（电力系统及其自动化专业论文）车辆用电安全监控系统的研究.pdf

州济人学仰! l ：学位论文摘要 a b s t r a c t w i t hm o d e r n i z a t i o no fr a i l w a yv e h i c l e ，m o r ea n dm o r ee l e c t r i c i t ye q u i p m e n t h a v eb e e nu s e d ，t h ef r e q u e n c yo fv e h i c l ee l e c t r i c i t y sf i r ea c c i d e n ti s h i g h e ra n d h i g h e r ，t h ef i r ei n e r t i aa c c i d e n tt h a tt h ee l e c t r i c i t yc a u s e dh a sa l r e a d yb e c o m e o n eo f t h em a i nr e a s o n st h a ti n f l u e n c et h ev e h i c l et ob es a f e ，t h r e a t e n e dt h e s e c u r i t y o f o p e r a t i o no ft h ev e h i c l es e r i o u s l y t h es a f eo ft r a i n s e l e c t r i c i t yi s a v e r yi m p o r t a n t p r o b l e m ，w h i c hh a sb e e nh i g h l yc o n c e r n e dw i t ht h es y s t e mo fs a f e g u a r dt r a i nf o ra l o n gt i m e ，s oi t i s v e r ye s s e n t i a lt h a t a ne f f e c t i v es u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e mo f t r a i n ss a f ee l e c t r i c i t yi sa p p l i e d t h el o n w o r k s t e c h n o l o g y ，o n e o ft h e m a n y f i e l d b u s t e c h n o l o g i e s d e v e l o p e di n r e c e n ty e a r sa n da v a i l a b l ea sa no p e ns t a n d a r dt oa l lm a n u f a c t u r e r s ， n o wh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i ca r e a sr a n g e df r o mi n d u s t r y ，b u i l d i n g ， t r a n s p o r t a t i o n ，t op o w e rs y s t e m i ti n t e g r a t e sc o m p u t e r ，n e t w o r k a n dc o n t r o li n t oo n e t e c h n o l o g ya n dd i s p l a c e sp r o p r i e t a r yc e n t r a l i z e ds y s t e m sw i t ho p e n ，h i g h l yd i s t r i b u t e d ， i n t e r o p e r a b l es y s t e m s n e u r o nc h i p ，w h o s en e t w o r kp r o t o c o lh a sa l l7l a y e r so ft h e i s o o s ir e f e r e n c em o d e l ，h a st h ea b i l i t i e so fb o t hc o m m u n i c a t i o na n da p p l i c a t i o n c o n t r o l ，a n dp r o v i d e s3 4i oo b j e c t t h et e c h n o l o g ya l s op r o v i d e sv e r s a t i l em e t h o d s f o rb u i l d i n ga n dm a n a g i n gt h ec o n t r o ln e t w o r k s 1 1 1t h i sp a p e r , ah o l es c h e m ef o rt h es u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft r a i n ss a f e e l e c t r i c i t yi s d e m o n s t r a t e db a s e do nt h el o n w o r k st