毕业设计论文直流电源监控系统

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1、第1章 绪论1.1直流电源监控系统简介电力直流电源系统主要用于电力系统中的发电厂、水电站和各类变电站，用于断路器分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护、事故照明和不可断电装置等负载提供工作直流电源。它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。电力直流电源系统主要包括降压装置、交流配电、整流器、蓄电池组、直流配电等部分。其所要实现的功能是：蓄电池电压电流监控、充电机充电方式自动控制、蓄电池-充电机系统的智能化管理、控制回路和动力回路的状态监控、绝缘监控、三相交流电源监测等。由于电力直流电源系统常常用于重要的场合，要求不能断电，所以直流电源系统可靠与否直接影响到供电配电系统的安全运行,而功能强弱

2、则影响系统的良性运行和蓄电池的使用寿命。随着电力系统自动化、计算机控制和电力电子技术的发展及实际现场运行和维护的需要,对直流电源系统的要求也相应提高,因此在这方面进行研究和开发很有必要。1.2发展现状及研究意义 20世纪90年代初期，由于我国直流电源系统设备陈旧，引发了不少事故，引起了各方面的高度重视。为此电力部组织研制了先进的、系列化的直流电源成套装置来装备电网，以确保电网的完全可靠运行。之后，电力部又组织了微机控制电力直流电源系统的研制，用监控装置代替了人对电源系统进行维护和管理，以适应无人值守变电站的需要。这两项研制任务的完成，促进了我国电力工程直流电源系统的更新换代和直流电源制造行业的

3、技术进步，提高了电网直流电源系统的自动化程度。进入20世纪90年代末期，电力直流电源系统又掀起了新一轮的技术改造，改造的重点集中在两个方面：一是研制高频开关电源模块替代相控电源；二是研制功能更强的新一代监控装置。 对于电力直流电源系统监控的研究，有两方面的意义：1) 阀控密封铅酸蓄电池智能维护的需要铅酸蓄电池自1859年法国人普兰特发明至今已有一百多年的历史,一百多年来铅酸蓄电池有了极大的发展。20世纪70年代初,产生了阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA: valve regulated lead-acid)，它有密封、免维护、自放电小、性能稳定、经济实用等优点，自出现以来就以优良的性能价格比,安

4、全可靠的使用性能而迅速占领市场,被广泛应用于电力工业和邮电通信。然而由于电池本身的设计、生产工艺及使用维护等原因,电池早期失效现象常有发生,尤其是国产免维护电池,有的只能用23年,远远短于预期寿命,严重影响了系统的安全运行。因此，对于蓄电池的智能管理成了研究的热点。然而蓄电池性能受诸多因素影响,其测量也较为困难，阀控密封铅酸蓄电池容量的在线检测一直是个难题，至今没有一个方便的解决方案。完善的解决方案往往需要专家系统的支持，因此，为了保证作为不间断供电的关键设备的安全运行，有必要对此进行研究。2) 变电站综合自动化技术的发展趋势变电站综合自动化技术取代或更新传统的变电站已成为电力系统的发展趋势。

5、目前,电力系统推广无人值班变电站,虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站运行情况的实时信息,但是对于直流部分只能得到少量的重要信息。它不能反映直流系统运行的详细信息,特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况,直到长期的异常运行发展为故障时才上发调度,此时,事故已经扩大。所以需要设备维护人员对其进行定期检查。此外,对直流设备运行的控制也是由维护人员进行现场操作的。变电站多,维护人员少,显然无法保证按期按量完成。在这种情况下,直流监控系统应运而生。它的主要作用就是把各变电站的直流设备信息上送到监控中心,供其查询,同时监控中心也可以向各站发送控制命令。这样,维护人员不但可以在监控中心对直流设备

6、进行远方监控,还可以及时发现设备运行的不正常状态,及时处理,而不等其发展演变成事故。所以,直流监控系统的建立,可以节省人力物力,提高工作效率，而且，还可以利用专家系统对蓄电池组进行智能管理。基于此，本人参与建立了电力直流电源系统的模拟装置，成功地将现场总线技术应用于该监控系统。本文将着重介绍该系统的网络和监控部分的内容。1.3工业现场总线概述随着计算机网络技术的迅速发展，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业自动化控制系统结构发展的必然趋势。以现场总线为基础的全数字化自动控制系统是当今世界各国在工业自动化领域关注的热点课题。根据国际电工委员会IEC61158标准定义，现场总

