（模式识别与智能系统专业论文）devicenet现场总线在低压电器上的应用研究.pdf

d e v i c c n e t 魏矮蕊线在燕器电器上瑟痤矮礴究 摘要 摘要 现场总线是= 卡世纪八十年代末、九十年代初在鬓阮上发震形成的广泛 疲矮子遥程垂动纯、捌逢耋裁毒 二、搂字巍动纯等颁壤懿臻场鬻麓设冬互连瓣 络。这项以计算机技术、通讯技术和掩制技术为主的综台技术，已经越来越 成为自动化技术发展的热点。为了适应中国工业发展的需爱，研究和丌发自 己的总线产品是十分必要的。 本文选取了王遂上广泛壤矮斡甄聪i o 攘块为齐发戆本依，在萁上实瑗 现场总线之一豹d e v i c e n e t 现场总线协议。旨在通过j c 尊酱通i o 模块的 d e v i c e n e t 现场总线接口的开发，研究d e v i c e n e t 现场总线产品的丌发过程和 d e v i c e n e t 通讯协议，希望对国内的d e v i c e n e t 总线产品的开发起到铺颦作用。 本文的主要工作包糖： 蕾宠，概透了爨场总线弱特点、黼终俸系结秘，势密甥鞭踪国内舔嚣繇 总线技术的发展动态，对目前有较大影响力的几种总线的发展背景和技术特 点进行了比较分析，指出了各类总线的优缺点及其应用领域。 然后，研究了d e v i c e n e t 现场总线协议，对协议的体系结构进行了分析。 d e v i c e n e t 筑蓬莛一套宠善、严密夔耱议髂系，霹鞋应躅予袈耪不同魏领域， 本文主要对其在低聪电器上豹应用进行了研究，实现了d e v i c e n e t 通讯接口 的软腰件设计。 嘲i 环陵通讯接口的硬件设计采用了p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 在片c a n 控制器芯片来实现d e v i c e n e t 应雳层游议，并用p c a 8 2 c 2 5 0c a n 葸线收发 嚣实现到d e v i c e n e t 总线的物理接日。本文设计了软蛄邋谖接露豹硬 孚连羧 原理图，完成了硬件电路板的制作，并与w o o d h e a d 公司的5 1 3 6 - d n p - p c i 主 站卡一起组成了一个热型的主从网络，从而提供了一种易嶷现、高可靠的硬 体解决方案。 d e v i c e n e t 遽谖接日魏较舞设诗袋翔c 5 1 语言寒实臻。霪患浚诗了鼠浩 的重复m a ci d 稔测、预定义主从方式通讯以及扶站的状态转换等软件模 块。按照d c v i c e n e t 通讯协议实现了从站各种对象，并用广州周立功公司出 品的t k s 5 9 1 仿真机进行软件仿真和测试。结果表明，从豇占能正常与主站进 1 。 黧! ：! 兰釜兰鍪塑鍪堡垄整娄叁塑! 鎏窒望堑塞 鳖壅 行通讯，实现各种预定功能。 最后，本文对d e v i c e n e t 现场总线的开发进行了总结，并就目前d e v i c e n e t 总线产品开发的趋辨和热点给出了作者的一些看法l 对d e v i c e n e t 总线在低 压奄器上鲍应用稻开发俸了一些毒羹懿探讨，黍望对啻悫熬憨线产晶的开发 超到挞砖弓| 玉的 睾瘸。 笑键词：现场总线，d e v i e e n e t ，总线接口，通讯协议，从盘占 d e v i c e n e t 现场总线存低雕电器j ：的应用研究a b s t r a c t t h e i m p l e m e n t a t i o n r e s e a r c hf o rd e v i c e n e t f i e l d b u so nl o w v o l t a g ea p p a r a t u s a b s t r a c t f i e l d b u si sak i n do fn e t w o r kf o ri n t e l l i g e n td e v i c eo fw o r kf i e l dd e v e l o p e di n t h e8 0 - 9 0o f 2 0 c e n t u r y i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f p r o c e s sa u t o m a t i o n m a n u f a c t u r ea u t o m a t i o na sw e l la sb u i l d i n ga u t o m a t i o n a san e w t e c h n o l o g y ，t h e f i e l d b u si n t e g r a t e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，a n ds o ，i th a sb e e nt h ef o c u so ft h ea u t o m a t i o nd e v e l o p m e n to ft h e w o r l d i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to u ro w nf i e l d b u sp r o d u c t si n o r d e rt oc o o p e r a t ew i t ht h ep r o s p e c to fo u rc o u n t r y se c o n o m y t h i sp a p e rs e