can-rs485協議轉換網關的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，適合于加工自動化領域的應用。 FMS 意為現場信息規范，PROFIBUSFMS 適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而 PA 型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC11582 標準。該項技術是以西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了 OSI 模型的物理層、數據鏈路層。 FMS還采用了應用層。傳輸速率為 ～ 12Mbps，最大傳輸距離在 12Mbps 時為 100m， 時 為 400m,可用中繼器延長至 10km。其傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接 127 個站點。可實現總線供電與本質安全防爆。 基金會現場總線 基金會現場總線 FF（ Foundation Fieldbus）。其前身是以美國 FisherRosemount公司為首，聯合 Foxboro、橫河、 ABB、西門子等 80家公司制定的 ISP協議，以及以 Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的 150家公司制定的 World FIP協議。 1994年這兩大集團合并，成立了現場總線基金會，致力于開發出國際上統一的現場總線協議 。 基金會現場總線分低速 H1和高速 H2兩種通信速率。 H1的傳輸速率 ，通信距離可達 1900m（可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。 H2的傳輸速率可為 1Mbps和 ，其通信距離分別為 750m和 500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符合 IEC11582標準。 FF物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。另外，傳輸速率為 100Mbps的 HSE（ High Speed Ether——高速以太網）也正在 FF中發展。 基金會現場總線的主要技術內容 包括有： FF通信協議；用于完成開放互聯模型中第2～ 7層通信協議的通信棧（ Communication Stack） 。用于描述設備特征、參數、屬性及操沈陽理工大學學士學位論文 7 作接口的 DDL設備描述字典；用于實現測量、控制、工程量轉換等應用功能的功能塊，實現系統組態、調度、管理等功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。 CAN總線 最早 由德國 Bosch 公司推出的 CAN 總線，又稱控制局域網，主要應用于汽車內部強干擾環境下電器之間的數據通信。它也基于 OSI 參考模型，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實 時性。數據鏈路層與以太網相似，采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（ CSMA/CD）機制，最多可連接 110 個節點。其節點有優先級設定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信，各節點可以隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率與總線長度有關。 CAN 總線采用短消息報文，當節點出錯時可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。這種總線規范已被國際標準化組織制定為國際標準，在工業現場測控領域和樓宇自動化得到了廣泛應用 [3]。 本論文的主要工作 本課題著眼于現場總線技術的應用，在分析基于網關的網絡化控制系統結 構的基礎上，設計開發 了 CANRS485 協議轉換網關。 所做的工作主要有以下幾個方面： 通過對現場總線技術的應用現狀的分析， 建立基于網關的工業網絡化控制系統結構 模型 。 研究并開發了 CAN 總線與 RS485 協議轉換網關的硬件。 完成了 CAN 總線與 RS485 網關的軟件設計開發，并調試 CPU與 RS485 間的通信 ，實現簡單數據的交互。 