（电工理论与新技术专业论文）基于devicenet的可通信电机保护器的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n te x p a n s i o no fi n d u s t r i a lf i e l d ，t h et r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mc a nn o tm e e tt h en e e d so fi n d u s t r i a lc o n t r o lf o rt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n t r e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m st o i n t e l l i g e n t ，n e t w o r k i n g ，r e a l t i m ea n d r e l i a b i l i t y b u tt h ed e v i c e n e tp r o v i d e san e ws o l u t i o nt oi n d u s t r i a lc o n t r o ls v s t e mf o r i t so p e n n e s s ，l o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c ya n d h i g hr e l i a b i l i t y f i r s t l y , a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fo v e r a l lp r o t e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l ， f a u l td i a g n o s i so fc o m m u n i c a t i o nm o t o rp r o t e c t o r t h ed e v i c e n e tu s e s t h e1 6 b i t m l c r o p r o c e s s o rd s p i c 3 0 f 6 0 1 2o ft h em i c r o c h i pc o m p a n ya st h em a i np r o c e s s o rf o r t h ep r o t e c t i o n ，a n du s e st h ed n 10 2 2c h i pf o rt h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n to fs l a v en o d e o ft h em o t o rp r o t e c t o ro nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e v i c e n e t m e s s a g et r a n s m i s s i o n a r b i t r a t i o n m e c h a n i s m ，c o m m u n i c a t i o n s t y l e ，c o n n e c t i v i t y a n dd a t a t r i g g e r t e c h n i q u e s s e c o n d ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ef u n c t i o n so fc o m m u n i c a t i o nm o t o r p r o t e c t o ra n da c c o r d i n gt ot h ed e v i c e n e tp r o t o c o l ，t h eo b j e c tm o d e lw a se s t a b l i s h e d ， a n dt h ef u n c t i o n sw e r es i m u l a t e d b yd i f f e r e n to b j e c t s o nt h i sb a s i s ，t h ea p p l i c a t i o n l a y e rp r o g r a m so fd e v i c e n e tf i e l dw e r ew r i t t e ni n c l u d i n gt h ec a nc o n t r o l l e rc h i p i n i t i a l i z a t i o n ，d u p l i c a t