（电机与电器专业论文）基于devicenet现场总线的集装阀控制器的设计.pdf

山东大学硕士论文 基于d e v i e e n e t 现场总线的集装阀控制器的设计 摘要 d e v i c e n e t 是一种基于c a n 技术的低成本、高性能的现场总线网络。它的物 理层和数据链路层遵循c a n 2 0 协议，数据链路层协议通过c a n 控制器芯片实现。 d e v i c e n e t 定义了套开放的功能很强的应用层协议，以对象模型表示节点，每 一个对象以类实例一属性的形式来表示。d e v i c e n e t 指定了一套预定义的主从连 接组的标识符，简化了i o 和显性这两类报文的传送。i o 报文用于实时性很高和 面向控制的数据传送。显性报文用于设备间配置、诊断报文的传送。 参照d e v i c e n e t 协议规范，以工业现场中使用较多的仅限组2 从设备为对象， 从应用层着重阐述了从站与主站的通信实现过程。介绍了基于d e v i c e n e t 协议的 集装阀控制器的开发，从d e v i c e n e t 底层协议做起，通过对d e v i e e n e t 协议规范的 深刻领会，根据特定的硬件平台，自行编写通信接口的驱动程序和d e v i c e n e t 协 议栈及应用层程序，实现d e v i c e n e t 协议规范，完成开发调试工作。文中首先介 绍了现场总线技术的概况和总线标准；然后论述了d e v i c e n e t 协议规范，重点分 析了本文涉及的对象模型、对象类、报文、设备描述和预定义主从连接等；根 据实际需求，在满足其通用性的前提下，对d e v i c e n e t 协议进行一定简化，使低 端单片机接入d e v i c e n e t 成为可能。并且通过公开的以太网t c p i p 通讯协议，增 设了以太网接口。 经实验室测试证明，本文研制的集装阀控制器接口完全实现了既定的技术要 求，其通信机制严格遵守d e v i c e n e t 协议规范，能接入d e v i c e n e t 网络中，与 o m r o n 公司的p l c 现场总线模块能进行实时可靠的通信。以太网接口也能通过 网络与上位机进行连接通讯。本文研制的d e v i c e n e t 从站设备通信接口能满足相 关行业的需求，具有广泛的应用前景。 关键词：现场总线，d e v i c e n e t ，仅限组2 报文，以太网，t c p i p ，p l c 山东大学硕士论文 d e s i g nf o ra s s e m b l yv a l v ec o n t r o l l e rb a s e d o nd e v i c e n e t f i e l d b u s a b s t r a c t d e v i c e n e ti so n eo ft h el o w - c o s ta n dh i g h - c a p a b i l i t yf i e l d b u sw h i c hb a s e do n c o n t r o la r e an e t w o r kt e c h n o l o g y i t s p h y s i c a ll a y e ra n dd a t a l i n kl a y e ri n a c c o r d a n c ew i t hc a n2 0p r o t o c o l ，d a t al i n kl a y e rp r o t o c o lw a sr e a l i z e db yc a n c o n t r o l l e r e a c hd e v i c e 、i t h h lad e v i c e n e tn e t w o r ki sr e p r e s e n t e db yo b j e c tm o d e l ， e a c ho b j e c ti nm o d e lw a sr e p r e s e n t e db yc l a s s - i n s t a n c e a t t r i b u t e w i t ht h ep r e d e f i n e d m a s t e r s l a v ec o n n e c t i o ns e ti d e n t i f i e r ，d e v i c e n e tc a l ls i m p l i f yt h ee x c h a n g eo fi o a n de x p l i c i tm e s s a g e ，i om e s s a g ei su s e dt ot h ed a t ac o r r e l a t i o nw i t hc o n t r o la n d r e a l t i m em e s s a g e ，e x p l i c i tm e s s a g ec a l t yt h ec o n f i g u r i n ga n dd i a g n o s i n gd a t ao f n o d e s b a s e do ng r o u p 2o n l ys e r v e r , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm a s t e ra n ds l a v e ，f r o ma p p l i c a t i o nl a y e ri nd e t a i l sa c c o r d i n gt ot h e d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h ed e v e l o p m e n to f a s s e m b l yv a v l ec o n t r o l l e rb a s e do nd e v i c e n e t s t a r t i n gf r o mt h eb o t t o md e v i c e n e t p r o t o c o la n db a s e do nad e e pu n d e r s t a n d i n go ft h ep r o t o c o l ，t h ei n t e r f a c ed r i v e r ，t h e p r o t o c o ls t a c ka n da p p l i c a t i o nr o u t i n e sw h i c hr e a l i z ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o na r e s u c c e s s f u l l yp r o g r a m m e d t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ff i e l d b u s t e c h n o l o g ya n ds e v e r a lp o p u l a rf i e l d b u ss t a n d a r d s ；d e s c r i b e sd e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n 、v i t ha ne m p h a s i so ni t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li n c l u d i n go b j e c tm o d e l ，o b j e c tc l a s s ， m e s s a g e ，d e v i c ep r o f i l e a n dp r e d e f i n e dm a s t e r s l a v ec o n n e c t i o ns e t ；c o n s t i t u t e sa t e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fag e n e r a ld e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o rs l a v e d e v i c e ；a n df i n a l l yd e s i g n sr e a l i z e st h ec o m u u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ed e v e l o p e dd e v i c e n e tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ef o rs l a v ed e v i c e sf u l l yr e a l i z e st h es p e c i f i e dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t i t s c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m c o m p l i e s 、i t hd e v i c e n e tp r o t o c 0 1 c o n n e c t e d t o d e v i c e n e tn e t w o r k ，i tc a l lr e l i a b l yc o m r n n u n i c a t e 、i t hd e v i c e n e tf i l e d b u sm o d u l eo f p l cf r o mo m r o na u t o m a t i o n t h ee t h e r n e ti n t e r f a c ec a nt r a n s m i t sd a t at ou p p e r p c t h ea s s e m b l yv a v l ec o n t r o l l e rm e e t st h em a r k e tr e q u e s t s i th a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，d e v i c e n e t ，g r o u p 2o n l ys e r v e r ，e t h e r n e t ，t c p i p ，p l c 6 山东大学硕士论文 第一章绪论 1 1 气动技术的特点、发展现状和最新发展方向 1 1 1 气动技术的特点 气动技术是利用压缩空气作为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制 的一门技术【1 1 。