【学士】现场总线控制系统毕业设计_secret

1、毕业设计（论文） PAGE 36摘 要 基于现场总线的控制系统是热工控制系统的发展方向，目前基于现场总线的控制系统在电厂中还没有应用. 本文介绍了现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）的发展，以及FCS的结构及主要技术特点。全面分析了CAN底层协议和应用层协议DeviceNet的技术特点、协议规范，根据现场对系统的要求，设计出一个基于CAN总线的控制系统，系统充分利用CAN总线的优点，具有较高的可靠性、良好的开放性和互换性。并且针对这种系统存在的问题进行了分析并提出措施. ABSTRACTField bus control system is the dev

2、elopment direction of the thermal control system, field bus control system in the power plant has not been applied. This paper introduces a fieldbus control system (FCS Field-bus Control System), as well as the structure and main technical features of FCS. CAN bottom of a comprehensive analysis of t

3、he application layer protocol agreement and the technical features DeviceNet, norm, the scene of the system requirements, design of a control system based on CAN bus, CAN bus system to take full advantage of the merits of improving the system reliability and openness. This system also analyzes the p

4、roblems and proposed measures.前 言一般把现场总线系统Fieldbus Control System，FCS）称为第五代控制系统。把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统（FCS） 是融合现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；形成的一种全新的分布式控制系统。FCS是网络

5、技术、计算机软硬件技术、控制技术发展的产物。目前应用不多，仍然在不断完善中。一 现场总线控制系统概述（一）现场总线（Field bus）根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)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、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键标志是能支持双向多节点、总线式、全数字通讯。是80年代末、90年代初国际上发展形成的，主要用于过程自动化、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。作为工厂设备级基础通讯网络，具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、

6、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。具有以下特点：开放性，指通信协议公开，相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。对一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 现场设备的智能化与功能自治性。它将

7、传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 （二）现场总线控制系

8、统现场总线控制系统（FCS） 是融合现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。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。 根据2000年国际电工委员会宣布的IEC61158现场总线标准，几种典型现场总线有：基金会现场总线FF (foundation fieldbus)、Siemens公司Profibus现场总线、德国Bo

9、sch公司CAN总线等。各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lon works 和CAN具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有CAN、基金会现场总线FF以及PROFIBUS协议。CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司从80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。目前CAN在现场总线中是唯一获得ISO TC22技术委员会批准的国际标准。由Bosch公司负责编写的CAN总线网络技术规范已通过ISO和SAE标准化认证（完整的CAN规范标准参见ISO 11898-1，ISO 11898-2包含了

10、CAN物理层规范）。CAN总线以其卓越的特性，低廉的价格，极高的可靠性和灵活的结构，特别适合工业过程监控设备的互联，并已公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。 本篇论文是通过设计一套基于can总线技术的现场总线控制系统，来讨论系统的组成和特点，并分析系统存在的问题。二 系统方案规划（一）现场应用需求设计一个电厂的分布式控制系统项目，需要考虑连接大约1000个测点和140个控制对象。1000个测点中包括大量

11、的温度、电流、电压这些来自于非智能装置的信号，总数约600个；也包括压力、流量、氧量、水位这些来自于智能转换装置的测点，这些装置带有can接口，总数约400个。140个控制对象中包括40台电动机控制装置，60台智能电动装置，60台智能电动执行器，这些对象均内置有can接口。从地理位置来讲，这些对象分布在锅炉、汽机的从零米到40米高度不同的区域，每个区域都有高温、振动、电磁干扰、灰尘等不利的环境。每个区域(直径在500米范围内)最多有近百个节点。从被控制设备特点讲，有些智能控制设备带有can 接口，也有一些带有其它类型的总线接口；还有大量的温度测量元件等非智能设备。从系统功能上讲，有以下要求：对

12、每个对象实时地采样数据，控制和保护回路的模拟量输入信号每秒至少扫描和更新4次，所有控制和保护回路的数字量输入信号每秒至少扫描和更新 10次，事故顺序(SOE)输入信号的分辨率应小于1毫秒。为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每秒扫描6次，数字量输入信号应达到每秒扫描20次。对热工参数进行状态监视、报警和故障判断和实时控制。包括电动机的启动和停止以及状态显示；电动阀门的开关和状态显示；热工过程参数的显示和状态判断；重要热工参数的实时调节。在工程师站上能对系统控制逻辑组态进行修改。在组态编辑或修改完成后，能通过通讯总线将系统组态程序装入各有关的处理器模件，而不影响系统的正常

