（计算机系统结构专业论文）基于现场总线的底层控制网络应用研究.pdf

糖撇文y - 9 印s 摘要 ， f 基于智能节点和现场总线的分布式控制体系结构适应了控制系统分散化，网 络_ = c 吩智能化发展的方向。它的产生导致了控制系统由封闭的集中体系向开放分 布式体系加速发展。本文围绕一个生产现场的底层控制应用系统的设计开发，展 开了对控制系统底层网络一现场总线技术的研究，着重研究了其网络体系结构及 通信模型等方面，而后对一个在实际应用中较有影响的现场总线一c a n 现场总 具 本文共分为个三部分：第一部分首先对现场总线技术的发展、特点、体系结 构及其实现技术进行了研究，给出了基于现场总线的分布式控制系统的网络模 型，在基于0 $ i 参考模型基础上对现场总线通信模型进行了分析，并介绍了现存 的几种较有影响现场总线技术；而后，对本系统所采用的现场总线一c a n 总线进 行了认真的研究，详细分析讨论了c a n 总线的工作原理及其c a n 协议标准； 第二部分在前面理论层的讨论和支撑下，展开了对一个具体的基于现场总线 的控制应用系统的设计与实现的讨论。根据系统的设计任务和要求，给出了该应 用系统的总体模型框架，并分析说明了网络选型的理由，给出了系统软件总体结 构，详细介绍了监控主机系统及现场智能节点的设计；对系统的关键技术进行了 详细的阐述。 第三部分结合现场总线技术探讨了控制网络的发展趋势，得出控制网络和 i n t e r n e t 网络的融合是必然的发展趋势，详细分析了现有控制网络与i n t e r n e t 网络的各种集成方案，最后对嵌入式i n t e r n e t 的发展及研究现状做了总结说明。 ，、 ( 本文从理论、设计、实现三个层面阐述了现场总线技术及其应用系统的实现， 它结合了控制、网络、嵌入式系统、计算机等各方面技术，是一个综合的应用系 统。通过对该应用系统设计实现的详细讨论，对今后的应用系统设计与开发具有 一定的参考价值。另外，对控制系统网络化，及其与i n t e r n e t 网络集成方面的 研究是非常有理论和实践意义的，这将是今后进一步研究的重点：i 一 关键字：信息孤岛，控锖螓统网络化，现场总线h ；蝶散控制系统顶：s ：电褂总 戡、分布式控制系统，嵌入羲系统，智能节点，嵌入式i n t e r n e t ，以太网，网 络集成，嘲胆 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e e m e r g e n c eo f d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e sb a s e do ns m a r tc o m p o n e n t sa n d f i e l d b u sn e t w o r k sl e a d e dt og r e a tc h a n g e so f t h ec o n 仃o ls y s t e m i tm a k e st h e a r c h i t e c t u r eo fc o n t r o ls y s t e md e v e l o p i n gf r o mc e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r et od i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r e c o n t r o ls y s t e mi st u r n i n gt ob ead i s t r i b u t e d ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t s y s t e m i n t h i sp a p e r , t or e a l i z eal o w - l e v e ln e t w o r ko f ac o n t r o ls y s t e m ，w es t u d yt h e t e c h n o l o g yo f f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y z et h ea r c h i t e c t u r ea n d t h e c o m m u n i c a t i o nm o d e lo f f c s a n dt h e n , a w i d e l yu s e df i e l d b u s c o n t r o la r e a n e t w o r k ( c a n ) i s d i s c u s s e di nt h e p a p e r a f t e rt h e d i s c u s s i o nf r o m t h e o r yl a y e r , w e i n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f ac a nb u sb a s e dc o n t r o ls y s t e m a t l a s t ， w ed i s c u s st h et r e n do fc o n t r o ln e t w o r k d e v e l o p m e n t t h i sp a p e rc a nd i v i d ei n t o3p a r t s i np a r to n e ，w ei n t r o d u c et h eb a s i ca s p e c to f f c s i n c l u