同其它的传动技术，如液压传动、电气传动、机械传动相比，气 动系统具有快速、安全、可靠、低成本等特点，同时还具有卫生、无污染等一系 列得天独厚的优势，使其在许多自动化生产线上显示了不可替代的重要作用【1 】【2 】。 但是气动技术同样也存在不足之处【l 】，比如压缩空气必须进行除尘、除水处 理；空气的可压缩性降低了系统的工作效率；气动信号传递速度远比电信号低； 系统运行时排放空气的噪声较大。 使用气动技术实现过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段，而且是 一种低成本自动化控制技术。目前，气动技术倍受工业界欢迎，其发展呈现急剧 上升的趋势，工业生产中采用气动技术的程度已成为衡量一个国家工业自动化程 度的重要标志之一。 1 1 2 气动技术的发展状况 气动技术是由风动技术及液压技术演变发展而来的- - i 技术，其发展经历了 一个从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的 历程。 在传统气动系统中，其控制阀多采用频率较低的电磁阀；控制方式大多为开 关控制，只能在两个机械设定位置可靠定位；其运动速度只能靠单向节流阀单一 设定。所以，气动系统仅仅局限于矿山输送机械、机床、汽车制造、冶金等行业 中使用【3 1 。 近几年来，一方面随着工业自动化的发展，对气动控制系统的性能提出更高 的要求，如要求气动元件的输出位移、压力、流量等按比例进行伺服控制；另一 方面由于技术进步、新型材料采用和制造工艺改进，为气动元件性能和功能的完 善提供了有利条件；而且，众多气动厂家为了在气动领域占得一席之地，根据气 动技术发展趋势制定了气动元件含量多元化和功能多样化的指导方针，积极地进 7 山东大学硕士论文 行最优性能远见开发。总之，各种因素都在促使气动技术飞速向前发展。 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度增 长。资料统计表明，在工业领域里，如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、 橡胶、纺织、轻工、化工、食品、包装、印刷、烟草等领域，气动技术已成为不 可缺少的基本部分。不可忽视的是，如同电气、电子e h - r _ 业应用逐步发展到广泛 的家用一样，气动不仅在尖端技术领域如核工业或宇航中取得地位，而且也开始 进入农林、园艺、楼宇自动化等范畴。毫无争议地说，气动技术已经成为2 0 世 纪应用最广、发展最快、也最易被接受及重视的技术之一【4 】。 相对来说，我国的气动技术起步较晚。从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件 厂开始，经过3 0 多年的发展，气动技术已形成了一个独立的行业。然而无论从 产品质量、品种、规模、应用数量与范围，还是从研究水平与研究人员的数量上 来看，都与国际先进水平相距甚远，而且，气动技术的应用水平远远低于国际先 进水平。如国外工业发达国家，气动行业产值为机械工业总产值的l 2 ，而 我国仅仅只有o 1 0 3 。国内控制技术仍然局限于普通的点位开关控制，气动 伺服技术，尤其是电气比例伺服技术的高精度、高响应应用甚少。 加强气动技术基础研究，以及在工业上推广应用，对加快我国工业自动化发 展速度，提高我国工业产品在国际市场的竞争力，抢占科技制高点，以至整个国 民经济生产力的发展都有着重大的深远意义。 1 1 3 气动技术的最新发展方向 随着工业自动化技术的不断发展，工业现场不断对气动技术提出新的应用方 式和领域。气动技术与电子技术、机械技术、传感器技术、计算机技术及现代控 制理论的结合更加深入广泛，无论在近期和未来，气动技术都朝着气动元件及系 统的模块化、集成化、智能化以及气动系统的整套供应方向发展。 ( 1 ) 模块化和集成化 模块化和集成化虽是两个不同的概念，然而两者又密切相关，并都体现了气 动的最大优点之一，即单独元件的组合能力：无论是各种不同大小的控制器，或 是不同功率的控制单元，在一定应用条件下，都具随意组合性。在当前气动元件 小型化和微型化的驱使下，气动集成化将成为不可逆转的潮流。 8 山东大学硕士论文 ( 2 ) 智能化 智能气动是指具有集成微处理器，并融入了处理指令和程序控制功能的元件 或单元。典型的智能气动通常是在单个元件中，如气缸( 驱动) 或电磁阀( 控制) 中，内置可编程控制器( p l c ) 并装入特殊软件，从而实现智能化。 ( 3 ) 整套供应 完整的模块及独立的功能单元使用户只需进行简单的组装即可投入使用，一 方面可以大大节省现场装配、调整时间、减小劳动强度、提高工作效率；另一方 面对现场操作人员的专业技术要求也降低了，无需经过专门培训，因此整套供应 将对未来气动技术的发展产生深远影响。 1 2 集装阀与现场总线阀岛概述 常规气动系统中包含大量的分立元件，并且这些分立元件是通过大量的管件 及接插件实现连接的。如果有一个元件故障会引发整个设备的运行不正常，甚至 引发设备事故。