7、线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线技术是过程工业最关注的深刻变革之一。由于现场设备和仪表的智能化程度在不断提高，作为嵌入式应用的微控制器功能也在不断加强，因此现在智能化设备和仪表的功能己不仅仅限于数据采集，还越来越多地加入了远程控制的功能。使得这类智能化设备和仪表的应用范围越来越广，这种趋势也极大地改变着传统控制系统的结构。现场总线网、智能化设备仪表的发展影响着DCS的体系结构，现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。在现场总线这一级，除了智能I/O模块以外，还可以接入各种智能化电子设备和各种智能化仪表，最大限

8、度地利用最新的、最先进的开发成果，而且由于分散度的提高，每个智能单元所涉及的面很少，这与在传统结构中变送器出现故障的情况是一样的，但由于智能单元可以实现全面有效的自诊断功能，出现故障可以及时报警、报告故障类型及故障点，因此给维护带来了极大的方便。目前市场上正在应用的各种现场总线有数十种，主要归类在两个标准族。一个为IEC/SC65C的IEC61158标准，另一个为IEC17B的有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口的IEC62026标准。而IEC61158是制订时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。它的制订时间超过12年，先后经过9次投票表决，两次提交IEC执委会审议，

9、直到2000年1月4日IEC中央办公室公布1999年底最新一轮投票结果才表明该标准已获通过。并且该标准容纳了八种互不兼容的协议，其中由美国罗克韦尔公司支持的控制网(ControlNet)成为IEC61158标准的类型2。2000年6月15日各国IEC委员会投票通过IEC62026。由美国罗克韦尔公司支持的DeviceNet是IEC62026标准之一。1.4 本文的主要工作本文利用工业现场总线DeviceNet和ControlNet组建了监控网络，成功地将现场总线技术应用于该监控系统，实现了以PLC为核心的实时监控。所作主要工作有： a) 分析、连接DeviceNet网络，并进行组态；b) 分析

10、、连接ControlNet网络，并进行组态；c) 利用触摸屏人机界面，实现了现场监控；d) 利用RSView32及其扩展功能，实现了动态显示和远程监控。第2章 系统概括介绍2.1系统涉及的网络硬件2.1.1罗克韦尔网络体系概述罗克韦尔自动化是一家工业自动化跨国公司，为制造业提供一流的动力、控制和信息技术解决方案。罗克韦尔自动化公司整合了工业自动化领域的知名品牌，致力于打造全方位自动化解决方案，帮助客户提高生产力。1 .罗克韦尔的三层网络体系NetLinx是由罗克韦尔公司推出的一种先进的网络体系，是目前世界上最先进的开放式自动控制网络体系。它将网络服务、通用协议和开放式软件接口有机结合，保证了信

11、息和控制数据高效率和无缝流动。在同一个网络上实现了控制、配置和采集数据三个功能。NetLinx体系是ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP三个开放式网络的基础。其中，ControlNet的通信速率是5Mbs，可以提供介质冗余和本安选择，可以建立热备系统。NetLinx已经安装了二百万个节点，得到了广泛应用。 NetLinx的系统结构图如下：图2-1 罗克韦尔工业网络结构图（1） 设备层（DeviceNet）：这是面向现场设备的一层,也是整个自动化网络的最低层,它可以将操作信息送到现场设备,也可以将现场设备的情况反馈到操作者。（2） 控制层（ControlNet）：这是

12、操作所在的一层,它将处理器与处理器之间的信息交流、将处理器与输入/输出接口之间的信息交流集成在这一层。（3） 以太网（Ethernet）：这是整个自动化网络的最高层,也是对现场采集到的数据和信息进行处理和管理的一层。这三种网络均为开放技术，而且都是国际标准，因而使用NetLinx平台的用户可以从多家供货商挑选性能价格最合适的设备，不必拘泥与某一家或几家的产品，从而大大增加了用户选择产品的灵活性。除此之外，A-B公司还提供其他的网络，可以更加丰富网络的结构体系，方便的连接和通信。1. DH+工业局域网。在控制层，除了强大的控制网以外，还有DH+(Data High Plus)网络，它是一种工业局

13、域网，用于支持工厂应用工程的远程编程，也可以通过DH+在可编程序控制器、计算机、人机界面产品等之间的数据传送。DH+网络的每个链路可以连接64个设备，用户可以组态一个具有99个链路的网络。一个多链路的网络可以具有更多的节点。借助于将节点布置在一个适当的含几个节点并与其他节点隔离的链路中，可以提高信息的传输效率。DH+网的基本传输速率为57.6kb/s，最大的距离是3050m，如果缩短为762.5m，传输速率可达230.4kb/s。2. 通用远程I/O链路 通用远程I/O链路(Universal Remote I/O)将SLC和PLC处理器与远程I/O机架和一批智能设备，如操作员界面和交、直流拖