e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl o n w o r k sf i e l dc o n t r o ls y s t e m sa r eg i v e ni nt h em a i n ，a n dg r e a te m p h a s i sh a s b e e n p u t t od i s c u s st h en e t w o r kd e s i g na n dn o d ed e s i g n t h i sm a d ei tb e c o m e p o s s i b l e t h a tt h ew h o l e e l e c t r i c i t ye q u i p m e n ti n t h et r a i nh a sb e e na u t o m a t i c s u p e r v i s e da n dc o n t r o l l e d t h i se n s u r e dt h es a f ew o r ko ft h ee l e c t r i c i t ye q u i p m e n t ， a n dl i g h t e n e dt h ew o r k l o a do ft h ew o r k e r k e y w o r d ：l o n w o r k st e c h n o l o g y ，s a f ee l e c t r i c i t y ，s u p e r v i s ea n dc o n t r o l 声明 奉人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究上作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：芏翅厦电塞全监撞丕统的堕 型。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 夯 阳年t 月4 同 r 1 j 济凡学坝 j 学位论文 第一章概论 第一章概论 近几年米，中国国民经济迅猛发展，经济的发展极大地促进了全国人口的 流动，各种旅客尤其是中短途旅客的数量直线 升，旅客运输成为交通行业的 竞争焦点。在这一时期中，高速公路和民航以其灵活、方便、快捷、高效等特 点而迅速发展起来。对一向以“老大哥”自居的铁路旅客运输造成了巨大的压 力，甚至一度出现负增长。在这种背景下，顺应潮流，满足市场需求成了铁路 旅客运输业急需发展的头等大事，由此国内铁路车辆工业在近几年来也有了迅 速的发展，相继开发成功了2 0 0 k m h 蔷速列车、动车组及城市轨道车等。同时 对i f 在运行的列车进行了改造，比如由原来的普通快车改造为特快车，空渊车 旅游列车等，以此提高人们乘车的效率、安全咀及舒适质量。 随着铁路车辆的现代化，车辆用电设备越来越多，车辆用电的火灾事故苗 子发生频率越束越高由于用电引起的火灾惯性事故已经成为影响车辆安全的 主要原因之一，严重危及车辆的运行安全。特别是大负载空调机组，应急电源 和电荼炉等车辆主要用电设备的故障引起的不正常电流很容易导致火灾，或者 是触点接触不良引起的局部温度过高，同样会导致火灾的发生。目前车辆应用 部门辛要采取加强对用电设备巡视检查米保证安全，这种方法比较落后而且无 法及时发现事故隐患：同时也f 在尝试采用车辆运行安全监测系统( 黑陌子) ， 但是浚系统关于用电的检测不够完备( 只检测车辆用电总电流和绝缘状况) ， 而且只能作为事后分析事故的依据，对车辆的事故预防没有进行直接的控制。 车辆用电安全监控系统就是适应这一需要，束对铁路车辆内各种设备的用电进 行测量监控，及时发现各种安全隐患，采取适当措旌来排除安全事故的发生。 车辆用电安全监控系统采用先进计算机技术以及传感器技术，对车辆各用 电设备的电流、电压以及有关的主要接触器开关的温度进行实时检测、显示， 并根据参数的安全阀值进行报警并采取相应的安全保护措施。另外，根据各种 用电装置的工作模式和实际运行参数，可以分析得到( 或评估) 该装詈的工作 状况，从而为该装置的检修提供依据。 车辆用电安全监控系统具有很高的实际意义，适应了车辆发展的需要，对 确保车辆用电安全具有重要的意义。车辆用电安全监控系统具有操作方便、功 午辆川i u 宜伞临挣系统的研究 4 第一审概论 能个、成本低、可靠性好及网络稳定等优点。把它应用在我国铁路车辆上必定 会使车辆的安全用电方面有根大的提高。另一方面，车辆用电安全监控系统可 以作为新型车辆的列车网络的子系统，出j 二采用的网络接口符合车辆总线标准， 所以具有接入简单方便等特点，适合在旅客列车上推广使用。车辆用电安全监 控系统应能完成下列功能： ( 1 ) 能够实时检测各用电设备的电流及电压： ( 2 ) 能够实时检测开关触点的温度以保证用电安全； ( 3 ) 能够完成故障报警功能； ( 4 ) 能够完成故障时自动跳闸功能； ( 5 ) 系统应具有可扩展性，能够方便可靠的接入新增设备。 这些功能的实现使得车辆用电安仝监控系统变成了一个庞大而且功能完备 的系统。 当今人类正进入网络社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作 和尘活。对铁路运输而言也不例外。近年来，我国丌发或f 准备丌发的电动车 组、高速车、城市轨道车，如雨后春笋。这些新的铁路机车车辆都需要装上列 车通信网络产品，以实现整个列车的正常运行。