 层协议 表示层 会话层 p 层机议 s 层协议 p r e s e n t a t i o nl a y e r s e s s j 0 1 3 传输层 嘲绍层 t 层协议 n 屠协议 t r a n s p o r tl a y e r n e t w o r k 链路层 d l 层协议 物理层 p h 层协议 图2 2o s i 七层体系结构 2 3 2 开放系统互连 o s i 七层模型的低层协议 接 口 o s i 中的低层协议通常指物理层 数据链路层和网络层这三层的组合 它们实 现的是o s i 系统中面向通信的功能吼 物理层 物理层 p h y s i c a ll a y e r 的主要功能是完成相邻结点之间原始比特流的传输 物理层协议关心的典型问题是使用什么样的物理信号来表示数据 1 和 o 位持续韵时间多长 数据传输是否可同时在两个方向上进行 最初的连接如何建 立和完成通信后连接如何终止 物理接口 插头和插座 有多少针以及各针的用 处 物理层的设计主要涉及物理层接口的机械 电气 功能和过程特性 以及物 理层接口连接的传输介质等问题 物理层是o s i 参考模型的最低层 向下直接与 物理传输介质相连接 数据链路层 这是o s i 模型中极其重要的一层 它把从物理层来的原始数据打包成帧 一 个帧是放置数据的 逻辑的 结构化的包 数据链路层负责帧在计算机之间的无 差错传递 数据链路层是o s i 参考模型的第二层 它介于物理层与网络层之间 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 设立数据链路层的主要目的是将一条原始的 有差错的物理线路变为对网络层无 差错的数据链路 s 网络层 这一层定义网络操作系统通信用的协议 为信息确定地址 把逻辑地址和名 字翻译成物理的地址 它也确定从源机沿着网络到目标机的路由选择 并处理交 通问题 例如交换 路由和对数据包阻塞的控制 数据链路层协议是相邻两宜接连接结点间的通信协议 它不能解决数掘经过 通信予网中多个转接结点的通信问题 设置网络层的主要目的就是要为报文分组 以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务 而网络用户不必关心网络的拓 扑构型与所使用的通信介质 网络层也许是o s 参考模型中最复杂的一层 部分原因在于现有的各种通信 子网事实上并不遵循o s i 网络层服务定义 同时 网络互连问题也为网络层协议 的制定增加了很大的难度 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于c a n 总线技术的计算机网络 3 1 现场总线技术简介 现场总线顺应了现场设备智能化的发展趋势 它以具备数字计算与数字通信 能力的现场设备作为刚络节点 以总线作为节点问实现数字通信的纽带 构成数 字式 双向传输 全分散 多分支结构的控制网络i 引 现场总线的出现适应了工业 控制系统向分散化 网络化和智能化发展的方向 并且促使目前的自动化仪表 集散式控制系统 d c s 和可编程控制器 p l c 等产品所面临的体系结构和功能 结构产生重大变革 导致工业自动化领域的一次更新换代 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散 全数字化 智能 双向 多变量 多点 多站的通信系统 它是一种底层控制网络 按i s o 的o s i 标准提供网络服务 可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 通信速率高 造价低 维护成本低 l 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 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线 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 微机化测量控制仪表之间以及现场仪表与远程监控计算机之间 实现数据传输与 信息交换 形成各种适应实际需要的自动控制系统 简而言之 它把单个分散的 测量控制仪表变成网络节点 以现场总线为纽带 把它们连接成可以相互沟通信 息 共同完成自控任务的网络系统与控制系统 现场总线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 现场总线控制系统f c s f i e l d c o n t r o ls y s t e m 这是继基地式气动仪 表控制系统 模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统c c s c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m 集散式控制系统d c s d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m 后的新一代控制系统 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 现场总线的技术特点 1 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开 各不同厂家的设备之问可 进行互连并实现信息交换 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网 络的开放系统 这里的开放是指对相关标准的一致 公开性 强调对标准的共识 与遵从 一个开放系统 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连 一 个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的 开放系统把系统集成的权利 交给了用户 用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意 