13、运行。 能通过通讯总线，调出系统内任一分散处理单元(DPU)的系统组态信息和有关数据，还可使买方人员将组态数据从工程师站上下载到各分散处理单元和操作员站。此外，当重新组态的数据被确认后，系统应能自动地刷新其内存。 系统自诊断功能能诊断至模件级故障。连接到数据通讯系统上的任一系统或设备发生故障，不应导致通讯系统瘫痪或影响其他联网系统和设备的工作。通讯总线的故障不应引起机组跳闸或使DPU不能工作。数据通讯系统的负载容量，不应超过30 40，以便于系统的扩展。数据通讯协议应包括CRC(循环冗余校验)、奇偶校验码等，以检测通讯误差并采取相应的保护措施。应连续诊断并及时报警。 当数据通讯系统中出现某个差

14、错时，系统应能自动要求重发该数据，或由硬件告知软件，再由软件判别并采取相应的措施，如经过多次补救无效，系统应自动采取安全措施，如切除故障设备，或切换至冗余的装置等。 数据通讯总线应能防止外界损伤。 系统应有高的可靠性。系统应有良好的开放性和互操作性。（二）系统方案按项目的以上要求，考虑：系统整体结构采用两层：“现场设备层监控层”的方式构建；现场设备层用于现场设备的数据采集和实时控制；上层进行系统的显示、监控和组态。监控层需要传输大量数据和图形，采用以太网，传输介质使用非屏蔽双绞线（UTP）。现场设备层在单个区域内，由CAN总线网络构建控制网，应用层采用DeviceNET标准，使系统具有好的开放

15、性和互换性。总体成本较低，满足实时性的要求，且应用可靠，维护方便。智能型设备作为CAN节点接入网络。非智能设备根据测点所处位置相对集中的特点，使用I/O站转换，I/O站要放置在安全、洁净、振动较小的环境中。按照位置布置5个：锅炉40米层一个，9米层一个，0米层一个，汽机侧9米层一个，电气6KV放置一个。控制功能分散化，由若干过程控制站实现控制功能，每一台过程控制单元完成一部分的控制任务。以使危险分散。考虑设置12个站，每个站接入62个网络节点，其中保证有15%的备用。为增强可靠性，每个过程控制站配置两台过程处理单元（PU），一台作为主控，一台作为辅控，相互热备用，实现冗余。Can网络和以太网都

16、采用双网配置，相互监视和备用。过程处理单元（PU）同时作为网关，将DeviceNET网络连接至以太网。三 CAN总线技术CAN总线，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网。由德国BOSCH公司设计，1993年，国际标准ISO11898正式出版；1995年，ISO11898进行了扩展，能够支持29位CAN标识符。目前CAN 2.0 规范分为CAN 2.0A与CAN 2.0B。CAN 2.0A支持标准的11位标识符；CAN 2.0B同时支持标准的11位标识符和扩展的29位标识符。 CAN 是一种多主站方式的串行通讯总线，广播式通讯方式。基本设计规范有高的位速率，高

17、抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的错误。由于CAN 总线具有很高的实时性能，因此，CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业控制等领域中得到了广泛应用。（一）基本CAN总线技术规范1.CAN总线的通信模型：CAN遵从OSI模型，但做了简化。CAN 协议定义了OSI模型的最下面两层：数据链路层和物理层。应用层协议由CAN 用户定义或者使用已有的高层标准。2.CAN总线采用了多主站竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，每个节点均可滤除不需要的报文。因此可在各节点之间实现自由通信。3. CAN协议不

18、使用传统的站地址编码，代之以对数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义大量的数据块，这种按数据块编码的方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。4. CAN的报文格式：CAN总线以报文为单位进行数据传送. CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。 CAN2.0标准帧 CAN标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分。 76543210字节1 FFRTRXXDLC（数据长度） 字节2

19、 （报文识别码） ID.10-ID.3 字节3 ID.2-ID.0 X X X X X 字节4 数据1 字节5 数据2 字节6 数据3 字节7 数据4 字节8 数据5 字节9 数据6 字节10 数据7 字节11 数据8 字节1为帧信息。第7位（FF），在标准帧中，FF0, 扩展帧中FF1；第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际的数据长度。 字节2、3为报文识别码，高11位有效。 字节411为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 CAN2.0扩展帧与标准帧的不同在于 CAN扩展帧信息为13个字节，字节1的第7位（FF）在扩展帧中，FF

