（计算机系统结构专业论文）基于can总线的分布式监控系统的设计与实现.pdf

摘要 现场总线技术具有开放式，全数字化，双向串行，多节点通信等优点。目前 以现场总线为基础的监控系统应用也已经广泛深入应用到工业控制、自动化仪器 仪表、智能化的武器装备等许多领域。由于国内在大型停车场照明自动监控系统 中尚无成熟的产品，我们设计和实现了一种基于c a n 现场总线的照明自动监控系 统。该系统具有：可靠性高、系统配置灵活、可现场监控方案下载和重组态操作 等优点。 在系统设计和实现过程中考虑到自动监控系统共性问题，以及采用的c a n 现 场总线技术具有普遍的适用性，因此该系统的设计理论和技术不仅可以应用于各 种大型停车场的灯光自动监控，也可以应用到其它很多相关的自动监控领域，具 有广阔的推广应用前景。 本文在了解国内外自动监控系统发展现状的基础上，对广泛应用的现场总线 c a n 协议及其原理进行了深入的研究，讨论了基于c a n 现场总线监控系统的设 计技术与实现方法，并提出了基于c a n 总线的现场控制器的设计方案，详细描述 了控制器的软件、硬件实现细节以及在开发过程中的一些关键的技术问题及其解 决方案。此外，还对当前监控组态软件所采用的主流技术进行了比较、分析，提 出并详细描述具体的设计方案和实现方法，并介绍了它们在大型停车场照明自动 监控系统中的应用。 关键字：现场总线组态照明监控系统c a n a b s t r a c t f i e l db u sh a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha so p e n i n g ，t o t a ld i g i t a l i z a t i o n ，t w o w a y a n ds e r i a l ，n o d a lc o m m u n i c a t i o n ，e t c w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ff i e l db u s ，t h e m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l db u sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns u c hal o to f f i e l d sa si n d u s t r i a lc o n t r o l ，a u t o m a t i ci n s t r u m e n ta n da p p a r a t u s , i n t e l l i g e n tw e a p o n r y , e t c d i r e c ti ta g a i n s ti nas i t u a t i o nt h a tt h e ma r en or i p ep r o d u c t sy e ta th o m ei nt h e a u t o m a t i cm o n i t o l e dc o n t r o lf i e l do fl a r g e - s c a l ep a r k i n ga r e aa tp r e s e n t ，s ow ed e s i g n e d a n dr e a l i z e dak i n do fm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mf o ri l l u m i n a t i o nb a s e do nc a nb u s t h ea d v a n t a g eo ft h es y s t e mi sh i g l id e p e n d a b i l i t y , f l e x i b l es y s t e mc o n f i g u r a t i o n ， o n - t h e s p o ts c h e m et h a tc a nb ed o w n l o a d e d ，r e c o n f i g u r a t i o no p e r a t i o nm o d e ，e t c c o n s i d e r i n gt h ec o m m o nq u e s t i o no ft h ea u t o m a t i cm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m d u r i n gs y s t e md e s i g na n dr e a l i z a t i o na n dt h ep r e v a l e n ta p p l i c a b i l i t yb a s e do nc a nf i e l d b u st e c h n o l o g y , t h i ss y s t e mt h e o r ya n dt e c h n i q u en o to n l yc a nb ea p p l i e di ni l l u m i n a t i n g m o n i t o r e