为了适应这一发展趋势，车辆 用电安全监控系统也需要自成网络，并且与整个列车的通信网络楣匹配，为以 后的车辆发展做好准备。本文将就此逐渐展开讨论 乍辆朋i u 安令监拄系统的研究 济人学岫i j 学位论土 蚺一争中辆用叱安伞i 随控系统的方案j 分析 第二章车辆用电安全监控系统的方案与分析 2 1 本课题研究内容与功能 2 1 1 车辆用电情况 项目研究主要以空调客车车辆为主。空调客车车辆主要类型有空调硬座客 车、空调硬卧客车、空调软卧客车、空调餐车以及空调行李车等，这些车辆基 本上采用集中供电方式，其主要的用电装置由如下5 部分组成( 如图2 1 所示) 。 图2 1 乍辆土露川电设备 1 ) 空调及采暖； 2 ) 自动电热水炉： 3 ) 应急电源： 4 ) 温水箱； 5 ) 照明及其它。 2 1 2 研究内容 车辆用电安全监控系统就是利用先进计算机技术和传感器技术对车辆的用 电装置和设备的用电情况进行实时测量、分析和控制。该系统主要完成下列数 据参数的实时测量： 集中供电进线：电流、电压以及断路器触点温度： 空调及采暖：电流，断路器触点温度，工作模式； 乍辆用u 安争监控系统的研究 自动电热水炉：电流，断路器触点温度 应急电源：电流，断路器触点温度： 温水箱：电流，断路器触点温度 照明：电流； 第一章乍辆用乜宜金监挖系统的方案j 分析 其它：电流。 统获得上述各种测量数据后，将对这些数据进行各种技术分析，这些分析 i 相负载的不平衡情况； 空调的工作模式与电流参数的一致情况，以此来判断是否故障； 自动电热水炉的工作模式及故障情况； 应急电源的工作模式及故障情况； 温水箱的工作模式及故障情况： 照明的工作模式及故障情况。 过各种技术分析，当发现不同的故障出现时，或者将出现险情时，系统将采 必要及合理的措施来防止事故发生。采取的措施按等级不同有： 般故障：报警提示： 电流异常或温度异常：跳丌发生故障的用电器的断路，f ：关； 温度超高：启动灭火器。 为了实现上述各项功能，拟采用图2 2 所示的系统来实现，各部分的功能 如下： 1 ) 计算机 为了提高系统的可靠性，计算机拟采用z , i i , 控制计算机，具有多种接u 。 完成车辆用电状况的 简单实用。 2 ) 计算机接口 将电流、电压和 检测、分析和控制。用户交互采用触摸屏方式，确保操作 温度等传感器输出信号经过滤波、 以及根掘车辆用电的实际运行情况，通过计算机分析 护装置。 3 、电流、电压和温度传感器 乍辆用il l 安争临抖! 系统的 | 究 整形后输入到计算机， 输出报警信号并启动保 系括当包 通取 刚济人学坝i 学位论文第章下辆用电安拿j | l 拌系统的方案j 分析 这些传感器实现电流、电压和温度信号的转换，以实现与计算机接口的匹 配。 4 ) 保护装置 当牟辆用电出现异常情况或预兆时，系统能及时启动报警装置以及采取相 应的保护措施( 如切断空调装置输入电源) 。 幽2 2 车辆州电安全监控系统坌占构幽 5 ) 显示装置 显示当前工况下车辆各用电设备的电流、电压以及接触器的温度等参数。 2 1 3 主要功能 用电安全监控系统主要实现下列功能： 1 ) 对进入车辆的三相电源的电流、电压进行检测，同时对相应的触点温度 进行检测。 2 ) 对主要用电设备空调机组的用电状况及相应的触点温度进行检测，并进 行分析处理。当判断出设备出现非正常用电状况时，系统将根据其严重程度分 别采取报警提示、切断电源等处理措施。 3 ) 埘其他主要用电设备应急电源以及电茶炉的用电状况及相应的触点温度 进行枪测，并进行分析处理。当判断出设备出现非正常用电状况时，系统将根 掘其严重程度分别采取报警提示、切断电源等处理措施。 车辆用l 也宣伞临控系统的研究 o j 济人学坝i 学位论文第章乍辆用i 乜安全监摔系统的方案与分析 4 ) 对其他非主要用电设备可选择的进行检测。 5 ) 对主要用电设备的绝缘进行检测。 6 ) 系统具有记录原始数据的功能。可以记录定时恻内发生过的故障类型、 发生时间及相关参数，以供事后分析处理。同时可以记录近段时i l 日j 内所有用电 设备的用电参数，以供有关技术人员查阅及f 页判故障。所有这些参数可以下载 以供进一步分析。 7 ) 每个车辆的用电安全监控系统白成一体，也可以将系统作进一步扩展， 把多个车辆的系统相互连接构成一个现场总线网络，这样的话，可以在一个车 厢内观察到其他车厢的用电情况，进一步增加了用电的安全因素。 2 2 采用l o n w o r k s 技术的可行性分析 2 2 1 现场总线技术 现场总线自2 0 世纪8 0 年代中期问世，传统的自动化仪表、集散控制系统 ( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 的产品功能结构受到了挑战。现场总线技术是 计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成，它的出现使传统的自动控制 领域产生了革命性的变革，形成了新型的网络集成或全分布控制系统即现场总 线系统( f c s ) 。由于现场总线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，它一经产生便成为全球工业自动化的热点，受到全世界的普遍关 注。现场总线技术产品具有很强的丌放性、兼容性、可靠性和互操作性，广泛 用于工业过程、楼宇、家庭、能源等自动化领域。现场总线技术促使控制网络 与信息网络的集成，极大地改变人们的生产方式和生活方式，扩大了传统控制 领域的范畴。 