l e c t so n eo ft h el o w v o l t a g ea p p a r a t u so nw h i c ht oi m p l e m e n t t h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n t h ei om o d u l ew i l lb es e l e c t e da st h el o wv o l t a g e a p p a r a t u s t h em a i ni n t e n t i o ni s t or e s e a r c ht h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n to f t h ed e v i c e n e tp r o d u c t sv i at h i sw o r k ，a n dh o p et h i sw o r kc a l ld o s o m e t h i n gf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ef i e l d b u sp r o d u c t s t h em a i nw o r k so ft h i s p a p e r a r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i s p a p e r d e s c r i b e st h ec h a r a c t e r sa n dt h en e t w o r kf r a m eo ft h e f i e l d b u s ，a n dk e e p sc l o s ew a t c ho nt h en e wd e v e l o p m e n t so ft h ef i e l d b u s t h e b a c k g r o u n da n dc h a r a c t e r i s t i c s o fs e v e r a l i m p o r t a n tf i e l d b u s a r e a n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a n d t h e i rc o m p e t e n tf i e l d sa r ea l s om e n t i o n e d a n dt h e n ，t h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o ni ss t u d i e da n di t sf r a m e i sd i s c u s s e d c a r e f u l l y t h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o ni s as e to f p e r f e c t l ya n dl o g i c a l l yp r o t o c o l ， a n dc a nb eu s e df o rk i n d so fd i f f e r e n tf i e l d s t h i s p a p e r r e s e a r c h e si t s i m p l e m e n t a t i o n o nl o wv o l t a g e a p p a r a t u s a n dr e a l i z e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g nf o rt h ed e v i c e n e t i n t e r f a c e t h ep 8 7 c 5 9 1m i c r o c o n t r o l l e rw i t hc a nc o n t r o l l e rc h i pw a ss e l e c t e dt o r e a l i z et h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n ，a n dt h ep c a 8 2 c 2 5 0c a nu a n s c e i v e rw a s d e v i c e n e t 瑗场惑线在糕蹙墩嚣上薛瘫是簿 究a b s l r a c t u s e df o rc o n n e c t i n gt ot h ed e v i c e n e tb u s 。