i o nm a ci dd e t e c t i o n ，p 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 n s e n d i n ga n dr e c e i v i n gt h em e s s a g e s f i n a l ly ，t h ed e v i c e d e s c r i p t i o n ，t h ee d sf i l e s p r o g r a m m i n ga n dt h er e g i s t e ro nt h ed n e t s t a r tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew e r e c o m p l e t e d t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no ft h em o t o rp r o t e c t o rn o d ew a sp r o v e db v u s i n gt h ec a n a l y s t - i in e t w o r ka n a l y z e rt oa n a l y z et h ep a c k e td a t a 1h ec o m m u n i c a t i o nm o t o r p r o t e c t o rb a s e do nd e v i c e n e tb u sd e v e l o p e db yt h e s u b j e c tm a k e st h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nh a v et h ew h o l ef u n c t i o n so fp r o t e c t i o n d e v i c e n e t c o m m u n i c a t i o n ，f a u l td i a g n o s i sa n dr e m o t em o n i t o r i n gm a n a g e m e n ta so n e a n dp r o v i d e sa f e a s i b i l i t ye x a m p l ef o rt h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a ld e v i c ec l a s sn e t w o r k k e yw o r d s ：m o t o rp r o t e c t i o n ；d e v i c e n e tf i e l d b u s ；d n l 0 2 2 ；r m s ； l i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 设备层d e v i c e n e t 总线示意图5 图2 2c a n 数据帧格式7 图2 3i s o 模型中的d e v i c e n e t 相关层8 图2 4d e v i c e n e t 对象模型的一般结构1 0 图2 5 源目的模式与生产者消费者模式1 1 图2 6 显示报文的两种格式。1 3 图2 7i o 报文数据区格式1 3 图3 1 可通信电机保护器总体设计框图1 8 图3 2d s p i c 3 0 f 接口电路1 9 图3 3m l x 9 0 2 1 5 工作原理图：2 2 图3 4 电流信号调理电路2 2 图3 5 电源模块硬件电路。2 2 图3 6 开关量输出电路。2 3 图3 7 开关量输入电路2 3 图3 8 主程序流程图j2 4 图3 9 数据处理程序流程图2 5 图3 1 0 故障处理程序流程图2 6 图4 1d e v i c e n e t 接口电路图2 8 图4 2 模块、状态指示灯3 0 图4 3d e v i c e n e t 驱动器8 2 c 2 51 结构图3 1 图4 46 n 1 3 7 引脚图3 2 图5 1 电机保护器对象模型。3 4 图5 2 协议实现的软件主体结构图3 6 图5 3 电机保护器数据i o 轮询收发图3 8 图5 4 电机保护器数据 o 状态改变周期方式收发图3 9 图5 5 电机保护器通讯部分主程序4 0 图5 6d e v i c e n e t 状态流图4 1 图5 7d n l 0 2 2 初始化过程。4 3 图5 8 预定义主从连接分配图4 4 图5 - 9 非分段轮询报文收发4 6 图5 1 0 分段轮询报文收发4 6 i i i 基于d e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 图5 1 1 未分段状态改变周期报文收发4 7 图6 1 可通信电机保护器电路板5 0 图6 2 通信测试平台5 1 图6 3e d s 文件注册图5 4 图6 4 实验测试图5 5 图6 5c a n p r o 协议分析平台采集到的报文类型。