沈陽理工大學學士學位論文 8 2 基于網關的網絡化控制系統模型 現有控制系統存在的不足 在現有 控制中，控制系統應該與企業的經營戰略相聯系，必須將控制系統集成到整個企業系統中。企業的這 種管理模式客觀上要求信息網絡與控制網絡的一體化，兩者分離必將會阻礙信息的上行下達，降低企業的生產管理效率。 目前的控制系統雖然在不同的 動靜態 方面滿足了一定控制的要求，但還是存在一些問題，為系統的應用和推廣帶來了很大的難度。主要表現在以下幾個方面： 企業上下信息的集成 根據美國著名信息咨詢集團 GartnerGroup 和美國先進制造研究中心 AMR 等組織的調查和統計，現有的控制系統中存在著一個極為突出的問題：在企業的經營管理計劃層和底層控制層之間存在著 “鴻溝 ”，即上層的管理決策層和底層的現場控制層之間信息很難實時共享。 通用性 制造過程管理和控制一般是與具體生產方式和設備類型緊密相關的，傳統的控制系統大多是面向功能，生產方式包含在功能之中，因此很難適應多種生產方式 /混合生產方式，往往是不同的企業，甚至是不同的車間都不一樣，也就是說不具備通用性，為企業的流程重構和企業間資源共享帶來了很大的困難。 控制信息的動態和實時性 在現有的控制系統中，執行模塊或傳統的車間控制器實際上完成的只是計劃的派工單及物料的需求和消耗控制，主要是基于 BOM（ Bill of Material）的靜態計劃和控制，沒有將它們與現 場的動態信息融為一體，實現動態、實時的控制 [4]。 基于網關的網絡化控制系統模型 在激烈的市場競爭中， 現代企業非常關心如何 在 將企業生 產和運營的費用降低的同時又能使管理者有效的監管企業的生產和運營， 工業控制網絡的建立就是為了解決這一問題的。 在一個控制網絡中，企業要把 經營決策、管理、計劃、調 度、現場控制等緊密地聯系在一起，進行綜合信息處理， 就必須對企業的生產情況進行實時地監管： 各車間要對生產過程進行有效的自動化控制，管理層要實時地獲得第一手的生產數據等等。 沈陽理工大學學士學位論文 9 基于網關的網絡化控制系統結構 工業控制網絡的目標是，削減通向自動化層次路徑上的復雜程度各異的連接，以跨越不同的總 線技術，并借助以太網建立統一的通信。通過前面對現有控制網絡系統 的分析，從各個控制環 節的功能角度出發，基于各種通信協議轉換的網關，我們將工業控制網絡 分為現場控制層、生產監控層、生產管理層、生產決策層四個層次，通過各層之間的信息共享，構成較為完整的網絡化控制系統模型 [5]，其系統結構如圖 所示。 圖 基于網關的網絡化控制系統結構圖 現場控制層 現場控制層包括各種現場節點和設備，如現場智能傳感器、傳動裝置和執行機構等現場設備，負責現場生產設備按照預先編制好的程序或上層傳遞下來命令進行監控。其主要技術是現場總線技術，將現場總線連接起來成為很多不同的網段，現場節點通過其自帶的現場總線接口與現場總線相連。 由于各種生產條件的不同，可能用到了幾種現場總線技術，在它們之間 可以用相應的網關互連。避免由于一方的網關出現故障而造成的生產服務器 數據服務器 網絡服務器 工業以太網 控制 計算機 優化控制器 以太網 —現場總線網關 現場節點 現場節點 生產決策層 生產管理層 生產監測層 現場控制層 現場總線之間網關 沈陽理工大學學士學位論文 10 網絡的癱瘓問題，提高了網絡的可靠性。 生產監控層 生產監控層主要包括各種網關和在底層簡單的現場控制器，負責生 產過程的監控，以及相應的數據的采集、上報和下傳，保證現場設備準確高效地運行。現場控制器通過網關與控制網絡相連，可以在現場底層實行簡單的控制。生產監控層的網關肩負著使底層的現場總線網絡與上層的網絡相連的任務，它主要負責兩方面的功能：一是接收現場總線上的數據并對其進行解釋，向上傳送；二是把上層網絡發來的命令和數據轉換為現場總線的數據格式送往現場節點。這一層由于要負責上下兩層的數據通信，所以這一層設計的優劣對整個系統的正常運行至關重要。 生產管理層 生產管理層主要負責維護系統歷史數據庫、更新系統實時數據庫， 根據生產監控層傳來的控制信息，進行優化配置，同時接收生產決策層的生產決策、了解企業內部的生產計劃。 生產決策層 生產決策層一方面根據企業內部的生產過程，執行企業內部的物流管理，確定企業的整體生產調度；另一方面，可以通過網絡服務器與外部 Inter 相連，方便遠程客戶對控制網絡的各種信息查詢、故障監控，與分布 比較分散的企業的營銷單元之間進行信息交互，收集市場信息，以便決策 [5]。 控制系統中網關的需求分析 可以看到，上述控制網絡是 建立在串行通信、以太網和各種現場總線的混合通信之上 的 ，通過網關實現各層次 的互連，實現 計算機對現場設備、儀表的操作。