t h i sp a p e r d e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t m i d c o m p l e t e dt h e h a r d w a r em a n u f a c t u r eo ft h es l a v en o d e t h es l a v en o d e c o m b i n e dw i t ht h e513 6 - d n p p c im a s t e rb o a r dm a d eb yw o o d h c a dc o m p a n y m a k e u po f at y p i c a lm a s t e r s l a v en e t w o r k a ne a s yb u i l da n dr e l i a b l eh a r d w a r e s o l u t i o ni sa v a i l a b l ei nt h i sp a p e r t h es o f t w a r eo ft h ed e v i c e n e ti n t e r f a c ew a s c o m p i l e db yc 51 ，i n c l u d i n gt h e d u p l i c a t em a c i dd e t e c t ，t h ep 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 ，t h es t a t e t r a n s i t i o nd i a g r a ma n ds oo n 。t h i sp a p e rr e a l i z e st h eo b j e c t so f t h es l a v ea c c o r d i n g t ot h ed e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n ，a n de m u l a t e sb yt k s 一5 9 1e m u l a t o r t h er e s u l t s s h o w nt h a tt h es l a v ec a r lc o m m u n i c a t ew i t ht h em a s t e ra sw eh a v ee x p e c t e d f i n a l l y ，t h ep a p e rg i v e sa na b s t r a c td e s c r i p t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e d e v i c e n e tf i l e d b u sp r o d u c t s t h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hh o ts p o t o ff i e l d b u sa r ep u tf o r w a r d e d i no r d e rt op r o m p tt h ed e v e l o p m e n to fd e v i c e n e t p r o d u c t si no u rn a t i o n ，t h ep a p e rp r o v i d e sa u t h o r so p i n i o n so r lb o t ha p p l i c a t i o n a n di m p l e m e n t a t i o no f t h ed e v i c e n e tf i e l d b u so nl o wv o l t a g ea p p a r a t u s k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，d e v i c e n e t ，b u si n t e r f a c e ，c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ， s l a v en o d e 2 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内 容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：删年2 月 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文幸# 者完全了解学校有关僳蜜、毽掰学位论文豹麓霆，嗣意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论 文被查阅戏借阅。本人授权朱华大学可以将本学位论文的全部绒部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等笈制手段保 存翻汇编本学位论文。 傣密口，在年解密后适用零激较警。 本学位论文属于 不保密回。 学位论文俸者签名巧蝴 疆导教黉器签名：二；一拈 r 期：脚年j 月z 同 r 期； v 年v 月l 同 d e v i c e n e t 现场总线在低雎电器卜的麻用聊f 究 j l 高 引言 在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支，在二十世 纪3 0 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天，在控制方式上经历了从 人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经 历了三个发展阶段，它们是，分散控制阶段，集中控制阶段和集散控制阶段。 今天以分布式控制系统( d c s ) 为代表的集散型计算机过程工业控制系统已在 过程工业生产中有广泛的应用，并取得了较好的效益。 随着工业过程控制现场设备智能化趋势进程的快速发展，如传感器，变 送器，执行器等现场设备的智能化，需要传送的信息量大大增加，仅靠原有 的4 2 0 m a 模拟信号的传送方式进行信息的传送相当困难。必须进行数字 信号的传送。现场总线便应运而生。