（电力电子与电力传动专业论文）基于lonworks技术的污水处理控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o nr h y t h m sa n du r b a n i z a t i o nl e v e l s ， w a t e rp o l l u t i o nh a sb e c o m eo r l eo ft h em a j o rp r o b l e m su n i v e r s a l l y i ti sa l l e c o n o m i c a la n de f f i c i e n tw a yt ou s ea u t o m a t i o nc o n t r o lo f w a s t ew a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s l o n w o r k sn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yi san e w - s t y l ef i d d b u st c c i m o l o g y io nb u sw h i c hi sak i n do ft h em o s tp o p u l a rf i e l d b u sh a sb e e nu s e di nb u i l d i n g , t r a f f i c ，e n e r g ys o u r g 锱a n d $ 4 3o n l o n w o r k st e c h n o l o g yg a t h e r sc o m p u t e r , n e t w o r k a n dc o n t r o l ，i n t e g r a t e sl o n t a l kp r o t o c o lw i t ha l ls e v e nl a y e r so fi s o o s i , a n d r e a l i z e sc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n s ，b e i n gf l e x i b l ei ng r o u p i n ga n dg o o d a to p e n i n g t h i st h e m si sb a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o no fa u t o m o t i v es u p e r v i s i o na n d c o n t r o ls y s t e m si ny i b i n gh u i m e iw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h el o n w o r k sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mt ow a s t ew a t e r t r e a t m e n tp l a n ti sp r o p o s e d f i r s to fa l l ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g nc l u ea n d h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no fa e r o b i cp a r to fi n t e l l i g e n tn o d e ，w h i c h b a s e do np l 31 5 0p o w e rl i n e s m a r tt r a n s c e i v e ra n ds o m ea c c e s s o r i a lc 抽c u i t r yi s d e s i g n e d s e c o n d l y c o m p a r e dw i t hs e v e r a lk i n d so fc o n t r o ls t r a t e g i e s ，an e w f u z z y + p i d c o n t r o l s 仃a t e g y i s p r o p o s e d i na d d i t i o n , t h e m a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o no f t h ec e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o g r a m m e db y k i n gv i e w 6 5 t h ee s t a b l i s h m e n to fh i g hl e v e la u t o m a t i o n0 1 1s e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，n o t o n l ym a ys t r e n g t h e nt h es y s t e m sr e l i a b i l i t y , a c c u r a c y , b u ta l s om a yr e d u c et h e l