20、1；字节25为报文识别码，其高29位有效。 字节613为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 5.帧结构CAN系统中，节点间以四种不同类型的帧传输数据和控制信息：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。数据帧用来传输数据；远程帧由用来请求数据；数据帧和远程帧由每个帧开头和结束的开始位和停止位控制，包括下述字段：仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC 字段和ACK 字段，如图： CAN数据帧 SOF - 帧以帧头 (SOF) 位开始仲裁区 - 仲裁字段包括标识符(地址)和远程传输请求(RTR) 位，用来区分数据帧和数据请求帧（远程帧）。标识符可以采取11 位标准格式或29 位扩展格式。控制区- 控制字段由6个

21、位组成，包括2位标识符扩展 (IDE)位，它区分标准帧和扩展帧。还包括4 位数据长度代码 (DLC)，表明数据帧中数据字段的字节数或远程帧请求的数据帧的字节数。数据区 - 数据字段由0-8 个数据字节组成。 CRC区 - 15 位循环冗余校验代码和隐性分隔符位。 ACK区 - 确认字段,长两位。发送站发送的这两位均为隐性电平,正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。 EOF - 七个隐性位，表明帧尾 (EOF)。三个隐性位的间断 (INT) 字段表明总线空闲。总线空闲时间可以是任意长度。出错帧：检测到错误的任何节点都可向总

22、线发送一个出错帧，提醒传输节点重新发送数据；出错帧由两个位场构成，第一个位场由来自不同节点的错误标志的叠加，第二个位场为错误界定符，由8个“隐性位“构成。超载帧：接收设备发出过载帧，表明还没有准备好接收数据；节点在相临数据帧或远程帧之间发送一个到两个超载帧，用于在相临数据帧或远程帧之间附加延时。帧间空间： 数据帧或远程帧以帧间空间的位场与先前发送的上述四种类型的帧隔开。而超载帧和出错帧前面不存在帧间空间。帧间空间有间歇场、暂停发送场和总线空闲场三种形式。间歇场由三个隐性位构成。间歇期间不允许节点发送数据帧或远程帧。总线空闲场表明总线空闲，任何节点均可访问总线。如果在总线空闲期间检测到总线上“显

23、性位“将被认为是帧起始。暂停发送场，“错误-认可“节点完成发送后，在发送间歇场后，将发送8位“隐性”位的暂停发送场，期间若有其它节点引起的发送启动，则该节点变为该发送帧的接收器。6.报文的优先级 报文的优先级由标识符和其后的RTR位决定,较低值的标识符具有较高的优先权，数据帧较之相同标识符的远程帧具有较高的优先权。这种优先级在系统设计时被确立后，就不能再被更改。总线占用的冲突通过仲裁解决。7.总线仲裁：非破坏性逐位仲裁：每一个节点都可以监控自己发送。当节点开始传送报文时，标识符的每一个位逐次被写到总线里，被节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位，它会知道另一个较低标识符号码的高优先权节

24、点正在访问总线，会停止传送报文转而接收，这样高优先级的报文不会被破坏。这种技术叫做非破坏性逐位仲裁。仲裁期间，每个发送节点将发送位电平同总线上的电平进行比较。若相等，则节点可以继续发送。若送出一个隐性电平，而检测到的为显性电平，表明节点丢失仲裁，当送出一个显性电平，而检测到的为隐性电平，表明节点检测出位错误。非破坏性位仲裁方法的优点在于,在报文被传送以后,开始仲裁。未获得总线发送权的站都成为最高优先权报文的接收站,并且在总线再次空闲前不会发送报文。总线请求是根据报文的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点,可以保证在实时系统中较低的等待时间。 逐位仲裁规则保证了发送的确定性。即

25、发送一个高优先权报文，它将会赢得仲裁并能够在一个确定的时间限度里到达目的节点。8.错误检测和错误处理CAN协议使用五种检测错误的方式,其中前三种为基于报文内容检查。位错误：向总线送出一位的某个节点同时也在监视总线。当监视到的总线位数值与送出的为数值不同时，则在该位时刻检出一个位错误。循环冗余检查(CRC)： 在一帧报文中加入冗余检查位，接收站通过CRC可判断报文是否有错。 帧检查： 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文格式的正确性。 应答错误 ：被接收到的帧由接收站通过应答来确认。如果发送站未收到应答,那么表明接收站发现帧中有错误,。总线检测： CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。

26、因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位是否相同。 错误标志有两种形式：活动错误标志和认可错误标志。认可错误标志的这些位可由来自其它节点的”显性“位改写。如果数据帧和远程帧传送期间检出错误（活动错误），则当前报文被放弃，并且为报文的重新传送进行初始化，并发送一个出错帧，。9.错误界定规则：故障界定的目的是判别暂时错误和永久故障以及定位并关闭故障节点。节点通过发送错误计数器和接收错误计数器确定错误类型。故障状态有三种：“错误激活”节点：当发送错误计数器和接收错误计数器数值均小于或等于127时。 “错误激活”节点可以正常参与总线通信，并在检测到错误时，发出一个“活动错误”标志。“错误