从8 0 年代中期开始，现场总线便在一 些国际性的大公司中首先发展起来。经过十多年的研究和发展，目前现场总 线技术逐步成熟，开始进入实际使用阶段，各种现场总线规范的推出，使现 场总线形成了开放统一的体系，为现场总现产品的推广打下了良好的基础。 伴随着现场总线技术的高速发展，新型低压电器已经在国外得到广泛应 用，而我国在该技术领域则处在刚起步阶段。随着我国国民经济持续高速发 展，现场总线这一划时代的新技术为低压电器工业发展高新技术产品提供了 良好的机遇。另外，国内外低压电器市场竞争日趋激烈，由于我国低压电器 技术的研究预产品开发水平不高，此时研究高性能的智能低压电器产品有着 重要意义。 本文在现场总线技术不断发展成熟的时代背景下，以普通的数字i 0 模 块为研究对象，在其上实现d e v i c e n e t 现场总线规范，开发出一个d e v i c e n e t 接口使普通的i o 模块能连接到d e v i c e n e t 现场总线上，实现i o 模块与其他 符合d e v i c e n e t 规范的产品进行通讯。之所以选用i o 模块来进行现场总线 的开发是因为，第一，i o 模块在工业控制中主要用于开关、传感器等离散 设备的控制及检测，有着广泛的应用；第二，i o 模块功能相对简单，传送 数据量较少，便于将主要精力放在协议的实现上。 d e v i c e n e t 现场总线在低压电器上的应用研究j l 高 本文章节安排如下 第1 章现场总线概论。概述了现场总线的特点、网络体系结构；并密 切跟踪国内外现场总线技术的发展动态，介绍了现场总线的相关知识和几种 典型的现场总线，对目前有较大影响力的几种总线的发展背景和技术特点进 行了比较分析，指出了各类总线的优缺点及其应用领域；介绍了现料戮在 、 我国的发展现状，以及选择d e v i c e n e t 现场总线的原因。 第2 章d e v i c e n e t 技术规范。本章深入研究了d e v i c e n e t 现场总线协议， 对协议的体系结构进行了分析。d e v i c e n e t 是基于c a n 的协议，运用面向对 象的技术描述了其物理层、数据链路层和应用层的功能。d e v i c e n e t 规范是一 套完善、严密的协议体系，可以应用于各种不同的领域。 第3 章系统总体设计。本章概述了d e v i c e n e t 主从网络系统的构成及 本文的设计目标。选择一种低压电器( i o 模块) 进行d e v i e e n e t 协议实现研究， 提出了i o 模块从站的对象模型和设备描述，为下面的具体实现奠定了基础。 第4 章i o 模块d e v i c e n e t 接口的硬件设计。d e v i e e n e t 通讯接口的硬件 设计采用了p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 在片c a n 控制器芯片来实现d e v i c e n e t 应用层协议，并用p c a 8 2 c 2 5 0c a n 总线收发器实现到d e v i c e n e t 总线的物 理接1 5 1 。本章设计了从站通讯接口的硬件连接原理图，完成了硬件电路板的 制作，并与w o o d h e a d 公司的5 1 3 6 一d n p p c i 主站卡一起组成了一个典型的主 从网络，从而提供了一种易实现、高可靠的硬件解决方案。 第5 章i o 模块d e v i c e n e t 接口的软件设计。d e v i c e n e t 通讯接v i 的软件 设计采用c 5 1 语言来实现。本章重点设计了从站的重复m a ci d 检测、预定 义主从方式通讯以及从站的状态转换等软件模块。按照d e v i c e n e t 通讯协议 实现了从站各种对象，并用广州周立功公司出品的t k s 一5 9 1 仿真机进行软件 仿真和测试。结果表明，从站能正常与主站进行通讯，实现各种预定功能。 第6 章为课题总结和展望。本文对d e v i c e n e t 现场总线的开发进行了总 结，并就目前d e v i c e n e t 总线产品开发的趋势和热点给出了作者的一些看法； 对d e v i c e n e t 总线在低压电器上的应用和开发作了一些有益的探讨，希望对 国内的总线产品的开发起到抛砖引玉的作用。 d e v i c e n e t 现场总线在低压电器卜的应用研究第1 帝现场总线概论 1 1 引言 第1 章现场总线概论 现场总线( f i e l d b u s ) 是八十年代末九十年代初国际上发展形成的用于 过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。 它作为工厂数字通讯网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其 与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层控制网络，而且还是种 开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机及数字通讯 为主的综合技术，已经收到世界范围的关注并成为自动化技术发展的热点， 并将导致自动化系统机构与设备的深刻变革。 现场总线控制系统( f c s ) 作为新一代控制系统，一方面突破了传统集 散控制系统( d c s ) 采用专门通讯网络的局限，采用了基于公开化标准的解 决方案，克服了封闭系统所造成的用户对单厂商依赖的局限性，使系统具 有真正的开放性；另一方面，将d c s 的i o 彻底分散变成了新型全分布式结 构，把控制功能彻底下放到现场，更完美的实现了传统d c s 管理集中与控制 分散的初衷。