5 6 w 硕士学位论文 附表索引 表2 1d e v i c e n e t 现场总线技术特点6 表2 2 波特率、线缆类型、拓扑距离关系表7 表2 3d e v i c e n e t 连接标识符1 2 表2 4 预定义主从连接组的标识符分配1 4 表4 1 用户发送帧格式表2 9 表4 2 串口通信命令表2 9 表4 3 模块状态指示灯3 0 表4 4 网络状态指示灯3 0 表4 58 2 c 2 5 1 引脚说明3 2 表5 1 网络事件状态转换表4 1 表5 2 分段协议信息。j 4 5 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：高嘶伊 日期：纠。年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 导师签名 日期：2 , o v 年 日咖年 日日 o 月月 6、o 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着工业规模的不断扩大以及工业现场对生产效率、可靠性和实时性要求的不断提 高，设备网( d e v i c e n e t ) 得到了越来越广泛的应用，传统的电动机保护器己经不能满足 工业现场的苛刻要求n 3 。能接入现场总线实现网络化的智能电动机保护器以其接线简单、 增强的故障诊断和监控功能以及远程设置和管理功能将成为今后电动机保护器的发展 方向。在众多的现场总线中，d e v i c e n e t 现场总线具有开放、高效和低价等特点，特别适 合于工业现场低压电器设备级的互连嘲j 本文以d e v i c e n e t 现场总线为对象来研究传统电 动机保护器的网络化实现。 1 2 课题的背景 传统电器产品是否具有总线接口将成为其在市场能否生存的一个必要条件。随着现 场总线技术的发展，在国外新型的低压电器已得到了非常广泛的应用，而我国在该技术 领域则只是刚刚开始洲。在我国，随着经济的高速发展，新型低压电器的需求量迅猛上 升，低压电器工业得到了良好发展机遇，但同时也面临着国外高性能进口低压电器产品 的挑战。d e v i c e n e t 现场总线特别适合于制造业、工业现场控制等应用场合帅，能与现 场总线相连接的含有5 c 技术( 计算机技术( c o m p u t e r ) 、自动控制技术( c o n t r 0 1 ) 、通信技 术( c o m m u n i c a t i o n ) 、显示技术( c r t ) 、转换技术( c h a n g e ) ) 的新一代智能化低压电器是 今后智能电器的发展趋势啊。 国外主要低压电器制造商7 0 8 0 # 代开始不断开发以微处理器为核心的智能化电机 保护器。如德国s i e m e n s 公司的3 u b i 系列继电器、日本f u j i 公司的q a 系列继电器、美 国a b b 公司的s p e m 继电器、英国g e c a l s h o m 公司的g e m s t a r t 智能控制继电器。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于通讯和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、 保护功能的智能化保护器。这些产品除具有高性能、小型化、电子化、智能化、模块化、 组合化等嘲特点外，其主要技术特点是能与主站及其他设备进行双向通讯，形成监控、 保护信息网络，并实时监视电动机各种运行参数；不但能测量当前数据，并能对过去的 运行参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策，以减少线路和设备的停机和维 修时间，大大提高了整个系统的可靠性。 国内也有许多单位：如上海电器科学研究所，南京自动化研究所等在做这方面的研 究。其开发的产品除基本的保护功能外，一般还具有自检、自诊断、故障参数( 如故障 值、故障类型等) 的记忆、保护参数的整定等多种功能。 基于b e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 1 3 我国电机保护器研究现状 从2 0 世纪5 0 年代开始至今，我国电动机保护装置的发展经历了全面仿苏、自行设计、 更新换代、引进技术、跟踪国外新产品等几个阶段叭们。从最初的热继电器为主的组合 方式发展到如今的微机式保护： 5 0 年代初，引进前苏联技术开发的双金属片电机过载保护装置，在保护电动机过载 方面具有反时限性能，部分产品采用差动方式，具有断相保护的功能，这种保护装置是 利用热双金属片的热弯曲性能而推动机械传动机构实现热继电器保护的，其主要优点在 于其结构简单、使用方便、且成本低。