d i n gh i sf e a t u r e sa n d h i sa r c h i t e c t u r e ，e t c c o m p a r e dw i t ht h eo s ln e t w o r k m o d e l ，w ep r e s e n tt h en e t w o r k m o d e lo f f c sa n di n t r o d u c es e v e r a ld i f f m e n tt y p e so f f c s a n d t h e n , w ec a r e f u l l ys t u d y t h e t e c h n o l o g yo f c a n b u su s e di no u rs y s t e ma n d a n a l y t h et h e o r y a n dt h ep r o t o c o ls t a n d a r do f c a nb u s i n p a r tt w o ，a c c o r d i n gt h ed i s c u s s i o n i n p a r to n e ，w eb e g i n t h ed i s c u s s i o na b o u t t h ed e t a i l so f d e s i g na n d i m p l e m e n t ac a nb u sb a s e dc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt h e r e q u i r e m e n to f t h es y s t e m ，w ei n t r o d u c e t h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo f o u r s y s m n a n d g i v e t h er e a s o n w h y w ec h o s ec a nb u s a n dt h e n , w ei n t r o d u c et h ec o m p o n e n to f t h e s y s t e m s o f t w a r ea n dg i v et h ed e t a i l so f m a i n p a r t so f t h es y s t e m i n p a r tt h i n e ，w ee x p l o r et h et r e n do f t h e c o n t r o lm a w o r k d e v e l o l m 硷n t a n d c o n c l u d et h a te o n t r o ln e t w o r kw i l lb es u r et 0i n t e g r a t ew i t hi n t e m c t w ea l s o i n t r o d u c es e v e r a lc u r r e n ts c h e m e so f i n t e g r a t i o no f c o n t r o ln e t w o r km a di n t e m e t t h ep a p e rd i s c u s s e sf i e l d b u st e c h n o l o g ya n di n t r o d u c e sa l la p p l i c a t i o no ff c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi s8 t 1i n t e g r a t e ds y s t e mc o n a , 龇t h e m e h n o l o g y o fe m n t r 0 1 n e t w o r k i n ga n de m b e d d e ds y s t e m t h e r ew i l lb e 辨戤s i g r t i f i c a n e o ai ns t u d y i n gt h e i n t e g r a t i o no f c o n t r o l n e t w o r ka n di n t e m e t k e y w o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mf c s ，d i s t r i b u t ec o n t r o l s y s t e md c s ，c o n t r o la r e an e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e di n t e m e t , e t h e m e t ， n e t w o r k i n t e g r a t i n g ，e m i t 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机和计算机 网络系统得到了迅速的发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，还采用一 对一连线的模拟信号，或自封闭的集散系统进行测量控制，难以实现设备之间以 及系统与外界之间的信息交换，使得自动化系统成为“信息孤岛，【3 1 。 