（計(jì)算機(jī)軟件與理論專業(yè)論文）基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的智能化門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).pdf

摘要 摘要 信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了a 動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成 以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線就是順應(yīng)這 一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱 點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙 向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信 的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓字等方面的自動(dòng) 化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 c a n 已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線 之一。它屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了獨(dú)特的多主工作方 式、短幀結(jié)構(gòu)、非破壞性總線仲裁以及校驗(yàn)檢錯(cuò)措施，與一般的通信 總線相比較，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等特點(diǎn)，c a n 已 經(jīng)被廣泛用于汽車、火車、智能樓宇、機(jī)器人、消防管理、自動(dòng)化儀 表等領(lǐng)域。 在本課題“智能化門禁系統(tǒng)”中，由于采用了c a n 現(xiàn)場(chǎng)總線技 術(shù)，較好地解決了在低成本傳輸介質(zhì)( 雙絞線) 條件下傳輸距離、節(jié) 點(diǎn)數(shù)量和傳輸時(shí)間之間的矛盾，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 本文共分五個(gè)部分，首先介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展、種類及其特點(diǎn)， 然后詳細(xì)介紹了c a n 總線技術(shù)的特點(diǎn)，最后重點(diǎn)闡述了利用c a n 總 線技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)的智能化門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意 的事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，c a n ，智能化門禁 ! ! ! ! 墜! ! a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h eg r e a tc h a n g e sh a v e t a k e np l a c ei na u t o m a t i cs y s t e ma n di n f o r m a t i o ns y s t e mo fe n t e r p r i s e sb a s e do nt h e a u t o m a t i c s y s t e m o fi n t e g r a t e dn e t w o r kh a s g r a d u a l l y f o r m e d f c si san e w t e c h n o l o g yc o m p l y i n gw i t ht h i st e n d e n c y f s ci s o n eo fh o t s p o t si nt h ef i e l do f a u t o m a t i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，a p p r a i s e da s c o m p u t e rl a n i nt h ed o m a i no f a u t o m a t i z a t i o n f c si sas y s t e mt h a ti s a p p l i e di n t h ef i e l do fp r o d u c t i o nt or e a l i z es e r i a l l y b i d i r e c t i o n a lm u l t i c a s td i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，a l s oc a l l e do p e n ，d i g i t i z e da n dm u l t i c a s t c o m m u n i c a t i o nb o t t o m l a y e r c o n t r o l n e t w o r k ，w h i c h h a saw i d e p r o s p e c t o f a p p l i c a t i o ni na u t o m a t i cs y s t e mi ns u c hf i e l d sa sm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s s i n gi n d u s t r y , c o m m u n i c a t i o n ，b u i l d i n g sa n d s oo n c a n ，a ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d , h a sg e n e r a la c c e p t e d a so n eo ft h em o s t p r o s p e r o u sf c s 。i tb e l o n g s t oa s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k c o m p a r e d 訓(xùn)m c o m m o nc o m m u n i c a t i v ef c s ，i ti se n d o w e dw i t ho u t s t a n d i n gd e p e n d a b i l i t y , t h e p r o p e r t y o f r e a l - t i m ea n d f l e x i b i f i t yb e c a u s eo f m o r ew o r k ，f l a m es t r u c t u r e ，b u sa c c e s s m e t h o da n de l l o rt o l e r a n c et e c h n o l o g y c a nh a sb e e na d o p t e di nt h ed o m a i no f a u t o m o b i l e ，t r a i n ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，a u t o m a t o n ，f i r e c o n t r o lm a n a g e m e n ta n d a u t o m a t i cm e t e r i nt h i ss u b j e c to ni n t e h i g e n tg a t es y s t e m ，t h ec o n t r a d i c t i o na m o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e ，q u a n t i t yo fn o d ea n dt r a n s m i s s i o nt i m eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o w c o s t t r a n s m i s s i o nm e d i aw i l lb es o l v e d ，s ot h a tt h ea n t i c i p a t i v et a r g e tw i l lb ea c h i e v e d ， t h a n k st ot h ec a n t e c h n o l o g y sa r t i c l ei sd i v i d e di n t of i v es e c t i o n s i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t ， v a r i e