同时，由于系统中带有大量信号、能量的管件和连线，尤其当这 些管件和连线跟随设备的运动部件移动时，因泄漏、阻塞、短路而引发的故障几 率高，给设备的维护和修理带来不便。除此之外，制造这一系统必须经过对所有 分立元件的选型、验收、组装、调试以及整机安装等繁多步骤，必须投入大量的 人力物力。这样不仅使设备开发、制造周期延长、而且常常因为人为因素出现设 计和制造错误，从而延误设备的投用日期甚至影响设备的功能和质量。 针对上述问题，近几年迅速发展起来的阀岛技术把多个电控换向阀采用总线 结构集成在一起，缩小了体积，减少了控制线，非常便于安装、综合布线和计算 机控制，大大简化了大型自动化设备的气动电控系统的设计安装和调试过程。阀 岛主要有以下几个方面的优点： ( 1 ) 安装方便，可靠性高。阀岛把多个电控换向阀集成在一起，由于采用了 集中接线和多芯插座，使得布线占有空间小，接线、布线、检修作业简单，大大 节约了拆装时间，可靠性大大提高。 ( 2 ) 减少了控制线，便于远程控制。电控换向阀的传统控制采用的是接线束 方式，每个电磁铁都需要两根控制线。阀岛采用了公共地线，大大减少了控制线 的数量，便于采用多芯电缆进行远程控制。 9 山东大学硕士论文 ( 3 ) 使用总线控制方式，便于众多电控换向阀的计算机控制。计算机控制众 多电控换向阀时，若采用传统的接线束控制方式，需要计算机对大量接线直接控 制，这使得布线、安装上都很困难；使用总线控制方式，只需要一根控制电缆就 可以完成控制。 但有时用户必须根据设计要求自行将可编程控制器的输入输出口与来自阀 岛的电缆进行连接，而且该电缆随着控制回路的复杂化而加粗，随着阀岛与可编 程控制器间的距离增大而加长。为克服这一缺点，出现了新一代阀岛带现场 总线的阀岛。 带现场总线的阀岛组成的系统中，每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输 出口。这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其它带现场总线设备时可以由近至 远串联连接。现提供的现场总线阀岛装备了目前市场上所有开放式数据格式约定 及主要可编程控制器厂家自定的数据格式约定。这样，带现场总线阀岛就能与各 种型号的可编程控制器直接相连接，或者通过总线转换器进行连接。 带现场总线接口的阀岛可与现场总线节点或控制器相连。这些设备将分散的 输入输出单元串接起来，最多可连接4 个分支。每个分支可包括1 6 个输入和1 6 个输出，连接电缆连接电源和控制信号。也就是说，它适合控制分散元件，使阀 尽可能安装在气缸附近，其目的是缩短气管长度，减小进排气时间，并减少流量 损失。带现场总线阀岛的出现标志着气电一体化技术的发展进人一个新的阶段， 为气动自动化系统的网络化、模块化提供了有效的技术手段，因此近年来发展迅 速。 1 3 课题的来源、目的及意义 1 3 1 现场总线在气动设备的应用前景 由于近几十年来电子技术的飞速发展，机电一体化技术已越来越广泛的应用 到工业设备中。在该类设备上往往大量地采用电子元器件来实现测量、控制以及 操作和显示，由气动或电动执行机构实现送料、夹紧、加工等动作。因此，与之 相应存在许多信息流和能量流，也必然离不开大量的接口技术。控制器与传感器 以及操作和显示单元之间的接口，控制器与能量转换单元之间的接口，能量转换 单元与执行单元之间的接口等，即电信号、各种物理量或气动、液压、电机及其 1 0 山东大学硕士论文 它方式的驱动能量有机地结合、转换，毫无疑问，接口技术应当得到高度重视。 该技术的要点是如何简化接口的硬件结构，提高可靠性，从而在自控系统中可靠 地实现更多的信息流和能量流，使设备的功能进一步完善，运行可靠性进一步提 高引。 同时，随着计算机、控制、通信、网络等技术的飞速发展，最显著的连锁效 应是全球市场逐步形成，从而导致竞争空前加剧，产品技术含量高、更新换代快。 工业生产为了适应市场竞争需要，采用系统集成、信息集成的观念来组织现代工 业生产，即把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务作为统一考虑的 生产过程，并用计算机、自动化、通信等技术来实现整个生产过程的综合自动化， 以改善生产加工、管理决策，提高企业的市场应变能力和竞争能力。整个生产过 程可看作是信息的采集、传送及加工处理的过程，信息交换沟通领域覆盖从工厂 的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖工段、车间、工厂、企业乃至世界 各地的市场，因而信息技术成为工业生产制造过程的重要因素。为了达到整个生 产过程信息集成，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、价格低廉的通信系统，以完成现场自动化智能设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的 信息交换。同时，智能化仪表的出现也迫切呼唤具备通信功能的、传输信号全数 字化的通信系统的出现。从而，现场总线技术就在这种实际需要的驱动下应运而 生了6 1 利。 1 3 2 以太网的优势与现场总线的结合 以太网( e t h e m e t ) 最早源于美国施乐公司。1 9 7 5 年美国施乐公司的p a l oa l t o 研究中心研制成功 m e c t 7 6 ，该网采用无源电缆作为总线来传送数据，故以传 播电磁波的以太命名。 