现场总线的这些特点与列车控制网络的要求有相似之处，而现场总线用作 列车控制也有先例，下面就介绍几种适于列车控制的现场总线。 ( 1 ) c a n c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t ，控制局域网络) 是差要用于各种过程监测及控 制的一种网络。最早由德国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。其技术规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准，由于 得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持而被广泛应用在 分散控制领域。其模型结构只有三层，即o s i 的物理层、数据链路层和应用层。 车辆用i b 安牟监控系统的研究 9 叫济人学，蝴j ：学他论文第一幸乍辆用i u 安全! 监挣系统的方案4 j 分析 通信介质采用双绞线，通信速率可达1 m b p s 4 0 m ，直接通信距离口j 达 1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设备数多达1 1 0 个。c a n 支持对等式结构，网络上的节点 可设霄优先级，以满足小同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。可以点 刈点、点对多点以及广播式发送及接收数据。c a n 采用短帧结构，每帧的有 效字节数为8 个。c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能， 切断它与总线的联系，避免影响总线上其它节点的操作。在s i e m e n s 公司的 s i b a s 3 2 中曾在制动控制部分的总线中采用c a n 总线。我国也有过这方面的研 究和心用。 ( 2 ) p r o f i b u s 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德国标准，由 p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s d p 共同形成其系列，其中p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o f l ) 用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可 用f 危险防爆区域。f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般自动化。 d p 用于加工自动化，适用于分散的外围设备。p r o f i b u s 采用了o s i 模型的物 理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层。传输速率9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大 传输距离为1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，15 m b p s 时为4 0 0 m 。可用中继器延长至1 0 k m 。 传输介质可为双绞线、光纤。最多可挂1 2 7 个站点。 ( 3 ) f f 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于任何企业的公币的非商 、i k 化的国际标准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链路层、应用层、用 户层。采用令牌总线工作方式，传输介质支持双绞线、光纤和无线介质。传输 信号采用曼彻斯特编码。 ( 4 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美国 e c h e l o n 公司推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导，于1 9 9 2 年正式公布而 形成的。其网络芯片n e u r o n 芯片集成了i s o o s i 的全部七层协议，同时具有通 信和控制功能提供了3 4 种常见的i o 控制对象，工作温度范围宽( 4 0 。c 8 5 ) ： l o n w o r k s 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、红外 乍辆h j - b 安牟峨摔系统的研究 叫 舟人学 ! 卜学忆论土 旃一争下辆用i u 宜令龄拎系统的方案0 分析 线、光缆，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式，网络收发器有直 接驱动、e i a 一4 8 5 型、变压器祸合接u 三种形式满足了不同要求同时传输信 号采用差分曼彻斯特编码，使网络具有很强的抗干扰能力。