a b o ri n t e n s i t ya n dt h ep r o c e s s i n gc o s ta n ds a v et h ee n e r g y t h es e w a g et r e a ：h n e n t p l a n ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw i l lr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o na n dm a i n t e n a n c e a n dw i l lp r o v i d et h ec o n v e n i e n c ef o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to f p r o d u c t i o nc r a f t i tc a l lr e c e i v et h eg o o de c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t k e y w o r d s ：w a s t ew a t e rt r e a t m e n t ，l o n w o r k s ，p l c ，k i n gv i e w 6 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着工业的不断发展，水污染问题引起了各国的广泛关注，成为了人类 共同的研究课题。近几年来，我国印染行业出现了前所未有的快速发展局面， 已经成为世界印染业中规模最大的国家。印染行业在为国家创造经济效益的 同时，也成为水污染大户。 据统计，我国纺织行业每年排放废水9 亿多吨，位居工业废水“排行榜” 第六位；其中印染废水排放量又占纺织工业废水排放量的8 0 。该行业主要 集中在东部沿海地区，截至到2 0 0 3 年底，浙江、江苏、广东、山东、福建5 省产量已占全国印染布总产量的8 6 5 。而浙江、江苏、山东又是重点流域 淮河、太湖所在地，一旦印染污水直排入河流，不仅危害周边地区人们 的身体健康，还破坏了生态平衡，抑制了我国经济的发展，并容易导致水荒 的发生。因此，污水处理系统肩负着沉重的历史使命，成为现代化经济发展 和水资源保护不可缺少的组成部分。 1 1 污水处理工艺简介 污水处理工艺起源于上世纪初，经过长时间的实践与研究已日臻成熟， 为了达剑小的山水要求，典处理工艺各具特色：从传统活性污泥法、氧化 沟工艺发展到a _ o ( 厌氧好氧) 、a a o 、s b r 等多种工艺。针对印染污水 具有脱色困难、含有机物浓度高等特点，一般采用a o ( 厌氧好氧) 法进行 净化。 厌氧生物处理法删，是在无氧的条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解 有机污染物的处理方法。该法的应用已有一百多年历史，但由于其与好氧法 相比，存在着处理时间长、出水水质差、对低浓度有机废水处理效率低等缺 点，从而使其应用受到限制，发展缓慢。 从7 0 年代起，出现了世界性能源紧张，促使污水处理向节能和实现能源 化方向发展。厌氧处理最大的特点是既节能又产能，对缓和污水处理厂”建得 起，养不起”的矛盾有较好的客观效果。因此，厌氧生物处理法引起了人们的 注目，其理论研究和实际应用都取得了很大的进展。在厌氧消化机理方面， 新的甲烷菌不断被发现，多种代谢模式先后被提出，这些都对厌氧生物处理 工艺的研究起到了指导作用。近年来，一些新的厌氧处理工艺或设备，如上 流式厌氧污泥床、上流式厌氧滤池、厌氧接触法、厌氧流化床及两相厌氧消 化工艺等相继出现，使厌氧生物处理法所具有的能耗小，可回收能源，生成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的污泥稳定、易处理，对高浓度有机污水处理效率高等优点，得到充分地体 现。 厌氧生物处理法经过多年的发展，现已成为污水处理的主要方法之一。 不但可用于处理高浓度和中等浓度的有机污水及好氧处理过程中所产生的剩 余有机污泥，还可以用于低浓度有机污水的处理。传统的好氧生化处理方法 主要着眼于除去b o d 、c o d 和s s ，而对氮、磷等营养物质的去除率很低。 由于水体富营养化问题加剧，6 0 年代以来，生物脱氮除磷工艺受到重视，先 后开发了s b r 、a b 法、氧化沟、厌氧。好氧( a - o ) 组合工艺【i j 。在去除有机 物的同时，厌氧好氧( a - o ) 可去除废水中的磷，该组合工艺处理效率高， 经简单预处理的废水，依次经过厌氧、好氧两段处理，可达到国家二级处理 出水标准，对难生物降解的有机物也有较高的去除效果，而且，污泥沉淀性 能好，电耗和药耗少，运行费用低。 1 2 污水处理控制系统 由于污水处理系统是一个多参量( 如液位、水质成分、流量、压力等) 、多 任务( 如污水输送、风量控制、水泵的启停等) 、多设备( 如格栅机、水泵、鼓风 机、阀门等) 且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。因此，为了确保污 水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行和科学地管理污水处理生产过程， 污水处理系统应由一个智能监控与综合管理系统来进行自动化的管理，使之有 效、可靠地运行。