发展到今日，随着以太网技术的逐渐发展及其在商用领域的应用日渐广泛， 越来越多的工业控制设备也逐渐使用以太网并采用t c p i p 协议作为主要的通讯 标准。所谓工业以太网，一般来说是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计 时，在材料选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干 扰性和本质安全等方面能满足工业需要。 、现场总线技术在工业现场有很大的优势，就目前情况来看，采用工业以太网 山东大学硕士论文 技术与上位机进行通信，可以使用统一的标准，并且避免现场总线技术游离于计 算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很 好的结合起来。以太网通讯有以下优势： ( 1 ) 可以保证现场通讯技术的可持续发展。 ( 2 ) 以太网受到广泛的开发技术支持。 ( 3 ) 由于以太网是应用最为广泛的计算机网络技术，受到硬件开发商的高度重 视，有广泛的硬件产品可供选择，其价格也相对十分低廉。 ( 4 ) 以太网已经使用多年，以太网具有大量的软件资源，人们对以太网设计及 应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉，大量软件资源和设计经验，意味着 可以显著降低系统的开发和培训成本，从而降低系统的整体成本，并大大加快系 统的开发和推广进度。 1 3 3 本课题的目的及意义 1 3 3 1 本课题的目的 本课题最终目的是研制出一种带d e v i c e n e t 现场总线接口和以太网接口的集 装阀控制器( 如图1 - 1 所示) ，从而需要从两个方面去展开具体的工作： ( 1 ) 集装阀必须具备通过d e v i c e n e t 现场总线网络通信的能力，实现 d e v i c e n e t 总线通信的从站功能； ( 2 ) 集装阀要求具有与上位机通讯的能力，通过以太网传输表示集装阀1 6 个电磁阀状态的8 位数据。 l 4 , l 机 p l c 现场总线 模块 图1 1 网关系统总体框图 集装阀 彩 梭懑黜 蔷罗 山东大学硕士论文 1 3 3 2 本课题的意义 现场总线技术是当今自动化领域的技术发展热点，一经出现就对该领域的发 展产生重要的影响，并标志着工业控制技术领域一个新时代的开端。它不仅具有 系统开放性、信号传输实时性、现场设备智能化和功能自治性、超强的安全与稳 定性等技术特点，而且，现场总线技术的出现导致了传统控制系统结构的变革， 形成了新型的网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 与常规控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 相比，在系 统构成、功能等方面尽管存在许多类似之处，但是，现场总线系统具有其它控制 系统无法比拟的优点：其控制单元在物理位置上可与测量变送单元及操作执行单 元合为一体，因而可以在现场构成完整的基本控制系统；又由于控制单元所具有 的通信能力，可以与多个现场智能装置沟通、综合信息，便于构成多个变量参与 的复杂控制系统与精确测量系统；另外，由于现场总线装置的数字通信特点，使 它不仅可以传递测量的数值信息，还可以传递设备标志、运行状态、故障诊断状 态等信息，因而能够构成智能仪表的设备资源管理系统1 。 虽然现场总线技术具有众多的优点，但似乎很难应用于作为实现生产机械化 和自动化重要手段的气动技术中。然而，总线型集装阀的研制并投入应用解决了 这一瓶颈问题，使气动技术和现场总线技术相辅相成，充分体现各自的优越性。 并且以太网接口可以实现现场气动设备的远程监控，最大程度地优化了气动系统 运行的可靠性。 1 4 本课题所要做的工作及章节安排 由于国内的技术还是比较落后，无法自己开发出d e v i c e n e t 主站模块，所以 我们采用日本欧姆龙公司生产的p l c 上的主站模块c 2 0 0 h w d r m 2 1 v 1 。我们 所做的工作是基于p l c 上的主站模块开发自己的d e v i c e n e t 从站模块以及i o 从 站，二者共同组成了控制系统。然后将整个控制系统应用于集装阀上，使其具有 现场总线功能。通过d e v i c e n e t 网络来实现远程控制、测试结果统计显示、在线 打印等功能，以及通过从站模块上的以太网接口能与上位机进行简单8 位数据通 讯。目前国内没有相关文献。其工作概况如下图1 2 ： 山东大学硕士论文 图1 2 从站系统工作概况简图 因此本课题的主要工作分为以下步骤： 1 ) 设计集装阀控制系统接口的硬件电路，主要包括四部分。 从站的d e v i c e n e t 现场总线接口的硬件设计，严格按照d e v i c e n e t 标准进 行设计。 从站的以太网接口的硬件设计。 从站与i 0 从站的通讯接口的硬件设计。 控制系统中集装阀的驱动电路的设计。 2 ) 研究d e v i c e n e t 协议内容，详细研究了显式报文连接请求和相应格式以及仅 限组2 预定义主从连接的协议内容及其i 0 报文收发机制，在保证主要功能能实 现的前提下，对协议进行简化。 