l o n w o r k s 控制 网络的介质存取控制( m a c ) 采用了可预测p 峰持c s m a ( p r e d i c t i v ep - p e r s i s t e n t c s m a ) ，使得在网络超载时仍保持很高的吞吐量： 网络结构既可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、网关等设 备的丌发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的开发调试简单易行， 可实现删络的离线、在线设计、在线调试或通过i p 网的远程调试。 l o n w o r k s 控制网络的刚络通信采用了面向对象的设汁方法，应用编程 时不用花时间考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的丌发环境，易于 丌发、安装和调试； 丌放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级； l o n w o r k s 控制技术已经在纽约地铁、新泽西轻轨的列车控制以及 a a r ( a s s 0 c i a t i o no f a m e r i c a nr a i l r o a d s ) 货物列车电宁制动控制中得到应用；并 作为列车通信网络标准被纳入了i e e e i 4 7 3 一l 。 2 2 2 采用l o n w o r k s 技术的可行性 根据以上的介绍，呵以从以下几个方面分析其可行性： 首先，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 具有很好的丌放性，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。而且，e c h e l o n 公司正在努力实现将其数据包打入l p 数据包中，以 灾现l o n w o r k s 网络与i n t e r n e t 的无缝连接。该技术足一个不断升级的具有 发展性的技术。而l o n m a r k 组织所定义的标准网络变量标准使得不同厂商的 设备具有好的互操作性。 其次，它支持多种通信介质，保证了系统适用于车上不同的应用足以满 足列车的应用。其变压器耦合型自由拓扑双绞线收发器能够耐受1 0 0 0 v r m s 的共 模电压，其芯片的温度参数是基于军品级的，具有很强的可靠性。 再次，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。同时，e c h e l o n 公司提供的m i p ( m i c r o p r o c e s s o r i n t e r f a c ep r o g r a m ) 用于将 n e u r o n 芯片转换为一个具有五层协议通信处理器与其它c p u 接口，使得其它的 乍辆用+ 乜蜜牟临拎系统的研究 济人学坝1 ：学位论史 第一章乍辆用 n 业令仆在拄系统的方案o 分析 c p u 能够透明的接入网络，为丌发基于其它c p u 的更大的、实时性更强的应用 提供了广阔的空间。 另外，l o n w o r k s 支持垂询、更新自动发送、定时发送等多种网络数据 的访问力式，并有非确认、非确认重复、确认和请求n l a j 应等服务方式，可设定 优先级发送，凶而可根据需要定做实现最佳的系统响应。 综上所述，采用l o n w o r k s 技术实现动车组的控制是可行的。 2 3 系统方案 2 3 1 用电安全监控系统的功能与目标 1 车辆用电装置配置及负荷状况 研究对象选择为空调客车，这些车辆基本上采用集中供电方式，其主要的 用电装置主要由如下几部分组成：1 ) 空调及采暖：2 ) 自动电热水炉：3 ) 温水 箱；4 ) 应急电源；5 ) 照明及其它。整个车辆的用电大致在6 4 k w 左右t 各部 分详细的用电情况见附图l 。 2 午辆用电装置用电状况及工作状态的实时记录 乍轴用电安全监控系统实时的检测并且记录各用电装置的关键用电参数和 t ：作状态，这些参数可以保存下来，通过分析这些参数，可以对车辆用电装置 的r 作状态进行客观的评价，为有关事故的分析提供依据。用电安全监控系统 的原理结构图如附图2 。 2 3 2 系统方案 依据前面所述，可以设计出系统的实施方案，其结构框图如图2 3 所示。 住该方案中，以每个车厢为单位实现对各个车厢内各用设备的用电参数及 l 作状态的实时检测，通过对这些数据的分析实现故障检测报警与控制。每一 个车厢内有一个基于n e u r o n 芯片的节点，它可以连接终端的i o 设备，实现监 控的功能，它还可以通过收发器连接到整个列车总线中。每个车厢内有台显 示器( 即监控计算机) ，实现网络信息的监控。，由于车辆中原来的 些用线都 是电j j 线，为了充分利用原来车辆内的电力线，以避免铺设额外的线路，通信 介质采用电力线。其中各设备具体如下： 湿示器一一提供友好的人机接口界面，用于本车厢以及其它车厢的运行信 下辆用l 也宜幸峨拄系统的研究 第二夸车辆用i 乜安全监拄系统的方案j 分析 息利故障信息的显示，并进行重要数据的记录，可以接u s b 接1 2 1 ，把数据拷贝 下求，以供故障分析用。 、。 川电设备 、一 用电设备 酗2 , 3 结构框幽 控制节点一一是用于实现车辆各种控制功能的模块化功能单元，根据功能 的小同实现不同的控制。它首先从i o 设备获得数据，对数据进行各种技术分 析，通过各种技术分析，当发现不同的故障出现时，或者将出现险情时，系统 将采取必要及合理的措施来防止事故发生。 2 3 3 可行性分析 车辆用电安全监控系统主要采用传感器技术与计算机技术。