因此，要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种 能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，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。现场总线( f i e l d b u s ) 1 1 i 就是在这种实际需求的驱动下应运丽 生的。它是现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产现场控制设备之间及 其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛”创 造了条件。 现场总线控制系统( f c s ) 【1 职删是一种开放的分布式控制系统，它突破了集散 控制系统中采用专用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，它 使系统具有完全数字计算和数字通信能力。结构上，它采用了全分布式方案，把 控制功能彻底下放到现场，提高了系统可靠性和灵活性。 因此，控制系统在经历了组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集散 式控制系统后，发展到了当前现场总线控制系统和开放嵌入式鼹络化控制系统阶 段。控制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向网。控制系统正 由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展，控制界正在向网络化转变。 基于以上背景，我们认为，目前在工业控带4 领域中，现场总线技术将会是主 流，对于基于现场总线的底层控制网络( i n f r a n e t ) 的研究，以及对于基于现场总 线的分布式控制网络系统的实际开发和应用技术的研究，将作为本课题研究的主 要内容。另外，随着控制系统网络化的发展必然会导致控制网络和i n t e r n e t 网 络的融合，形成更广义的互联网络，因而，对其构成的网妻备互联模式 i n f r a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t l 4 的探讨也是非常有实际意义的。因此，本文将围 绕以上几个方面展开论述，详细介绍我们的具体研究工作和成果。 浙江大学硕士学位论文 1 2 课题的内容 本课题研究的重点主要在以下几个方面：现场总线的网络体系结构研究、其 通信协议的分析以及现场总线实际应用的探讨等。因此，我们根据研究课题的主 要方向，综合应用现场总线技术，开展了基于c a n 现场总线的起重机分布式控制 系统项目的设计与实现工作，从理论及应用等方面，对基于现场总线的底层控制 网络做了深入的研究。 在设计和实现应用系统过程中，其主要的技术难点体现在以下几个方面： i c a n 网络既不同于传统的控制网络，也不同予计算机网络，其设计思想和网 络运行与调试均有独特之处，需要认真研究c a n 协议； 2 软件嵌入在每个现场智能节点中，对其编程要求采用事件驱动的方式，出于 对精简代码的考虑，我们采用p i c 汇编指令对智能节点的软件开发，低级语 言开发有一定的难度； 3 监控主机软件在w i n d o w s 平台上开发，必须保_ i 正与底层设备的无关性； 4 硬件设计包括数据采集转换，l c d 接口电路，p i d 调节电路，以及时钟芯片和 外部存储芯片接口电路的设计，并采用了同步异步的串行接口技术。因此必 须对这些硬件器件的特性及其接口有详细的了解，才能开发出相应的驱动软 件等应用软件，因此，在硬软件的设计和调试上都有一定难度； 5 系统的实时性要求具有高可靠性，而控制现场往往存在大量的干扰源，放抗 干扰是系统要解决的重要问题。 本系统的主要特点有： 1 底层网络采用c a n 现场总线，增强了系统组网的开放性和通信的可靠性； 2 c a n 网络的物理结构和逻辑结构相互独立，因此网络维护方便，用户可以方 便的增删节点而不影响其他节点：同时，系统在鄹络中断或内部通信放障时， 节点可独立的继续工作，有较强的适应性，和通用性； 3 现场节点以p i c l 6 f 8 7 7 m c u 为核心处理器，软硬件设计充分利用其功能特性， 满足现场控制节点所需具备的智能性要求； 4 系统应用软件结构模块化，具有较好的可扩展性和易维护性； 5 提供功能强大的用户交互界面，为用户搡作提供了便利条件： 6 系统设计既考虑到了对以往产品的兼容性，又具有良好的发展前景。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文结构 本文各章内容安排如下： 第一章本文所论述的课题研究的内容及其意义，介绍了本课题系统开发的技 术难点，以及其特点，并给出了全文研究的内容和安排； 第二章在对控制系统发展演变的分析比较的基础上，论述了现场总线的特点 和优势所在，并给出了基于现场总线的分布式控制系统的网络模型，在参照o s i 参考模型的基础上给出了现场总线的通信模型，同时对实际应用中现存的几种有 影响现场总线技术做了一个总体介绍； 第三章论述了c a n 总线的工作原理，针对c a n 总线的性能特点详细分析研究 了它的分层结构、协议和数据帧结构； 第四章根据本项目开发的实际需求给出了系统的设计任务和要求，并根据前 章的论述，分析说明了系统网络模型选择基于c a n 现场总线的分布式控制网络的 理由，并给出了系统网络模型，而后说明了系统软件总体设计结构，最后详细介 绍了监控主机系统软件的各主要功能模块的设计与实现； 第五章主要介绍了c a n 总线的现场智能节点的模型，在对智能节点系统开发 特点进行讨论后，着重讨论了智能节点实现技术难点，对其关键的功能模块的设 计与实现做了较为详细的介绍； 