现场总线控制系统设计

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.
ABSTRACT
Field bus control system is the development 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 the 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 problems 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4～20mA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、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Bosch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。

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，FF＝0, 扩展帧中FF＝1；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4～11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 ＝ 1；字节2～5为报文识别码，其高29位有效。

字节6～13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。

（1）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。

（2）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“显性位“将被认为是帧起始。

（3）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。

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，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
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。

两节点间的最大距离见下表。

11. 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Rockwell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：
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(Explicit Message)
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/O Message)
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。