控制网络与现场总线

控制网络与现场总线
第一章绪论
现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的系统，也称为开放式、全数字化、多点通信的底层控制网络CAN 总线是一种现场总线，它在工业控制领域中占有重要的地位，并已经广泛应用于汽车制造、自动化监控、三表系统及楼宇自控系统等领域。

而以太网具有结构简单，工作可靠，传输速率高等特点，目前以它作企业的为上层管理网络能够很好的发挥信息交换及共享的需求。

这样就形成了以CAN 为低层控制网络，由以太网组成上层管理网络的局面。

然而企业生产需要下层与上层的信息交换，而异构网络是不能直接进行信息交换的，如何有效的实现这种信息交换，成为目前的一个热点问题。

1.1 研究背景及意义
1.1.1 现场总线控制系统
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点和双向通信的数据总线。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

现场总线的出现正符合了现代工业生产领域中的测控系统的需求，即通过测控仪器或系统从生产现场获得各种参数，通过自控手段，使生产各环节得到优化。

1.1.2 以太网技术
近年来，以太网在工业控制领域的应用逐渐的广泛起来，它具有通信速率高、软硬件产品丰富和应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了一定程度的应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。

但是由于普通以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如
冗余直流电源输入、高温、低温和防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。

这就要求厂家生产出能在极端环境下能够保证稳定工作的以太网络，一方面改进需要提高成本，另一方面新技术的不成熟性与现场总线技术日益成熟的对比，所以在很长的一段时间内，现场总线仍然会是下层设备和控制的主流。

1.2 研究现状
控制网络的设备与上层监控计算机的互连可以通过一些计算机端口来实现，如RS232接口、并口、USB接口等。

然而，计算机端口的资源非常有限，在控制复杂设备时，只利用计算机固有端口是远远不够的，另外这种做法不能进行控制扩展，当有多台设备与上位机交互信息时，上位机的数量需求也会因此增加而造成成本的提高。

而采用PC机+CAN卡+以太网接口的方法又相对复杂，同时需要接口卡驱动程序，也不利于系统的更新和扩展，并且成本较高。

为此，本课题采用网络微控制器做为核心芯片，设计嵌入式网关解决工业控制领域的上层管理监控层同下层现场控制层的连接问题。

使用这种设计可以简化电路，增加和增强功能，提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化，智能化程度，而且可以缩短系统研究周期，降低成本，易于升级换代等。

第二章CAN 总线与以太网
2.1 网间网技术
作为计算机通信基础的低层网络技术种类很多，彼此大相径庭。

将不同种类的网络技术融为一体，正是网间网的目标。

异种网络互联是解决异种网通信的第一步，也是处理异质性的关键。

网络的互联是TCP/IP技术的核心。

它是解决异质性（通信子网异质性）的技术。

由于网间网要解决的是异种网的通信问题，所以要解决CAN总线与以太网的连接，首先要对网间网技术进行研究，包括其协议分层和体系结构的特点。

2.2 现场总线的特点及CAN总线的产生
现场总线的特点：
1.全数字化的现场通信网络。

现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备，或现场仪表互连的现场数字通信网络。

利用数字信号代替模拟信号，其
传输抗干扰性强、测量精度高，大大提高了系统性能；
2.开放性。

现场总线是开放式的互连网络，用户可自由集成不同制造商的通信网络，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备有机地融为一体，构成统一的现场控制系统(FCS)；
3.双向通信。

现场设备通过一对传输线互连多台仪器，双向传输多个信号，可大大减少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可靠性；
4.操作系统的自治性。

智能化的现场设备通过控制网络，将简单的控制任务迁移到现场设备中，使现场设备既有检测、变换等操作性功能，又有运算和控制功能，保证控制系统安全可靠；
5.可互操作性与互用性可互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；互用性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；
6.对现场环境的适应性工作在生产现场前端、作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求等；
7.增加了非控制信息，如自诊断、组态及补偿信息等，实现了现场管理与控制的统一。