这样不仅可以加强整个系统的可靠性、准确性，还可以减少 劳动强度，降低处理成本和节约能源，此外，先进的生产管理也要求有可靠的 自动化控制系统和完善的控制技术，以适应社会发展的需要。 通常，在污水处理工艺过程中，要采用大量的机械设备，它们要根据一 定的程序、时间和逻辑关系运行。早期的污水处理控制系统主要是由技术人 员根据积累的大量经验现场检测、调试，由于处理厂的处理构筑物较多，需 要进行实时检测的项目指标多而复杂，例如：进出水p h 值、进水流量、曝气 池溶解氧量等等，如要对这些指标逐一实时检测，无疑会耗费大量的人力物 力。 到目前为止，工业控制自动化技术经历了两次重大的变革 3 1 。一次是二十 世纪五六十年代从电气传动控制到模拟信号为主的自动化仪表系统；第二次 是二十世纪七八十年代，随着计算机技术的发展，出现了数字调节器、可编 程控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，这也是被许多工业企业正在采用的模拟数字混合系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 国内外的动态 美国从上个世纪7 0 年代就开始将计算机技术应用于污水处理设备，运用 p l c ( 可编程控制器) 和p c 技术进行自动化控制，利用微处理机对水处理设 备实时监控，并能实现无人控制。如：直接数字式计算机控制应用于自动加 矾过程，运转一年就降低矾消耗2 0 ，并且提高了管理水平和稳定了水质阿。 随后，发达国家投入大量资会和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和 管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。欧美国家的一些污水处 理厂已经用计算机进行全程数据记录和运行过程监控，甚至实现全自动化无 人值守控制模式。 与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，进入9 0 年代以后污水 处理厂才开始引入自动控制系统。近年来，各地相继利用外资建设了一批城 市污水处理厂，将先进的工艺及设备引进国内，在提高工艺设备技术水平的 同时，控制系统和管理水平也有了很大的提高，结束了以往污水处理全部用 人工或简单的电器控制的落后局面。但多是直接引进国外成套自控设备，即 生产过程控制中的各种数字、模拟信号通过相应变送器送入p i c 控制单元， 实现现场设备的实时控制。 1 2 2p l 0 控制系统存在的问题 目前，国内外的污水处理控制系统广泛采用的p l c 作为现场控制单元的 集散式控制方式( d s c ) ，实现处理过程的集成管理和远程控制。p l c 控制方 式具有简单直观、易于控制的优点，但p l c 的编程方式大多为单任务的顺序 控制机制，存在的问题是： 1 实时性差 主程序通常被设计成一个无限的大循环，所有事件控制一定按顺序执行， 实时性要求高的事件一般靠中断来保证。由于中断服务的程序不能太长，只 能在中断程序中置一标志位，退出中断后，主程序在循环中总会检测到该标 志，然后才执行相应的事件。由于无法确定主程序检测到标志位的时间，所 以事件被执行的时间也无法确定，致使污水处理控制系统的实耐性得不到保 障。 2 。稳定性羞 由于各事件是按顺序执行，若某一事件申请不到资源，或循环过程中由 于干扰等原因使某一事件陷入死循环时，其它事件将得过不到响应，虽然可 通过看门狗解决死锁，但系统却因此而复位重启，导致稳定性差。 此外，由于受到计算机系统早期存在的系统封闭的影响：采用一对连 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 线；用电压、电流等模拟信号进行测量控制；或采用自封闭式的集散系统， 各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现设备之 间以及系统与外界之间的信息交换而成为“信息孤岛”，阻碍了网络系统更大 范围信息共享。 1 3l o n w o r k s 总线技术 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的不断下调，计算机与计 算机网络系统得到迅速发展，要实现整个企业的信息集成，实施综合自动化， 就必须设计出一种能够在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信 系统。现场总线就是在这种需求的驱动下应运而生的，形成工厂底层网络， 完成现场自动化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。 1 3 1l o n w o r k $ 总线简介 现场总线是一种串行的数字通信链路，它沟通了生产领域中现场设备之 间以及更高层次控制过程设备之间的联系嘲。现场总线的出现带来了自动控制 领域的革命性变革，为实施大范围智能控制提供了强大的技术支持。现场总 线发展迅速，目前己开发出有4 0 多种现场总纠”】，最具影响力的如d e v i c e b u s 、 p r o f i t b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、h a r t 、f f 。 用于控制联网的l o n w o r k s 平台发布于1 9 9 0 年，最初应用于楼宇自动化 领域，随后迅速扩展到其他各个行业的控制领域，至今已成为楼宇、工业、 运输和家庭自动化市场上的世界标准，并期望成为一个有能力覆盖该领域 8 0 应用的现场总线系统r 7 l 。