27、认可“节点：当发送错误计数器或接收错误计数器数值大于127时。 “错误认可”节点可以正常参与总线通信，并在检测到错误时，发出一个“认可错误”标志。发送后，“错误认可”节点暂停发送。“总线关闭”：当节点的发送错误计数器数值大于255时，监控器要求物理层置节点为“脱离总线”状态，此时不对总线有任何影响。此时不再发送和应答。10.物理特性： CAN使用多种物理介质，例如双绞线、同轴电缆、光纤等。常用的是双绞线，在屏蔽双绞线 (STP)、非屏蔽双绞线 (UTP)电缆上运行。CAN 中的总线信号使用差分电压传送。两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”。静态时输出的差分电压Vdiff 近似为0 V

28、，Vcanh 、Vcanl固定于平均电压电2.5V 左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”；用CAN_H 比CAN_L 高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时电压值为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L= 1.5V 。显性位与隐性位同时发送时，最后总线数值为显性。在总线空闲期间，发送“隐性”位。差分的电压令CAN 网络即使在噪声极大的环境中也能够工作，只需要一对双绞线差分的CAN 输入就能够很有效地抵偿噪音。平均电压U Vcan-l Vdiff Vdiff Vcanh CAN 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，在一个给定系统中，位速率是唯一的，并且是固定的。两节

29、点间的最大距离见下表。位速率（kbps）1000500250125100505最大总线长度（m）4013027053062013k10k11. CAN的硬件实现CAN总线整个协议包括错误检测传送和接收技术都是由CAN 控制器芯片的硬件透明地完成，增强了CAN-bus 网络的抗电磁干扰能力，提高了CAN-bus 网络运行的可靠性。典型的CAN 节点包括一个微控制器、CAN控制器、can收发器以及光电耦合器件组成。（二）DeviceNet协议应用层协议是建立在基本CAN协议之上的协议，定义了如何分配标识符（控制优先权），如何用CAN报文指定服务、传送数据以及判断它的含义。DeviceNet规范由R

30、ockwell自动化公司开发的一种建立在标准CAN2.0A协议之上的开放式现场总线标准。由于DeviceNet 协议的非常好的开放性和互换性，本论文采用了DeviceNet 协议作为can总线系统的高层协议。 1. DeviceNet的基本特性DeviceNet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（限位开关、光电传感器、阀组、电机启动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口等）连接到网络；同时提供了相当重要的设备级诊断功能。DeviceNet的特点和功能如下表：网络大小 最多64个节点 波特率 距离 125kbp 干线长度500m ，单根支线最大长度6m250kbp 干线长度250m

31、,单根支线最大长度6m 500kbp 干线长度100m,单根支线最大长度6m数据包 08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 系统特性 支持设备的热插拔，无需网络断电 2. DeviceNet的总线拓扑结构、线缆和电源分配DeviceNet所采用的典型拓扑结构是干线分支方式，如图1所示。线缆包括:粗缆和细缆。总线的线缆包括24V直流电源线和信号线两组双绞线以及信号屏蔽线。网络采取分布式供电方式，支持冗余结构。总线支持有源和无源设备，对于有源设备提供专门设计的带有光隔离的收发器。 网络上的设备可

32、以直接由总线供电。电源分接头可加在网络的任何一点，可以实现多电源的冗余供电。干线的额定电流为8安培。光隔离设计允许外部供电的设备（如：交流电动机起动器和阀门线圈）分享同一总线电缆。而其它基于CAN的网络只允许整个网络由一个电源供电。并通过同一根电缆进行相互通信。可以在不切断网络供电的情况下，将节点接入网络，或从网络中移走。 DeviceNet设备的物理接口可在系统运行时连接到网络或从网络断开，并具有极性反接保护功能。 3.DeviceNet的“生产者-消费者”通讯模型DeviceNet发送节点生产网络上的数据，而接收节点则消费网络上的数据；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。采

33、用生产者 消费者模式，报文将不再专属于特定的源或目的，标识符还提供解决多级优先权（仲裁中使用）的手段，以便更高效传送I/O 数据，并供多个消费者使用。 4.DeviceNet的两种不同类型的报文DeviceNet中定义了两类不同的报文:显式报文和I/O报文。显式报文(ExplicitMessage) 显式报文用于两个设备之间的信息交换，是典型的请求-响应通信方式，用于节点的配置、故障情况报告和故障诊断。DeviceNet中定义了一组公共服务显式报文，如读取属性、设置属性、打开连接、关闭连接、出错响应、起动、停止、复位等。不同类型的报文格式也不同。它是根据报文和预先规定的格式说明其含义的。显式报