dc o n t r o li nt h ed i v e r s i f i e dl a r g e - s c a l ep a r k i n ga r e ab u ta l s oc a nh ea p p f i e di n o t h e ral o to fr e l e v a n tm o n i t o r e dc o n t r o lf i e l d s ，h a sw i d e g c n e r a f i z e da p p l i e dp r o s p e c t s o nt h eb a s i so fc u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c to ft h em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mb o t h h e r ea n da b r o a d ，w ec a r r i e do nd e e p l yr e s e a r c hi nt h ec a nb u sw h i c hw a sa p p l i e d w i d e l yi n c l u d i n gi t sp r o t o c o la n dt h e o r y , d i s c u s s e dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nf i e l db u s ，p r o p o s e dt h ed e s i g np l a no ft h e o n - t h e - s p o ti l l u m i n a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nc a nb u s ，d e s c r i b e da m p l yt h er e a l i z a t i o n o ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ei l l u m i n a t i o nc o n t r o l l e ra n ds o m ek e yt e c h n o l o g i c a l p r o b l e m sa n ds o l u t i o n sd u r i n gt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n g i na d d i t i o n ，w ec o m p a r e da n d a n a l y z e dt h em a j o rt e c h n o l o g ya d o p t e db yt h ep r e v a l e n tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， p r o p o s e da n dd e s c r i b e da m p l yt h ec o n c r e t ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei nt h i ss y s t e m ，i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fi ti nt h ea u t o m a t i cm o n i t o r e d c o n t r o ls y s t e mi nl a r g e s c a l ep a r k i n ga r e a k e y w o r d s ：f i e l db u sc o n f i g u r a t i o ni l l u m i n a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mc a n v6 9 5 7 4 3 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 送墓蚂 日期卫丛z ：垄 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期 日期习积衅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 分稚式监控系统的现状与发展 各个时期的髓控系统辗搬功麓盼不同，其髂系结构瞧具肖很大的不同。对应 予菔控系统的敏展阶段，其体系结构也相应的经历了条中式、阶梯式和分布式的 演化过稷啪，。 1 集中式结构 集中式结稳懿特蕊是对滚拴系绫孛戆倍患统一处理，撩鸯一令全怒数攥瘁竣 记漱系统的各种监控活动，缚个控制实体都与中央处理单元独立谶接。随着监 控鬃统炎得越来越复杂多交，穗斑速度馒、可靠往差、霹扩溪犊差等爨裁必其罐 以嶷黢躲主要矛懑。蔡中式簸控系统采用麴是集中式结构。 2 阶梯式结构 除梯式结构采瘸主扶式分攫控制策略，各艨有各囊特定豹功能。与集中式结 构楣比，阶梯式缡构霸许多优点，如其阶梯式的数据库结构使得整体的数据量院 集中式控翻系统大大减少；热青备鑫特定麓髓鹣单元在响应辩令帮襁互逶信鞋鸯 更大的必活性。