t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ff c sw i l l b ei n t r o d u c e da n dt h es p e c i a l t yo fc a n t e c h n o l o g y w i l lb e d e t a i l e d l ym e n t i o n e d i nt h ef o l l o w i n g p a r a g r a p h a n di nt h el a s t ，t h e k e yt e c h n o l o g yi nr e a l i z i n gi n t e l l i g e n tg a t es y s t e mu s i n gc a nt e c h n o l o g ya n dt h e p r e c a u t i o n s i ns y s t e md e s i g nw i l lb e e x p a t i a t e d k e y ：f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，c a n , i n t e l l 蟾e n tg a t e 2 第一章前言 第一章前言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè) 控制領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù)，即現(xiàn)場(chǎng)總線。它是上述幾種技術(shù)的結(jié)合， 是當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，代表了工業(yè)控制領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向。它 的出現(xiàn)，將使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上出現(xiàn)巨大的飛躍，可以 說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線是控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，它代表了一種有突破意義的新的控制思想， 它將開(kāi)辟一個(gè)新的時(shí)代?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀 表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 變革，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)f c s ( f i e e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是繼基地式氣動(dòng)儀表控制 系統(tǒng)，電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)，集中實(shí)式數(shù)字控制系統(tǒng)集散式控制系 統(tǒng)d c s 后的新一代控制系統(tǒng)?？刂破骶植烤W(wǎng)c a n ( c o n t r o l l e ra e r a n e t w o r k ) 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的 串行通訊網(wǎng)絡(luò)，c a n 的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，由于 c a n 總線技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu) 點(diǎn)，使其在道路運(yùn)輸工具以外的領(lǐng)域，即在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器、自 動(dòng)測(cè)試、智能火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 作為智能化電子安全防范系統(tǒng)的重要組成部分一智能化門禁系統(tǒng)，就是利 用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制設(shè)備對(duì)各類出入口通道進(jìn)行控制和管理的智能化管理系 統(tǒng)，它有效地解決了往往由于人為因素造成的出錯(cuò)率高、管理不嚴(yán)格、漏洞多等 弊端，進(jìn)而達(dá)到可靠管理、科學(xué)管理的目的。 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞， 其精度差、受干擾信號(hào)影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很 差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微 處理器功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效 果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過(guò)程控制技術(shù)、自 動(dòng)化儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變 革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)( 如集散控制系統(tǒng)) 無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上 都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎(chǔ)就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生。 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié) 點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，它也被稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)( i n f r a n e t ) 。八十年代以來(lái)， 各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，人們要求對(duì)傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲 也越來(lái)越高，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國(guó)儀表協(xié)會(huì) ( i s a ) 于1 9 8 4 年開(kāi)始制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國(guó)的p r o f i b u s 和法國(guó)的 f i p 等，各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。 2 1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展背景與趨勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)起源于歐洲，目前以歐美地區(qū)最為發(fā)達(dá)。由于這是一項(xiàng)帶有革 命性的、領(lǐng)導(dǎo)今后各領(lǐng)域自動(dòng)化潮流的技術(shù)，各國(guó)、各公司都投入了大量的人力、 財(cái)力在市場(chǎng)上展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上已出現(xiàn)過(guò)的總線種類近 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 2 0 0 種，經(jīng)過(guò)1 0 多年的競(jìng)爭(zhēng)和完善，目前較有生命力的有l(wèi) o 多種，并仍處于激 烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之中。 現(xiàn)代工業(yè)控制思想的核心是“分散控制，集中監(jiān)控”使得”危險(xiǎn)分散，控制分 散”，但即使是現(xiàn)在流行的d c s 控制，其與工業(yè)過(guò)程打交道的過(guò)程控制站仍然還 是集中的，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和控制還是采用的4 2 0 m a 的模擬信號(hào)，這正 是對(duì)分散控制，集中監(jiān)控思想的違背。