电网监控系统的CAN总线智能通信节点设计Word文档下载推荐.doc

1、1.4 现场总线的结构模型51.5 现场总线的特点与优点62 电网监控的控制器局域网总线（CAN）82.1 CAN总线技术特点82.2 CAN总线技术规范92.3 CAN总线的通信原理103 CAN总线智能通信节点设计133.1硬件电路设计143.2 CAN总线通信接口的控制和驱动163.3 CAN通信接口电路设计214 CAN总线通信节点的软件设计244.1 SJA1000的初始化244.2 报文的发送过程264.3 报文的接收过程295 结论33参考文献34致谢35附录361 绪论智能电网是经济和技术发展的必然结果，具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可

2、靠性等方面的性能。智能电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技术，以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术。智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化1。智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力：既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。智能电网也需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台，从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务2。CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为

3、CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场

4、总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性。首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN

5、总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差3。其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保

6、证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的4。另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。1.1 智能电网的概念1.1.1 智能电网的含义智能电网并没有一个确定的概念，各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如

7、下定义：智能电网是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。针对智能电网技术，美国和欧洲已经形成强大的研究群体，研究内容覆盖发电、输电、配电和售电等环节，许多电力企业也在如火如荼地开展智能电网建设实践，通过技术与具体业务的有效结合，使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，最终达到提高运营绩效的目的。总之，智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务

8、总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化。1.1.2 智能电网与传统电网的差异传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性，致使电网没有动态柔性及可组性；垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统；系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；对客户的服务简单、信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。虽然局部的自动化程度在不断提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系统中多个自动化系统是割裂的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体，所以整个电网的智能化程度较低。与传统电网相

9、比，人们设想中的智能电网将进一步拓展对电网全景信息（指完整的、正确的、具有精确时间断面的、标准化的电力流信息和业务流信息等）的获取能力，以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础，以服务生产全过程为需求，整合系统各种实时生产和运营信息，通过加强对电网业务流实时动态的分析、诊断和优化，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持，以及控制实施方案和应对预案，最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。与传统电网相比，智能电网将进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，通过集中与分散相结合，灵活变

10、换网络结构、智能重组系统架构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。由于智能电网可及时获取完整的电网信息，因此可极大地优化电网全寿命周期管理的技术体系，承载电网企业社会责任，确保电网实现最优技术经济比、最佳可持续发展、最大经济效益、最优环境保护，从而优化社会能源配置，提高能源综合投资及利用效益。智能电网监控系统的连接采用了现场总线，而且CAN总线又具备了一系列的优点，所以本毕业设计是CAN总线对智能电网监控的通信设计。1.2 现场总线的概念现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通

11、信的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线、电缆和光纤等作为通信介质，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以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5。传统的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统称为 “信息孤岛”。现场总线是一种在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，可以完成现场自动

12、化设备之间的多点通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线作为过程自动化、制造自动化、楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统（FCSFieldbus Control System）是开放系统网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把连接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报签、显示、监控、优化和控管一体化的综合自动化功能6。这是一项以智能传感器、控制、计算

13、机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与因特网、企业内部网相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网，它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。它与现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。由于现场总线所肩负的测量控制的特殊任务，它具有自己的特点，它要求信息传输的实时性强、可靠性高，且多为短帧传送，传输速率一

14、般在1 kbps至1 Mbps之间。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。1.3 现场总线的产生与发展现场总线是在发展综合自动化的需要下产生的，现代的工业生产需要把市场、生产计划、制造过程、售后服务和企业管理作为统一的生产过程来考虑，并采用计算机、控制和通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工和管理决策等。要实现整个生产过程的信息集成、实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、价格低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现

15、底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。智能仪表的出现为现场总线的出现奠定了基础。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着来自不同厂商而遵从相同标准的设备可以互连为一致的通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施T作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process

16、 Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由Siemens、 Rocemount、 ABB、 Foxboro 、Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准；1993年，以Honeywell Bailey等公司为首，成立World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年，ISP和World FI

17、P北美部分合并，成立T现场总线基金会（Field bus Foundation，简称FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，于19%年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。与此同时，在不同行业还陆续出现了一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国Bosch 公司推出的CAN，美国Echelon公司推出的Lon Works等。当前，由于各行业和各公司投资效益和商业利益的需要.存在着多种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构