为了制定和推广l o n w o r k s 技术的设计指导标准， 并帮助生产厂商和最终用户制造和使用可互操作的l o n w o r k s 产品，e c h e l o n 公司和一些l o n w o r k s 用户在1 9 9 4 年成立了独立于各制造商、非赢利、国际 性的行业协会l o n m a r k ( 总部设在美国加州) ，在亚洲的中国、日本和韩国 也分别设立了l o n m a r k 分会 e l 。 就l o n w o r k s 总线的研究与应用面言，欧美国家及相应的工业集团处于 世界领先水平，并已开放其通信协议l o n t a l k ，且已进入应用阶段。北美楼 字、家庭、工业和运输自动化等行业现在都有了基于l o n w o r k s 平台或 l o n w o r k s 平台通信协议的标准。欧洲的楼宇、加油站和一些政府机构都以 l o n w o r k s 平台为基础进行了标准化。该平台也是世界最大规模的部署2 7 0 0 余万个居民电表的智能抄表工程项目的基础技术。l o n w o r k s 平台还被选中用 于瑞典1 1 0 万个住宅和小型商业电表的智能抄表应用。荷兰和澳大利亚的类 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 似项目将于2 0 0 7 年年底开始。 我国近几年也掀起了研究和应用l o n w o r k s 总线技术的热潮，尤其是在 2 0 0 6 年，三个月内颁布了两个采纳l o n w o r k s 控制网络平台的中国标准( g b z 2 0 1 7 7 和g b t2 0 2 9 9 4 一之0 0 6 ) ，标志在未来l o n w o r k s 在中国强劲的发展势 头。 1 3 2 可行性分析 l o n w o r k s 技术是一种适用于全行业的计算机测控系统，污水处理行业也 是它擅长的一个方面。目前大多数污水处理仍采用p l c 可编程控制器、d c s 集散控制系统等配置远远不能满足污水处理所要达到的精度和大规模扩展的 需求，要想保留原有的工艺、设备减少投资，又能及时向更为先进的技术转 型，在现在出现的各种自控技术中，l o n w o r k s 是其中的佼佼者。本项目就是 将基于p l c 控制的某印染废水治理工程改造为基于l o n w o r k s 总线控制的污 水处理系统。 可以从以下几方面分析其可行性： 1 l o n w o r k s 网络采用了i s o o s i 参考模型的七层协议，使得系统具有 很好的开放性，通过路由器和网关，可以建立巨大的网络，便于实现可扩展 的系统。 2 e c h e l o n 公司已经实现将其数据包打入口数据包中，以实现 l o n w o r k s 网络与i n t e m e t 的无缝连接。该技术是一个不断升级的具有发展 性的技术。而l o n m a r k 组织所定义的网络变量标准使得不同厂商的设备具有 良好的互操作性。 3 它支持多种通信介质，保证了系统可以有多种组念。若采用双绞线， 通信速率为7 8 k b p s 时，其总线型拓扑具有2 7 k i n 的传输距离，双绞线的自 由拓扑则具有5 0 0 m 的传输距离m 。另外能可靠地实现电力线载波通信，免 去了另外布线的费用，在一些干扰大、布线困难的工业自动化控制系统中能 达到事半功倍的效果。 4 n e u r o n 芯片集通信和控制于一体，便于实现直接接入网络的控制系 统。 5 设置“网络变量”，将网络通信简化为相关变量的参数设置，既方便了 用户，又提高了通信可靠性。 ， 6 彻底的分散控制，系统可靠性高。不需要专用控制站，控制站功能分 散在现场仪表中，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性，不用担心因控制 站故障而影响一大片。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 7 成本降幅大。与集散控制系统d c s 相比可节约大量导线、紧固件、 接口板、安全栅及其他材料并节约大量的施工工时费。 综上所述，采用l o n w o r k s 测控网络构建污水处理自控系统不仅完全可 行，能够实现对全过程进行现场参数测量、状态检测、设备控制、故障监测 和报警，而且系统还具有良好的可靠性、开放性和互操作性。 1 4 课题来源 本课题是“宜宾惠美线业染整废水治理工程”的改造项目。该厂的工程设 计规模为日处理工业污水2 万m ? ，最大处理能力为3 万加? ，按二级处理排 放标准( 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 8 8 ) ) 设计，生物处理部分采用完全混 合式、表面曝气合建式曝气沉淀池工艺，控制方式采用的是老式的p l c 集散 控制系统。为了扩大污水处理规模，提高污水处理能力，需要改建新的污水 处理自动化控制系统。 现有的污水处理系统具有其独特的特点：系统中的控制点比较分散，分 布在处理池内各处，这就要求控制器具有体积小、安装方便等特性；污水处 理系统中需要控制的设备复杂多样，往往要选自不同的厂家，对可互操作性 要求较高；污水处理自动化系统对实时性要求相对不高，风机等系统都是大 惯性系统；此外，污水处理系统的可扩展性也是选择合适控制网络的原因之 一，在扩展时应尽可能减少开发工作。l o n w o r k s 总线技术恰好符合了这些要 求，l o n w o r k s 控制网络能够为污水处理自动化系统集成提供一个彻底的解决 方案。 ， 基于l o n w o r k s 总线的污水处理系统特点： 1 先进性 。 当今时代是一个技术高速发展的时代。为了延长污水处理池及其设备的 寿命，在可能的情况下尽可能采用先进的技术和设备。目前在污水处理自动 化领域中，最先进的控制网络技术就是现场总线控制系统。 2 一体化运作 污水处理自动化系统主要的监控对象一般是较为分散的d o 检测仪、供 氧及鼓风系统、流量控制系统、鼓风机控制系统、水位监测、以及p h 值探 测器检测p h 值等。这些子系统应该得到充分的集成，做到信息共享，统一 管理，以及各子系统的一体化协调，使系统安全、节能、高效、有利于设备 的集中化管理，便于维护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 开放性和互操作性 由于受到设备多样化、工艺复杂性和市场竞争各方面的影响，为了达到 最优的组合和最好的性能价格化，往往需要不同厂家的产品组成一个自动化 控制系统。因此，污水处理自动化控制网络应该是具备开放性和互操作性的， 这就要求允许不同厂家的产品能够连接到同一系统中协调运作；否则的话， 将给系统的维护、扩展和更新带来无穷的麻烦。 1 5 研究论文所完成的主要工作 本课题主要针对该厂目前污水处理能耗大、造成不必要的能量浪费的现 状，从控制方式上，采用l o n w o r k s 技术进行组网通信，选用l o n w o r k s 总线 的专用芯片对污水处理过程中能耗最大的曝气过程进行专控；从理论上，探 讨了智能控制策略在污水处理的曝气过程中应用的可行性与有效性，并作了 仿真分析比较。为了增强监控系统的可视性，采用o p c 服务器作为l o n w o r k s 现场总线体系结构的中间层，将现场信号按照统一的标准与组态王的监控软 件无缝连接起来，并且把硬件和应用软件有效地分离开。 第二章，主要在理论上对l o n w o r k s 现场总线进行了全面的探讨和阐述， 介绍了l o n w o r k s 总线技术的概念、l o n w o r k s 协议、n e r t r o n 芯片、软件编程 等核心技术。 第三章，先对该污水处理系统进行了简述，并依据该工艺给出了污水处 理过程自动控制系统的总体设计方案和具体实施细节。 第四章，将利用前面所研究的内容，将污水处理自动化系统与l o n w o r k s 现场总线技术相结合，对曝气池的鼓风机进行自适应测控，以提高污水处理 的自动化性能为主要研究内容，进行基于l o n w o r k s 的污水处理智能节点的 设计。 第五章，针对污水处理过程中的曝气过程控制策略进行了研究，并通过 m a t l a b 软件仿真，比较了传统p i d 控制法和模糊控制法的运行结果。在该 曝气过程所设计的专用控制器中，选取简单易行的查控制表方法实现模糊控 制策略。 第六章，通过合适的画面和组态设置完成入机界面的设计，对现场数据和 状态的监测；采用o p c 接口技术与其它通信网络构成整个系统的监控网络， 可进行远程监视和控制。 本论文是针对当今自动控制新技术一l o n w o r k s 现场总线控制系统进行 研究，而通过与印染污厂污水处理工程项目相结合，将理论和实践紧密联系 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在一起，从而设计出一套完整的污水处理监控方案取代现有的p l c 控制系统。 1 6 本章小结 本章首先介绍了印染业污水处理的现状，并且通过对国内外污水处理情 况的比较，展望了未来我国污水处理自动控制的发展趋势。随后分析了实现 污水处理自动化控制的技术背景，介绍了本课题研究的内容及意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章l o n w o r k s 现场总线技术 现代工业对测控系统的速度、精度、成本等方面提出了更高的要求，全 数字、双向、多节点的现场总线应运而生。l o n w o r k s 总线自问世以来，在控 制领域中一直起着关键性的推动作用。从商业楼宇到公共运输系统，从工业 控制到家庭自动化，从电力计量基础到奥运场馆等到，基于l o n w o r k s 技术的 应用已经深入到各个行业的应用。据统计，有几千家公司已经开发和安装了 l o n w o r k s 产品；并且有超过5 千万件基于l o n w o r k s 的处理器已经用于世界 各地的住宅、楼宇、工厂、列车、交通、工业控制以及其他系统中。 2 1l o n w o r k s 概述 l o n w o r k s 现场总线是一种全面的测控网络，采用数字式、双向：多分支 结构的组网方式。l o n w o r k s 控制网络( 简称l o n 网) 的基本组成单元是网络 节点，网络节点具备独立的工作能力，使测控设备具备了数字计算和数字通 信能力，通过多种通信介质以一个公共的、基于消息的控制协议与其它网络 节点通信，通信网络是p e a r t op e a r 对等通信形式，以提高信号的测量、传输 和控制精度。 安装工具和h 叮 图2 - 1 基于l o n w o r k s 总线的现场控制网 为了对控制网络进行异地和远程控制，实现企业决策、管理、控制一体 化，需要对l o n w o r k s 控制网络集成i n t e r a c t 技术。鉴于这两种不同本质网 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 络的集成，在互联时应注意到不损害各网络的优势。