而f c s 控制系統(tǒng)真正做到了這一點(diǎn)，把 控制徹底地下放到現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表就能完成諸如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，控 制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出大部分現(xiàn)場(chǎng)功能，只有一些現(xiàn)場(chǎng)儀表無(wú)法完成的高級(jí)控制功能 才由上位機(jī)來(lái)完成。而且現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)互操作，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)也可 以把自己的診斷數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，有益于設(shè)備管理。 在五十年代以前，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測(cè)控制儀表處于發(fā)展的初級(jí) 階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)、只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式氣動(dòng) 儀表，其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能送給別的儀表或系統(tǒng)，即各測(cè)控點(diǎn) 只能為封閉狀態(tài)，無(wú)法與外界溝通信息，操作人員只能通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡視，了 解生產(chǎn)過(guò)程的狀況。 伴隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，操作人員需要綜合掌握多點(diǎn)的運(yùn)行 參數(shù)與信息，需要同時(shí)按多點(diǎn)的信息實(shí)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動(dòng)、 電動(dòng)系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參 數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，如0 0 2 0 1 m p a 的氣壓信號(hào)，0 1 0 m a 、4 - 2 0 m a 的直流電流信號(hào)，1 5 v 直流電壓信號(hào)等，送往集中控制室。操作人 員可以坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各處的狀況，可以把各單元儀表的信 號(hào)按需要組合成復(fù)雜控制系統(tǒng)。 由于模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，提 高計(jì)算速度與精度的開(kāi)銷、難度都很大，信號(hào)的抗干擾能力也較差， 人們開(kāi)始尋求用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，于是出現(xiàn)了直流數(shù)字控制。 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 由于當(dāng)時(shí)的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)還不發(fā)達(dá)，價(jià)格昂貴，人們企圖用一臺(tái)計(jì) 算機(jī)取代控制室的j r , 乎所有的儀表盤，于是出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系 統(tǒng)。但由于當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)的可靠性還較差，一旦主控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)某 種故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)停產(chǎn)的嚴(yán)重局面，這種危 險(xiǎn)的集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過(guò)程所接受。 隨著計(jì)算機(jī)可靠性的提高，價(jià)格的大幅f 降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、 可編程控制器( p l c ) 以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的 集散控制系統(tǒng)。這就是今天正在被許多企業(yè)采用的d c s 系統(tǒng)。d c s 系 統(tǒng)中，測(cè)量變送儀表一般為模擬儀表，因而它是一種模擬數(shù)字混合系 統(tǒng)。這種系統(tǒng)在功能、性能上較模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了 很大的進(jìn)步。但是，在d c s 形成的過(guò)程中，由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存 在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存 在很多困難。 新型的現(xiàn)場(chǎng)總路線控制系統(tǒng)則實(shí)破了d c s 系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò) 的封閉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成 了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，即可以把來(lái)自不同廠商而遵守同 一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總路線網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜 合自動(dòng)化的各種功能；同時(shí)把d c s 集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn) 場(chǎng)智能設(shè)備本身便可實(shí)現(xiàn)基本控制功能。 現(xiàn)場(chǎng)總路線是一種工業(yè)的數(shù)據(jù)總線，是一種全數(shù)字化、雙向、多 站的通信系統(tǒng)，是自動(dòng)化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通信體系最底層的低成本網(wǎng) 絡(luò)，它可以與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接相連，構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之問(wèn) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，使所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備了原先只有中央控制室才有的控 制功能，從而避免了控制高度集中，一旦中央控制室發(fā)生故障，就會(huì) 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 造成整個(gè)系統(tǒng)全面癱瘓的后果。控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的這種變革，將在 今后幾十年中直接影響控制領(lǐng)域的發(fā)展。因此，可以況現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 開(kāi)辟了過(guò)程控制的新紀(jì)元。在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)誕生的初期，它的主要功能是將 當(dāng)時(shí)的可編程邏輯控制器( p r o g r a mm a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 以一種較 簡(jiǎn)潔的方式連接起來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)引入p l c ，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)被引入現(xiàn)場(chǎng)總 線；p l c 功能的增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線提出了更高的要求，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的引入大大 增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)總線的功能，成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。 