第六章从现场总线技术出发探讨了控制网络的发展，总结出控制网络和信息 网络的融合将是其必然的发展趋势，对现存的控制网络与i n t e r n e t 网络集成的 技术做了总体介绍，分析了其优缺点，最后对嵌入式i n t e r n e t 的发展研究现状 做了总结说明； 第七章对全文工作进行总结，总结了通过开发本系统的对底层系统以及现场 总线技术的进一步的了解，以及从开发系统中的体会收获，以及还存在的不足之 处，对未来将要开展的研究工作做了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章现场总线技术研究 随着计算机技术、微电子技术和通信技术的飞速发展，信息交换沟通的领域 正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖了从工段、车 间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了工业控制领 域发生了一次新技术的变革，使得传统的控制系统( 如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 ) 无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，逐步形成以 网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线( f i e l d b u s ) 技术就是在这 种新的变革中孕育而生的。 2 1 现场总线简介 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义，现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络【1 且“。 它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它构造了网络集成 式全分布式控制系统，同时它又是一种低带宽的底层控制网络，是c i p s c i m s ( 计 算机集成过程系统计算机集成制造系统) 的最底层。 现场总线导致了传统的控制系统结构的变革，形成了薪型的网络集成式全分 布控制系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控 制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，其控制功能由过去的 控制室设备变为智能现场仪表来承担，控制功能分散化全数字化就有可能组成大 型的开放式控制系统，进而实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制p j 。 2 2 基于现场总线的分布式控制系统 控制系统经历了从封闭到开放，从单点控制，组合式模拟控制系统、集中式 数字控制系统、集散式控制系统，发展到当前现场总线控制系统和开放嵌入式网 络化控制系统阶段。其网络控制结构也相应的经历了集中式、递阶式和分布式的 演化过程，控制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向嘲h 。以 下将对控制系统的发展各阶段的特点做一介绍，进丽说明现场总线的特点和优点 所在，并给出了基于现场总线的分布式控制体系结构。 2 2 。1 控制系统发展演变过程 基地式气动仪表控制系统：安装在生产现场，只具备简单测控功能，各测控 8 浙江大学硕士学位论文 点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，单点控制。 电动单元组合式模拟仪表控制系统：出现了集中控制室，生产现场点的参数 通过统一的模拟信号传送到集中控制室；模拟信号传递要一对一的物理连接，信 号变化缓慢提供计算机速度精度开销，难度均很大，抗干扰能力差。 集中式数字控制系统：用数字信号替代模拟信号传输到控制室，用一台数字 式计算机来进行集中控制，一旦计算机出现故障则造成所以控制回路瘫痪。 集散式控制系统( d e s ) ：集散式控制系统( d e s ) 针对集中式控制系统风险集中 的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同完成，采用阶梯 式控制结构。具有现场级的控制单元( p l c 、m c u 等) ，现场级控制单元与现场设 备用电缆连接，采用标准4 - 2 0 m a 模拟信号传输；具有中央控制单元( c p u ) 。中央 控制单元与现场级控制单元之间采用r s 一2 3 2 4 8 5 等专用非开放协议通信。是 种模拟数字混合系统。 新型的现场总线控制系统：突破了d e s 系统中通信封闭的缺陷，是基于公开 化，标准化的解决方案，将集散的控制结构变成了新型的全分布结构，它是在 d e s 基础上的连续发展起来的，但它已超出了d e s 的框架，是一次质的跳变， 它打破了传统控制一对一的设备连接而将控制模块置入现场设备，其全部功能在 现场完成。 2 2 2 现场总线分布式控制系统网络体系结构 控制系统的网络体系结构也相应的经历了集中式、递阶式和分布式的演化过 程【8 j ，以下将对几种控制网络结构进行比较后给出现场总线分布式控制系统的网 络体系结构。 集中式控制结构 其特点是对控制系统中的信息统一处理，拥有一个全局数据库以记录系统的 各种控制活动，每一个控制实体都与中央处理单元独立连接。随着控制系统变得 越来越复杂多变，响应速度慢、可靠性差、可扩展性差等都成为其难以克服的主 要矛盾。 阶梯式控制结构 d e s 控制系统采用的是阶梯式控制结构，其结构如图2 1 a 所示。