14、动装置连接，I/O机架和其他设备则可以安装到远离SLC和PLC处理器3048m的地方。SLC和PLC处理器对远程I/O链路的存取，是通过处理器内置的扫描端口或通过独立的扫描器模块进行的，I/O产品在链路上与这些扫描器的通信，是通过独立的适配器模块或通过内置的适配器进行。3. DH-485工业局域网DH-485是一个工业局域网（LAN），主要用于工厂极的应用。DH-485能够连接的网络设备多达32个，包括SLC 500MicroLogix 1000可编程序控制器、彩色视图系统和个人计算机。DH-485链路的辅助RS-232-C(DF1协议)链路连接起来形成DH-485网络。2.各种网络特性的比较

15、 表2-1 罗克韦尔网络特性比较DeviceNet 网络ControlNet网络Erhernet/IP 网络通用远程I/O链路DH-485网络DH+网络功能不通过I/O模块，直接把底层设备连接到工厂级的处理器上支持PLC和I/O设备直接的实时数据传输集成了工厂管理系统（物资管理）；网络配置；数据采集；控制另一个独立的高速网络；和未预定的实时应用提供PLC和I/O适配器之间的连接提供SLC处理器、人机界面和编程设备之间的连接允许工厂级和车间级的数据共享和远程编程典型的网络设备传感器、马达启动器、变频器、按钮、低端人机界面、条形码阅读器、PLC、气动阀PLC 处理器、I/O机架，人机界面，个人计算

16、机，变频器、机器人大型计算机，PLC控制器，机器人，人机界面，I/O接口和I/O适配器PLC处理器，I/O机架、变频器、操作员介面, 远程开关、 操作模块SLC处理器，个人计算机，低端人机界面PLC处理器，个人计算机，高端人机界面数据的再现小的数据报；需要的时候才发送数据中度大小的数据报；数据的传递是确定的、可以重复的大数据报，周期发送中度大小的数据报周期传送小的数据报，通过周期传送或指定传送中度大小的数据报周期传送最大节点数64个逻辑结点（2048个设备）99个无限1 扫描器和 32 适配器32个每条链路64个（网络可以有99个链路）数据传输速率500, 250, 或者 125k bit/s

17、5M bit/s 10M bit/s100M bit/s230.4, 115.2, 或者57.6k bit/s 19.2k bit/s57.6k bit/s设备供应商完全开放完全开放完全开放罗克韦尔自动化公司及其合作者应用举例控制、配置、采集数据；传感器和执行机构联网到PLC控制器或个人计算机以减少导线并提供更多的故障诊断信息. 控制、配置、采集数据；PLC处理器控制远程I/O机架；和其它处理器进行点对点通讯，并对实时数据采用冗余介质连接使用一台单独的个人计算机对多个PLC处理器控制、配置和采集数据，或者用一台单独的个人计算机在多个PLC控制器之间上载下载非实时数据一个PLC-5处理器控制I/

18、O机架、PanelView操作员介面、1336拖动装置和第三方生产的焊接装置阀门在一个小工厂使用一个编程用的个人计算机连接到一个或者多个SLC处理器上使用一个个人计算机在网络的一端对全工厂的多个PLC处理器编程2.2.2 PLC-5可编程序控制器 1. 可编程序控制器概述可编程序控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC，是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。它是一种专为工业控制环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入输出，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算的一些确切的功能，来控制各

19、种类型的机械和生产过程。本世纪六十年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群的发展，为了适应生产工艺不断更新的需要，对控制系统也提出了更新的要求，主要是：a.它的继电器设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；b.它能把计算机的功能和继电器结合起来，而编程又比计算机简单易学，操作方便；c.系统通用性强。这样美国数字设备公司根据上述要求，开发出了第一台可编程序控制器，其后日本和德国等国家也相继引入，可编程序控制器迅速发展了起来。 七十年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制器更多的具有计算机的功能，不仅用逻辑编程取代了硬连接，还增加了运算、数据传输和处理等功能，真正的成为一

20、种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化。PLC作为一种控制器，其优点是显而易见的：（1） PLC的软件简单易学。PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。（2） 使用和维护方便。a. 硬件配置方便。PLC的硬件是由专门的厂家按照一定的标准和规格生产的，硬件可按实际需要配置。b. 安装方便。内部不需要接线和焊接，只要编写程序就可以了。c. 使用方便。节点的使用不受次数的限制，内部器件可多到是用户不感到由什么限制。只需考虑输入输出点个数，这可由各种类型的PLC来提供。d. 维护方便。P