2 2 現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)( f c s ) 在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)的開(kāi)放性 開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與 遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的 其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。不同廠家的d c s 往往無(wú)法兼容，而f c s 技術(shù)及 標(biāo)準(zhǔn)是全開(kāi)放式的，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢測(cè)到信息發(fā)布都是公開(kāi)的， f c s 遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織i s d 的開(kāi)放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)o d i ，具有“互聯(lián)” 互操作性，也就是說(shuō)，不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品可以組成統(tǒng)一的系統(tǒng)， 可以實(shí)現(xiàn)互直互通，這就使得用戶可以自由地選擇不同廠商所提供的 設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統(tǒng)。 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 互可操作性與互用性 互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而 互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。 信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)字化 在傳統(tǒng)的d c s 系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)儀表到控制站之問(wèn)采用4 - 2 0 m a 模擬 信號(hào)傳輸，而f c s 則采用數(shù)字信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中還采用了防止碰撞、 檢錯(cuò)、糾錯(cuò)等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了高速、雙向、多變量、多站點(diǎn)之間的 可靠通信，在通信質(zhì)量和連線方式上都有了重大的實(shí)破。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)各的智能化與功能自治性 f c s 將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備中完成，依靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí) 診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。由于f c s 設(shè)備的標(biāo) 準(zhǔn)化、功能模塊化，因此，f c s 還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成了一種新的全分散控制系統(tǒng)的體統(tǒng)結(jié)構(gòu)，f c s 廢棄 了d c s 的控制站和輸入輸出單元，而將這一級(jí)的功能分配給現(xiàn)場(chǎng)儀 表，從根本上改變了現(xiàn)有d c s 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體 系，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專門 為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線、電 力線等，具有絞強(qiáng)的抗干擾能力，可以采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信， 并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的空間分布情 況，可以采取多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性，給 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的旌工帶來(lái)極大的方便，省時(shí)間、省材料，據(jù)有關(guān)介 紹，與傳統(tǒng)的d c s 從結(jié)構(gòu)上相比，僅在布線方面一項(xiàng)就可節(jié)約4 0 的 成本。 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線同軸電纜光纜射頻紅外線電力線 等，具有較強(qiáng)的抗干擾力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足 本質(zhì)安全防爆要求等。 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 2 3幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線 美國(guó)儀表協(xié)會(huì)( i s a ) 于1 9 8 4 年開(kāi)始制訂現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲有德國(guó)的 p r o f i b u s 和法國(guó)的f i p 等，各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會(huì) 現(xiàn)場(chǎng)總線f f ( f o u n d a t i o nfj e l d b u s ) 、控制局域網(wǎng)絡(luò)c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、局部操作網(wǎng)絡(luò)l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng) 總線p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 和i i a r t 協(xié)議( h i g h w a ya d d r e s s a b jer e m o t e t r a n s d u c e r ) 等。但是，總線標(biāo)準(zhǔn)的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā) 展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團(tuán)受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際 化標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展緩慢。但是不論如何，制定單一的開(kāi)放國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)展 的必然。下面對(duì)幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線分別加以介紹： 1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線f f ( f o u n d a t i o nf i o ld b u s ) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線f f 是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展 前景的一種技術(shù)，其前身f is h e r r o s e m o u n t 公司為首，聯(lián)合8 0 家公司 制定的i s p 協(xié)議和以h o n e y w e l l 公司為首，聯(lián)合歐洲1 5 0 家公司制定 的w o r l d f i p 協(xié)議，兩大集團(tuán)于1 9 9 4 年合并，成立現(xiàn)場(chǎng)基金會(huì)，致力 與開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。