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的 特征。本章将概述现场总线的特点、网络体系结构，并对目前有较大影响力 的几种总线的发展背景和技术特点进行了比较分析，指出了各类总线的优缺 点及其应用领域。 1 2 现场总线简介 1 2 1 现场总线的概念 在工业自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制 器以及生产设备等连接构成的网络。就现场总线一词的含义而言，现场是指 处于工作环境底层，总线则意味着必须遵循同一技术规范的连线系统、意味 着设备间的可互连和互操作。佟为民【1 】等在现场总线概述一文中对现场总线 d e v i c e n e t 现场总线在低压电器上的应用研究第1 章现场总线概论 的各种不同的定义做了详细描述，虽然这些对现场总线的定义因为角度和出 发点的不同而各异，但都体现出了如下的概念：1 、现场总线应用于工业底层 的控制和测量设备：2 、现场总线实现了现场设备之间以及其与更高层自动化 控制设备之白j 互连；3 、现场总线是- l o o 数字式、串行、多点通讯的数据总线。 作为工厂设备级的基础通讯网络，要求现场总线具有协议简单、容错能 力强、安全性好及低成本的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要 求：具有网络负载稳定、多为短帧通讯和信息交换频繁等特点。因而，现场 总线系统从网络结构到通讯技术都具有不同于上层高速数据通讯网络的特 仁。 1 2 2 现场总线出现的背景 1 9 7 5 年出现的d c s ( 分散型控制系统) 和随后不久出现的p l c ( 可编 程控制器) 都属于封闭式的控制系统1 2 1 1 3 1 ，每家d c s 或p l c 制造厂的产品都 有各自的硬件和软件构成自己产品的体系，其中多少都含有自己的专利技术， 彼此封锁，只能通过网关等才能与其它厂商的系统进行通信。由于厂商不论 大小，都有其独到之处，而用户需要开放式的控制系统，以便择优选择不同 公司的产品( 变送器、执行器和控制系统) ，以达到其最佳的集成。 用户为了降低企业成本、提高产品质量以增加企业的竞争能力，不得不 扩大其生产规模、强化其生产过程，同时为了保证安全生产，检测的点数和 控制回路急剧上升，众多的检测信号汇集到了d c s 的入口处，不可避免地会 再现“瓶颈”现象，导致信号堵塞，降低了系统的安全性与可靠性。而且如 此大量点到点的电缆，不但增加了线路敷设设计的难度和施工的复杂性，同 时也提高了安装、调试和维护的费用。因此，用户追切需要现场控制与智能 化的现场仪表，以便将较多的控制功能下放至现场仪表，减少d c s 处理信息 的压力，增强系统的可靠性与安全性，同时也可减少电缆及相关费用。在此 情况下，现场总线技术便应运而生【4 】。 1 2 2 现场总线的技术特点0 2 “锄】 现场总线是3 c 技术( 计算机、通信、控制) 的融合。简单地概括现场 d e v i c e n e t 玑场总线在低艇电器上i 的心用研究 第1 章现场总线概论 总线技术的特点是：信号传输全数字、标准统一开放和控制功能全分散。 1 、信号传输数字化是所有现场总线的基本特点。 它给系统带来的本质优点有：系统精度提高：现场设备的信息增加几十 位，可用于自诊断、系统调试和管理，提高了系统的有效性：同一电缆连接 多台现场设备，节省较大的施工量。例如系统操作站很容易读到每条总线上 的设备，仪表人员不必象4 2 0 m a 仪表那样在现场和控制室逐台查对。而每 个现场总线的过程变量除了本身数值外，还有其它一些诸如好、坏、不确定 等状况。这些内容通过显示器可给操作人员以提示，方便系统在运行条件下 对现场设备进行诊断维护。所以说节省电缆只不过是现场总线技术表层的优 点，因为d c s p l c 的远程i o 也可达到类似的效果，而从现场设备获得丰富 的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。 2 、标准统一开放是所有现场总线的必需的特点，也是它与许多原来“专 有”通信总线的关键区别之一。 它给用户带来的本质优点是：打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的 支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。d c s 只做到操作站以上开放，控 制层不可能开放，而f c s ( 现场总线控制系统) 则做到系统从上到下全丌放。 不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的i o 总线开放的难度较低而 控制用的系统总线的开放互操作就很难。 3 、控制彻底分散是现场总线具有的突出优点。 它给用户带来的实质优点是：由高度智能的现场设备来分散地完成d c s 控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，降低了设备费用，使控 制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。不过这和使用的总线类 型有关，例如逻辑控制算法简单但要求速度快，所以p l c 通常并不要求控制 彻底分散。 