的系统 1 1 l 2 互可操作性与互用性 这里的互可操作性 是指实现互连设备问 系统 间的信息传送与沟通 可实行点对点 一点对多点的数字通信 而互用性则意味 着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用 3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感 受 i 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 由于现场设备本身己可完成自动控制的基本功 能 使得现场总线已构成 种新的全分布式控制系统的体系结构 从根本上改变 了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可 靠性 5 对现场环境的适应性 现场总线可支持双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现送电与通信 并 可满足本质安全防爆要求等 3 3 典型现场总线简介 1 基金会现场总线 基金会现场总线 即f o u n d a t i o nf i e l d b u s 简称f f 这是在过程自动化领域得 湖北工业大学硕士学位论文 到广泛支持和具有良好发展前景的技术 其前身是以美斟f i s h e r r o u s e r n o u n t 公司 为首 联合f o x b o r o 横河 a b b 西门予等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首 联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r d f i p 协议 屈于用户的压力 这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并 成立了现场总线基金会 致力于开发出国际卜统 一的现场总线协议 它咀 s o o s l 开放系统互连模型为基础 取其物理层 数据 链路层 应用层为f f 通信模型的相应层次 并在应用层上增加了用户层 1 2 1 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率 h 1 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s 通信距离可达1 9 0 0 m 可力n 中继器延长 可支持总线供电 支持本质安 全防爆环境 h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种 其通信距离为7 5 0 m 和 5 0 0 m 物理传输介质可支持比绞线 光缆和无线发射 协议符合l e c l l 5 8 2 标准 2 c a n 总线 c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k c a n 总线最早是由德国b o s c h 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间 的数据通信协议 其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准 并且 泛 应用于离散控制领域 它也是基于o s i 模型 但进行了优化 采用了其中的物理 层 数据链路层 应用层 提高了实时性 其节点有优先级设定 支持点对点 一点对多点 广播模式通信 各节点可随时发送消息 传输介质为双绞线 通信 速率与总线长度有关 c a n 总线采用短消息报文 每一帧有效字节数为8 个 当 节点出错时 可自动关闭 抗干扰能力强 可靠性高 3 l o n w o r k s 总线 l o c a l o p e r a t i n g n e t w o r k l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司开发 并与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡 导的现场总线技术 它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构 l o n w o r k s 技术 的核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片 n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议 其上集成有三个8 位c p u 一个c p u 完成o s i 模型第一和 第 n 的功能 称为介质访问处理器 一个c p u 是应用处理器 运行操作系统与 用户代码 还有一个c p u 为网络处理器 作为前两者的中介 它进行网络变量寻 址 更新 路径选择 网络通信管理等 由神经芯片构成的节点之间可以进行对 湖北工业大学硕士学位论文 等通信 l o n w o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构 组刚方式灵活 l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化 工业控制等 在组建分布式监控网络方 而有较优越的性能 1 4 p r o f i b u s 总线 p r o c e s sf i e l db u s p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总线 包括p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s p r o f i b u s p a 三部分 它也只采用 了o s i 模型的物理层 数据链路层 应用层 p r o f i b u s 支持主从方式 纯主方 式 多主多从通信方式 p