l o n w o r k s 技术的互联网 链接设备适时地为此需求提供了可能，如i 1 0 n - 1 0 0 0 等【1 。l o n 网中还可以 存在多种不同的通信介质，通过路由器互连，也可以通过网桥、网关与其它 网络相连构成现场控制网络。( 如图2 - 1 ) 2 2l o n w o r k s 网络主要技术 l o n w o r k s 以其独特的技术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术融 为一体，在控制系统中引入了网络的概念，可以方便的实现更高效、更灵活、 更易于维护和扩展分布式测控网络系统。其独特性具体表现为阿： 1 协议的开放性和互操作性：l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 支持o s 舢 的所有七层模型，任何制造商的产品都可以实现互操作，而且对任何用户都 是对等、开放的。 2 网络的兼容性：可采用通信介质包括双绞线、电力线、无线、红外线、 光缆等，并且支持多种介质在同一网络中混合使用。 3 网络拓扑的多样性：支持总线型、星型，环型和自由形式等网络拓 扑，也可以自由组合。 4 网络节点的独立性：基于功能强大的n e u r o n 芯片设计的网络节点既 能独立管理网络通信，同时也具备输入、输出以及控制等能力，增强了网络 控制系统的可靠性。 5 强大的开发工具平台：l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 帮助用户短期内完 成网络节点的开发和网络建立。 6 专用的网络操作系统：l n s ( l o n w o r k sn e t w o r ks e r v i c e s ) 是用于 l o n w o r l 【s 技术开发和应用的网络操作系统，采用面向对象的管理方法，与 l o n 网构成c l i e n t s e r v e r 结构，为网络管理和h m i 建立提供了有效的手段。 l o n w o r k s 核心技术包括：l o n w o r k s 节点和路由器、l o n t a l k 协议、 l o n w o r k s 收发器、以及节点开发工具等。 2 2 1n e u r o n 芯片 神经元芯片( n e u r o n 芯片) 是l o n w o r k s 网络节点的核心器件，也是 l o n w o r k s 系统的关键器件，主要包括3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列翰，其中3 1 2 0 系 列芯片中集成了5 1 2 字节的e e p r o m 、1 k 的r a m 和1 0 k 的r o m ，适用于 比较简单的场合；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，适用于应用程序较大的复杂的场合。n e u r o n 芯片提供了通信、控制、 介质访问、i 0 接口、i 0 应用库、l o n t a l k 协议、操作系统等软、硬件功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 模块，并通过收发器实现与外部的通信。如图2 - 2 需帘帚帛帘唰 上 j“ 捌珏掣“i f 譬 f 对静斛嚣 f 勰阳错 絮：磬 图2 - 2 n e 咖芯片内部结构l ” n e u r o n 芯片内置有3 个8 位流水线作业的c p u 处理器，即介质访问控 制c p u ( m a c ) 、网络c p u 、应用c p u 。在n e u r o n 芯片内嵌的固件里，已 提供了i s o 幻s i 通信协议模型的前6 层，用户仅需要编写应用控制策略和调 用操作系统指令再经应用c p u 执行，这样就简化了系统编程，缩短了开发 人员在研发、应用网络通信方面所需的时间。3 个c p u 处理器之间分别通过 片内的网络缓存器和应用缓存器迸行通信如图2 3 图2 3 内部c p u 处理器逶信柳 n e u r o n 芯片的应用i o 口有1 1 个( 1 0 0 1 0 1 0 ) ，可配置成3 4 种不同的 i ，o 对象，以最少的外部电路实现灵活的输入输出功能，分别用于直接连接如 发动机、制动阀、a d 转换嚣、传感器、开关、中继器以及其它微处理器等。 一般情况下，n e u r o n 芯片在大多数节点中是一个独立的处理器，也可以配置 成其它工作模式与其它处理器交换数据，以增强节点的信号处理能力或i o 通道，而此时的n e u r o n 芯片只完成通信功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2l o n t a l k 协议 l o n w o r k s 技术的网络通信协议是固化在n e u r o n 芯片内的l o n t a l k 协议， 是l o n 网的灵魂。l o n t a l k 遵循i s o o $ i 标准，提供了o s l 参考模型所定 义的全部7 层服务( 表2 1 ) 。能支持多种传输介质和传输速度，是l o n t a l k 协议区别于其它各种现场总线通信协议的重要特点。l o n t a l k 是支持节点间可 靠通信和有效使用通信介质的各种服务的集合，它包容了l o n w o r k s 总线的所 有网络通信功能，为控制应用提供了一个高可靠、高性能、高抗干扰，基于 数据包的对等通信机制。 