21、LC配置有许多的监控提示信号，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员并能动态的监视程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。（3） 运行稳定可靠。PLC式专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层的抗干扰和精选元件，可在恶劣的环境下与强电设备一起工作运行的可靠性和稳定性都很高（4） 设计施工周期短。使用PLC完成一项工程，在系统设计完成后，现场施工和PLC程序设计可以同时进行，而且程序的调试和修改都很方便。2. PLC的基本工作原理 PLC虽然具有微机的许多特点，但是它的工作方式却和微机大有不同。 PLC采用的是循环扫描的方式，在PLC

22、中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到最后结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。整个过程可以分为五个部分：自诊断、与编程器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新，其工作过程如下：自诊断与 编 程 器、计 算 机 的 通 信读入现场信号执行用户程序输出结束 图2-2 PLC工作原理图（1） 每次扫描用户程序之前，都先执行自诊断程序。自诊断程序内容为：I/O部分、存储器、CPU等，发现异常则停机显示出错。若自诊断正常，则继续向下执行。（2） PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有，则进行相应的处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据并把要显

23、示的数据发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信要求，也在这段时间完成数据的发送和接受任务。（3） PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入寄存器中，这就是采样阶段。（4） 中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态进行处理，即按照程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序的执行阶段。（5） 当所有的程序执行完了之后，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受到的电压和电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫

24、描周而复始的进行。3. 罗克韦尔公司PLC-5系列可编程序控制器简介PLC-5是罗克韦尔公司早期的产品，它在包括冶金，矿山，水处理等很多的领域都得有广泛的应用。PLC-5技术成熟，在大型和中型应用领域是一种比较好的选择。最近几年，PLC-5又增加了DeviceNet、ConntrolNet和Ethernet/IP等功能，这大大的丰富了PLC-5的应用范围，在控制要求比较高的情况下，可以采用ConntrolNet PLC-5 热备系统。 罗克韦尔公司的PLC-5可编程序控制器，除了具有一般PLC所共有的特点以外，还具有以下特性：l 支持多种编程语言。l 强有力的程序控制特性。l 通用指令系列l

25、内置的通讯能力l 程序执行速度达到0.5ms/k位逻辑最大2ms/k。l 口令和权限对系统进行保护。本次毕业设计采用的是PLC-5/40C处理器，支持ConntrolNet通信，其面板如图： 图 2-3 PLC-5的面板示意图2.1.3 操作员终端PanalView1400e 图 2-4 PanalView1400ePanalView 1400e的高端CRT图表终端是PanalView 1200系列产品的新型产品，提供VGA彩色点阵图象。另外，有一个单独的接口提供可与A-B公司的PLC和SLC控制器的DH+和增强型远程I/O通信，也可以利用ControlNet进行通信。终端有触摸屏和键盘两种选

26、择，使操作员在输入是更加简便灵活。其特性如下： VGA彩色像素图表，使屏幕上的目标尺寸和位置变化更灵活，也允许输入位图文件和AUTOCAD文件。 DH+接口允许一台PanalView 1400e与多个PLC处理器或多个PanalView终端访问一个PLC处理器。基于标记的DH+界面，支持非请求的信息和8个扫描等级。 扩展远程I/O接口也是基于标记的，并具有“只收听”选项。最大可达到64个逻辑机架和64个块传送，每个块传送包括至多64个字。 ControlNet接口综合了远程I/O的高速性DH+网络多PanalView/PLC的高性能开放系统网络结构的特性。 丰富的操作员工具可供选择，包括：按钮

27、、选择器、指示器、数字显示、数字键盘、棒状图、ASCII码输入及显示、在线趋势图以及常用图表。 项目叠层功能。允许控制设备直接安放在其他项目上面，从而是操作员控制更加直观。 扩展的报警控制功能。2.1.4 I/O模块1794柔性 FLEX I/O在PLC系统中，I/O模块分直接I/O模块和智能I/O模块两种。直接I/O模块是在模块上拥有独立的输入或输出通路，对应于可编程序控制器数据映象区上的位或字，这些位或字对应于相应的I/O回路上信号的值，以使用户程序可以直接存取I/O的值。直接I/O模块根据与传感器或执行机构的传输方式的不同，可以进一步分为数字量模块和模拟量模块。智能I/O模块可在模板上通