f f 目前擁有1 2 0 多個(gè)成員，這包括世 界上最主要的自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商：a b 、a b b 、h o n e y w e l l 、s m a r t 、f u j i e 1 e c t r i c 等。f f 的通信模型以i s o o s i 開(kāi)放系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用 了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，并在其上增加了用戶層，各廠家的 產(chǎn)品在用戶層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。f f 總線包括 f f 通信協(xié)議、i s o 模型中的2 7 層通信協(xié)議的通棧、用于描述設(shè)備特性及操作 接口的d d l 設(shè)備描述語(yǔ)占、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的 應(yīng)用功能塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組念管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。 f f 總線采用的是令牌總線通信方式，可分為周期通信和非周期通 信。f f 目前有高速和低速兩種通信速率，其中低速總線協(xié)議h l 已于 1 9 9 6 年發(fā)表，現(xiàn)在已應(yīng)用于工作現(xiàn)場(chǎng)，高速協(xié)議原定為h 2 協(xié)議，但 目前h 2 很有能可胎死腹中，e t h e r n e t 將取而代之。h 1 的傳輸速率為 3 1 2 5 k b p s ，傳輸距離可達(dá)1 9 0 0 m ，可采用中繼器延長(zhǎng)傳輸距離，并 可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境；h 2 的傳輸速率分為1 m b p s 和2 5 m b p s 兩種，其通信距離分別為7 5 0 m 和5 0 0 m 。f f 可采用總線型、 樹(shù)型、菊花鏈等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量取決于總線帶寬、通信 段數(shù)、供電能力和通信介質(zhì)的規(guī)格等因素。f f 支持雙絞線、同軸電 纜、光纜和無(wú)線發(fā)射等傳輸介質(zhì)，物理傳輸協(xié)議符合i e c l l 5 8 2 標(biāo)準(zhǔn)， 編碼采用曼徹斯特編碼。f f 總線擁有非常出色的互操作性，這在于 f f 采用了功能模塊和設(shè)備描述語(yǔ)言d d l ，使得現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間能準(zhǔn)確、 可靠的實(shí)現(xiàn)信息互通。目前f f 有2 9 個(gè)功能塊，其中包括1 0 個(gè)基本 功能塊和1 9 個(gè)先進(jìn)功能塊。用戶還可以開(kāi)發(fā)自己的功能塊，這些功 能塊之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的d d l 實(shí)現(xiàn)互操作。f f 的開(kāi)發(fā)工具為a t2 4 0 0d d t o k e n i g e rk i t 和a t2 4 0 1d ds e r i c e sk i t 。f r a u n h o f e r 實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任測(cè)試。 2 過(guò)程化現(xiàn)場(chǎng)總線p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e i db u s ) 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s 的縮寫。它是由以西門子為首的 1 3 家公司和5 家科研機(jī)構(gòu)在聯(lián)合開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中制定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，1 9 8 9 年l 2 月成立了p n o ，1 9 9 6 年p r o f i b u s 成為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)d i n l 9 2 4 5 ，同時(shí) 又是歐洲標(biāo)準(zhǔn)e n 5 0 1 7 0 。p r o f t b u s 在實(shí)際應(yīng)用巾業(yè)績(jī)彪炳，在眾多總 線中居于前列，廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。同f f 一樣，它也是最具競(jìng)爭(zhēng) 力的一類現(xiàn)場(chǎng)總線。目前的p r o f i b u s 有三種系列：p r o f i b u s d p 、 p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。p r o f i b u s d p ( 傳輸速率為1 2 m b p s ) 應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的傳輸形式適于自動(dòng)控制系統(tǒng) 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信，它采用了r s 一4 8 5 傳輸。p r o f i b u s f m s 用于車間級(jí)，即中、下層，要求面向?qū)ο?，提供較大數(shù)據(jù)量的通信服 務(wù)，它有被e t h e r n e t 取代的趨勢(shì)，它也采用了r s 一4 8 5 傳輸。 p r o f i b u s p a 專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它采用了i e c l l5 8 2 傳輸技術(shù)可 用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中。p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 使用了同 樣的傳輸技術(shù)和總線訪問(wèn)協(xié)議，所以它們可以在同一根電纜上同時(shí)操 作，而p r o f i b u s p a 設(shè)備通過(guò)分段耦合器可以很方便地集成到 p r o f i b u s d p 網(wǎng)絡(luò)。p r o f i b u s 有三種傳輸類型：p r o f i b u s d p 和 p r o f i b u s f m s 的r s 一4 8 5 ( h 2 ) ：p r o f i b u s p a 的i e c l l 5 8 2 ( h 1 ) ：光 纖( f o ) 。p r o f i b u s - - d p 用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化 領(lǐng)域。f m s 型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。而p a 型則 是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類型。 p r o f i b u s 支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對(duì)總線具有控 制權(quán)，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對(duì)總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從 站發(fā)送、獲取信息。p r o f i b u s 只采用了o s i 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用 層，它省略了3 6 層，增加了用戶層。