此外，现场总线与d c s 相比，有较高的性价比。尽管关于现场总线与 d c s 价格对比是一个分歧很大的话题，认为现场总线价格很贵是目前很多人 的看法，但对这一问题应历史发展动态地看，全面地看。一种产品在其生命 周期内的价格变化曲线通常分为早期，正常期和术期，新产品因其有较大的 性能优势早期一般价格较高，这样也有利于尽快收回用于开发的高昂投入。 d e v i c e n e t 玑场总线柱低爪l u 器i ：的应用研究第1 章现场总线概论 然后为与老产品竞争和扩大市场其价格将降到一个相对稳定的合理位置，这 一时期是最大收益期，当更新的产品出现后，为延长市场生命周期其价格将 再降到一个微利的程度，此时其再降价的潜力已经很小了。由于软件产品的 复制成本远低于硬件产品，所以软件含量高的f c s 系统降价的潜力比d c s 更大。 f c s 给用户带来的节省体现在设计、建设、运行维护全过程。国外称 f c s 比d c s 在设备、材料、施工三项上可节省投资4 0 左右。对设备费也不 应仅对单台进行比较，而要对系统总设备费及设备档次进行对比，现在可以 说仅设备费f c s 和d c s 也是在同一水平上。所以有人提出现场总线是“总 体的节省，长远的效益”。用户应看到，现场总线带来的首先是先进的高科技， 但它物超所值，还给用户带来经济上的节省，但决不是低成本的简易设备。 1 3 现场总线的网络结构 现场总线是控制、计算机和通信三种技术的结合。计算机与通信的结合， 产生了计算机网络。计算机网络与控制设备相结合，孕育了现场总线控制系 统。网络技术是现场总线控制系统的重要基础。网络化是自动化系统结构发 展的方向。 1 3 1 现场总线互连通讯模型 工业生产现场存在的大量传感器、控制器和执行器通常零散的分布在一 个较大的范围内。对于由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向 控制的信息量不大，但实时性的要求较高。因此，根据现场总线的特点，将 o s i 七层参考模型简化为物理层( p h l ) 、数据链路层( d l l ) 、应用层( a l ) 三层【2 1 1 9 一m 。典型的现场总线参考模型如图1 - 1 所示。 应用层 总线访问子层 数据链路层 物理层 图i - 1 现场总线互连参考模型【2 d e v i c e n e t 现场总线在低压电器上的应用研究第l 章现场总线概论 1 3 1 现场总线的网络拓扑结构2 现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合。 环型拓扑结构中以令牌环型网最为典型，其特点是时延时间确定性较 好，缺点是成本较高：总线型网的优点是站点接入方便，可扩展性较好，成 本较低，在轻负载的网络中基本没有时延，但在站点多、通讯任务重时，延 时明显加大。缺点是延时时间的不稳定性，对某些实时应用不利；树型网是 总线网的一种变型，其优点是可扩性好，有较宽的频带，缺点是站点问通信 不方便，总线网的各站争用使它不适合于实时处理某些突发事件；令牌总线 网则综合了令牌环网和总线网的优点，即在物理上是一个总线网，在逻辑上 是一个令牌网。 1 3 2 现场总线的数据操作方式 从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有四种工作模式：对等 ( p e e rt op e e r ) 、主从( m a s t e r s l a v e ) 、客户服务器模式( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 及网络计算结构( n e t w o r k c o m p u t i n g a r c h i t e c t u r e n c a ) 。对等和主从模式发 展较早，也已获得了广泛应用。在8 0 年代发展c s 模式，9 0 年代出现了n c a 方式。 在c s 工作模式中，由客户发出一个请求，服务器按请求进程的要求做 出响应，完成任务。c s 模式将处理功能分为两部分，一部分由客户处理， 另一部分由服务器处理，客户承担专门的应用任务，服务器主要用于数据处 理，c s 模式提供一个较理想的分布环境，消除了不必要的网络传输负担， 这样有利于全面发挥各自的计算能力，提高工作效率。 本课题中所主要研究的设备网总线的工作模式就是一种c s 工作模式。 1 4 典型现场总线简述 目前，现场总线技术还没有一个统一的标准，现存的几种现场总线技术 是以某些大的自动控制产品制造公司为基础开发出相应的标准和协议。当前 在世界上已经使用的现场总线形式主要有由i e c t c 6 5 通过的符合i e c 6 1 1 5 8 7 d e v i c e n e t 现场总线存低压电器上的应用研究第1 章现场总线概论 国际标准的f f 的h 1 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、f fh s e 、s w i f tn e t 、 w o r l d f i p 、i n t e r b u s ，i e c t c l 7 b 通过的s d s 、a s i 、d e v i c e n e t 及符合i s 0 1 18 9 8 的c a n 总线等】。 1 4 1 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 1 1 2 - 1 5 1 基金会现场总线f f 是一个国际性的协会组织，有1 0 0 多个会员单位， 包括f o x b o r o 、横河电机、a b b 、s i e m e n s 等全球主要的过程控制供应商与最 终用户。