用到的传感器 主要有电流、电压和温度传感器，这些传感器都有很成熟的产品和技术保障。 而计算机则采用工业控制计算机，同样是可靠性很高的成熟的产品，再加上相 应的输入输出接口电路，完全可以保证系统的安全可靠。 对于我国现有车辆来说，它们的配电问内都有足够的空问来安装该系统的 主控制箱。另外由于电流、电压传感器采用霍尔形式，不需要对配电问的线 路作任何改变，而各种用电器的工作模式与状态检测均采用电平检测方式，所 以同样对原线路不用作任何修改，只要在相应的检测点卜加装了损量信号线即 可，而这些信号线的数量也不多，不会对整个配电柜产生较大影响，所以整套 用电安全监控系统完全可以安装在多种车辆的不同类型配电问中，而不会对原 乍辆用l b 安全监控系统的研究 i 叫济人学坝l 学位沦史 第章 午辆用电宣伞监控系统的方案，j 分析 系统产生任何不利影响。 目| i 铁路客车车辆的用电量越来越大，用电安全成为关系铁路运行安全的 重大因素之一。车辆用电安全监控系统f 是适应这一实际状况而开发的，它能 有效的提供车辆用电的各种参数，排除各种安全隐患，确保车辆用电的安全。 从这个角度来看，具有很高的经济和社会效益。另外，从各种用电装置的工作 模式和实际运行参数，可以分析得到( 或评估) 该装置的工作状况，从而为该 装置的检修提供依据，也可提高了该装置的利用率。 另一方面，当每个车辆的用电情况通过测量得到监控以后，通过列车总线 可以将各个车辆的用电情况及时传送到列车的控制中心，使有关技术和管理人 员及时掌握整个列车的用电情况以及可能发生的安全隐患确保列车的安全。 下辆用电安仝j i f i 控系统的研究 州济人学坝 + 学位论文第二章i , o n w o r k s 嘲络挣制技术的原理与心用开发 第j 章l o n w o r k s 网络控制技术的原理与应用开发 3 1 概述 l o n w o r k s 网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该技术的 基础上，呵以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统更高效、更灵活、 更易于维护和扩展。具体有以下特点： ( 1 ) 丌放性和互操作性：网络协议是丌放的，而且对任何用户都是对等的。 其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如e i a7 0 9 和i e e e l 4 7 3 。网络 协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。该技术提供的m i p ( 微处理 器接厂 程序) 软件允许开发各种低成本网关，方便了不同系统的互联。也使得 系统具有高的可靠性。 ( 2 ) 通信介质：可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光缆等在内 的多种介质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混台使用。这一特性使 得f i 同工业现场的不同设备实现互联。增强了网络的兼容性。 ( 3 ) 网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客 户服务式( c l i e n t s e r v e r ) 。 ( 4 ) 网络拓扑：可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓 扑形式。尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。 ( 5 ) 分布式处理：网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地接收、发 送和处理网络信息。这意味着l o n w o r k s 控制网络上的每个设备都可以进行 决策和信息处理，而不依赖于计算机、p l c 或其它形式的中央处理器。消除中 央处理器意味着减少l o n w o r k s 控制网络的总成本。由于个别设备的故障并 f i 会影响刚络中其它部分的工作，也使得l o n w o r k s 控制网络更加可靠，但 如果是p l c 或中央处理器出现故障就造成控制嘲络的其它部分不能正常工作。 除上述特点外，l o n w o r k s 控制网络在功能上就具备了网络的綦本功能， 它本身就是一个局域网，和l a n 具有很好的互补性，又可方便的实现互联，易 f 实现更加强大的功能。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，实现了测控和组网的统一，而其在此基础上儿 发出的l o n w o r k s l p 功能将进一步使得l o n w o r k s 网络与以太网更为方便 下辆用f u 安牟= j 氍榨系统的研究 帮兰帝l o n w o r k s 刚络控制技术的麒理1 j 心用开照 的互联。 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rl o n w o r k s 技术丌发和应用 的功能强火的网络操作系统。与网络构成c l i e n t s e r v e r 结构，采用面向对象的 方法管理网络设备。为网络管理和h m l 建立提供了有效的手段。 