尽管如此但媳有一些固有的缺陷。如上层故障会造成下层控制的 整体瘫痰；设备蠢黉静改交会影嘲弼整个滚控系统：蘸予添臻延迟往彼壤上瑟决策 涝嚣予一f 层状态鹣变豫露造璇控秘失误等。壤数式监控系统( p 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 ) 采用的是阶梯式结构。 3 分布式结搀 从总体上泉着，分布式结构有若干个楣互独立又相鬣关联的实体缝成，各实 体在系统中的戆位处于同一朦次上，享有充分懿“自帚l 较”：褥盈，分布式系统逶 过增强卷实体单元的智能与自制权，使信息及控制局域化，从而降低了系统的复 杂筑，太大提离了系统静w 扩充性、容铸毪帮可嚣往。现场总线整控系统 ( f c s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 采耀分布式结构，采用蕊线式遘搂。 与分布式监控系统密切相关的是现场总线与组态软件技术。现场总线技术的 塞现经分布式j | 螽控系统戆控铡凌憝缮裂了锄窳熬分数，大大瞧蹇了系统懿可靠牲； 组懑软件技术的蹬现则使分布式监控系统的可扩展 生及适用性得剽了极大的提 离。随精现场总线技术和缀淼技术( 后丽的章节中将潦行详细的分析与研究) 黔 不断发鼹，分布式监控系统已经褥到了广泛的应用，髑魏已经成为工业嫩控领域 的主流髓控系统。 1 2 基于分布式嘧控系统的组态软件的现状与发鼹 随着分审式黢控投术豁嵩戮与发展，使梁l ：分靠式l 蠹挎系统昀霞缝惑技术昭 !藻于c a n 总线的分布式监控粼统的设计与实现 实瑰威爻霹耗。男一方嚣，王鼗缀态软终戆蠢瑷又遂一步豢动了分毒式羧控系统 的发展。通过重组态功能，用户w 以方便地对分布式系统备功能模块垂新进行配 置，以适应新的需求，同时也扩展的系统的应用范围。在软件领域，用于工业监 控豹缎悫软俸是基予系统平台( 例如w i n d o w s ) 的大型应用软件，它集监控技术、 入梳器稀援术、图形技术、数据霹技术、网络技术于一身，趣含动态显示、报警、 驱使、控制策略、i o 控制、网络通信等组件。 早勰的组态软件是由d c s 厂窳为其推出的d c s 产品而开发的专用软件，所以 不弱鹣厂家提供翁终态软箨差舅较大，量与其骥终产燕密翅耱关，不蠢豹d c s 厂 家的缎态软件不可捆强替代。这样设计的系统通常是封闭的系统，选择余地小或 不能满足需求，很难与外界进行数据交换，升级和增加功能都受到限制，这也使 d c s 系绞盼避一步撼广应焉受到严蓬豹捷战。 蘩予这种情嚣，些厂家黼续推出了多种的遴用性鞍强鹣维态软伟。鸯诧前 的组态软件不同，这种监控组态软件具有很强的通用性，它并不是为特定的d e s 厂家或赣特定鲍d e s 系统而设计的，即不依赖于特定的硬件，具有很强的独立性， 这裁努皴了峦予系统麓不兼容导致懿蓬嚣。 自1 9 8 7 年，荚翻i n v e n s y s 集团公司下的w o n d e r w a r e 科技公司首先开发出了 i n t o u c h 组态软件，并且取得了比较成功的应用之后，陆续宥美国的i n t e l l u t i o n 较转公罚牙发凄了f i x 组态教 孛，德嚣豹疆门予巢圈公司嚣发出了w i n c e 缀态较 伟，俄罗斯a d a s t r a 科技公司推出的t r a c em o d e 组态软侔簿。这些缀态软件一经 实践推广，即得到了广泛欢迎，柱工业自动化领域得到了迅速的推广和威用。9 0 年代中期，我国的甄控软件公司研蒯开发出了缎恭软件一“缀态主”，北容金佳诺 较辞公司开发出了缀悫较俘“毽筑鬟”，花京鼗仑逶态蠡动纯公司开发出了维态软 件m c g s 等，并在国内的工业、电力和智能建筑筹行业得到了较多的应用。如今， 组态软件己经在工业过程监控、交通运输、石油化工、冶金和智能建筑等行业得 到了广泛熬痤月襄攘广。 随着嵌入式系统和现场总线的出现与迅速发展，组态较件已经成为自渤亿监 控领域的不可缺少的组成部分。目前，现场总线系统集成的操作监控平静现多采 用组态软 孚开发。缀态软件已经成为当今工业过程监控领域主要的操作、运行期 益控静开发设计软传。随着分布式蓬控技术豹发展，今螽缀悫较 睾也表瑷蠢瑷下 的发展趋势： 1 便于使用：随着计算机软硬件的不断发展，组态软件将会拥有黧加丰富、 强大豹功麓，并更矮瞳予入毪纯设诗，曼热嫠挚易热。 2 ，开放的体系结构：为更好的实现组态软件的各种功能，将采用开放的体系 结构( 例如e l i e n t s e r v e r 结构) 必将成为组态软件最佳的选择。 曩灵活害e ：绁惑软 牛为实现灵活翱念的疆轹，必将更注薮其灵活性，饺其更 第一章绪论 裁予扩充秽完善。 4 支持多种网络协议和现场总线协议。 1 3 课题的提出 3 掰前国内的大溅地下停车场普遍存在能源浪费严重、照明设备损耗大等缺点。 虽然囡外已经开发出类似的智能照明监控系统解决以上的问题，但其中的多数产 品并不逶含我国豹基体国情，蔼艇其产品价酸缀寒。耳翦，国内市场上尚嚣此类 静产黼蹬现，本文掇出翡照骧鼗控系统则可竣填补箢顼空蠢。 1 4 作者的工作内容和论文的章节安排 一、佟者魏工作内容 作者的工作内容包括以下几个方面： 1 。