d e s 采用主 从式分层控制策略，各层有各自特定的功能。与集中式控制结构相比，递阶式控 制结构有许多优点，如其递阶式的数据库结构使得整体的数据量比集中式控制系 9 浙江大学硕士学位论文 统大大减少：具有各自特定功能的单元在响应口令和相互通信时有更大的灵活 性。尽管如此，但也有一些固有的缺陷。如上层故障会造成下层控制的整体瘫痪； 设备布置的改变会影响到整个控制系统；由于通信延迟往往使上层决策滞后于下 层状态的变化而造成控制失误等。 分布式控制结构 现场总线采用分布式网络控制结构，采用总线式连接。从总体上来看，分布 式结构有若干个相互独立又相互关联的实体组成，各实体在系统中的地位处于同 一层次上，享有充分的“自制权”；而且，分布式系统通过增强各实体单元的智 能与自制权，使信息及控制局域化，从而降低了系统的复杂性，大大提高了系统 的可扩充性、容错性和可靠性。 图2 1 b 所示是基于现场总线的分布式控制系统的示意图，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。 a 集散系统舟络结构 o 现场设备 现场智能设备 b 现场总线控制网络结构 图2 1d c s 网络结构与f c s 舟络结构对比圈 2 2 3 现场总线分布式控制系统的特点 现场总线是3 c 技术：计算机、通信、控制的融合。现场总线技术的特点可 以简单概括为：信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全开放。比较与 d c s 等传统的系统相比，现场总线( 系统) 在本质上具有以下技术特点 6 1 1 7 1 ： 底层现场通信网络 1 0 浙江大学硕士学位论文 现场总线将通信线延伸到工业现场。现场总线完全适应于工业现场环境，能 够很好的满足实时性，可靠性的要求。现场总线通过一根通信线将所需的各个现 场设备互相连接起来，即用一根通信线直接互连几个现场设备，从而构成了现场 设备的互连网络。 数字化 现场总线是数字通信网络。在现场总线系统中，同层的或和不同层的总线设 备之间均采用数字信号进行通信。 而传统的d c s 则是半数字化，只在操作站与控制站之间是数字化通信，而现 场仪表与控制站中的输a 输出单元之间采用的是一对一的模拟信号输出a 开放性 现场总线是开放互连网络。现场总线标准、协议、规范是公开的，所有制造 商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同 层次网络互连，而不管其制造商是哪一家，用户可共享网络资源。而d c s 是各厂 家形成封闭系统，导致不同厂家的设备不能进行互联。 分散性 现场总线是结构与功能高度分散的系统。结构上采用了全分布式方案，设备 之间可点对点、点对多点或广播多种方式通信；控制功能上的分散：连接到总线 上的现场设备是智能化的，且具有按照现场总线协议、规范进行数字通信的能力， 并且能够实现分散的功能模块，完成测量、控制、通信的体化。 现场总线废弃了d c s 的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了d c s 集 中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一 途径，实现了彻底的分散控制。 互操作性与互换性 互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可 统一组态； 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。现场总线中现场设 备的互操作性与互换性是d c s 无法具备的。 可靠性、可维护性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统d c s 中一对一的i 0 连线，对于大规模 o 系统来说，减少了由连线带来的不可靠，同时降低了布线 浙江大学硕士学位论文 成本，与传统d c s 技术相比，可节省电缆、调试、维护成本4 0 以j h 。 2 3 现场总结通信模型 2 3 1 开放系统互联参考模型与现场总线通信模型 1 9 8 3 年，国际标准化组织i s o 颁布了“开放系统互联基本参考模型，【5 1 1 1 0 ! ， 为实现开放系统互联所建立的分层模型，简称o s i 参考模型。其目的是为异质计 算机互联提供一个共同的基础和标准框架。该模型把开放的系统通信功能划分为 七个层次，如图2 2 所示，各层协议细节的研究是各自独立进行的，可以方便的 在层内进行通信功能的扩充变更，而不影响其他层的协议。 作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成全开放的互联系统必须要适 应工业现场的通信环境和需求。由大量传感器、控制器、执行器等现场设备构成 的工业控制底层网络对实时性1 9 】快速性要求较高，而对于单个节点面向控制的 信息量并不大而且信息传输的任务相对比较简单。 因此根据以上特点，由于复杂的层间操作与转换、昂贵的网络接口造价和过 高的时间开销，完全按照o s i 参考模型设计现场总线，显然不适应工业现场的需 求。所以，为了满足工业现场的实时性要求，同时也为了降低成本，现场总线通 常采用简化的o s i 参考模型。针对工业生产现场的应用环境，现场总线对o s i 参考模型进行了优化，将其中通用的、非时间关键性应用的屡次从模型中省略去， 只剩下物理层、数据链路层和应用层三层f 删。考虑现场总线通信的特点，设 置一个现场总线访问子层，如图2 2 所示。以下将对瑗存豹几种影响较大豹现场 总线技术做概要的介绍。 