第三章现场总线、以太网在热电厂水处理系统中的
实现
电厂化学水处理系统作为电厂重要的辅助车间和辅助系统，特别是大型火电厂和供热电厂的化水处理车间处理量大，工艺复杂，水质要求高，其运营的好坏直接关系到电厂的安全运行及可靠性，是保证发电机组经济运行以及供热系统平稳运转的必要条件。

3.1 热电厂水处理系统工艺流程
监控系统的设计是根据水处理工艺的要求来进行的，隐藏，了解水处理系统的工艺流程是非常重要的。

一般热电厂水处理系统主要包括机械过滤处理单元和
反渗透单元两部分。

机械过滤处理部分主要包括生产水泵控制系统、机械过滤器控制系统以及加药装置。

反渗透部分主要包括保安过滤器、高压泵、反渗透系统、反渗透低压冲洗泵以及加药装置。

整个工艺过程如图1所示。

生水先通过生水泵进入多介质机械过滤器，滤掉水中的大杂质后经保安过滤器再次过滤，经高压泵加压后进入反渗透装置，反渗透出水进入淡水箱。

图1 水处理工艺流程
3.1 控制系统硬件设计
水处理控制系统的合理设计能提高系统的稳定性、可靠性和易维护性。

根据水处理系统的工作要求，本设计采用ARM7微控制器作为整个控制装置的核心部件，其硬件设计框图如图2所示。

图2 控制系统硬件装置
硬件系统主要由ARM微控制器，CAN总线接口，工业以太网借口，人机接口，存储器单元等部分组成。

微控制器采用NXP公司的支持实时仿真的ARM7TDMI-S微控制器LPC2368，负责整体系统的运行内部，包括了CAN总线的控制、操作命令的发出、指令的输入与显示、以太网的控制等。

CAN总线用于对系统中各种设备的控制；人机接口包括LCD液晶显示模块与矩阵键盘接口，负责接受用户指令和反馈状态信息；工业以太网用于上位机同学；存储器扩展单元用于保存少量仪表数据和用户信息。

3.2 CAN总线接口电路设计
由于整个水处理系统中的各个装置之间有一定的距离，需要集中管理和信息处理。

而CAN总线技术可以把单个分散的控制设备变成网络节点，以总线为纽带，把他们连接成可以相互沟通信息。

共同完成自动控制任务的网络系统和控制系统。

CAN通信速率最高可达1Mbps，直接传输距离最远可达10KM，可挂接设备最多达110个，可以完成多通道同时分选和运输人物。

SJA1000是Philips 公司生产的独立型CAN总线控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，它是Philips公司半导体PCA82C200CAN控制器的替代产品，增加了新的工作模式，可以方便的和不同模式的处理器相连接，组成CAN控制网络。

3.3 以太网接口电路设计
LPC2368的以太网模块包含一个功能齐全的10Mbps或100Mbps以太网MAC，这个以太网MAC通过使用加速的DMA硬件来提供优化的性能。

以太网模块的功能包括大量的控制寄存器组、半双工或全双工操作、流量控制、控制帧、用于重发的硬件加速以及接收包过滤等。

以太网模块与使用RNII的片外以太网PHY通过片内MIIM串行总线进行连接。

在系统中需要外接一个具有RMII接口的以太网PHY收发器KSZ804INL。

它是一款单芯片10/100M以太网物理层收发器，它包含了数据接口和管理接口，具有功率低、体积小、波形稳定、价格便宜等特点。

3.4 软件设计
系统软件设计是基于IAR嵌入式系统开发平台并通过C语言程序设计实现的，分为前台和后台两个部分。

前台主要完成各模块中断服务程序，后台主要完
成各模块硬件的初始化程序等。

由于各部分软件设计较为纷繁，在此只给以太网驱动接收函数流程图。

结束语
基于LPC2368微控制器为核心，通过CAN总线和以太网通信实现的热电厂水处理控制系统具有可靠性高、功率低、成本低、实时性强的特点，可以提高热电厂运行的自动化、信息化和智能化水平，降低人力资源成本，使生产效率得到明显提高，具有一定的研究价值和经济效益。