对当前的主流工业现场总线进行了研究，通过对这几种总线的性能的分析与对 魄，最嚣决定袋髑c a n 总线掺灸该谖嚣瓣逸售总线。 2 对c a n 总线协议及其原理避彳予了较为深入的研究，并对实际开发过程中遭到的 一魑关键技术问题进行了分析。完成了该j i 鑫控系统中现场控制器( 包括两种形 式豹现场控制器) 的调试与定型，完成了控谁l 器阋潋及拨铡器与上镶枧闻的通 穰，班及系统熬体的溯试。 3 对工业组态监控软件的组成结构特点以及在开发监控组态软件的过稷中所采 用的一些主要技术进行了研究，并以此为然础，完成了该照明监控系统的上层 j | 螽控缓态软锋瓣波诗与实瑷，势完成了该款传豹各攘琰鹣灞试。 通过对系统的测试结果的分析，表明采用c a n 总线作为通信总线，可以明显 降低系统的复杂度，并提高可靠性。在国内照明监控领域的市场刚刚起步的情况 下，该系统具有广溺浆推广应用藏景。 二、论文的章节安排 第一章绪论 简要介绍了分粕式监控系统及其工业监控缀态软件的现状与发展，提如了研 究瀑瑟，奔绍了终嚣豹工侮及论文静章节安捺。 第二鞲现场总线分布式监控技术分析与研究 本章首先对基于现场总线的分布式监控系统及其特点谶行了简要介绍，然后 对当瓣鹃一些主滚瑷场总线进行了奔绍，荠从蠓理与牲l 主对这些现场总线遂孝子 了对比与分析。 第三章纽态软件技术分析与研究 奉章茸先 三要对组态软件技术进行了介绍，并对目i i 流行的儿种组态软件进 一4 基于c , m q 总线的分布式监控系统的设计与实现 行了对魄分辑，最螽怼警羲缀态软传联采霜懿关键技术逶蠢了磺究。 第四章c a n 总线技术分析与研究 本章首先对c a n 总线技术概念殿其性能特点：避 行了介绍，然后对c a n 总线协 议夔甥瑗艨、数据链路豢及其攘关翔麓进露了分缨，最后文章j l 雩c a n 总线黪采雳 的一些关键技术进行了分析与研究。 第五章镏能照明监控系统设计与实现 本章饕先对该项羁进彳亍功能与鬻求分折，描述了该系统捆荧的技术参数，提 出了照鞠簸控系统的憨体方案设诗，然后霹系统备维成部分( 邋信溷络、瑗场控 制器、上层监控组态软件) 的设计方案以及所选用的技术进行了详细的描述。 第六章结束语 慧绻了黪者联徽熬麟突互接积蜜验连调工终，以及在系绞软嫒搏寝计夸褥遗 的经验，说明了该设计的创新点，并提出了改谶方案。 致谢 参考文献 第二章现场总线分布式监控技术分析与研究! 第二章现场总线分布式监控技术分析与研究 分布式虢控系统是现场总线技术发展的产物，没有现场总线技术的成熟发展， 分布式监控系统就难以实现。本章对现场总线技术进行了介绍，并对目前流行的 现场总线的原理与特性进行了对比和分析。 。 2 1 现场总线分布式监控系统介绍 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 标准的定义：现场总线是一种互联现场自动化设备及其监控系统的双 向数字通讯协议。也就是说现场总线是监控系统中最低层的通信网络，具有双向 数字传输功能，在监控系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节 点，并通过一条物理媒体互相交换信息。在制造业、流程工业、交通、楼宇等方 面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 在基于现场总线的分布式监控系统中，现场总线将各种现场信息传送给监控 计算机，通过生产管理计算机与上层网络相连。它把现场设备的各种运行参数、 运行状态信息及故障信息送往监控计算机和其他现场设备，同时又将各种控制、 维护、组态命令送往各相关设备，建立了生产过程现场及控制设备之间、现场设 备与更高控制管理层之间的联系。 2 2 现场总线分布式监控系统的特点 采用以现场总线为基础的分布式监控系统将会有比其他监控系统更多的优势 【2 l 】： 1 1 开放性： 现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总 线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。因此，现场总线技术引入自 动化监控系统，打破了d c s 厂商在工业自动化监控领域的垄断地位，促使传统监 控系统结构演化，逐步形成基于现场总线的监控系统f c s 。 2 ) 对环境的高度适应性： 现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电 力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉 价的双绞线，并允许现场设备利用数据通信线进行供电，还能满足安全防爆要求。 3 ) 灵活的网络拓扑结构： 现场总线监控系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树 ! 撼于c a n 总线的分布式监控系统的设计与实现 鍪、星鍪、慧线墼帮瀑次纯网络缝稔等。 4 ) 系统结构的高度分散性： 现场设备本身属予智能化设备，具有独立自幼监控的基本功能，从而从根本 土改交了d c s 豹集孛与分数相结会豹髂系结梅，形或了一秘念赣豹分毒式靛控系 统，实现了控帝l 功能的彻底分散，提高了监控系统的可靠往，筒亿了监控系统的 结构。现场总线与上级网络断开艏仍可维持底层设备的独赢正常运行，。