1 l o n t aj k 协议各层工作原理 表2 - 1l o n t a l k 协议的分层结构m 层次o s i 层次服务 l o n 提供的服务 c p u 7 应用层网络应用标准网络类型应用c p u 6 表示层数据表示网络变量：外部帧传输网络c p u 5会话层远程遥控请求，响应；认证；网络管理网络c p u 应答；非应答；点对点；双 4 传输层对端可靠传输网络c p u 重检查 3网络层传输分组地址，路由网络c p u 2链 链路层帧结构帧结构，数据解码c r c 校验 路 m a c 可预测c s m a ，冲突避免， m a c c p u 2 介质访问 层 子层优先级 1 物理层电路连接介质，电气接口m a c c p u 1 ) l o n t a i km a c 子层算法 l o n t a l k 协议的m a c 子层采用可预测p - 坚持c s 姒( p r e x l i c t i v c p - p r e s i d e n tc s m a ) 算法。此算法是对原p - p r e s i d e n tc s m a 的改进通过对网 络负载的预测，实现了对p 值的动态调整【，】。当网络空闲或轻载时，所有节点 被随机分布在最小1 6 个不同延时的随机时隙( 图2 4 ) 上发送消息，这样， 在空闲或轻载的网络中，访问的平均延时为8 个时隙，等同于p = 0 0 6 2 5 ( 1 1 6 ) 的p 坚持c s m a 。当预测到网络负载要增加时，增加随机时隙的数目，将节 点随机地分配在数目增多了的某个随机时隙上。时隙数r = i p ，r 增加，p 值降低，因此可预测p 坚持c s m a 在保留p 坚持c s m a 优点的前提下，通 过对网络负载的事先预测，在网络轻载时，给网上节点分配数目较少的随机 时隙，使节点对介质访问的时延最小；网络重载时，通过给网上节点分配数 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 目较多的随机时隙，从而使节点同时发送数据带来的冲突最少，避免了重载 下系统处于不稳定状态，保证信道仍能以最大的吞吐量工作，不会因过多的 冲突而造成阻塞。 、l 、一k 一， 发送包优先时隙随机时隙 图2 4 网络空闲时示意图 由以上可见，由于随机时隙的数目为r - j 1 6 式中，n 表示某时刻网上发送消息包的数目，1 蔓以6 3 则概率p 的动态调整值为p = 。1 6 ) 节点对n 预测的实现：需要发送数据包的节点在它发送的数据包中，包 含了要肯定应答接收该消息的节点数目，即发送消息包将产生的应答数信息。 所有收到该消息包节点的n 值，通过加上该应答数，获得新的n 值，从而使 随机时隙的数目得以更新。若该节点有数据要发送，它将以新的概率值p 在 随机分配的时隙上发送，每个节点在数据包发送结束时，其n 值自动减1 。由 此，实现了每一个节点在任何时候都能动态地预测有多少节点要发送消息包， 预测的精度越高：重载时网络冲突的概率会越小：轻载时介质访问时延也会 越小。所以，可预测p 坚持c s m a 算法能够满足特定环境下的要求。 当然可预测p 坚持c s m a 并不能避免冲突的出现，而冲突的存在必然影 响到响应时阃。因此在对响应时间要求较高的应用中，可采用优先级和冲突 检测( c d ) 加以弥补。 ， 2 ) 链路层 l o n t a l k 协议的链路层提供在子网内，链路层数据帧的帧顺序的无响应传 输。它提供错误检测的能力，但不提供错误恢复能力，当一帧数据c r c 校验 错时，该帧被丢掉。 在直接互连模式下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码，在 专用模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。c r c 校验码加在网络 层协议数据单元的最后，c r c 采用的多项式是x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l ( 标准c c i t t c r c 1 6 编码) 6 1 。 3 ) 网络层 在网络层，l o n t a l k 协议提供给用户个简单的通信接口，定义了如何接 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 收、发送和响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证和 流量控制，路由器的机制也是在这一层实现的。 对于网络层协议数掘单元地址格式。根据网络地址分为五种蝌( 图2 - 5 ) 。 在每一种地址格式源子网上，“0 ”意味着节点不知道其子网号。 v c r p d u 格式la d d r f m tim g t l a d d r e s sl d o m a i n 0 l 2 a 2 b 3 8l78 匾夏叵丑匝捆亚亟圈s s 区巫匿豇匝珂亚巫习亚圃。s 图2 - 5 网络层n p d u 帧结构 4 ) 传输层 l o n t a l k 协议的核心部分是传输层和会话层。一个传输控制子层管理着报 文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供一对一节点、 一对多节点的可靠传输。信息证实( a u t h e n t i c a t i o n ) 也是在这一层实现的。 