34、文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息直接包含在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。I/O报文(I/OMessage) I/O报文是定时周期传送的，传送的内容和数据格式是预先定义的，适用于实时性要求较高和面向控制的数据，I/O报文对传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过点或多点连接进行信息交换。I/O报文数据帧中的数据场不包含任何与协议相关的位。5.DeviceNet对象和对象类DeviceNet使用“对象”和“对象类”描述网络中的节点和设备。“对象”表示的是网络中一个节点或设备；“对象类”是同

35、一类对象的描述，一个类的所有实例都具有相同的服务、相同的行为并具有相同的属性。 “对象”由属性、服务以及它所定义的行为组成。 属性包括：对象的状态、定时器值、设备序列号或者温度、压力或位置等过程数据。服务是指可以对对象进行的操作。包括对独立属性（如Get_Attribute_Single/Set_Attribute_Single）进行读、写操作，创建新的对象实例，或删除现有对象。 对象的行为定义了对象怎样对外部或内部事件进行响应。内部事件可以是定时器的运行事件，外部事件可以是设备要响应的新的过程数据。 一个对象，可以看作是一个类实例或者对象实例。对于每个独立的属性来说，每个实例都有自身的状态和

36、值。 对象的属性和服务通过一个分层的标识符（ID）进行寻址，它包括以下部分： 设备地址（MAC ID）- 分类ID -实例ID-属性ID -服务ID 分类、实例和属性ID用8位整数来表示，服务用7位整数表示。分类、实例和属性有256个可用的ID，而服务有128个可用ID。 6连接的建立DeviceNet网络中的任何一个节点设备要和其它设备通信时，必须先建立连接。当设备不想和已建立连接的某个设备通信时，它可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接。如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信，这个通信将自动断开以释放资源。在DeviceNet网络中，每个连接用连接标识符来标识，它使用CAN规范中的1

37、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(MACID)和信息标识符(MessageID)。其中，MACID可通过硬件设定，也可通过软件来配置。DeviceNet规定了两种类型连接： I/O 连接在节点之间提供了专用的通讯路径。特定的应用和过程数据通过这些路径传输； 显式信息连接在两个设备之间提供了一个通用的通讯路径。显式信息连接提供典型的面向请求/响应的网络通讯方式。 7DeviceNet关于标识符的定义DeviceNett协议并没有对报文组1的任何报文识别符作出规定，完全可以由设备在建立连接时分配。DeviceNet使用预定义的标识符。在DeviceNet中，CAN标识符被称作

38、连接ID。连接ID包含着报文组ID（高位）、该组中的报文ID、设备MAC ID三项内容。源和目标地址都可作为MAC ID。 连接ID分成4个单独的报文组，见下表所示。 连接ID = CAN标识符（bits 10:0） 标识用途 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00 报文ID 源MAC ID 报文组1 1 0 MAC ID 报文ID 报文组2 1 1 报文ID 源MAC ID 报文组3 1 1 1 1 1 报文ID 报文组4 1 1 1 1 1 1 1 x x x x 无效CAN标识符 4个报文组分别有不同的用途： 报文组1、2、3分配给节点使用，报文组4用于网络管理。报文组1：该组有

39、1024个CAN标识符（000H3FFH），占所有可用标识符的一半。DeviceNet协议并没有对报文组1的任何报文识别符作出规定，完全可以由设备在建立连接时分配。设计DeviceNet总线产品时，组I的报文通常都配置成传送实时性强的报文，如报警、实时v0报文数据等。该组报文的优先级先由报文ID，再由源MAC ID决定。报文组2：该组有 512个标识符（400H5FFH）。其中1个报文ID作为网络管理。优先级先由设备地址（MAC ID）决定，其次由报文ID决定。该组的大多数报文ID可定义为“预定义主/从连接集”。报文组3：该组有448个标识符（600H7BFH）。主要交换低优先级的过程数据。此

40、外，该组的主要用途是建立动态的显式连接。组3报文被规定作为设备传送未建立连接的显示报文的请求和应答的报文格式，通常可以用来建立和释放显示连接和v0连接。报文组4：该组有48个CAN标识符（7C0H7EFH），不包含任何设备地址，只有报文ID。该组的报文只用于网络管理。通常分配4个报文ID用于“离线连接集”。 其它16个CAN标识符（7F0H7FFH）在DeviceNet中被禁止。组4报文专用于出现通信错误节点的通信，如设备离线(Off-Line)状态等，不需要填写MAC ID.配置DeviceNet设备时，灵活运用这4个报文组格式将会有效改变通信数据的实时性，节约网络带宽。8DeviceNet