藏智能 程度大大热强。 弱现场设备靛高度餐髓凭： 传统的监控系统使用相对集中的控制站。其控制站由c p u 单元和输入输出单 元等组成。现场总线濂控系统则将控制站功能彻底分散到现场控制设备，仪靠现 矮总线浚餐裁瑶潋实骥鑫动蓝控瓣簇零功戆，热数据采集与枣 馁、p i d 运算耱控割、 设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可戳在控制室实现远程监控，设定或 调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊 叛。 国互搽律往： 互操作性是指不网厂商的控制设备不仅可1 2 置驻相通信，丽且可以统一缎态， 实现同的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。 ? ) 系绕复杂疫； 使用f c s 可以减少大量的隔离潞、端子柜、i o 卡及i o 端口。这样就爷省了 i o 装置及装置室的空间，同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此 羁对，f c s 比d c s 性黢有辑提毫。幽予免去了d a 与矗d 变换，使仪表精度德至g 极 大的提离；通过将p i d 功能植入到糟应静智髓传戆器中去，使控制周籁大为缩短。 2 3 欺型现场总线介绍 瑰璐总线发震逐遴，瑗薤予群雄并起、百家争鸣静阶段，嚣蔫己开发懑4 0 多种现场总线。其中，符合1 e c 6 1 1 5 8 国际标准规定的有8 种总线。包括：德国 西门子公司支持的p r o f i b u s 、基众会现场总线f f 、德国p h o e n i xc o n t a c t 公司 支薅熬i n t e r b u s 、荚邋r o c k w e l l 公霉支持豹c o n t r o l n e t 、法嚣a l s t o m 公司支 持的w o r t d f i p 、主要由f i s h e e r - r o s e m o u n t 公闭支持的f f 、h s e ，美国波啬公司 支持的s w i f tn e t 以及丹麦的p r o c e s s 等。此外，还有几种程工业监控领域广泛 应用豹憨线，热德国b o s c h 公司为汽车应用两，1 ：发酶c a nb u s 、美国e c h e l o n 公 司开发瓣l o n w o r k s 总线等。在遮黧总线中，最凝影稚力的纛5 种5 ，分潮楚f f 、 p r o f jt b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。f 面分别对这五种总线分别进行介绍。 、熬套会现场总线 第二章现弱憨线分布式懿擦技术分析与研究! f f ( f o u d a t i o nf i e l db u s ) 是基于w o r l d f i pn o r t ha m e r i c a n ( f i p ) 和 i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ( i s 黪豹共嚣铡薤，在1 9 9 4 年会蒡瑟成瓣。基金 会现场总线采用国际标准化组织i s o 的开放化系统互联o s l 的简化模型 l ，2 ，7 层) ，另外增加了用户层。 蕊鑫会现场总线努低速 l 和高速珏2 嚣； 申通信速枣。h l 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信躐舞可运1 9 0 0 m ( 可知串继嚣延长) ，可支持总线供电。h 2 强前 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 可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。其物理嫡l 介的传输 番号禳蔓镪裁将缡褥。 需要指出豹是，为了满足火爨的实时数据( 速率要求火于目前多数现场总线 的传输速率) 的传输问题，现场总线基金会最厨放弃了原肖h 2 总线计划，取而代 之的怒将理场总线技术与成熟豹舞速商尾数太阚技术提结会的蔌型裹速现场总线 一基龛会h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 现场慈线，并子2 0 0 0 年3 月发带了h s e 静 最终规范。h s e 是一种基于e t h e r n e t + t c p i p 协议、运行在l o o b a s e - - t 以太网 上的巅速现场总线，代表了今后现场总线的发展方向。它熊支持低速总线h l 的所 有珐熬，是对籍l 秘耱充器璞强。h s e 藩于王渡淤太鼹蓬辚，超密了强蓊溪场慧线 的范阐，故在这里不进行讨论。 二、l o n w o r k s l o n w o r k s 是塞夔謇e c h e l o n 公司攫出，势囊窀餐与摩援罗控、衮芝公霹共羁 倡导，予1 9 9 0 年旋戏公布丽形成的“。