p r o f i b u s - d p 使用第l 、第 2 層和用戶接口。p r o f i b u s f m s 分l 、2 和7 層均加以定義， 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 p r o f i b u sp a 的數(shù)據(jù)傳輸延用p r o f t b u s d p 的協(xié)議，只是在上層增加 了描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的p a 行規(guī)。它的總線防問(wèn)方式m a c 為：主站之 間通信采用令牌傳輸，主站和從站之間采用主從方式。p r o f i b u s 可 以采用總線型、樹(shù)型、星型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌偩€上最多可掛接12 7 個(gè)站 點(diǎn)。p r o f i b u s 行規(guī)的制定，為遵循p r o f i b u s 協(xié)議的設(shè)備之間的互操 作奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)設(shè)備指定符合p r o f i b u s 行規(guī)的過(guò)程參數(shù)、工 作參數(shù)、廠家特定參數(shù)，設(shè)備之間就可以實(shí)現(xiàn)互操作。 3 世界工廠儀表現(xiàn)場(chǎng)總線w o r l d f ip ( w o r id f a c t o r y n s t r u m e n tp r o t o c o1 ) w o r l d f i p 基于f i p 協(xié)議，其最初由法國(guó)于8 0 年代開(kāi)發(fā)，并成為 法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)u t ec 4 6 ( 1 、2 、7 層) 。w o r l d f i p 協(xié)議采用i e c i s as p 5 0 物理層( i e c1 1 5 8 2 ，支持總線冗余) ，選擇f i p 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用 層，符合i s as p 5 0 用戶層子集。提供傳感器執(zhí)行器與p l c 、控制器 之間的連接。w o r l d f i p 提供高速確定性控制和雙冗余網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)鏈 路層采用確定性的集中總線調(diào)度器l a s ( l i n ka c t i v es c h e d u le r ) 實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制，總線仲裁器處理所有通信，為實(shí)時(shí)變量和報(bào)文提供服 務(wù)。應(yīng)用層為用戶應(yīng)用中的實(shí)時(shí)變量和報(bào)文提供服務(wù)。 4 in t e r b u s i n t e r b u s 是一種傳感器級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線，令牌網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)性是它 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 的一大特點(diǎn)。不象其它總線，其至今仍是在其最早的總線協(xié)議上發(fā)展 并壯大。目前，它在歐洲市場(chǎng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為寶馬，通用，福特等車 界巨頭所采用。 5 h a r t 現(xiàn)場(chǎng)總線( h i g h w a y a d d r e s s a b i er e m o t e t r a n s d u c e r ) h a r t 協(xié)議是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信協(xié)議。由美國(guó) r o s e m o u n t 公司開(kāi)發(fā)并得到8 0 多家代表公司的支持，于1 9 9 3 年成 立了h a r t 通信基金會(huì)。它是用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備間通信的一種 協(xié)議。它包括i s o o s i 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。h a r t 協(xié)議符合 o s i r m 的l 、2 、7 層。物理層使用基于f s k 技術(shù)的b e l l2 0 2 。h a r t 為主從協(xié)議。應(yīng)用層定義了3 類命令：通用命令、特殊命令和專用 命令。h a r t 通信可以有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。 這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn) 是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字 系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 力，在智能儀表市場(chǎng)上占有很大的份額。 6 l o n w o r k s 現(xiàn)場(chǎng)總線( l o c a i o p e r a t i n gn e t w o r k s ) l o n w o r k s 技術(shù)是由美國(guó)e c h e l o n 公司開(kāi)發(fā)，并與m o t o r o l a 和東 芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它采用i 8 0 o s i 模型的全部七層協(xié) 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 議結(jié)構(gòu)。采用了面向?qū)ο竦脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)計(jì)，其傳輸速率為3 0 0 b p s 一1 5 m b p s ，當(dāng)傳輸率為 7 8 0 k h p s 時(shí)，傳輸距離為2 7 0 0 m 。l o n w o r k s 技術(shù)的核心是具備通信和控制功 能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片實(shí)現(xiàn)完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信協(xié)議。其 上集成有三個(gè)8 位c p u 。一個(gè)c p u 完成o s i 模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì) 訪問(wèn)處理器。一個(gè)c p u 是應(yīng)用處理器，運(yùn)行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個(gè)c p u 為網(wǎng)絡(luò)處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng) 絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對(duì)等通信。l o n w o r k s 支持多 種物理介質(zhì)并支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其i s 一7 8 本安物理通道使得 它可以應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域。l o n w o r k s 應(yīng)用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等， 在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。 7 m o d b u sp lu 8 m o d b u s p l u s 是為工業(yè)控制應(yīng)用( 如過(guò)程控制和監(jiān)控信息傳遞) 設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)，由a e 6m o d ic o n 開(kāi)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)總線采用單雙電纜布局， 可連接至多6 4 個(gè)可尋址節(jié)點(diǎn)，1 m b p s 傳輸速率。