但同时，热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗 糙、受环境影响大、重复性差、误差大、功能单一等，已无法满足实际应用中越来越高 的要求。1 9 9 6 年国家“八部委 联合发出机械科( 1 9 9 6 ) 2 6 8 号关于公布机械工业第 十六批淘汰落后机电产品项目的通知文件，明确淘汰了“j r - 1 6 系列热继电器，并 且把电子型电机保护控制装备列为热继电器的替代产品。这一举措是我国在电机保护控 制方面的重大改革和进步q 铂。 7 0 - 8 0 年代，随着半导体模拟器件的普及，涌现出了一批性能可靠、功能多样化的 电子式电动机保护器，为电动机的可靠运行提供了较可靠的保障n 习。其中得到认可且具 有自己品牌特色是韩国三和技研株式会社的产品。其产品品种多样，规格齐全，主要功 能包括：过载、缺相、相失衡、欠流、接地、相序、过欠压、短路、电流显示、声光报 警等。但这类产品存在一些无法克服的缺陷，如：整定精度不高，采样精度不高，无法 实现集多种保护功能于一体的全保护。 进入2 1 世纪后，出现了采用微处理器包括单片机、d s p 等组成的电动机综合保护控 制装置，这类保护装置能迅速处理采集的电机各种故障信号，并将结果同各种设定参数 进行比较，当超过设定值时可发出控制动作信号以达到保护的目的，并可随时设定和显 示各种参数。其中部分电机保护装置能实现对电动机断相、过载、短路、欠压、过压、 等故障的实时保护；还能实现电流电压显示、时间控制、软件自诊断、来电自恢复、故 障记忆、远程报表等功能，是一种集保护、遥侧、通讯、遥控为一体的电动机保护装置 n 】。例如，上海万谱最近研制成功的s w j 2 系列电动机保护器就具有远程通讯、声光报 警、过载、堵转、短路、漏电、欠流、故障记忆等多种功能。它采用交流采样技术、多 点线性校正技术、量程自动切换技术，使其在1 i o o a 或i o a - i o o o a 的测量范围内都能保 持很高的采样精度，在国内外同类产品中处于领先地位。随着微电子技术的发展，电动 机保护器正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠方向发展。 另外，还有一些电机保护装置是针对电机绕组温度开发的，主要有两类，其中一类 是对电机绕组温升特性建模仿真其温度；另外一类是绕组中埋入温度传感器。例如：原 南京爱通自动化研究所与宁波振华电器有限公司合作研制成功的m s g d 系列交流电机 数字温度仿真监控装置。该系列产品将定子绕组作为研究对象，通过采样电流信号、电 2 硕+ 学位论文 机外壳温度信号以及在线测量电机热力学参数，然后通过一个数学模型仿真计算出电机 定子绕组的温度，在实际应用中绕组温度仿真精度可达+ 3 ，填补了国内外间接测量电 机绕组温度产品的空白，具有开创性意义。 1 4 课题的意义 电动机保护器是发电、供电、用电系统中量大面广的重要器件，由于工业规模的不 断扩大，现场对电机保护器可靠性、智能化等方面要求的越来越高，传统的电机保护器 已不能满足工业现场控制的需要。工业现场所需要的电机保护器不仅要求能实现对电动 机电流，温度，各种参数以及运行状态、故障状态等信息的读取，同时，要求电机保护 器具有更多故障检测、故障诊断等方面的功能。所以，能接入d e v i c e n e t 现场总线实现网 络化的智能电动机保护器具有接线简单、增强的故障诊断和远程管理功能，是今后电动 机保护器的发展方向。 d e v i c e n e t 现场总线是以c a n 总线为基础建立起来的，具有低价、开放、高效、特 别适用于现场底层设备组网等特点。d e v i c e n e t 总线可把电机保护器等设备与p l c 和p c 机接起来n 司，且不同厂商的设备也可挂在d e v i c e n e t 现场总线上，实现彼此之间的通讯。 当设备在几百米外时，总线产品的安装要比传统i 0 接线有效和节省设备。 本文在分析了d e v i c e n e t 报文传输、仲裁机制、通信方式、连接方式、数据触发方 式等技术的基础上，采用d n l 0 2 2 芯片完成了集d e v i c e n e t 总线通信、故障报警、故障保 护、电流监控、故障诊断为一体的可通信电机保护器从站节点的开发，可为电器生产厂 家以及从事与工业控制网络行业有关的科研、实验技术人员提供范例，对推动国内工业 控制网络的发展，实现d e v i c e n e t 设备国产化具有现实意义。 1 5 本文的课题来源及其主要工作内容 本课题来源于与天水“二一三电器厂”合作的项目“可通信电动机保护器 。 “可通信电动机保护器以美国微芯公司的d i s p i c 3 0 f 6 0 1 2 为主处理器，采用 d n l 0 2 2 芯片，在实现物理层和数据链路层功能的同时，严格遵守d e v i c e n e t 开放式协议 的要求，建立电机保护器节点的对象模型，设计出对应于电机保护器的应用层代码，并 完成了电机保护器设备描述及其e d s 编写，课题研究的主要内容有： 1 采用d i s p i c 3 0 f 6 0 1 2 和d n l 0 2 2 芯片完成基于d e v i c e n e t 的可通信电机保护器节点 的硬件结构设计； 2 通过深入研究d e v i c e n e t 协议，建立可通信电机保护器对象模型，编写应用层协 议。在了解上电状态转换、重复m a ci d 检测、预定义主从连接以及d e v i c e n e t 现场总线 上两种形式报文及其在节点中消费和生产过程，完成节点的软件设计。 3 以d n e t s t a r t 为网络组态软件，建立并注册可通信电机保护器e d s ：并采用 3 基于d e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 c a n a l y s t - i i 网络分析仪进行报文数据分析。 最后，对全文进行了总结，并展望了下一步需要展开的研究工作。 4 硕士学位论文 第2 章d e v i c e n e t 现场总线关键技术 2 1d e v i c e n e t 现场总线概述 d e v i c e n e t 现场总线作为当今主流的底层设备现场总线技术，是9 0 年代中期由 r o c k w e l l 公司开发，后授权给开放式设备网供货商协会o d v a ( o p e nd e v i c e n e t v e n d o ra s s o c i a t i o n ) 组织和管理的。己于2 0 0 0 年6 月1 5 日正式成为i e c 6 2 0 2 6 国际标准 ( 有关低压开关设备与控制设备控制器与电气设备接口) 之一，2 0 0 2 年1 0 月8 日，经国家标 准管理委员会批准，d e v i c e n e t 又成为我国的国家标准n 引。d e v i c e n e t 是一个开放式的协 议，是在控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线基础上增加应用层协议 实现的，d e v i c e n e t 总线可实现现场设备( 如：限位开关、光电传感器、阀组、电 动机启动器、电动机保护器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、物料流 量计、电子秤、显示器和操作员接口等) 的网络化和远程管理n 卜2 们，在提供多供 货商同类部件的可互换性和设备级诊断功能的同时，减少了设备i o 接口、布线数量。 同时，d e v i c e n e t 现场总线中，采用数字信号代替模拟信号，可实现一条总线上多个信 号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) 的传送。其设备层总线示意图如图 2 一】： l 一一一一j 最晨曩埒薯 d 如e m i 图2 - 1 设备层d e v i c e n e t 总线示意图 2 2d e v i c e n e t 现场总线规范及其技术特点 d e v i c e n e t 是建立在c a n2 o a 协议基础上的。c a n 协议中规定了o s i 模型中物理 层和数据链路层的一部分，d e v i c e n e t 在沿用c a n 协议标准中的物理层和数据链路 层的同时，补充并定义了不同的报文格式、总线访问控制规则、故障检测和故障 5 基于d e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 隔离方法。同时，d e v i c e n e t 规范还定义了一个网络通讯系统，方便了工业控制系 统的各个组成组件间传送数据。其规范分为两卷n ，内容如下： 卷1 ( 1 ) d e v i c e n e t 通讯协议和应用( 第7 层一应用层) 。 ( 2 ) c a n 以及它在d e v i c e n e t 中的应用( 第2 层一数据链路层) 。 ( 3 ) d e v i c e n e t 物理层和介质。 卷2 ( 1 ) 为实现同类产品之间的互操作性和可互换性进行设备描述( p r o f il e ) 。 d e v i c e n e t 遵循c a n ( 控制器局部网) 规范的定义。c a n 定义了数据传输的句法 和格式，而d e v ic e n e t 的应用层则定义了传输数据的语法和语义。 ( 2 ) 通讯协议特点 1 点对点数据交换，任何d e v i c e n e t 产品都可以产生和消费信息； 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 个介质访问控制标识符或m a ci d ( 节点地 址) 。每个节点可以支持无限多的i o 。 