它采用了i s o 脑i 模型的全部七艨通讯协 议，采用了面向对数的设计方法，通过网络变黛把网络通信设计简化为参数设置， 其通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接邋信距离可达刘2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞 线) ，支持双绞线、阏辘毫缆、巍纡、莉频、筑乡 线、奄源线等多穰逶甓奔震。 l o n w o r k s 的介旗存取控制采用带预测的p 一坚持c s m a 方式，c s m a c d 方式具 有算法简单、可靠燃高、存取对嚣节点平等，低中负荷时寅时性较好等优点。其 缺点避实瑷净突捻溅愆较复杂，重受萤下一个节点霉能缀长薅瓣纛法发送。 l o n w o r k s 采用了一种称为可预测的卜坚持退避算法，较好融解决了c s 撇在重负 荷时的性能。 l o n w o r k s 技术魄核心是其备透信积控制功麓的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实 现完熬的l o n w o r k s 羽l o n t a l k 避信协议。箕上集成鸯三个8 德c p u 。一个c p u 完 成o s i 模型第一和第二层的功能，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 进嚣溺络变量寻蛙、更赫、路径逡耩、溺络遴壤管理等。建 耱经芯片弱簸戆爹点 之问可以进行对等通信。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，组网 方式灵活，其l s 7 8 本安物理通道使得它可以应用于危险区域。i 。o n w ( ) r k s 廊用范 !基于c a n 总线的分布式监控系统的设计与实现 围主要惫纭楼字自动豫、工监整控簿，在餐建分京式蓝控网终方蟊毒较撬越瓣往 能。 三、p r o f i b u s p r o f i b u s 是捧为德邈嚣家撂潦d i n l 9 2 4 5 霾欧灏标准p r e n5 0 1 7 0 豹瑗场慧线。 i s o o s i 模型也是它的参考模型。由p r o f i b u s d p ( 分散型外围设备) 、p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) 、p r o f i b u s p a ( 过獠自动化) 组成了p r o f i b u s 系列。 船型用予分散外设阆的高速传输，逶会于鸯羁工囊动化领域的墩翅。f m s 意为现场 信息鬟范，遥焉予翁织、楼宇自韵弦、霹编程羧制器、低嚣嚣荚等一般鑫韵纯， 而p a 型则是用于过程自动化的总线炎型，它遵从i e c l l 5 8 2 桥准，可实现总线供 电。 p r o f i b u s 豹簧竣速率受9 。6 1 2 k b p s ，最大薅赣距离在1 2 k b p s 薅蔻1 0 0 0 m 。 其传输介质可以是双缎线，也可以怒光缆，最多w 挂接1 2 7 个站点。 四、c a n c a n 憝控裁器局域阚- - c o n t r o la r e an e t w o r k 豹篱称，最晕由德国b o s c h 公 司稚出，闵于汽车内部溺量与撬符部件之闯静数攥通信，蠢蘸有两种敝本瓣技术 规范：c a n 2 o a 与c a n 2 0 b 。其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准， 得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持。 c a n 狯议逡是建囊凌强嚣标准鬣缎豹西藏系绫嚣连模型摹麓土熬，不过，其模 型结构只肖3 层，只取o s i 底层的物理层和数据镳路层，以及用户定义的戚用层。 其信号传输介质为双缎线，通信速率最高可达1 m b p s ，直接传输距离最远可达 l o k m ，霹援接设冬最多w 这1 1 0 个。 已有多家公司开黢生产了符合c a n 协谈的通信芯片，躲i n t e l 公司静8 2 5 2 7 ， m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等。还有插在p c 机上的c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系绕价格便宜等优点。 五、隧瓣 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻缝远程传感器数据通 路) 1 9 8 6 年由r o s e m o u n t 提出的通讯协议，主骚是在4 2 0 l t i a 的d c 信号上叠加 f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，频率谖毒l 键控) 数字售号，袋麓半双工豹邋售方 式，是现场总线的过渡往协议，它对于现场总线的形成有重大澎响。 h a r t 通信模型由3 层组成：物理层、数据链路层和应用屡。h a r t 总线上可挂 设备数多达1 5 个，每个现场设备可露2 5 6 个变量，每个信息最大可包含4 个变量。 h a r t 数攒传输速率为1 2 0 0 b p s ，最大侮输距离3 0 0 0 m 。藏井，h a r t 髓鬟舔戆线供 电。 