41、数据通信方式DeviceNet支持的数据通信方式有位选通(Bit-Strobe)、轮询(Poll)、状态改变COS(ChangeofState)和循环(Cyclic)。位选通方式下，利用8字节的广播报文，64个二进制位的值对应着网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备。轮询方式下，主设备不断的查询，I/O报文直接依次发送到各个从设备(点对点)。循环方式按照设定的时间间隔进行循环通信，这样就可以降低对网络带宽的要求。状态改变方式使用事件触发，当设备状态发生改变时才发生通信，而不是由主设备不断的查询来完成。9预定义的主/从连接组 DeviceNet指定了一套称为预定义主/从连接组

42、的连接标识符，用来简化主/从结构中I/O和配置型数据的传送。在实际使用中，许多对象的应用情况往往很简单，常用的主/从连接方式足以满足要求。为此DeviceNet定义了一个预定义主/从连接组用于主/从连接式通信，并预先定义好各报文组内一些通信道的功能。以降低从站的成本和简化设备的配置。在使用前，主站需要通过主/从连接组分配请求服务和从站的应答来明确主从关系，并通过分配选择的设置明确所采用的数据通信方式(位选通、轮询、状态改变、循环、显式)。10设备描述 (Device Profiles)与EDS文件 通过定义标准的设备模型促进不同厂商设备之间的互操作性。设备描述是从网络角度对设备内部结构的说明，

43、凡是符合同一设备描述的设备均具有同样的功能，生产或消费同样的I/O数据，包含相同的可配置数据。在DeviceNet规范中设备描述分为3个部分： 对象模型 对象模型定义了设备中所必需和可选的对象分类。I/O 数据格式 配置数据和访问该数据的公共接口 ：通常包含在电子数据文档（EDS）中。DeviceNet协议规范还允许厂商提供电子数据表EDS(ElectronicDataSheet)，以文件的形式记录设备的一些具体的操作参数等信息，便于在配置设备时使用。这样，来自第三方的DeviceNet产品就可以方便地连接到DeviceNet上。deviceNet 定義了多種資料交換的協定，支援主從式、點對點

44、及廣播式，允許動態改變節點間的連接。但考慮到有些設備根本不需要也沒有能力去符合或使用這麼多種功能，DeviceNet 指定主從式的連接為預設的組態，用以簡化資料交換的設定。四 系统实施为增强系统的可靠性和互换性，系统尽量采用大公司的成熟设备和软件。本系统采用鲁能控制工程公司的硬件和软件。系统组成：基于CAN-bus-以太网的控制系统结构如图所示。如上图示，系统整体结构分为两层：上层为监控层，下层为设备控制层。监控层主要设备有:人机接口站（操作员站、工程师站）及过程控制单元（PU）和通信网络。实现是显示过程参数，监控系统状态，修改和组态控制策略；设备控制层主要包括过程控制单元（PU）、控制网络以

45、及I/O模块和现场智能设备。实现的是现场级的设备控制、数据采集、数据传输；本系统设备控制层包括12个过程控制站，每个过程控制站由一对过程控制单元（PU）、两个Devicenet网及网络电源组成。（二）系统配置：操作员站：使用通用工控机，双标准以太网卡。安装鲁能控制公司的LN2000监控软件，用于运行人员对生产过程的监视和操作。工程师站：用于网络和控制策略的组态、系统调试和维护。使用通用工控机，应用软件采用鲁能控制公司的LN2000控制软件。历史站除工程师站的功能外，还要运行历史数据采集软件，用于历史数据的采集、保存。过程控制单元（PU）：接受操作员站发来的指令；接收采集的数据，完成模拟量控制、

46、逻辑控制算法。过程控制单元（PU）的硬件：CPU主板：CPU主板配置为嵌入式低功耗CPU、256MRAM、32M电子盘（DOM），应用软件及下装的控制策略保存在电子盘中，在失电的状态下不会丢失组态数据。以太网接口卡：两个互为冗余的以太网接口实现实时数据通信，另一块以太网接口卡站间的冗余。处于备用状态的PU能够自动跟踪运行的PU，一旦主控状态的PU出现故障，备用PU将立即承担过程控制任务，实现PU间的无扰切换。支持DeviceNet协议的CAN接口卡：两个CAN网络控制器，具有完整的冗余能力，完成对I/O模块的管理。CAN接口卡采用PCI-841，其控制器是PHLIPS SJA1000,收发器是