i s o o s i 模型现场总线协议 图2 2o s l 与现场总线通信模型的对应关系 h a r t 模型 i i t t 指令 总线访问子层 m 盯通佰规则 g e l l 2 0 2 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 3 。2 几种现场总线技术介绍 p f f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 基金会现场总线) 【3 删是现场总线基金会推出的现 场总线标准，它的前身是以f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首的多家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首的多家公司制定的w o r l df i p 协议合并而成。f f 在过程自动化领域得到广泛支持具有良好发展前景。 如图2 2 所示，它实现了o s i 模型的l ，2 ，7 层，并在此基础上增加了一个 内容广泛的用户层，定义了信息存取的统一规范，这是f f 的关键特点。用户层 由两部分组成：功能块和设备描述语言。 功能块将控制功能进行了标准封装，如模拟输入、输出、p i d 控制等。功能 块可根据需要内置于现场设备。功能块的设置使得控制系统的设计、连接及操作 变得非常容易： 设备描述叻( d e v i c ed e s c r i p t i o n ) 以设备描述语言写成由设备供应商提供， 一旦d d 上载到主机系统后，系统及所有其他设备就能识别出该设备的所有性能。 由于新增了用户层，f f 就可以充分实现设备的豆操作性，这是其他总线不容易 做到的。 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h l 传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，h 1 总线经网桥可直接连接高速以太网；h 2 传 输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 其通信距离可达7 5 0 m 和5 0 0 m 两种。 l o n w o r k s l o n w o r k s ( l o n 总线现场总线技术) s e e 是由荑国e c h e l o n 公司推出并由它 与摩托罗拉东芝公司共同倡导。 它采用o s i 模型的全部7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过 网络变量把网络通信设计简化为参数设置。 其通信速率从3 0 0 b p s 1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m 。 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 的神经元芯片。 n e u r o n 芯片实现完整的l o n t a l k 通信协议，节点间可以对等通信。 l o n w o r k s 的应用范围包括楼宇自动化，家庭自动化，工业过程控制等，在 浙江大学硕士学位论文 开发智能通信接口，智能传感器以及组建分布式监控网络方面都具有独特的优 势。 p r o f i b u s p r o f i b u s ( p r o c e s sf i l e d b u s 过程现场总线) 【3 】f o 】是由西门子公司为主的十 几家德国公司共同推出。e hp 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 组成 p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域 的应用，f b l s 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低 压开关等、p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 如图2 2 所示，它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层( f m s 还采用的应 用层) 。 传输速率9 6 k b p s 一1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为l o o m ，1 5 m b p s 时 为4 0 0 m ，可用中继器延长至l o k m 。最多可挂接1 2 7 个站点。 与其他现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最重要优点是它的普遍性，它包括 了加工制造、过程和楼宇自动化等广泛应用领域，并可同时实现集中控制、分散 控制和混合控制三种方式。 c a n 现场总线c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 控制局域网) 【3 苴1 1 1 是由德国b o s c h 公 司推出，开始用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。它广泛运用在离散 控制领域。c a n 总线采用了o s i 模型的物理层、数据链路层、应用层。 其通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，最远可达l o k m s k b p s 。可挂接设备数为 1 i 0 个。 c a n 总线通信特点是采用广播方式并带有冲突检测、多主节点以及基于报文 的数据传送方式。