CAN总线在变电站综合自动化系统中的应用.doc

CAN总线在变电站综合自动化系统中的应用The Application of CAN Bus in Substation Automation System 吴烽1，乔宇峰2（1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.内蒙古电力中心调度所，内蒙古 呼和浩特 010020）摘要 本文针对目前国内变电站综合自动化系统存在的不足，提出了将CAN总线运用于变电站综合自动化系统中的设计方案，并给出了CAN总线通信的软件编程。关键词CAN总线 变电站 综合自动化0 引言随着自动化技术、计算机技术和通信技术的发展，变电站综合自动化技术得到了迅速的发展。其内容是将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。变电站的综合自动化系统通常在保护子系统和监控系统之间设置保护管理机(或通信控制机)在自动化系统中起承上启下的作用。各保护单元的微机装置和保护管理机之间目前多采用RS-485通信方式。由于485串口通信方式不可靠，会出现通信中断，影响运行人员对变电站运行情况的监视。本文在此基础上提出了用CAN总线改进的设计方案。1 CAN总线技术1.1 CAN总线的特点 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。控制器局部网（CAN）是一种多主站局部网络，多个单片机可通过片内CAN控制器挂到CAN总线上。CAN具有强有力的检错功能以及优先权和仲裁功能，可在高噪声干扰环境中使用，其最高通信速率可达1Mb/s，最大通信距离可达5 000m。所以近年来在电力系统中发挥越来越大的作用。CAN总线是一种串行数据通信协议。在CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。数据的长度最多为八个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时八个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。1.2 CAN节点的分层结构 为使设计透明和执行灵活，CAN划分为不同的层次：CAN目标层、CAN传输层和物理层。节点分层结构如图所示。目标层的功能包括：寻找被发送的报文，确定通过传输层接收的报文实际被使用以及提供与硬件有关应用层的接口；传输层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定；物理层的范围是有关全部电气特性不同节点间位的实际传送。2 CAN总线在大型变电站综合自动化系统中的应用变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监测、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。大型变电站的综合自动化系统一般采用分层分布式集中组屏结构。信息管理层是系统的最高层，可以采用单机或LAN实现.主要运行变电站SCADA/EMS（Supervisory Control and Data Acquisition/Energy Management System）系统,完成数据库管理站级控制人机接口等功能。在变电站的管理层设有通信控制机专业负责与调度中心通信，并设有工程师机负责软件开发与管理功能。 各保护单元的微机装置和保护管理机之间目前多采用RS-485通信方式。 由于保护装置的实时性要求较高，而RS485总线采用轮循方式进行通信，一条RS485总线接太多的保护设备会影响通信周期，并容易引起通信死锁。现用CAN总线进行改进。在间隔层和管理层之间的主干网络可由光纤或双绞线构成以太网。系统结构框图如下：3 软件设计按照网络的OSI 7层模型来看CAN总线网络完成了最下两层协议的工作，即物理层和数据链路层,它们由CAN控制器的硬件实现电平变换和帧的封装。CAN系统中，数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其中：数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧可由任何节点发送，以检测总线错误，而超载帧用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延迟。另外，数据帧和远程帧以帧间空间同先前帧隔开。CAN总线节点要有效、实时地完成通信任务，软件的设计是关键，也是难点。它主要包括节点初始化程序、报文发送程序、报文接收程序以及CAN总线出错处理程序等等。在初始化CAN内部寄存器时注意使得各节点的位速率必须一致，而且接和发双方必须同步。报文的接收主要有两种方式：中断和查询接收方式。为提高通信的实时性应采用中断接收方式，而且这样也可保证接收缓存器不会出现数据溢出现象。下面以PHILIP公司的P8XC592系列的带CAN口的单片机为硬件基础给出CAN总线通信的软件编程。void can_init(void)/*初始化程序 CANADR=0;/*访问控制寄存器 CANDAT=1;/*置复位请求位,使其进入复位 状态 While(CANDAT&0x01=0);/*空操作进入等待状态CANADR=0x64;/*内部寄存器地址自动增加CANDAT=0x01;/*验收码寄存器CANDAT=0xfe;/*验收码屏蔽寄存器CANDAT=0x01;/*总线定时器0,1的设置CANDAT=0x1c;/*在16MHZ的情况下波特率设置为250CANDAT=0x1e;/*正常输出方式,TX1引脚悬浮void can_send（unsigned char ID1,unsigned char ID2,charTXDATA8)/*该子函数完成一帧数据的发送 while(CANSTA&0x08)4=0); while(CANSTA&0x04)2=0);/*检查上次请求发送是否完成CANADR=0x6A;CANDAT=ID1;CANDAT=ID2;CANDAT=TXDATA0;CANDAT=TXDATA7;CANCON=1;/*发送请求while(CANSTA&0x08)4=0);void can_receive(void) interrupt 5 using 1 /*该中断子函数进行接收一帧的数据 EA=0;if (CANCON&0x04)2)=1)error();/*如果是出错中断,则调出错处理函数if(CANCON&0x08)3)=1) overrun();/*如果是超载中断,则调超载处理函数while(CANCON&0x0c)0)=2);CANADR=0x74;RXID0=CANDAT;RXID1=CANDAT;if(RXID1&0x10)1)=0)/* 如果数据快是数据帧RXDATA0=CANDAT; /*RXDATA全局数据变量数组RXDATA7=CANDAT;CANCON=0x04;/*释放接收缓存elseif(RXDATA1&0x10)4)=1)/*如果是远程帧/*相应处理程序*/;EA=1;结束语由于保护装置的实时性要求较高，而RS485总线采用轮循方式进行通信，一条RS485总线接太多的保护设备会影响通信周期，并容易引起通信死锁.采用可靠、实用、高效的通信网络和协议，可以优化变电站自动化系统的功能。CAN总线具有传输速率快、可靠性高的优点可以改善变电站综合自动化系统中的不足。参考文献1丁书文，黄川诚.变电