前身是i s p 与w o r l d f i p ( 以h o n e y w e l l 为首) 两大现场总线集团。 这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立现场总线基金会，致力于开发国际上统 一的现场总线协议。 f f 物理介质支持双绞线、光缆和无线发射。协议符合i e c 6 11 5 8 2 标 准。其物理介质的传输信号采用曼彻斯特编码。 f f 的模型省去了i s o o s i 模型的3 6 层，但在应用层上另加了用户层。 用户层是现场总线应用的关键，能为整个系统提供更理想的应用环境。它与 应用层一起，完成应用接1 2 1 的标准操作，实现应用层的丌放性。f f 的用户层 保证了现场总线的互操作性。它规定了标准功能块( f b ) 、对象字典( o d ) 和设备描述( d d ) 来供用户组成系统。在网络管理中，为了提供一个集成网 络各层通信协议的机制，实现设备操作状态的监控与管理，现场总线设置了 网络管理代理( n m a ) 和网络管理信息库，提供组态管理、性能管理和差错 管理的功能。在系统管理中，设置系统管理内核、协议和系统管理信息库， 实现设备管理、功能管理、性能管理和安全管理等功能。 f f 总线的特点如下： 由于世界上大的仪表公司与用户都参加了f f ，因此f f 丌发的现场 总线产品在品种与性能上都能满足控制要求，选择范围比较广，使 用方便并且价格合理。 f f 能实现产品的可互操作性与可互换性。 功能块比较完全，用户组网及使用都比较方便。并且留有空f 白j ，可 供用户开发具有独特功能的功能块。 产品开发、试验及推广实力雄厚，考虑完善，产品的可靠性与实用 d e v i e e n e t 现场总线机低臁电器i ：的施用研究 第l 章现场总线1 i 【沦 性较高。 1 4 2p r o f i b u sf p r o c e s s f i e l d b u s ) 。1 缸1 8 1 9 8 7 年，德国联邦科技部集中了1 3 家公司和五家研究所的力量，按照 i s o o s i 参考模型制定现场总线的协议和规范，经过两年多的努力，完成了 制定工作。于1 9 9 1 年4 月在d i n l 9 2 4 5 中发表，正式成为现场总线的国家标 准。1 9 9 6 处3 月1 5 日，在欧洲又通过投票选举，成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。 在过程控制方面，由于缺乏适用于防爆区的解决方案和过程自动化的标准功 能模块，p r o f i b u s 的应用与推广一直受阻，直至1 9 9 4 年其用户组织( p n o ) 推出了用于过程自动化的p r o f i b u s p a 。 p r o f i b u s 由三部分组成，即p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) 、 p e o f i b u s d p ( 分散型外围设备) 及p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 。其 中，p r o f i b u s d p 是专门为自动控制系统与分散i t o 的设备级之间进行通 信使用的，使用p r o f i b u s - - d p 可取代2 4 v 或4 - - 2 0 m a 的并行信号传输。 p r o f l b u s p a 是专门为过程自动化设计的，可使传感器和执行器接在同一 根公用的总线上，甚至在本质安全区也可接上。根据i e c l l 5 8 - - 2 国际标准， p r o f i b s p a 用双线进行总线供电和数据通信。p r o f i b u s f m s 用来解决 车怕j 级通用性通信任务。f m s 提供强有力的通信服务，用于完成中等传输速 度的循环和非循环的通信任务。 p r o f i b u s 能提供各种芯片，较适宜用于应用p l c 的场合，而且，由 于其稳定的标准及公司的支持，p r o f i b u s 已占有了相当大的市场份额。 1 4 3h a r t 协议1 2 h a r t 协议是可寻址远程传感器高速公路( h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r ) 的简称，它是一种通信协议。 r o s e m o a n t 公司于1 9 8 6 年推出h a r t 通信协议，它在4 2 0 m a 的直流 模拟信号上迭加了一个f s k ( f r e q u e n c ys h i f t i n gk e y i n g ) 即频移键控的数据 通信信号，允许在同一线路上存在上述两种信号而不互相影响。因此，严格 意义上说，它不属于现场总线，而是属于模拟系统向数字系统过渡的一种产 9 d e v i e e n e t 现场总线在低压电器上的应用研究第1 章现场总线概论 品。1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会h c f ，有7 0 多家公司参加。 通信模型由物理层、数据链路层和应用层3 层组成。 