l o n m a r k 互操作协会是由e c h e l o n 和一些致力于建立互操作产品的 l o n w o r k s 用户在1 9 9 4 年建立的。互操作性是指来自同一个或不同制造商的 多个设备能够集成在个控制网络内，而不需要进行任何用户节点或网络工具 的丌发。l o n m a r k 协会致力于制定互操作标准、对产品是否符合标准进行认 证、以及提高瓦操作系统的性能。下面将分别展丌叙述其各相关技术和功能。 3 2l o n t a l k 协议 3 2 1 概述 l o n w o r k s 技术所使用的通信协议称为l o n t a l k 协议。l o n t a l k 协议遵循 山旧际标准化组织( i s o ) 定义的丌放系统互连( o s i ) 模型。它提供了o s i 参 考模型所定义的全部七层服务，支持灵活寻址。表3 1 给出了对应七层o s i 参 考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。 o s i 层 目的提供的服务 l o n m a r k 对象，配置特性标准网络变揖类，弘，文件传 7 心_ l i j 层 应川兼容性 输 6 表示层 数据翻译恻络变量，应州消息，外来i 帧传输网络接口 5 会| 舌层远程操作请求l l r 自府，鉴别，网络服务 端端的可靠 4 传输层应答消息1 r 应答消息，烈承检卉，通h 4 排序 传输 3 刚络层传输分缃点对点寻址，多点之间j 播式寻址，路由消息 2 链l l c 子层帧结构帧结构，数据解码，c r c 错误检奁 路层m a c 子层 介质访问 p 坚持c s m a ，冲突避免，优先级，冲突检测 1 物理层物理连接介质，电气接口 表3il o n t a l k 协议层 下辆用r u 安伞蚧控系统的研究 叫济人学坝j 学位论立第二帝l o n w o r k s 刚络控制技术的原删与应用开技 3 2 2 物理信道 l o n t a l k 协议支持以不同通信介质分段的网络，它支持的介质包括双绞线、 电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。每个l o n w o r k s 节点都需要物理 地连接到信道( c h a n n e l ) 上，信道是数据包的物理传输介质；l o n w o r k s 网 络由一个或多个信道组成。 f i 同信道通过路由器相互连接，路由器是连接两个信道，并控制两个信道 之间数据包传送的器件，路由器有四种不同的安装算法：配置路由器( c o n f i g u r e d r o u t e r ) 、自学习路由器( l e a r n i n gr o u t e r ) 、网桥( b r i d g e ) 和重复器( r e p e a t e r ) 。 呵以任选种算法来安装路由器。 由网桥或重复器连接的信道的集合称为段( s e g m e n t ) 。节点可以看见相同 段上的其它节点发送的包。而智能路由器( 配置路由器和自学习路出器) 则根 据设置决定是否将数据包继续向前传送。故可用来分离段中的网络交通，从而 增加整个相同的容量和可靠性。 3 - 2 3l o n t a l k 协议的网络地址结构 l o n t a l k 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( 可以是一 个或几个节点) ，路由器也使用这些地址来选择如何在两个信道之问传送数据 旬 # - 幽31 分层编址示意剀 网络地址可以有三层结构：域( d o m a i n ) 、子网( s u b n e t ) 和节点( n o d e ) 。 如陶3 1 所示。 乍辆刷t u 安伞监控系统的研究 一j 济凡学坝l 学位论文第二章l o n w o r k s 嘲络挣削技术的原理与戍用开发 第一层结构是域。域的结构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，如，不同域的区分可以保证 它1 f 的应用完全独立，彼此不会受到二f 二拢。n e u r o n 芯片可以配置为属于一个域 或同时属于两个域。同时作为两个域的成员的一个节点可以用作两个域之间的 网荚( g a t e w a y ) 。域i d 可配置为0 、1 、3 或6 个字常。使用较短的域i d 可以 减少数掘包的开销，这可由系统安装者根据实际需要束决定。 幽3 2 单一信道多个子网 图3 3 同一区段上的多个子网 幽3 4f 网不能跨越智能路由器 图3 5 分属_ 丁两个域的1 ，点子网卯属 幽3 6 一个域中的所宵肖点p 1 1 属一个子网 图3 7 可跨越任意信道、路由器或网桥的编 第二层结构是子网。每一个域最多育2 5 5 个子网。一个子网是一个域内节 午辆用l 乜安伞监控系统的研宛 第= 章l o n w o r k s 喇络控制投术的原埋i 应用开发 点的逻辑集合。一个子网最多可以包括1 2 7 个节点。一个子网可以是一个或多 个通道的逻辑分组，有一种子网层的智能路由器产品可以实现子网问的数据交 换。住一个子网内的所有节点必须位于相i 司的段上。子网不能跨越智能路由器， 如图3 4 所示。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 二的一个子刚，如图3 5 所示。 可将一个域中的所有节点都配置在+ 个了网内，如图3 6 所示。但也有下 面这些例外情况： 1 节点位于由智能路由器分割的不同段内。 