对于c a n 节点可进行优先级设定，c a n 的信号传输采用短帧结 构，节点严重错误时，具有自动关闭的功能，具有较强的抗于扰能力，实时性好。 h a r t 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 高速可寻址远程传感器数 据通路) 【3 】是由美国r o s e m o u n t 公司研制并得到八十多家著名仪表公司的支持。 如图2 2 所示，h a r t 协议参照o s i 模型的1 ，2 ，7 层物理数据链路和应用层 实现。 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 1 4 浙江大学硕士学位论文 系统转变过程中的过渡性产品。在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得 到了较快发展。 2 4 现场总线控制系统的发展趋势 现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 中包含的8 种类型的总线和其他的一些使用广 泛的总线在今后一段时间内将共同发展且相互竞争。随着现场总线技术的应用日 益广泛以及现场总线国际标准的加紧制定，现场总线技术正迅速的发展。目前， 国际、国内现场总线的发展主要呈现出以下几种趋势： 系统的开放性 系统通信协议一致公开，使不同厂家的设备之间可实现信息交换，建立统一 的工厂底层网络系统；通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统，使多种总 线共存于一个系统之中嘲。多种总线共存的局面在一个很长时间内存在仍是无法 避免的。为了适应各种不同现场总线协议，必须实现各种现场总线控制系统的集 成。 f c s 与d c s 网络集成 由于f c s 较传统的d c s 优势明显，因此f c s 将逐步代替d c s ，丽d c s 应用 广泛，技术成熟，并且具有丰富的监控协调管理功能，在现有技术条件和市场情 况下f c s 不能完全取代d c s ，这使控制系统进入d c s 向f c s 过渡盼混合控制系 统的时代。这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以透应于更广泛的富于实用 价值的应用。其方法有f c s 于d c s 系统i o 总线上的集成、d c s 系统网络层的 集成以及f c s 通过网关与d c s 系统并行集成。将现场总线技术引入到d c s 中使 用户有更多的选择，以实现更合理的控制系统因而也会给用户带来更大的收益。 嵌入式i n t e r n e t 随着i n t e r n e t 技术的不断成熟，i n t e r n e t 已成为企业管理层的主导网络， 基于t c p i p 协议的以太网逐渐渗入社会生活的各个角落，并开始延伸到工业设 备现场。 - 随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功能却 越来越强大，这不仅解决了嵌入式微控制器与i n t e r n e t 连接的技术问题，同时 也使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受的程度。这种技术的发展促使 了基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络的出现，并发展成为一种技术潮流。 在嵌入式i n t e r n e t 网络体系结构中，基于t c p i p 的以太网阍贯穿于控制系 浙江大学硕士学位论文 统的各个层次、将一台台孤立的现场设备和设备工程师以及企业管理人员均作为 一个网络节点通过以太网有机地连接在一起，形成个有机的整体，实现了现场 设备到管理层的直接通信，上下贯通直插到底，实现现场级的应用，使设备的控 制与维护由过去那种封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型 管理模式转变，并最终实现企业控制、管理信息的无缝集成。 2 5 本章小节 本章主要对现场总线技术做了一个总体的概述，分析了现场总线控制系统的 体系结构及其技术特点，着重研究了现场总线的通信模型，并介绍了现存的几种 比较有影响的现场总线技术，分析了他们的通信模型和特点，最后对现场总线的 发展趋势做了展望。 在下一章中，对本文将要介绍的应用系统所采用的现场总线一c a n 现场总线 的有关内容进行讨论研究。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第三章控制器局域网总线g a n 3 1c a n 总线介绍 c a n ( c o n t r 0 1 e ra r e an e t w o r k s ) 即控制器局域网络。是德国b o s c h 公司2 0 世纪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【1 2 l 。由于其高性能，高可靠性与独特的设计，c a n 越来 越受到业界的重视，在国内外的应用范围也在不断的扩展，是目前公认的几种最 有前途的现场总线之一。 c a n 总线被广泛应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、 数控机床、纺织机械、医疗器械、消防管理、传感器、自动化仪表等领域。目前， 支持c a n 协议的有i n t e l ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ，s i e m e n s ，n e c ，s i l i o n i ， h o n e y w e l l 等百余家国际著名大公司。 