对象模型是指将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。属 性( 1 - 2 2 5 ) ，实例( 0 - 6 5 5 3 5 ) ，类( 1 - 6 5 5 3 5 ) 和节点地址( 0 - 6 3 ) ，都是数字 编址的。其主要技术特点如表2 一l ： 表2 - 1 d e v i c e n e t 现场总线技术特点 网路大小容纳多达6 4 个节点地址 可选的端对端网络距离随网络传输速度而变化 波特率 距离 网络长度 1 2 5 k b s 5 0 0 m ( 1 6 4 0 f t ) 2 5 0 k b s2 5 0 m ( 8 2 0 f t ) 5 0 0 k b s 1 0 0 m ( 3 2 8 f t ) 网络模型生产者消费者模型 数据包 o 一8 字节 总线拓扑结构线性( 干线支线) ，电源和信号在同一网络电缆中 总线寻址带多点传送( 一对多) 的点对点；多主站和主从；轮询或 状态改变( 基于事件) 支持设备的热插拔，无需网络断电；高电流能力( 可高达 6 硕士学位论文 系统特性1 6 a ) ；具有误接线保护功能：具有通信错误分级检测机制、 通信故障的自动差别和恢复功能； 2 3d e v i c e n e t 的物理层和数据链路层 c a n ( c o n t r o l1 e r a r e an e t w o r k ) 控制器区域网，最早是由德国的b o s c h 公司为 解决现代汽车中各种监测仪器、传感器、执行机构、过程控制器之间的数据传送 而提出的总线式串行通信网络。 d e v i c e n e t 的数据链路层和物理层完全遵守c a n 协议乜2 吨4 1 。其中，d e v i c e n e t 物理层协议定义了d e v i c e n e t 的总线拓扑结构以及网络元件，具体包括系统接地、 粗细缆混合结构、电缆分配和网络端接。d e v i c e n e t 所采用的典型的拓扑结构是干 线一分支结构。其中线缆包括粗缆( 直径为o 4 8 英寸，多用作干线) 和细缆( 直径为 0 2 7 英寸，多用于分支线) ，总线线缆中包括2 4 v 直流电源和信号线两组双绞线以 及信号屏蔽心引。在设备连接方式上，可以灵活选用开放式和密闭式的连接器。网 络供电采取分布式方式，支持冗余结构。总线支持有源、无源设备。对于有源设 备，提供专门设计的带有光隔离的收发器。d e v i c e n e t 提供1 2 5 2 5 0 5 0 0 k b p s 三种 可选的通信波特率，最大拓扑距离为5 0 0 米，每个网络段最多可达6 4 个节点。波特 率线缆类型拓扑距离之间的对应关系如表2 - 2 所示。 表2 - 2 波特率、线缆类型、拓扑距离关系表 数据传输于线长度支持支线 最大支 速率粗缆细缆扁平缆总长线长度 1 2 5 k b p s 5 0 0 m1 0 0 m4 2 0 m1 5 6 m6 m 2 5 0 k b p s 2 5 0 m1 0 0 m2 0 0 m 7 8 m6 m 5 0 0 k b p s 1 2 5 ml o o m1 0 0 m3 9 m6 m 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 规范定义总线数值为两个互补逻辑数值之一：“显性”( 逻辑0 ) 和“隐性 ( 逻辑1 ) 。任何发送设备都可以驱动总线为“显性 ；当“显性”和“隐性 位同 时发送时，最后总线数值将为“显性 ；仅当总线空闲或“隐性 位期间，发送 “隐性 状态旧。 c a n 定义了四种帧格式，分别为数据帧、远程帧、超载帧和出错帧，在d e v i c e n e t 上传输数据采用的是数据帧格式，远程帧格式在d e v i c e n e t 中没有被使用，超载帧 和出错帧则被用于意外情况的处理。其帧结构如图2 - 2 ： 帧起始i1 1 位仲裁l 控制l 帧长10 - 8 字节ic r c 循环l 确认l 帧结束 标志i 标识符l 字段il 数据i 冗余校验l 应答l 标志 图2 - 2c a n 数据帧格式 7 基- pd e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 2 4d e v i c e n e t 的应用层 d e v i c e n e t 现场总线应用层，是在c a n 总线基础上增加面向对象、基于连接的 理念上开发的。应用层协议规定了c a n 数据帧的使用方法、节点地址m a ci d 重复检 测机制、对象模型及设备的标准化旺6 1 。同时，d e v ic e n e t 对连接到总线上的每一 类设备都定义了其设备描述，它使用对象模型的方法说明设备内部存在哪些对象 类、各对象类中的对象实例数、各个对象如何影响行为，以及每个对象的公共接 口。d e v i c e n e t 在i s 0 模型中的相关层凹7 。