r o f i b u s d p 用于分散外设间的高速数据传输 适合 于加工自动化领域 f m s 型适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压丌关 等 而p a 型则是用于过程自动化的总线类型f 1 4 j 5 h a r t 总线 h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议 它是用于现场智 能仪表和控制室设备间通信的一种协议 它包括i s o o s i 模型的物理层 数据链 路层和应用层 h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式 这种协议是可寻址远程 传感器高速通道的开放通信协议 其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信 号通信 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品 因而在当前的过渡时 期具有较强市场竞争力 在智能仪表市场上占有很大的份额 3 4 现场总线发展现状和发展趋势 由于现场总线种类繁多 且各自在不同领域得到了广泛应用a 各种现场总线 代表着不同公司多年的研发投资和市场利益 不同总线的技术侧重不同 各有特 色 各有相应的应用领域 就目前各种现场总线技术来看 没有哪种现场总线能 够完全适用于所有的应用领域 尽管工业以太网因其无可比拟的优势进入现场控 制级已成为发展趋势 但至少现在看来 它难以完全取代现场总线而成为实时控 制通信的单一标准 因此 多种现场总线共存的局面将在一个很长的时闻内存在 在由多种不同类型的现场总线构成的系统中 各种现场总线产品由于协议的不同 湖北工业大学硕士学位论文 而无法相互通信 严重妨碍了用户的选择 对用户而言 如果一个系统中每个 智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器 系统的组态性和灵活性将很差 而且改造升级的成本会很大 1 5 1 6 j 随着工业以太网技术的发展 各现场总线相继推出了捆绑以太网的新一代现 场总线技术和产品 以期建立能够让多种现场总线协同工作的控制系统 多种现 场总线集成起来协同完成工业企业的测控任务 是目前自动化系统供应商抢夺市 场的重要策略 只有这样才能适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的 需要 最大限度的保护用户的利益 1 8 j 3 5c a n 总线技术 3 5 1c a n 总线概述 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测 试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 从1 9 8 5 年起得到了i n t e l 公司的支持 并于1 9 8 8 年推出了第 个c a n 总线产品即i n t e l f u l lc a n 一c h i p 8 2 5 2 6 另外 一些国际著名的半导体供应商 例如 p h i l i p s m o t o r o l a n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 等 也都陆续推出自己的c a n 总线器件 2 0 1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控 制器局部网 c a n 国际标准 i s o l l 8 9 8 为控制器局部网标准化 规范化推广 铺平了道路 c a n 总线协议已被国际标准化组织认证 技术比较成熟 控制的芯 片已经商品化 性价比高 特别适用于分布式测控系统之间的数通讯 2 2 i c a n 总线插卡可以任意插在p ca tx t 兼容机上 方便地构成分布式监控系统 c a n 卓越的特性 极高的可靠性和独特的设计 因此 越来越受到工业界的重视 并 已公认为最有前途的现场总线之一 3 5 2c a n 技术特征 湖北工业大学硕士学位论文 c a n 拓扑结构为总线式通信网络 c a n 提供高速数据传送 在短距离 4 0 m 条件卜 具有高速 1 m b i f f s 数据传 输能力 而在最大距离1 0 0 0 0 m 时具有低速 5 k b i t s s 传输能力 2 3 传输介质为双绞线 同轴电缆或光导纤维 2 4 1 理论上 c a n 总线的网上节点数不受限制 但具体数量取决于物理层的承 受能力 通常c a n 总线上的节点数可达1 1 0 个 对于节点数超过1 1 0 个的c a n 网 络 可以使用c a n 网关对c a n 总线进行扩展 以达到用户的要求 2 5 报文标识 符有2 0 3 2 种 c a n 2 o a 而扩展标准 c d u n 2 0 b 的报文标识符几乎不受限制 c a n 采用多主工作方式 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 且无需站地址等节点信息 利 用这一特点可方便的构成多机备份系统 2 6 1 c a n 的通信介质访问方式为带优先级的c s m a j c a c a n 网络上的节点信 息被分为不同的优先级 当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的节点 会主动地退出发送 而最高优先级的节点可不受影响的连续发送数据 从而大大 节省了总线冲突仲裁时间 2 7 c a n 采用短帧结构 数据传输时间短 抗干扰能力强 具有极好的容错效 果 2 8 c a n 拥有强大的错误检测和处理机制 它的每帧信息都有c r c 校验及其它 检错措施 保证了极低的数据出错率 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关 闭功能 以使总线上的其它节点的操作不受影响 矧 3 5 