2 刚络的节点数目 1 2 7 。这时若将所有节点配置为属于同一个子网就超 过了，一个子网的最大容量，此时可在一个段上配置多个子网以以增加段的容量。 第三层结构是节点。子网内每“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 1 2 7 = 3 2 3 8 5 个节点。 v et | p d u a d d r f m l ll e n g t h a d d r e s d 。m a in l上 一一广一 + 8188 o 源子网 1 源节d 目标子吲 z a 匝正匝互互互匝。 。 ；z u 匝王匝互互互匠至具。 i 。匣正匝工巫五二二三口 节点也可以被分组( g r o u p ) ，一个分组在一一个域中跨越几个子网，或儿个 信道。 在一个域中最多有2 5 6 个分组，每 节j _ ，而无应答服务的节点个数不限， 个分组对于需要应答服务最多有6 4 个 个节点可以分属1 5 个分组去接受数据。 下辆用l u 安牟监捭! 系统的研究 蚺= 幸l o n w o r k s 州络拄制技术的原理与府甩开发 分组结构可以使一个报文同时为多个节点接收。 另外，每一个n e u r o n 芯片有一个独一无二的4 8 位i d 地址，这个i d 地址 是在n e u r o n 芯片出j 。时由厂方规定的。一般只在网络安装和配置时使用，呵作 为产品的序列号。图3 _ 8 为报文地址结构。 3 2 4 通信服务 3 2 4 1 消息服务类型 网络通过的通信服务要使网络同时实现高的有效性、快的响应时问、好的 安全性以及高的可靠性是不可能的，实际网络提供的通信服务只能是在这几个 方周折衷的结果。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n l , ；j 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 e d r 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 ) 。使用确认服务是最可靠的，但是对 于较大的组来说，却比非确认或非确认重复服务需要使用更大的网络带宽。具 有优先级的数据包将能够保证这些数据包被及时的传送，但是却损害了其它较 大的传送。对一个对象增加证实( a u t h e n t i c a t e d ) 服务虽然增加了安全性，但完 成一个证实却比完成一个4 h i j e 实事务所需的数据包数多了两倍。 请求i n l ；j 应是最可靠的服务，即一个报文被发送给一个或一组节点，并等待 来自每个接收节点的响应。输入报文由接收端的应用在响应生成之前处理。与 确认服务一样，发送时间、重发次数和接收时间是可选项。响应中可以包括数 据，从而使服务适用于远程调用或c l i e n t s e r v e r 方式。 确认是与请求u ( , l 应相等价的服务，即一个报文被发送给一个或一组节点， 发送者将等待来自每个接收者的确认。若没有接收到来自所有目标的确认，并 且发送者的时怕j 已超出，发送者则重新发送。发送时间、重发次数和接收时间 是可选项。确认由网络c p u 来生成而与应用c p u 无关。其i d 号用于跟踪报文 和确认，从而使应用不再接收重复的报文。 非确认重复的可靠性较前两者要低。非确认重复服务即是报文被多次发送 给。个或多个节点，同时不企望得到响应。该服务一般用于向一大组节点广播， 若在确认或请求响应方式下，由所有响应产生的交通量可能将使网络过载。 可靠性最低的是非确认服务。它是指一个报文被发送给一个或一组节点且 只彼发送一次同时不刺望得到响应。该服务一般用于要求有最好的性能，网 1 ：辆用l u 安仝航控系统的研究 济人学f l ! j ! i j 学位论文 第一二荜l o n w o r k si 叫络控制技术的豫理oj 应用开发 络带宽受限制，同时网络对报文的丢失 i 敏感的情况。 3 2 4 2 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掘包的传输。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 b j 结束，才能知道节点没有接收到目的节点的确认， 这叫，节点j 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。 3 24 3 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重要消息包的响应时间。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时间 ( 最小为2 比特时间) ，从而换取一定的带宽供信道卜实现无竞争的优先访问。 附加的时问值大小与比特速率、振荡器的精度以及收发器的需求有关。例如： 信道上所有节点使用t p x f 1 2 5 0 双绞线收发器( 速率为12 5 m b p s ) ，振荡器的 频率精度o 2 ，每个优先缴时隙宽为3 0 比特时间。由于不存在竞争，配置优 先级的节点相对于无优先级的节点的响应时蚓要好得多。优先级与冲突检测的 结合将获得更优的响应时间。为每个节点分配优先级时隙的网络管理工具可以 保证节点在信道上被赋予一个特定的优先级时隙。节点只能在分配给它的优先 级h 0 隙发送它的所有赋予优先级的消息包。就实质而言，优