信息格式為h d l c ， 介質(zhì)訪問(wèn)采用令牌方式。 8 p n e t ：p r o c e $ sa u t o m a tio nn e t p - n e t 的設(shè)計(jì)目的是用普通2 線制電纜實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化中分散過(guò) 程組件的連接，由p r o c e s s d a t as il k e b o r ga p sd e n m a r k 開(kāi)發(fā)。應(yīng) 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 用主要集中在過(guò)程工業(yè)和制造廠。覆蓋o s i r m 的1 、2 、3 、4 、7 層， 并利用信道結(jié)構(gòu)定義了用戶層。 該總線為帶多網(wǎng)絡(luò)和多端f a 功能的多主總線，允許幾個(gè)總線區(qū) 域的直接尋址，而無(wú)需遞階網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的通信均基于這樣的原則： 主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，被尋址的從節(jié)點(diǎn)在3 9 0 us 內(nèi)立即返回一個(gè)n 向 應(yīng)，只有已存放到從節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中的數(shù)掘方可被訪問(wèn)。主節(jié)點(diǎn)之間的總 線訪問(wèn)權(quán)限通過(guò)虛擬令牌傳遞解決。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)中內(nèi)含一個(gè)通用單芯 片微處理器，帶2 k b y t ee p r o m ，不僅僅為通信用，而且可用于測(cè)量、 標(biāo)定、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用功能。p - n e t 接口芯片執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能， 第3 層和第4 層的功能由宿主處理器中的軟件解決。 9 p h o e b u s p h o e b u s 是瑞士聯(lián)邦工藝于1 9 8 7 年推出的串行現(xiàn)場(chǎng)總線。它采用 開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)( o s i ) 參考模型的第1 、2 和7 層結(jié)構(gòu)，可把傳感器、 變送器和執(zhí)行器連接到p l c ( 可編程序控制器) 上，主要用于機(jī)床行 業(yè)。 1 0 8 0 n tr o i n e t c o n t r 0 1 n e t 是a b 公司開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，用于高速生產(chǎn)流水 線的測(cè)控和一般的工業(yè)信號(hào)處理。 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 1 1 控制器局域網(wǎng)絡(luò)c a n 總線( c o n t r o ii e ra r e an e t w o r k ) c a n 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，最初由德 國(guó)b o s c h 公司8 0 年代用于汽車內(nèi)部測(cè)試和控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信。目前c a n 總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織i s o 制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 1 1 8 9 8 ，并得到了 m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s 等大半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，迅速推出各種集 成有c a n 協(xié)議的產(chǎn)品。目前c a n 總線主要用于汽車自動(dòng)化領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)點(diǎn) 火、注油、復(fù)雜的加速剎車控制( a s c ) 、抗鎖定剎車系統(tǒng)( a b s ) 和抗滑系統(tǒng)等。 b e n z 、b m w 等著名汽車上已經(jīng)采用c a n 來(lái)滿足上述功能。在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域， c a n 也得到了廣泛的應(yīng)用。 c a n 也是基于o s i 模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù) 鏈路層和應(yīng)用層，提高了實(shí)時(shí)性。 c a n 具有以下特點(diǎn)：1 、c a n 可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一 個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不 分主從，通信方式靈活。利用這一特點(diǎn)也可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)： 2 、c a n 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)( 信息) 可分成不同的優(yōu)先級(jí)可以滿足不同的 實(shí)時(shí)要求；3 、c a n 采用非破壞性總線占有技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向 網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高 的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間。 最重要的是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況 ( 以太網(wǎng)則可能) ；4 、c a n 可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)( 成組) 及全局 廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文標(biāo)志符可達(dá)2 0 3 2 種，而擴(kuò)展 標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文標(biāo)志符幾乎不受限制；5 、c a n 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 10 k m ( 速率5 k g s 以下) ；6 、c a n 的通信速率最高可達(dá)l m b s ( 此時(shí) 距離最長(zhǎng)4 0 m ) ；7 、c a n 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)1 1 0 個(gè)；8 、c a n 采用短 幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8 個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概 率低，且具有極好的檢錯(cuò)效果；9 、c a n 每幀信息都有c r c 校驗(yàn)及其 他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；1 0 、通信介質(zhì)采用廉價(jià)的雙絞 線即可，無(wú)特殊要求：1 1 、c a n 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng) 關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受 影響；1 2 、n r z 編碼解碼方式，并采用位填充技術(shù)。c a n 不能用于防 爆區(qū)?？傊?，c a n 總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、價(jià)格 低廉等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的工業(yè)總線的缺陷，是一種有效的解決方案。 