第二章现场总线分布式监控技术分析与研究1 2 4 几种典型现场总线技术的性能分析及对比 通过对前面五种现场总线的技术性能的分析，我们可以得出下面的五种现场 总线的性能对照表： 现场总线类型 特性f fp r o f i b u s ， h 1h 2 l o n w o r k s d pf m s p a c a n l a r t 主要应用仪表楼宇自动化： p l c 汽车智能变 范围工业自动化送器 女 i s o 网络1 ，2 ，7 + 用户层l 一7 l ，2 ，71 。2 ，71 ，2 ，7 层次 双绞线、光纤、双绞线、电力双绞线、光纤双绞线、双绞 传输介质无线线、同轴电同轴电线、电 缆、光纤、无缆、光纤源信号 线等线 介质访问令牌、主从 p pc s m a 令牌、主从位仲裁令牌、 方式查询 纠错方式 c r cc r cc r cc r cc r c 通信速率 3 1 2 5l m 一3 0 0 k - 1 2 5 m9 6 k9 6 k3 1 2 55 k l m1 2 0 0 ( b p s ) k2 5 m一1 2 m一1 2 mk 通信距离1 9 0 07 5 0 2 7 0 01 2 0 01 2 0 01 0 0 01 0 0 0 0单台设 ( m )5 0 01 0 01 0 0- 4 0备3 0 0 0 最大节点每段3 2每区域3 2 7 6 8每段3 2 l l o 每回路 数 1 5 优先级有有有有有 保密性身份认证 总线总线总线型、星 线型线型线型总线型 总线型 型、菊型型、环型、混总线总线总线、 拓扑结构花链合型树型 型、树 死u 总线供电是否是否否是否是 堡基于c a n 总线的分布式监控系统的设计与实现 秘理瓣侵瑾e 1 1 5 8 2 i s - 7 8r s 4 8 5 r s 4 8 5i 聪l lr s 2 3 2 c 基予 用标准l s a s p 5 0 0 28 5 - 2f s k 的 b e l l 2 0 曼衡搿特编码差分囊彻斯爨彻新特编码n r z 编模拟信 编码形式特编码码、线与号+ f s k 逻辑 单4 多个主站熹对瘾赢对主款缝主多主多簸蘸建氛f闷答式 通信方式多一点对多 广撬 点全局式 广播 开发工其有有有有 表2 1 主流现场总线性能对比 邋j 霪上嚣魏缓辘辩爨表可以餐窭各秘瑷场惑线在工终缀毽与瘟霜薮潮方嚣均 存在较大的差异。 谯通用性方面。上面的各种总线都有相戍的芯片从硬件上实现全部协议，其 中l o n w o r k s 、p r o f i b u s 和c a n 都有稷应的厂藏生产固化矮捺议的单片枫( 比如 l o n w o r k s 豹 范1 4 3 1 5 0 1 4 3 1 2 0 ，c a n 静p 8 x c 5 9 2 p 8 x c 5 9 1 ，p r o f i b u s 酶s l 颡2 l s p 鹾2 ) ， 这无疑大大降低了系统的复杂度和开发成本。 谯应用范围方蕊。f f 的h l 总线适用于过程自动化方向，且由于h l 总线支持 惑线攥毫，瑟馥迄支耱本爱安全貉溪蓼襞。京瓣内，f f 产菇开发嚣蔻还缝在实验 阶段，没有成熟的解决方案，在豳内应用较少；p r o f i b u s 因其构成的三部分，主 要面向通用目的融动化、工厂自动化与过程自动化领域。在国内，已有基于 p r o f l 8 u s 豹成熟产龆，但尚未形成翘模；l o n w o r k s 比较遗爝子一些大黧黥，对响 应时淘鬃求不太高的分布式监控系统( 如楼字蠡动纯) ，在工韭蓝控领域不跫主流； h a r t 主要应用于锷能仪表方面，由于属于过渡性总线产品，发展前景不大；c a n 总线主要适用于小型的，对实时骚求较高的系统。c a n 总线在国内应用a # 常广泛。 获瓣蓑来看，逐没骞移一静溪凌葸线辘够瀵霆全部王簸环境要求，嚣耱褒场 总线都有自己的长处和短处。照然用户和市场有标准化的需要，但在斑期内，现 场总线标准无法统一，多种现场总线并存的情况在今后较长的时间将依然存在， i e c 6 1 1 5 8 标准豹产生藏说明了这一点。 幽于c a n 总线嶷有芯片资源丰富、i 呼靠髓菇、开发成本低等优点，我们决定 选用c a n 总线作为浚系统的通信总线。 第三章组态软件技术分析与研究 1 1 第三章组态软件技术分析与研究 3 1 软件组态技术介绍 组态“”一词源于c o n f i g u r a t i o n ，它指在软件领域内，操作人员根据应用对象 及控制任务要求，配置用户应用软件的过程，简言之，组态软件是“应用程序生 成器”。 在过去的工业过程监控系统中，很多软件功能( 如控制回路生成，数据记录 点生成以及图形报表等功能) 的实现是靠软件人员通过编程来实现的，工作量大 的惊人。可以说在一个应用系统确定之后，硬件的选择还不算麻烦，而绝大部分 的开发工作在软件，这样设计出来的软件适应性差，对于每个不同的应用对象都 要重新设计或修改程序，用这种方法实现的软件功能较差，因为每次都需要重新 设计，难以保证质量。组态软件就是为适应这个需要而开发出来的它可以适用于 大类应用对象，只需改变数据实体( 控制回路文件，图形文件，报表文件等) 即可，这样既大大提高了系统的开发速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性， 使用起来非常方便，灵活，而且也便于修改和维护。 