18、网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连系统，是现场总线技术的大势所趋7。.1.4 现场总线的结构模型按ISO （ International Standardization Organization国际标准化组织）的OSI （Open System Interconnection开放式系统互联）参考模型的规定，计算机网络结构分为7层，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。IEC （International Electro technical Commission-国际电工技术委员会）定义现场总线的结构模型为3层，分别为物理层、数据链路层

19、和应用层8。其原因是：在现场总线实际应用中，不需要选择等功能，传送信息通常也不会提交给高层网络，从实际需要出发，可以减少层次。但是，现有的传输层不支持广播式或多点式寻址，现有的会话层和表示层均不具备周期性服务的功能。为此，美国仪表学会制定的ISA/SPSO现场总线结构模型规定，增加新的用户层。这样，现场总线结构模型统一为4层，即：物理层、数据链路层、应用层和用户层，两种网络模型之间的对照关系如图2-1所示。图2-1 两种网络模型的比较现场总线模型4个层次的任务概况如下:（1） 物理层（Physical layer ）：规定了铜导线、无线通信和光纤传输速率通常分为低、高速两类，低速H1一般不超过

20、31.25kbps，高速H2不超过1 Mbps或2.5Mbps。物理层还应规定每条线路最多连接的智能端口数量。最大传输距离与速度有关，通常低速率H1时为1900m；若速率允许更低，则传输速率可达10km；不同的高速率H2，传输距离可不超过750m, 500m或40m不等。（2） 数据链路层（Data link layer）：规定了物理层与应用层之间的接口，如数据结构，从总线上传送数据的规则，传输差错识别处理，噪音检测、多主站使用规范等。该层通过每帧数据校验来保证信息的正确性、完整性，为应用层透明与可靠的传输和处理做准备。概括的讲，其主要任务是解决通信过程中数据的链接任务，具体表现在确定总线存取

21、规则、令牌传送、申请立即响应，总线时间调度等规则。（3） 应用层（Application layer）：提供设备之间及网络要求的数据服务，以对现场控制进行支持。为给用户提供一个简单的接口，该层大部分工作内容是定义信息语法、传输信息的方法、网络初始化的管理操作；通过出错统计，控制网络运行并检查有无新站挂网或老站退出，系统连续询问各可能的站地址以寻找新站。该层利用对信息或命令的格式及读写规定，使通信双方或多方互相理解其内容、数据格式，并可完成纠错判断。（4） 用户层（User layer）：把数据规格为确定的形式，并用以表达特定的功能或设备，从而能被连接在现场总线网络上的智能端口（设备或仪表）所识

22、别和理解。简言之，用户层的主要任务是对现场总线设备中数据库信息的互相存取制定统一的规则，定义功能块，提供用户对系统进行组态的语言。 现场总线模型中还必须有网络管理部分。其任务是将上述网络通信协议中的4个层次有机的结合在一起，协调的工作，使各层准确的完成通信和数据交换所赋予的任务。网络管理不直接参与数据通信，但对通信任务起着必不可少的保证作用。1.5 现场总线的特点与优点1.5.1 现场总线系统的特点系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之间都可以互连。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可根

23、据自己的需要，把来自不同供应商的产品组成随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。互可操作性和互用性：互可操作性是指实现互连的设备间和系统间的信息传送与沟通；互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以实现互相替换。现场设备的智能化与自治性：现场总线技术的应用将传感测量、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：现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了原有DCS系统集中与分散相结合的控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性.。对现场环境的适应性：工作在生产现场

24、前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现通信与供电，并可满足本质安全防爆要求等。1.5.2 现场总线的优点节省硬件资源与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等。也不在需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双纹线或一条电缆上通常可挂多个设备

25、，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少9。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计和安装的工作量。节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简单化，连线简单而减少了维护工作量。2 电网监控的控制器局域网总线（CAN）2.1 CAN总线技术特点CAN总线（Control Area Network，控制局域网络）最初是由德国Bo

26、sch公司为汽车内部的监控系统而设计的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ, BMW, PORSCHE，ROLLS-ROYCE等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式串行通信网络，具有物理层，数据链路层和应用层三层协议。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能：可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN总线传播的形式进行通信。由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用

27、范围目前己不再局限于汽车行业。CAN现已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN具有如下主要特性：（1） CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。（2）CAN网络上的节点信息可分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134S内得到传输。（3）CAN采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。（4）CAN只需通