3 ) 熟悉以太网基本通信协议内容，研究以太网发送报文过程，对以太网发送数 据部分程序进行简化。 4 ) d e v i c e n e t 接口的软件设计，要使该接口能与d e v i c e n e t 主站进行连接，并能 正确接收其发送的i 0 报文，以及具有必要的错误检测能力。 5 ) 以太网接口部分的软件设计，使从站具有向上位机发送8 位数据的能力。 山东大学硕士论文 6 ) i o 从站的设计以及与d e v i c e n e t 从站的通讯协议的编写。 本文共分为七章： 第一章简要介绍了课题的背景和意义，并对现场总线与以太网的发展现状进 行了分析。 第二章详细的介绍了d e v i c e n e t 现场总线协议的内容。 第三章以对d e v i c e n e t 现场总线协议的研究为基础，详细介绍了根据实际硬 件平台对协议进行必要的简化的过程。 第四章介绍了集装阀的现场总线网关系统的硬件设计。首先从整体上介绍了 该系统的硬件组成；其次将该网关分为两大部分：d e v i c e n e t 总线接口与以太网 接口，并详细介绍这两部分接口的硬件设计。 第五章介绍了集装阀的现场总线网关系统的软件设计，包括实现d e v i e e n e t 从站协议与以太网协议，并对以太网发送数据的步骤进行简化。 第六章描述了用实验软件对集装阀的控制系统进行调试的过程。通过对 d e v i c e n e t 总线报文的波形分析与现场波形采样，完善系统的软硬件设计，并证 明本课题对协议的简化是可行的。利用以太网监控软件，测试系统与上位机的通 讯，并分析监控数据，证明系统的以太网接口与上位机连接是可行的。 第七章全文总结与后续工作展望。 山东大学硕士论文 第二章d e v i c e n e t 协议规范 2 1d e v i c e n e t 总线技术概述 d e v i c e n e t 是9 0 年代中期发展起来的一种基于c a n 总线技术的符合全球工 业标准的开放型通信网络口1 。它采用了先进的通信概念和技术，具有低成本、高 效率、高性能、高可靠性等优点。它既可连接底端工业设备，又可连接像变频器、 操作员终端这样的复杂设备。它通过一根电缆将诸如：可编程序控制器、传感器、 测试仪表、光电开关、操作员终端、电动机、变频器和软起动器等现场智能设备 连接起来，是分布式控制系统的理想解决方案。在工业自动化领域里，d e v i c e n e t 总线遍及全球，尤其是北美和日本，占有很大的市场份额，应用日益广泛。 d e v i c e n e t 的主要技术特点可以概括如下【8 】【9 1 ： ( 1 ) 同一网段上最多可以容纳6 4 个节点，每个节点支持的i o 数量没有限制。 ( 2 ) 采用主干一分支结构。 ( 3 ) - - 种可选数据传输速率：1 2 5 k 2 5 0 k 和5 0 0 k ( 4 ) 支持对等、多主和主从通信方式。 ( 5 ) 采用载波侦听非破坏性逐位仲裁( c s m 删b a ) 总线技术。 ( 6 ) 支持位选通( b i t - s t r o b e ) 、轮询( p o l l ) 、状态改变( c h a n g eo fs t a t e ) 和循环 ( c y c l i c ) 的通信方式。 ( 7 ) 采用c a n 的物理层和数据链路层协议，采用c a n 控制器芯片，得到国 际上主要芯片制造商的支持。 ( 8 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果。 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了极低的数据出错率。具有通信 错误分级检测机制及通信故障的自动判别和恢复功能。 ( 9 ) 通信介质为独立双绞线，总线信号与电源承载于同一电缆。 ( 1 0 ) 支持设备的热插拔，可带电更换网络节点，在线修改网络配置。 2 2d e v i c e n e t 协议规范概述 d e v i c e n e t 协议规范如图2 1 所示： 1 6 山东大学硕士论文 l d e v i c e n e t l i s o 应用层 l 协议 l ( 第7 层) 困1 滋于 回i 溅亍 圈1 潍亍 图2 1d e v i c e n e t 协议规范 d e v i c e n e t 遵循c a n ( 控制局域网) 规范的定义。c a n 定义了链路层数据 传输的格式，而d e v i c e n e t 协议则在应用层定义了传输数据的语法和语义。 d e v i e e n e t 具有如下的通讯协议特点1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 点对点数据交换，任何d e v i c e n e t 产品都可以生产和消费信息。 ( 2 ) 将主从操作定义为点对点的子集。 ( 3 ) d e v i c e n e t 产品可用作客户机或服务器，或具有双重身份。 ( 4 ) 一个d e v i c e n e t 网络最多可有6 4 个媒体访问控制标识符( m a ci d 节 点地址) 。每个节点可以支持无限多的i o 。 对象模型将d e v i c e n e t 节点作为对象集合的模型。对象提供产品内一个特定 部件的抽象表示。某个产品的抽象对象模型的实现与其执行相关。