物理层采用f s k 技术在4 - - 2 0 m a 的模拟信号上迭加一个频率信号，频 率信号采用b e l l 2 0 2 国际标准，数据传送速率为1 2 0 0 b p s ，逻辑“0 ”的信号 频率为2 2 0 0 h z ，逻辑“1 ”的信号频率为1 2 0 0 h z 。调制信号为0 5 m a 或o 2 5 v 。 用屏蔽双绞线单设备距离3 0 0 0 m ，而多台设备距离为1 5 0 0 m 。 链路层用于按h a r t 通信协议规则建立h a r t 信息格式。其信息构成 包括开始码、显示终端与现场设备地址、字节数、设备状态与通信状态、数 据、奇偶校验等，其数据字节结构为一个起始位、8 个数据位、一个奇偶校 验位和一个终止位。最长2 5 个字节。寻址范围为o 一1 5 ，当地址为0 时，则 为4 - - 2 0 m a d c 与数字通信兼容状态，当地址为1 1 5 时，则为全数字通信 状念。通信模式为“问答式”或广播式。 h a r t 应用层规定了三类命令：通用命令、一般命令和特殊设备命令， h a r t 支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。按应答方式工作时的数 据更新速率为2 3 次，秒，按广播方式工作时的数据更新速率为3 4 次秒。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准语 言来描述设备特性，由h a r t 基金会负责管理这些设备描述并把它们编成设 备技术字典。 目前世界上h a r t 协议的产品仍在生产，但现场总线的产品大量上市， 价格与之接近时，便会影响它的市场。h a r t 技术已趋过时，价格极为便宜。 1 4 4 控制器局域网( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 心1 1 、由来 c a n 是德国b o s c h 及几个半导体集成电路制造商开发出来的，起初是 专为汽车工业所设计的，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，目 前，已推广应用于离散领域，并已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ( 通信速率1 m b p s ) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 通信速率1 2 5 k b p s ) 。自从b o s c h 公司推出c a n 协议以来，已有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 和 m i c r o c h i p 等公司生产了符合c a n 协议的芯片，还有插在p c 机上的c a n 的 d e v i c e n e t 现场总线在低压电器上的应用研究第1 章现场总线概论 总线接口卡；又由于c a n 总线实现可基于单片机技术，使c a n 总线具有接 口简单、编程方便一、开发系统价格便宜等优点，为它赢得了广泛的用户。 2 、特点 c a n 协议参照i s o o s i 模型，采用了其中的物理层、数据链路层和应 用层。采用的通信传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接 传输距离最远可达1 0 k m 5 0 k b p s 。可挂接设备最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数最长为8 个，因而 传输时间短，受干扰的概率低。资料表明，高优先级的数据可在1 3 4 us 内得 到传输。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的 联系，使总线上其它节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 c a n 支持多主站工作方式。网络上任何节点均可在任何时阳j 主动向其 它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接受发送数据。 它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高 的节点可继续发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总 线冲突。 3 、现状 c a n 总线的用户及制造商协会c i a ( c a n i na u t o m a t l 0 n ) 负责制 订、修改c a n 的有关协议，解决c a n 总线应用中的一些问题，提供c a n 总线开发工具及产品，推广c a n 总线的应用，并定期出版有关c a n 总线的 开发应用动态及产品介绍的杂志c a nn e w s l e t t e r 。该协会还建立了特殊行业 组s i g ( s p e c i a li n t e r e s t g r o u p s ) ，分别重点研究c a n 协议在汽车、公共交通、 机器人控制、液压传动装置及传感器技术等领域中的应用。 c a n 的应用已遍及汽车、公共交通( 带轮子) 的车辆、机器人、液压 系统及分散型i o 、纺织、电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等行业， 有些大公司如a b 公司、h o n e y w e l l 等还牵头利用该总线开发了新