47、PHLIPS 82C250，光电耦合器是6N137，提供两路CAN接口，采用直接内存映射方式，内存映射地址空间在C8000HEF000H范围内可选。软件配置：使用鲁能控制公司的实时多任务操作系统、应用软件是可运行于Windows 32位环境下的模块化软件。装载DeviceNet网络驱动，以主站方式驱动符合标准的DeviceNet设备。系统配置有12个过程控制站，因此有24台过程控制单元，1：1冗余，通过支持DeviceNet协议的双CAN接口卡下挂本地及远程I/O模块和现场智能设备，如变频器、电机软起动器、电动阀门装置、智能变送器等组成DeviceNet设备网，实现对现场级装置的有效控制。（三

48、）上层网络构建;采用以太网，传输介质使用非屏蔽双绞线（UTP），双网冗余。操作员站、工程师站、历史站及过程控制单元（PU）作为网络节点接入网中。各节点用两块10M/100M的Ethernet网卡，分别挂接在冗余的以太网（A网和B网）。为增强可靠性，网线汇集到两台交换机上。过程处理单元（PU）同时作为网关，将CAN-bus 网络连接至以太网。各节点的IP地址统一安排，不允许存在IP冲突。本系统的IP地址分配如表所示。人机接口站的IP地址设置为：工程师站A网01B网01历史站A网02B网02操作员站A网03B网03过程控制站的IP地址设置为：1号过程站基站A网B网冗余站A网1B网12号过程站基站A

49、网B网冗余站A网2B网2基站冗余站12号过程站基站A网2B网2冗余站A网2B网2（四）DeviceNet 网络构建现场的所有信号通过DeviceNet网络实时传输到控制器，控制器控制信号也是通过DeviceNet网络传输到现场设备中，因此DeviceNet网络的构建是整个控制系统的基础，其构建如下： 每个过程控制单元的两个DeviceNet接口卡下挂2个DeviceNet网络，称作canA和canB。采用主从方式，过程控制单元作为主站，I/O模块和现场设备作为从站。主站采用轮询方式（Polling）与Devicenet网上的I/O模块和智能设备通信。智能现场设备和I/O模块按照用户组态指定的时

50、间周期定时与过程控制站交换数据。本系统的DeviceNet网络拓扑采用干线支线物理结构。利用五芯屏蔽通讯电缆将各个节点连接起来，5 线通讯（信号线CAN_H、CAN_L；屏蔽线DRAIN、电源线CAN_V+、CAN_V-）。DeviceNet网络应总体规划，合理布线，避开高温、灰尘、电磁干扰的场合，避免受力集中，放置在易于检查维护的位置。网络节点的连接：主站: 将PCI-841安装在PU上，并安装好驱动程序。安装时须在计算机断电状态下，将卡插入计算机中任何一个闲置的PCI总线插槽并使之固定，然后安装好驱动程序。设置从站模块：根据需要设置DeviceNet网络上每个设备的节点地址，节点地址MAC

51、 ID的设置从2开始，到63，通过DIP开关进行设置。并正确设置的通信波特率，每个网段所有节点的通信波特率必须一致，否则不能通讯。连接DeviceNet 设备，5 针开放式插座作为DeviceNet 连接器，在DeviceNet各工作站之间，可以采用了敞开式分接口或密封连接口，将站与站之间的电源线、通讯线、屏蔽线分别地并联接在一起。智能设备要连接到DeviceNet 网络上，其必须符合DeviceNet 规范。这些节点主要包括：变频器、电机软起动器、I/O模件、智能变送器等网络总线两端应安装正确的终端电阻（120，1%，1/4W），在系统不上电时测得的网络CAN-H和CAN-L之间的电阻值应在

52、50-70。网络电源节点：5 线式通讯（信号线CAN_H、CAN_L；屏蔽线DRAIN、电源线CAN_V+、CAN_V-）；最多可支持64 个节点； 可选数据通讯速率(125Kbps、250Kbps、500Kbps)；可调整的电源结构，大电流容量，以满足各分类应用的需要。系统组态DeviceNet网络的组态从工程师站通过过程控制单元（PU）进行，使用成熟的鲁能控制公司的LN2000数据库组态软件，能通过“数据库”进行网络配置、过程站和节点的组态，还具有在线查询修改数据点的当前值和状态值的功能。DeviceNet网络中的各节点在数据库中按照“树”形结构组织，方便直观。LN2000系统数据库组态软