網關采用一種相當于隧道技術的方式在各網段之間傳輸數據，當上層網絡向現場儀表、設備發送信息時，它首先基于一種協議將信息發給網關，然后由網關根據相應的總線協議把數據發給相應的儀表設備。反過來，當現場的儀表或設備要往上層的網絡發送數據時，它需要經過網關的協議轉換，再發送給相應的上層網絡。下面對系統中各網關的需求進行分析。 現場總線與 RS232/RS485 網關 在工業控制領域中 RS232/RS485 標準被工業設備所廣泛采用，是一種常見的電氣和通信接口。現在工業控制領域 中很多智能單元使用的通信方式是 RS232/485。因此，如何將現場網絡介質上的現場總線協議信息轉換為 RS232/485 標準的信號或將沈陽理工大學學士學位論文 11 RS232/485 標準信號轉換為現場總線協議的數據，將這些設備納入現場總線控制網絡，實現設備與其它節點以及網絡管理設備通信，具有實際應用和拓寬現場總線應用范圍的意義，這類網關如結構圖中的 LonWorksRS23 LonWorksRS48 CANRS232 網關。 現場總線與以太網網關 以太網技術從出現到現在的幾十年間得到了飛速的發展，其應用領域也從最初的辦公自動化發展到工業控制、樓宇自動化等領域。但是要把以太網技術真正的運用到現場控制的底層，還面臨著以下的困難和問題： （ 1） 以太網并不支持多分插的信令或帶電雙絞線網絡，為布線拓撲設置嚴重限制，并且要求單獨的電源布線。 （ 2） 以太網原來的用途是企業數據網，適合工作在 ESD、突發噪聲、電涌、輻射噪聲、磁場等都比較低的環境。而工業現場的環境要惡劣的多，如果以太網要在這樣的環境中工作，需要加上電涌抑制器、 ESD 防護設備以及一大批其它防護設備，這在經濟和技術上都需要增加投入。 （ 3） 工業控制網絡不同于普通數據網絡的最大 特點在于它必須滿足控制對實時性的要求。由于以太網采用 CSMA/CD 的媒體訪問控制方式，一條總線上掛接的多個節點采用平等競爭的方式爭用總線，因此以太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求。 但是另一方面，隨著現場總線控制網絡的發展，信息管 理決策層需要了解的底層信息會越來越多，以方便決策等優化控制。 現場總線在生產控制底層，由于各種控制環境和控制功能的不同，同時各種現場總線的網絡傳輸介質、傳輸速度也不同，很難由一種現場總線實現整個現場控制。為了將各種現場總線控制系統集成，實現整個底層的網絡化控制，就需 要設計各種現場總線之間協 的協議 網關 ，為了滿足工業控制的實時性要求，它們傳送的數據幀多為短幀，當要傳送很長的數據信息的時候，就只能進行分割傳送，這在控制網絡的底層，具有協議簡單、安全可靠、實時性好等特點，但是在上層的企業信息網中就會影響信息的傳輸量和傳輸速度，如果采用以太網的 TCP/IP 技術，就會大大提高數據的傳輸效率。這就使得現場總線控制網絡與以太網信息網絡的集成勢在必行。因此，需要對各種現場總線與以太網的互連網關進行深入的研究，如控制系統中的LonWorks以太網網關、高速基金會現場總線 H2以太網網關 。 各現場總線之間網關 議轉換的網關，將采用不同總線協議的生產線、生產車間互連 [6]。 沈陽理工大學學士學位論文 12 3 CANS485 協議轉換網關的設計 CAN協議規范 隨著 CAN 在各種領域的應用和推廣，對其通信格式的標準化提出了要求。為此，1991 年 9 月 Philips Semiconductors 制訂并分布了 CAN 技術規范 。該技術規范包括 A, B 兩部分。 給出了 CAN 報文的標準格式， 給出了標準的和擴展的兩種格式。此后， 1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運輸工具 數據信息交換 高 速通信控制器局域網 (CAN)國際標準 IS011898，為控制器局域網的標準化、規范化鋪平了道路。 CAN 總線是開放系統，但沒有嚴格遵循國際標準化組織 ISO 的開放系統互連的七層參考模型 OSI，處于對實時性和降低成本等因素的考慮， CAN 總線只采用了其中最關鍵的三層，即物理層，數據鏈路層和應用層，其中數據鏈路層又進一步分為邏輯鏈路控制子層 LLC 和媒體訪問控制子層 MAC，而應用層則包含了 ISO/OSI 模型中物理層和數據鏈路層外其余各層的功能。 CAN 總線物理層的主要內容是規定了通訊介質的機械、電器、功能和規程特性。 在 ，而在 IS011898標準中的內容更加具體，但沒有指明通訊介質的材料，因而用戶可以根據需要選擇雙絞線、同軸電纜或光纖。 CAN 是一個多主機局部網，它的串行通信鏈路采用一條多個單元均可連接的總線。理論上，單元數目是無限的，實際的單元總數受限于延遲時間