2 引，如图2 3 所示。 i s 0 应用层( 第7 层) i s 0 数据链路层( 第2 层) i s 0 应用层( 第1 层) i s 0 介质层( 第0 层) 应用层 逻辑链路控制( l l c ) 媒体访问控制( m a c ) 物理层信号( p l s ) 媒体访问单元( m a u ) 传输介质 图2 - 3i s 0 模型中的d e v i e e n o t 相关层 2 5d e v i c e n e t 对象模型 层 d e v i c e n e t 使用抽象的对象模型来描绘网络设备所有可见的数据和功能。一 个d e v i c e n e t 设备可以定义成为一个对象的集合，这种基于对象的描述提供了一 个清晰的设备模型心9 。3 引。d e v i c e n e t 对象模型一般结构如图2 - 4 所示： 对象模型的建立主要包括定义影响设备行为的对象及对象的接口的实现。主 要对象包括标识对象、路由器对象、d e v i c e n e t 对象、连接对象四种必选对象和应 用对象。每个对象的基本属性可以通过显式信息读取，在d e v i c e n e t 规范允许的一 定条件下也可以通过显式信息进行设置。每个对象最基本的功能是能对该对象进 行相应的初始化，设置其显式信息处理的接口，对该对象实例的属性的读取和设 置进行相应的处理卜3 副。 1 i d e n t i t y ( 标识对象v o li i ，r e l2 0 ，p a g e6 3 ) d e v i c e n e t 设备有且只有一个标识对象类实例( 实例号为1 ) 。该实例具有以下 属性：供应商l d 、设备类型、产品代码、版本和序列号等设备固有的信息等。实 例必须支持服务g e t a t t r i b u t e s i n g l e ( 服务代码：0 x o e ) 。 2 m e s s a g er o u t e r ( 信息路由对象v o li i ，r e l2 0 ，p a g e6 - 1 7 ) 8 硕士学位论文 d e v i c e n e t 设备有且只有一个信息路由对象类实例( 实例号为2 ) 。信息路由对 象将显式信息转发到相应的对象，对外部并不可见；信息路由对象的属性( 支持 最多连接数、活动连接i d 、系统组件使用的连接数) 。 3 d e v i c e n e t ( d e v i c e n e t 类对象v o li ，r e l2 0 ，p a g e5 5 0 ) d e v i c e n e t 设备有且只有一个d e v i c e n e t 对象类实例( 实例号为3 ) ，提供网络 的组态及节点的状态，包括d e v i c e n e t 端口的物理连接的配置；d e v i c e n e t 对象具 有以下属性：节点m a ci d 、通讯波特率、b o i ( 离线中断) 、分配信息。 4 a s s e m b l y ( 组合对象v o li i ，r e l2 0 ，p a g e6 2 3 ) d e v i c e n e t 设备可能具有一个或者多个组合对象类实例( 实例号为4 ) 。组合对 象类实例的主要作用是将不同应用对象的属性( 数据) 组合成为一个单一的属性， 从而可以通过一个报文发送。 5 c o n n e c t i o n ( 连接对象v o li ，r e l2 0 ，p a g e5 - 5 ) d e v i c e n e t 设备至少具有两个连接类实例( 实例号为5 ) 。每个连接对象表示网 络上两个节点之间虚拟连接的一个端点。连接对象分为显式信息连接、i 0 信息连 接。显式报文用于属性寻址、属性值以及特定服务；i o 报文中数据的处理由连接 对象i 0 连接实例决定。 6 p a r a m e t e r ( 参数对象v o li i ，r e l2 0 ，p a g e6 - 8 6 ) 参数对象( 实例号为6 ) 是可选的，用于具有可配置参数的设备中。每个实例 分别代表不同的配置参数。参数对象为配置工具提供了一个标准的途径，用于访 问所有的参数。 7 a p p l i c a t i o n ( 应用对象) 通常除了组合对象和参数对象外，设备中至少有一个应用对象。在卷i i 第6 章 描述了许多已标准化的应用对象，它是针对设备完成具体功能的对象，提供应用 特定的行为和数据，定义设备的操作。 对象之间通过数据交换相联系。其中，连接对象代表d e v i c e n e t 总线上的虚 拟连接端点，通过显性报文实现外部可视接口；路由对象根据所收到的显式报文 数据包所指的目的对象地址或数据包所完成的功能，把收到的数据分发到相应的 对象；d e v i c e n e t 对象提供设备的配置和状态信息，如节点地址或其m a ci d 、波 特率、总线离线动作、总线离线计数器、预定义连接组的分配等服务；标识对象 提供设备的属性信息，包括供应商i d 、设备类型、产品代码、版本、状态和序列 号等信息；组合对象即实例组合，通过组合数字量、模拟量，并进行i o 数据编 组，通过一个连接实现多个数据的交换；应用对象模拟应用设备的属性。 