每个对象实例 和对象类具有属性( 数据) ，提供一定的服务( 方法或步骤) ，并产生一定的行为 1 1 3 d 4 1 o 2 3d e v i c e n e t 的数据链路层 d e v i c e n e t 的数据链路层完全遵循c a n 规范的定义，并通过c a n 控制器芯 片实现。c a n 规范定义了两种总线状态：“显性”( 逻辑o ) 和“隐性”( 逻辑1 ) 。 任何发送设备都可以将总线驱动为“显性”状态。没有发送设备处于显性状态，总 线设备只能是隐性状态【1 9 1 。 c a n 定义了四种类型的帧：数据帧、远程帧、超载帧和出错帧。在本课题 中，只用到了数据帧和出错帧，数据帧的格式如图2 2 所示，出错帧的格式在软 1 7 山东大学硕士论文 件编程部分介绍： l 位l l 位啦字节l 啦2 位 7 位 图2 2c a n 的数据帧格式 较高优先权的数据取得总线通信权。d e v i c e n e t 在总线空闲时每个节点都可 以尝试发送，这提供了网络固有的点对点的通信能力。当两个或多个节点同时想 要访问网络的时候，网络采用非破坏性逐位仲裁机制解决潜在的冲突，而由于在 每帧数据的标志符中有一个优先级位，当它为0 的时候才允许发送，因此不会损 失数据或者浪费带宽。优先权的高低完全取决于仲裁区的数值，其仲裁过程如图 2 3 所示【2 0 】： 节点1il 0ll1l000l i1 1 节点2 失去发送权并停止传输 节点2i1 0111l10001 1 图2 3c a n 仲裁过程 上图说明： 1 ) 显性位表示逻辑值“0 ”，隐性位表示逻辑值“1 ”，而当同时向总线发送显 性位和隐性位时，总线上出现的是显性位0 。 2 ) 1 1 位仲裁区：在仲裁区发送期间，每个发送器都监视总线上当前的电平， 并与它发送的位电平进行比较，如果值相等，那么这个节点继续发送。如果发送 一个隐性位( 1 ) 而在总线上检测到一个显性位( o ) ，那么此节点失去仲裁权， 立即停止下一位的发送。也就是说，1 1 位仲裁区值最小的节点将赢得仲裁权。 控制场包括两个固定位和一个4 位的数据长度场。数据长度场的数据可以是 0 8 中的任一数字，表示数据场中的字节数。o 8 字节的数据长度对于具有少量 但必须频繁交换i o 数据的低端设备来说很理想。同时，8 个字节使简单设备可 以灵活地发送诊断数据，或向驱动器发送速度基准和加速度值。 c r c 校验场是循环冗余校验字，c a n 控制器用它来检测帧错误。校验字通 过对它前面的位进行计算得到。应答时间段中的显性位表明除了发送者以外至少 有一个接收器收到信息。c a n 使用包括c r c 和自动重试在内的多种错误检测和 山东大学硕士论文 故障限制方法。这些对应用来说高度透明的方法，可以防止故障节点破坏网络。 2 4d e v i c e n e t 的通信协议 2 4 1 显性报文和i o 报文 工厂自动化网络要传送一般的计算机通信网络中需要传送的报文，同时需要 传送实时的输入输出( i o ) 控制信息及整个控制系统中各控制器的互锁信息等。 我们用显性报文和v o 报文来分别表示。 i o 报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据。i o 报文提供了在报文 发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径。i o 报文通常使用优先级较 高的连接标志符，通过一点或多点连接进行信息交换。i o 报文数据帧中的8 位 数据场不包含任何与协议有关的位，只有当v o 报文为大报文经过分割后形成的 分段报文时，数据场中才有一位由报文分割协议使用。分段协议，本课题没有用 到，故不作介绍。 显性报文则适用于两个设备之间多用途的点对点报文传递，是典型的请求 响应通信方式，常用于节点的配置、问题诊断等。显性报文通常使用优先级较低 的连接标志符，并且该报文的相关信息包含在显性报文数据帧的数据场中，包括 要执行的服务和相关对象的属性及地址【2 1 1 。 i o 报文和显性报文的格式如图2 - 4 所示： i ，0 报文格式 显性报文格式 图2 - 4 报文格式 d e v i c e n e t 应用层协议充分利用了c a n 报文数据帧中的1 1 位标识符域，采用 11 位标识符来定义连接i d ，通过标识符域的1 1 位标识符将报文分成四个独立的报 文组【2 2 】。在四个报文组内，这1 1 位标识符又被分割为几部分并分别赋予不同的 含义，如表2 1 所示。 1 9 山东大学硕士论文 表2 1d e v i c e n e t 对于c a n1 l 位标识符使用 标志符位 范围 标志使用 ( 1 6 进制) 1 0 98765432lo 0 组l 信息i d源m a c i d0 0 0 3 f f信息组1 l0 源目的m a c i d组2 信息i d 4 0 0 - 5 f f 信息组2 l l 组3 信息i d源m a c i d 6 0 0 h 7 b f 信息组3 lllll 组4 信息m ( 0 - , - 2 f )7 c o 7 f r信息组4 1lllllllx x x 7 f 0 7 f f无效c a n 标志 根据表2 1 的描述，c a n 标识符在d e v i c e n e t 上包含以下成分。 信息i d ：在特定端点内的报文组中识别一个报文。