5 ) 会话层 会话层主要提供了请求响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数 据服务( r e m o t es e r v e r ) 。l o n t a l k 协议的网络功能虽然是在应用层来完成的， 但实际上也是由提供会话层的请求响应机制来完成的。 6 ) 表示层和应用层 表示层和应用层提供网络变量的服务、显示报文服务、网络管理的服务、 网络跟踪的服务和外来帧传输的服务五类服务【 】。其中网络变量的服务是当定 义为输出的网络变量改变时，能自动地将网络变量的值，变成应用层协议数 据单元并下传发送，使所有把变量定义为输入的节点收到该网络变量的改变 值。当收到信息时，能根据上传的应用层协议数据单元判断是否是网络变量， 以及是哪一个网络变量并激活相应的处理进程。而显示报文服务是将报文的 目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组织成应用层数据单元下传发送， 将发送结果上传，并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据 上传应用层协议数据单元判断是否显示报文，并能够根据报文代码激活相应 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 的处理进程。另外，外来帧传输的服务主要针对网关( g a t e w a y ) ，将l o n w o r k s 总线外其它的网络信息转换为符合l o n t a l k 协议的报文传输或逆其过程。 2 l o n t a l k 协议的网络地址结构 l o n t a l k 定义的网络地址唯一地确定了l o n t a l k 数据包的源节点和目的节 点，路由器也使用这些地址来选择如何在两个信道之间传送数据包。该网络 地址( 图2 - 6 ) d ：l 域( d o m a i n ) 、子网( s u b n e t ) 和节点( n o d e ) 构成f f l 节节节 点点点 l 21 2 7 节节 节 点点点 l2 1 2 7 图2 - 6 网络地址绪构 第一层结构是域。一个域就是一个实际意义上的网络。通信只能在同一 域中配置的节点之间进行，域可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。例 如，不同的应用的节点共存在同一个通信介质中，用不同的域进行区分可以 保证它们的应用完全独立，彼此不会受到干扰。l o n 网上的节点可以配置为 属于一个域或同时属于两个域，而同时属于两个域的一个节点可以作为两个 域之间的网关( g a t e w a y ) 。域可配置为0 、1 、3 或6 个字节。使用较短的 域可以减少数据包的开销，这可由系统安装者根据实际需要来决定。 第二层结构是子网。每个域内最多有2 5 5 个s u b n e t ，而每个子网最多可 以包括1 2 7 个n o d e 。一个子网可以看作是一个域内节点的逻辑集合，但子网 中的所有节点必须在同一信道上，并且予网是不能跨越智能路由器。若将一 个节点同时配置为属于两个域，则它必须同时属于每个域上的一个子网。 第三层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内唯一的节 点号。该节点号为7 位，因此，一个域内最多有2 5 5 x 1 2 7 = 3 2 3 8 5 个节点。 另外，每一个n e u r o n 芯片有一个独一无二的4 8 位m 地址，这个d 地址 是在n e u r o n 芯片出厂时由厂方规定的。一般只在网络安装和配置时使用，可作 为产品的序列号。如图2 5 为报文地址结构。 3 通信服务 l o n t a l k 协议提供了4 种基本类型的报文服务：确认( a c k n o w l e d g e d ) 、 请求响应( r e q u e s t r e s p o n s e ) 、非确认重复( u n a c k n o w l e d g c dr e p e a t e d ) 以 及非确认( u n a c k n o w l e d g e d ) 川。因为网络提供的通信服务不可能同时实现有 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 效性高、响应时间快、安全性好、可靠性高。实际只能是在这几个方面折衷 的结果。 1 ) 冲突 l o n t a l k 协议使用其独有的冲突避免算法，该算法具有在过载的情况下信 道仍然能负载接近最大能力的通过量，而不是由于过多的冲突而使通过量降 低。当使用支持硬件冲突检测的通信介质( 如双绞线) 时，只要收发器检测 到冲突的发生，l o n t a l k 协议可以有选择地取消数据包的传输。它允许降低立 刻重新发送被冲突破坏的包。若没有冲突检测，假定使用的服务为确认或请 求响应服务，节点将不得不等待到重试时间结束，才能知道节点没有接收到 目的节点的确认，这时，节点才重发该数据包。对于非确认服务，未检测到 的冲突意味着包没有被接收到并且不作任何重试。 2 ) 优先级 l o n t a l k 协议通过提供优先服务机制以改善对消息包的响应时间。协议允 许用户在信道上分配优先级时隙( p r i o r i t yt i m es l o t s ) ，它专门用于具有优先 级的节点。信道上的每个优先级时隙对每个消息的发出额外附加有一定的对 间( 最小为2 比特时间) ，从而换取一定的带宽供信道上实现无竞争的优先访 问。附加的时间值大小与比特速率、振荡