53、件是基于Windows平台的软件，它支持第三方设备组态电子数据表（EDS）。配置内容包括DeviceNet设备运行参数，如设备的I/O数据触发方式、设备I/O报文的大小及设备本身的运行参数（如变频器的启动方式、最大频率及其它运行参数）；主站过程控制站的配置增加过程站选择菜单【站的配置】下的【增加过程站】选项，出现如图4.3-3所示“增加新的过程站”对话框，设置好站号、描述、基准时间、控制周期、站间广播周期、CAN网卡速率等参数，然后点击【确定】即可。【描述】通常是指本过程站的功能描述；【基准时间】是SAMA图控制周期和系统数据库进行站间广播时进行时间分配的最小单位，以毫秒为单位；【控制周期】是

54、SAMA图的控制逻辑的运算周期，是基准时间的整数倍；【站间广播】是系统数据库进行站间广播的周期，以基准时间的倍数形式出现，本站每隔这样一个周期，就将本站的站间数据向外广播一次，供其它站调用；【CAN网卡速率】即本站所选用的LN系列智能模块通信速率，可在500K、250K、100K、20K中选择。图4.3-3 增加过程站对话框删除过程站首先在左侧树形视图中单击选中相应站号，再选择【站的配置】菜单下【删除过程站】项，或者在相应的站号上右键点击后，从出现的快捷菜单中选择【删除过程站】项，出现删除站点提示对话框（如图4.3-4所示）。图4.3-4 删除过程站确认对话框站属性的设置如果想修改现有站点的属

55、性，可以在相应的站号上右键单击，然后从出现的快捷菜单中选择属性；也可以先选择待修改的站点，再从菜单【编辑】中选择【属性】，调出如图4.3-5所示的站点属性设置对话框。从该对话框中可以修改过程站的一些基本设置信息：描述、基准时间、控制周期、站间广播周期、CAN卡速率。从站的配置 在系统数据库选中主站节点，然后单击菜单“设备操作添加从站”，在“Slave 属性”对话框中添加从站设备。点击“添加Slave”按钮后，会弹出“Slave I/O 数据映射”对话框，如下图示。这时在左边的列表视图中全选所有的数据项，然后按表 3.2 中列出的I/O 数据映射类型点击对话框中间相应的带有“=”符号的按钮。在弹

56、出的“映射到数据项”对话框中选中“所有数据项名称按序号增加”，其它项目用默认值，点击“确定”按钮，把数据项添加到右边的列表视图中。添加完所有的从站后，在数据库 中将会看到已经添加好的设备。对于不同的智能设备，应根据其EDS修改设置。EDS文件是为了让网络配置工具进行网络配置的电子数据文档，其中不光包含设备信息，更重要的是包含了设备的IO信息。IO信息不光标明了设备所能支持的IO模式，还有输入输出字节所对应的组合对象实例的路径。以SEARI的DTID16模块的EDS为例说明一下：IO_Info Default = 0 x0001; $ Poll PollInfo = 0 x0001, $ Pol

57、l 1, $ Default Input = Input1 0; $ Default Output = nothing StrobeInfo = 0 x0002, $ Bit Strobe 1, $ Default Input = Input1 0; $ Default Output = nothing Input1 = 2, $ 2 Byte 0, $ All bits are significant 0 x0003, $ Poll&Bit Strobe Poll&Bit Strobe In Data, $Name of this I/O 6, $Path Length 20 04 24 0

58、5 30 03, $Class 4 , Instance 5 ,Attribute 3;从上面的语句可以看出：这个模块支持两种IO模式：Polling（轮询）和Bit Strobe（位选通）模块的Polling模式和Bit Strobe模式的Input尺寸都为2字节，Polling的Output尺寸为0字节，这也可以认为其Polling连接对象实例的生产尺寸2 bytes,消费尺寸0 bytes它的Polling和位选通模式采用相同的Input1定义，也就是说Input数据来源都采用相同的组合对象实例。Input的具体数据可以根据提供的路径“20 04 24 05 30 03”得知是组合对象、实例5，属性3，组合对象实例的属性3是Data，就是组合实例的数据。由此可以看出，知道一个设备的EDS文件，就可以知道该设备的基本IO信息，根据IO信息就可以对其进行快速配置，在主站分配相应的内存资源，同时也可以通过对于组合实例的查询得知具体数据的物理参量和意义。（四）系统控制逻辑组态系统的连续控制和顺序控制功能使用LN2000的SAMA图组态软件来完成。SAMA图就是将系统内部定义的功能算法块按照要求的运算处理逻辑过程组合起来，编译后下装到过程控制单元PU中进行调用和执行。SA