3c a n 网络协议标准 c a n 遵从o s i 模型 按照o s i 基准模型 c a n 结构划分为两层 数据链路 层和物理层 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准 数据链路层可以划分为逻辑链路控制 子层 l l c l o g i c l i n kc o n t r 0 1 和媒体访问控制子层 m a c 一m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 物理层又划分为物理信令 p l s p h y s i c a ls i g n a l l i n g 物理媒体附属 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 装置 p m a p h y s i c a im e d i u ma t t a c h m e n t 媒体相关接 m d i m e d i u m d e p e n d m e n ti n t e r f a c e 3 0 它有两个版本的协议规范 c a n l 0 和c a n 2 0 其中 的c a n 2 0 标准义分成两个部分 p a r t a 和p a r tb c a n l 0 和c a n 2 0 a 中舰 定 帧标识必须是1 1 位二进制数 c a n 2 0 b 中规定 帧标识既可以是1 1 位二进 制数 称为标准标识 也可以是2 9 位二进制数 称为扩充标识 相应的具有 扩充标识的帧称为 扩充帧 3 l j c a n 技术规范包括数据链路层和物理层 通过c a n 控制器可以实现这两层 的功能 但是要构建一个完整的c a n 网络通信系统 就必须考虑应用层西议 在 应用层协议 可以完成数据链路层和物理层所不能完成的功能 比如 数据传送 的应答与确认 标识符的分配 网络的启动等 应用层协议至今仍然没有统一的标准 是我们根据实际情况具体制定实现的 应用层协议一般以软件形式实现 为了推动c a n 应用的不断发展 有些组织和公司推出了一些应用层协议 如 c a n o p e n d e i c e n n e t c a l 等 3 5 4c a n 控制器的分类 由于c a n 总线具有通信速率高 可靠性高 连接方便和性价比高等诸多特点 推动其应用开发的迅速发展 推广应用反过来又促进器件生产商不断推出新的 c a n 总线产品 大体上 c a n 控制器可以分为两类 独立型c a n 控制器 独立型c a n 控制器是指不与其它智能处理单元集成而单独成为一个器件的控 制器 独立型c a n 控制器可以与别的单片机连接使用 代表产品有 p h i u p s 8 2 c 2 0 0 i n t e l 8 2 5 2 6 等 集成型c a n 控制器 集成型c a n 控制器是将c p u 和c a n 控制器集成在一个器件上 它们之间通 过内部地址 数据总线进行访问 代表产品有 p h i l i p s 8 x c 5 9 2 c y g n a l f 0 4 0 等 湖北 t 业大学硕士学位论文 第4 章泵站监控系统下位机设计 4 1 泵站监控系统总体框图和功能介绍 l 电机电量模拟信号 l 习 叵 p i 下位机l c d t l 电机温度检测信号 r v 1 单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机1 4 0 4 0 i 圭竺塑 l 型巴巨o 斟亟王匝 恻4 1 总体框图 泵站监控系统分为上位机和下位机两部分 上位机和下位机之间通过c a n 总 线进行通讯 下位机又单片机和p l c 组成 这篇论文这主要介绍单片机部分所需 要完成的功能 单片机部分主要由两款单片机组成 单片机f 0 4 0 和单片机 a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机f 0 4 0 所要完成的功能包括 采集现场数据 包括 泵站同步电机定子三相电压和三相电流 励磁电压 和励磁电流 温度等参数 通过霍尔电流 电压传感器把定子三相电压和三相电 流 励磁电压和励磁电流这些模拟信号与单片机隔离开来 然后经过处理 转变 为单片机a d 转换输入端所需要的幅值小于2 4 v 的直流电压信号 通过r s 2 3 2 口 把单片机f 0 4 0 的数字采集信号送到单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 完 成电动机参数的现场显示 通过r s 2 3 2 口 单片机f 0 4 0 与可编程控制器p l c 通讯 把单片杌i 0 4 0 的 数字采集信号送到p l c 以便故障诊断 通过c a n 总线 单片机f 0 4 0 和上位机通讯 把单片机f 0 4 0 的数字采集信 湖北工业大学硕士学位论文 号送到卜位机 以便故障诊断 在单片机f 0 4 0 可编程控制器p l c 和上位机通讯的环节中 单片机f 0 4 0 起到中问过度的作用 p l c 所反映的泵站现场各个状态通过单片机f 0 4 0 传给上位 机 上位机的开 关机命令通过单片机f 0 4 0 传给p l c 单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 所要完成的功能包括 通过r s 2 3 2 口 把单片机f 0 4 0 的 数字采集信号送到单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 完成电动机参数的现场显示 4 2f 0 4 0 单片机介绍 c 8 0 5 tf 0 4 0 采用s i l i c o nl a b 的专利c i p 一5 1 微控制器内核 c i p 一5 1 与 m c s 5 1 t m 指令集完全兼容f 3 2 c y g n a l c 8 0 5 1f 0 4 0 是完全集成的混台信号系统级芯片 在片系统 即s o c s y s 把m