9 基于d e v i c e n e t 的可通信电机保护器的研究 图24d o v i e o n o t 对象模型的一般结构 图例 编 、一一7 f 任意类对象) 在d e v i c e n e t 中通常使用标识符( i d ) 来定义分类、实例、属性和服务。每 个i d 通常用8 位整数来表示分类、实例和属性，7 位整数表示服务。这样分类、 实例和属性就有多达2 5 6 个可用的i d ，而服务则有1 2 8 个可用i d 。分类和实例 也可以使用1 6 位整数，这样它们的地址空间就扩展为6 5 5 3 6 个不同的i d 。但1 6 位模式只被少数设备所支持。 1 分类( c l a s s ) ：是具有相同属性的对象的类，所以也称为对象类，它是构 成一个设各需要的功能子集。每个类有一个唯一的类标识，范围为1 - 6 5 5 3 5 ， d e v i c e n e t 技术规范中定义了标准对象类库。 2 实例f i n s t a n c e ) ：是设备中某类对象的具体对象，对象中可以包括多个这 样的对象。每个实例有相同的属性集，但其属性值是不同的。设备中每个类豹实 例有一个唯一的标识，范围为o 一6 5 5 3 5 。 3 属性( a t t r i b u t e ) 属性反映对象的状态信息或控制对象的操作行为。对象的 属性标识范围为0 2 5 5 。 4 服务( s e r v i c e ) 是对象能够提供的功能，它是对该对象允许请求执行的任 务。服务代码允许的范围为0 - 2 5 5 ，其它服务代码为非法。 d e v i c e n e t 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 m a c i d 、对象类标识符、实例编号和属性编号。这4 级地址与显性报文连接相结 合，将数据从d e v i c e n e t 网络上的一点传送到另一点。 2 6d e v i e e n e t 网络通讯模式 d e v i c e n e t 采用开放网络技术的一种新方案：生产者消费者通信模式”。其 1 0 面迅| 篓 一 ，【、 情劳 崩象 通对 应对 硕士学位论文 中生产者是指发送数据的节点设备，消费者是指接受数据的节点设备。每个节点 设备均可配置为生产者、消费者或两者皆是。 生产者消费者模式与传统的源目的模式( s o u r c e d e s t i n a t i o n ) 有很大不 同。源目的模式是以节点地址为中心的编码方式，数据在传输过程中将发送多次， 消耗了过多带宽：另外由于数据将在不同的时间到达每个节点，所以节点间的同 步动作是相当困难的。生产者消费者模式是以数据为中心的编码方式，生产者在 网络上发出一个数据帧后，消费者便可根据其中的标识符( 即i1 位标识符连接i d ) 来判断是否消费该数据。因此，生产者消费者模式允许网络上的所有节点设备同 时从单个的数据源获取相同的数据，可实现点对点、多点或广播通信。它的格式 与传统的源一目的格式的比较如图2 5 所示： 在生产者消费者模式下，当一个设备和其它多个设备进行同一种通信时，这 个设备只需发送一次数据，其它设备便都能接收到该数据，且不需要重复发送。 另外，在这种模式下，节点设备实现了精确的同步化，系统的组织方式也变得很 灵活，可组成主从、多主或对等的网络结构。 ( a ) 源目的模式 ( b ) 生产者消费者模式 图2 - 5 源目的模式与生产者消费者模式 2 7d e v i c e n e t 的连接建立 d e v i c e n e t 是一个基于连接的网络系统。只有当对象之间已建立一个连接时， 才能通过网络进行报文传送。因此，在进行通讯之前，首先必须建立连接对象。 d e v i c e n e t 节点在开机后能够立即寻址的唯一端口是“非连接信息管理器端口” ( u c m m 端口) 和预定义主从连接组的“g r o u p 2 非连接显式请求端口”。当通过 u c m m 端口或者g r o u p 2 非连接显式请求端口建立一个显式报文连接后，这个连 接可用于从一个节点向其它节点传送信息，或建立i o 信息连接。一旦建立了i 0 信息连接，就可以在网络设备之间传送i o 数据，且通过u c m m 端口可以动态的 建立显式信息连接。 在d e v i c e n e t 网络中，每个连接用连接标识符来标识，它使用c a n 规范中的 1 1 位仲裁区来定义。连接标识符包括设备媒体访问控制标识符( m a ci d ) 和信息标 识符( m e s s a g e l d ) 。其中m a ci d 可通过硬件设定，也可通过软件来配置。当用非 1 1 基