控制系统中可变的因素很多：一是人为需要的不同；二是对象的不同或对象 的变化及监控系统硬件组成的变化。组态软件的出现使得监控系统不必因为上述 条件的改变而全部重新设计，这大大增加了系统的应用范围和灵活性。 近年来国内外的软件开发商和i e s 生产厂商开发的组态软件品种繁多，如 i n t e l l u t i o n 公司的i f i x ，西门予公司的w i nc c ，w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ， c i t 公司的c i t e c h 等，国产工控组态软件则以北京亚控的“组态王”和大庆三维 的“力控”为代表。 从整体上看，国外组态软件发展较为成熟，但价格十分昂贵，而且普遍无中 文界面，不易推广使用；相比之下，国内组态软件还处于发展阶段，其功能和性 能同国外优秀组态软件相比虽有一定差距，但在全汉化、价格等方面具有较明显 的优势，前景美好。 3 2 主流组态软件技术对比 下面是目前一些主流的组态软件及其所用技术对比表： i f i xi n t o u c hc i t e c hw i n c c 组台干力控 i 公司i n t e l l u t i o rw o n d c r w a r ec j t、1 m e n s、l f 控人庆二维 o p c 丝辫于c a n 总线的分布式监控系统的设计与宴域 a c t i v e xj 再e b 脚本环境 v b a 口l l i c k s c r i p t类c类c类c 类b a s i c s q lj ， ， 溅0? 00 d d e 表3 1 典霆! 组态软件所用技术对比 逶i 鐾装3 。1 囊承驰基蓠熬主滚缀态软佟蕊接本选翅对魄，我翻可叛番躐当今 主流的腋控组态软件都具有以下的一些特点： ( 1 ) 具荫建立在客户服务器体系上的可伸缩性结构。 ( 2 ) 搬标准证方向靠貔，支持一系歹i i 标准豹数据、数据库接口( 妇d d e 、o p c 、o d b c 等) 。 ( 3 ) 采用组件化技术( 如软件的设计符合c o m d c o m 、c o r b a 规范) ，具有良好的开 放矬。 ( 4 ) 其蠢整爵静逶楚魏，支持嚣蕊多数豹褒场总线接议。 ( 5 ) 有用户设计和维护入机界面所需的智能工凝。 ( 6 ) 组态软件内置集成编程环境，提供脚本编程语言以扩展系统的功能。 3 。3 缝态获释鳆关键技术游逶骚究 下丽就在工控组态软件的设计过程中所遇到的一些关键性技术问题进行分 辑： 1 。工控缀态较舞的体系结梅： 随糟对工控软件功能要求的不断提高，目前的工控组态软件结构普遍采用的 是c l i e n t s e r v e r 构架，采用c l i e n t , i s e r v e r 构架能够解决以往设计模式造成的 霞毽一钵缝闯题，壤缀态较终吴枣燹磐茨适应燃秘灵活性。 1 ) 服务器 服务器端由以下几部分构成： 实时服务器( r e a lt i m es e r v e r ) ：进行实时羰务豹管理，毽括扫接i o ，执 行控制策略算法，将蜜时数据存入实时数据库中，并对c li e n t 的数据请求撵供服 务。提供图形化的工艇用于控制策略的组态和实时数据库的管理。控制策略的构 造采用蕊向对象的功愁块组合，并典备图标驱动( i c o nd r i v e n ) 。 i o 敝务器：撵谈硬件设备与豢惫较箨静连接。硬终设器毯舞l o 援缀( 麴 a d 、d a 、d i 、d 0 等) 及单元装臀( 包括p 1 c 、网路控制器i i c 等) 网络服务器：提供现场总线删级l a n 与绑态软件的连接。现场总线包括：f f ， 第三章组态软件技术分析与研究 c a n ，l o n w o r k s 等，l a n 包括a r c n e t ，e t h e r n e t ，t o k e nr i n g 等基于n e t b i o s 的 网络，实现对等服务( p e e rt op e e r ) 。 2 ) 客户端： 客户端服务程序位用户提供以下的一些功能： 图形功能：提供强大的绘图工具( 包括简单图形和图库) 进行图形绘制、编辑和 多种动态连接。图形动态显示满足实时性要求。具备0 l e ( 微软定义的 c l i e n t s e r v e r 模式的对象连接和嵌入标准) 功能。 趋势功能：能够对实时趋势和历史趋势进行组态和运行。 报警功能：进行警报显示、警报记录、警报输出( 打印、语音) 等功能。 3 ) 中间件： 作为c l i e n t 和s e r v e r 的接口，此种连接是一种软件通信过程，是由客户请 求服务的a p i 。中间件一般包括数据库中间件，事务处理( t p ) 监视器、远程过程 呼叫( r p c ) 、面向信息中间件( m o m ) 和对象请求代理( o r b ) 。 由于目前市场上已有很多商品化的中间件，组态软件在设计的过程中多采用 这些商品化的中间件。例如在普通数据库中间件中，微软的0 d b c 是的应用程序和 软件通过统一的界面，在不同的s q l 语言和a p i 之上进行通信。 2 组件化技术： 组件技术是面向对象技术的最新发展，它具有开放性、灵活性、可管理性、 安全性和透