3 2c a n 总线的基本工作原理 c a n 总线的拓扑结构如图3 1 所示，是一个典型的串行总线的结构形式。c a n 总线中一个节点发送信息，多个节点接收信息；但c a n 总线的信息存取方式既不 同与令牌方式的a r c h e r ，也不同于主从方式的b i t b u s ，采用的是一种广播式的存 取工作方式。与其他网络不同，在c a n 总线的通信协议中，没有节点地址的概念， 也没有任何与节点地址相关的信息存在，它支持的是基于报文的工作方式。也就 是说，c a n 总线面向的是数据而不是节点，因此加入或撤销节点设备都不会影响 网络的工作，十分适用于控制系统要求快速、可靠、简明的特点。以下将对c a n 总线的基本通信工作原理做一介绍。 图3 1c a n 总线网络结构 1 7 浙江大学硕士学位论文 载波监测，多主掌握冲突检测一c s m a j c d ( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 【1 1 】【1 2 1 “载波监测”的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监 测到总线上有一段时间的空闲状态。一旦空闲状态被监测到，那么每个节点都有 均等的机会来发送报文，这被称作“多主掌握”。“冲突检测”是指在两上节点 同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决 这一冲突情况。此时优先级高的报文先发送，低优先级的报文发送会暂停。 在c a n 总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测。这也就 意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后，原发送信息不会受到任何影响。所 有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何的 时延。这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。 为了达到这种“非破坏性的位仲裁方式”，总线访问冲突运用逐位仲裁规 则，借助标识符i d 解决，若具有相同标识符i d 的一个数据鞍和一个远程赖同时 初始化，数据帧优先于远程帧。为了实现仲裁，c a n 总线协议还必须满足一些前 提条件。首先，必须定义两种逻辑状态一我们在这里叫做“支配位( d 叫i n a n t ) ” 和“顺从位( r e c e s s i v e ) ”或称为“隐性”电平或“显性”电平；然后，节 点在发送过程中必须检测刚剐发出的状态是否就是信息中所描述的内容。在c a n 总线的定义中，逻辑0 为支配位，逻辑1 为顺从位。 支配位一定会在和顺从位的判别过程中获胜，换句话说，报文标识符( 报文 仲裁区域) 的值越小，其优先级就越高。举个例子，假定有两个节点在同时刻 发送一个报文，每个节点都会监测总线以便了解欲发送的信息状态是否确实出现 在总线上。一个优先级较低的报文在某一时刻会发送一个“顺从位”但是检测回 来的却是“支配位”。此时这个节点被仲裁为发送权取消，立刻停止发送报文的 工作。优先级较高的报文继续发送童到完整的报文发送完毕。在刚才冲突仲裁中 被取消发送权的节点将等待总线的下一个空闲麓并自动地再次尝试发送。 基于报文的通信( m e s s a g e b a s e dc o m m u n i c a t i o n ) h 狲司 c a n 总线是一个基于报文而不是基于站点地址的协议。也就是说报文不是按 照地址从一个节点传送到另一个节点。c a n 总线上报文所包含的内容只有优先级 标志区和欲传送的数据内容。所有节点都会接收到在总线上传送的报文，并在正 确接收后发出应答确认。至于该报文是否要做进一步的处理或被丢弃将完全取决 于接收节点本身，由节点来进行报文过滤。同一个报文可以发送给特定的站点或 许多站点，就看你怎样去设计你的网络和系统。 c a n 技术规范2 0 b 对于报文过滤特别进行了描述。所谓报文过滤是以整个 1 8 浙江大学硕士学位论文 标识符为基准，允许将任何标识符设置为对报文过滤是不关心的。屏蔽位可用于 选择一组标识符，以便映射到接收缓冲器中。如果使用屏蔽寄存器，寄存器的每 一位必须是可编程的，亦即它们对报文过滤是开放或禁止的，屏蔽寄存器的长度 可以是整个标识码，也可以仅是其中的一部分， c a n 总协议另外一个有用的特性是一个节点可以主动要求其它节点发送信 息。这种特性叫做“远程发送请求”( r t r ) 。和上面不同之处在于，节点并不等 待信息的到来，而是主动去索取。设计人员就可以利用这一“远端发送请求”特 性来减少网络的数据通信量，同时维持整个系统的完整性。 基于报文的这种协议另外一个好处是新的节点可以随时方便地加入到现有 的系统中，而不需对所有节点进行重新编程以便它们能识别这一新节点。旦新 节点加入到网络中，它就开始接收信息，判别信息标识，然后决定是否作处理或 直接丢弃。 c a n 总线定义了四种不同的报文( 或叫帧) 用予总线通信。第一种且是最常 用的是“数据帧”，用于一个节点传送信息到其它任或所有节点；第二种叫 “远端帧”，基本上是个数据帧但其中的r t r 位被置1 ，表明这是一个“远端 发送请求”，用于一个节点主动要求其它节点发送信息；另外鼹种用于差错处理， 分别叫做“错误帧”和“过载帧”。如果节点在接收过程中检溯到任一在c a n 总线协议中定义了的错误信息，它就会发送一个错误帧，当一个节点正忙于处理 接收的信息，需