當(dāng)前，各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓字自控領(lǐng)域， l o n w o r k s 和c a n 網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢(shì)；在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有過(guò)渡型的h a r t 協(xié)議、得到廣泛支持的f f 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議以及同樣較有競(jìng)爭(zhēng)力的p r o f i b u s 協(xié)議。 h a r t 協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是過(guò)程自 動(dòng)化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，得到許多自動(dòng)化儀表設(shè)備廠商的支持；由 于l o n w o r k s 技術(shù)的開(kāi)放性，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了利用它開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的許多開(kāi)發(fā)商?？?慮到統(tǒng)一的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的長(zhǎng)期性和艱巨性，傳統(tǒng)d c s 的退出將 是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在一段時(shí)期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾 種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成 丌放式互連系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。 目前在我國(guó)，c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等得到了比較廣泛的應(yīng) 用，許多公司都開(kāi)發(fā)出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品和系統(tǒng)，并取得了比較 好的效果。表2 1 是l o n w o r k s 與c a n 的性能比較，可以看出，l o n w o r k s 系統(tǒng)涵蓋了o s i 的7 層模型，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高， 適用于智能建筑等參變量較多的場(chǎng)合。而c a n 由于系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，且 第二章現(xiàn)場(chǎng)總線概述 由于采用了非破壞性總線仲裁機(jī)制，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很好，在汽車、 工業(yè)自動(dòng)化等要求系統(tǒng)響應(yīng)較快的行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)介 紹，o p e lv e c t r a 汽車上就采用了三個(gè)基于c a n 的控制網(wǎng)絡(luò)：a b $ 及 引擎控制的5 0 0 kb i t s 的高速c a n ；汽車音響及其他電子設(shè)備的 9 5 2 kb i t s 中速c a n ；用于燈光、空調(diào)及門窗控制的3 3 3 kb i t s 低速c a n 。 總線名l o n w o r k sc a n 靜絲 應(yīng)用場(chǎng)合 、 智能建筑，電力等汽車、工業(yè)自動(dòng)化 0 s i 層次1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，71 ，2 ， 7 總線訪問(wèn)c s m d c ac s m d c r 媒介類型光纖、雙絞線、同軸電纜光纖、雙絞線 等 差錯(cuò)控制c r c c r c 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大( 可多至幾萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn))取決于驅(qū)動(dòng)器，最多 1 1 0 個(gè)節(jié)點(diǎn) 最大速率1 2 5 m b sl m b s 復(fù)雜程度復(fù)雜簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì)性昂貴，適用于控制量多的便宜，易于實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) 表2 1 ：l o n w or k s 與c a n 的性能比較 第三章控制器局域網(wǎng)總線c a n 第三章控制器局域網(wǎng)總線c a n c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域網(wǎng)。由于其高 性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，c a n 越來(lái)越受到人們的重視。c a n 最初是b o s c h 公司為汽車監(jiān)測(cè)、控制而設(shè)計(jì)的，由于c a n 總線本身的 特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、傳感器及 醫(yī)療器械等領(lǐng)域。隨著c a n 在各種領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，對(duì)其通信格 式的標(biāo)準(zhǔn)化提出了要求。為此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制訂并發(fā)布了c a n 技術(shù)規(guī)范v 2 o 。該技術(shù)規(guī)范包括a 、b 兩部分。 2 o a 給出了c a n 報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)格式，2 o b 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種 格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具一一數(shù) 據(jù)信息交換一一高速通信控制器局域網(wǎng)( c a n ) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 1 18 9 8 ， 為控制器局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化輔平了道路。 3 ic a n 總線的分層結(jié)構(gòu) c a n 總線是丌放系統(tǒng)，其通訊模型遵循i s 0 0 s i 模型，采用了 其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)鏈路層又進(jìn)一步分為 邏輯鏈路控制子層l l c 和媒體訪問(wèn)控制子層m a c ，而應(yīng)用層則包含了 i s 0 0 s i 模型中除物理層和數(shù)據(jù)鏈路層外其余各層的功能。c a n 總線 的分層結(jié)構(gòu)和功能如圖3 1 所示。 l l c 子層的主要功能是為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確 第三章控制器局域網(wǎng)總線c a n 認(rèn)由l l c 子層接收的報(bào)文實(shí)際已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提 供信息。在定義目標(biāo)處理時(shí)，存在很人的靈活性。m a c 子層的功能主 要足傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定和故 障界定。c a n 總線物理層的主要內(nèi)容是規(guī)定了有關(guān)全部電氣特性在不 同節(jié)點(diǎn)問(wèn)的實(shí)際傳送。在c a n 2 o a b 中對(duì)物理層的部分內(nèi)容作了規(guī) 定，而在i s o l l 8 9 8 標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容更加具體，但沒(méi)有指明通訊介質(zhì)的 材料，因而用戶可以根據(jù)需要選擇雙絞線、同軸電纜或光纖。物理層 規(guī)定了c