用信息i d 在特定端点内 单个报文组中可以建立多重连接。该端点利用信息i d 和m a ci d 相结合，产生一 个连接i d 。 源m a ci d 该m a ci d 被分配给传送节点。组1 和组3 需要在c a n 标识符域 内定义源m a ci d 。 目的m a ci d ：该m a ci d 被分配给接收节点。组2 在c a n 标识符域定义源 m a ci d 及目的m a ci d 。 因优先级不同将报文分为4 组，属于第l 组的报文具有高优先级，用于传送设 备的i o 报文，属于第4 组的报文的优先级最低，用于设备离线时的通讯。 1 ) 报文组1 ：d e v i c e n e t 没有预定义组1 信息i d 。当两个或多个组1 报文进行 c a n 总线访问仲裁时，小数字的组1 信息i d 值的报文将赢得仲裁，获得总线访问 权。如果两个或多个报文i d 值相等的组1 报文进行总线仲裁，那么来苣i m a ci d 值较低的设备的发送将赢得仲裁。 2 ) 报文组2 ：在组2 内，m a ci d 可以是发送节点的m a ci d ，也可以是接收 节点的m a ci d 。在组2 报文中信息i d 6 是为仅限组2 设备和其他设备建立连接时 所预留的。信息i d 7 是为重复m a ci d 检测所预留的。在组2 内，m a ci d 可以是 发送节点的m a ci d ( 源m a cr d ) ，也可以是接收节点的m a ci d ( 目的m a ci d ) 。 当通过组2 建立连接时，端点将确定是源m a ci d 还是目的m a ci d 。当两个或多 个组2 传输进行c a n 总线仲裁时，其m a ci d 数值较小的报文将获得总线访问权。 山东大学硕士论文 3 ) 报文组4 ：组4 信息用于离线通信与通讯错误响应。 2 4 2 数据通信方式 d e v i c e n e t 支持多种数据通信方式，如循环、状态改变、选通、查询等。 1 ) 循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备的信号发生的速度，灵活 设定以循环方式进行数据通讯的时间间隔，这样就可以大大降低对网络的带宽要 求。 2 ) 状态改变方式意味着设备仅当它的状态改变时才生产数据。为了确保消 费数据的设备知道数据生产者仍处于活动状态，d e v i c e n e t 提供了一个可调节的 背景心跳率，当状态改变或者心跳定时器超时就发送数据。 3 ) 选通方式利用8 字节的报文广播，g p 6 4 个二进制位的值对应着网络上的6 4 个可能的节点，通过位的标志，指定要求响应的从设备。 4 ) 查询方式的i o 报文直接一次发送到各个从设备( 点对点) 。 2 4 3d e v i e e n e t 对象模型与设备描述 d e v i c e n e t 采用抽象的对象模型描述通信服务，d e v i c e n e t 节点外部可视行为 与d e v i c e n e t 节点间的数据交换。d e v i c e n e t 节点被模型化为对象的集合。一个类 为几个对象的集合，这些对象描述同一系统成分。对象实例是一个类中某一特定 对象的具体描述。模型为每个属性提供了由4 个数字组成的寻址方案，它们分别 是节点地址( m a ci d ) 、对象类标识符、实例编号和属性编号。d e v i c e n e t 节点 中主要包含连接对象、报文路由器对象、标识对象、d e v i c e n e t 对象、组合对象、 参数对象、应用对象。d e v i c e n e t 节点对象模型结构如2 5 图所示【2 3 1 2 4 1 。 图2 5d e v i c e n e t 对象模型结构 。 可选对象 。 必选对象 2 l 山东大学硕士论文 从图2 5 可以看出连接对象、报文路由器对象、标识对象、d e f i c e n e t 对象是 对象模型中必不可少的。以下为这几个对象的描述】。 1 ) 连接对象：d e v i c e n e t 连接对象处理和提供实时的数据交换，它负责分配 和管理与i o 报文连接和显性报文连接有关的内部资源。 2 ) 报文路由器对象：用于分配由连接对象所接收到的显示报文信息。 3 ) 标识对象：d e v i c e n e t 产品一般都有一个标识对象实例。此实例包含各种 属性，如供货商i d 、设备类型、产品代码、版本、状态、序列号、产品名称和说 明。 4 ) d e v i c e n e t 对象：主要用于描述节点的配置信息和所处状态，包含如节点 地址( m a ci d ) 、总线的波特率、总线关断和主站地址等属性。 5 ) 组合对象：d e v i c e n e t 产品一般具有一个或者多个可选的对象。这些对象 的主要任务就是将来自不同应用对象的多个属性( 数据) 组合成一个能够随单个 信息传送的属性。 6 ) 参数对象：在带有可配置参数的设备中都用到了可选的参数对象。参数 对象将为每个可配置的参数引入一个实例。 7 ) 应用对象：配备了组合对象或参数对象的设备通常至少应包含一个应用 对象。 2 5 本章小结 本章对d e v i c e n e t 协议规范以及c a n 通讯协议作了深入研究。d e v i c e n e t 是 基于c a n 总线的现场总线，其建立在c a n 的物理层和数据链路层基础上。本章 从物理层