28、过处理输入量来控制输出量，而不必由用户通过数据表来控制。FLEX I/O是一个应用于分布式场合灵活、价格低廉的模块式系统，它提供强大的框架式I/O所具有的功能而无需那样的安装空间。使用FLEX I/O可以独立的选择I/O种类以适应应用的需要。一个FLEX I/O适配器可以接8个接线基座。在需要较多的I/O或组合使用不同种类的I/O时，可以无须购买附加电源和通讯适配器即可适应系统要求。FLEX I/O是I/O接口与端子排的组合，使用接线基座上的端子排就可以直接进行现场接线。这样节省了安装和调试的时间和空间以及扩展端子的费用。采用基座接线端子，可以在底板带电的情况下拔插模块，因而无须重新接线或断开

29、系统。只要配上合适的适配器FLEX I/O系统就可以在远程I/O，DeviceNet和ControlNet网上进行通讯，可以根据需要增减元件。FLEX I/O是适用于分布式应用场合的小型模块式I/O系统，系统由以下元件构成：1) 适配器/电源：为多个八个I/O模块提供电源以及内部逻辑操作。2) 段子基座：包括一个端子排作为两线或三线设备的接线终端。适配器端子基座 I/O模块3) I/O模块：包括总线接口与电路，以完成应用所需的特殊功能。图2-5 FLEX I/O模块示意图.系统的结构图2.1.1 电力直流电源系统结构直流电源系统在实际的应用中有重要的意义，本系统是对真实系统的模拟。控制的对象是

30、蓄电池组和硅堆，如图2-5所示，主要包括降压装置、交流配电、整流器、蓄电池组、直流配电等部分。控制的目标是保证控制母线的电压保持恒压，这主要通过对硅堆的控制来实现。具体的控制是通过整流控制器和PLC共同实现。本文依托于罗克韦尔强大的工业现场网络，实现了完善的控制算法和方便的现场、远程监控。图2-6 模拟直流电源监控系统结构图2.2.1系统的网络结构 本次毕业设计采用的是罗克韦尔公司的网络体系，主要采用的是工业现场总线DeviceNet和控制网络ControlNet，并通过RI/O将PowerMonitor3000与可编程序处理器PLC-5相连接，所有的数据通过ControlNet送入PLC-5

31、，再由PLC-5处理转换成控制信息以后发送到个控制单元。PanalView处于ControlNet层，在工厂级对系统进行监控，RSView32则位于上位机，通过ControlNet采集数据，监控控制单元，远程监控则是通过RSView32 Active Display System将RSView32延伸成服务器/客户模式，用户可以在远程的客户端通过客户端服务程序或通过IE浏览器来实现远程监控. 图2-7 系统网络结构图第3章DeviceNet及其应用3.1 DeviceNet概述3.1.1 DeviceNet简介设备网是通过一个开放的网络，将低层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们

32、与I/O模块相连。设备网是一种柔性的、开放的网络，可以运行许多销售商行生产的设备。设备网是基于生产者/客户的网络模式，这是最现代化的网络技术，生产者/客户模式使控制数据同时到达操作的每一单元，可以更有效的利用网络的频带宽度，同时，生产者/客户的还可以显著的减少网络的通信量，提高响应的速度和准确性。设备网的网络结构如下所示：图3-1 设备网网络结构图3.1.2 DeviceNet的网络特性一个集成控制网络功能费用是如何由简单、有效的组装系统元部件来决定的，设备网网络正是迎合这些要求而设计的，它为用户控制系统增加了灵活性，提高了效率，具体表现在：1) 设备的相互可操作性。设备网网络提供不止一种协议

33、技术条件，它的相互可操作性所根据的标准有： 敞开型和密封型的设备连接器； 诊断指示器； 设备的“行规”（Profile）。2) 设备的可互换性。各个销售商所生产的符合设备网网络和设备行规标准的简单装置（如按钮、电动机起动器、光电传感器、限位开关等等）都可以互换，位用户提供灵活性和选择性.。3) 一种公用的网络。一个开放型的设备网网络标准提供一般终端用户的解决方案，它降低了网络销售商所必须支持各种各样的设备的要求。4) 以一个公认的标准为基础。设备网网络标准基于被公认的，著名的CAN技术，它有助于保证最终用户和工业界双方的广泛理解与支持。5) 改善生产率。一个开放的设备网络标准有助于改善整体生产

34、，它给予最终用户的更多的选择和鼓励设备革新，因此可以改善精度、提供诊断和增加处理数据的总量。6) 有助于减少维修费用。设备可以在不切断电源的情况下拆卸和更换，也不需要编程工具。3.1.3 DeviceNet的传输协议DeviceNet沿用了CAN协议标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，定义了不同的报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和故障隔离的方法。而应用层规范则是由厂商自主开发，对应于ISO网络协议七层模型的第一、二、七层。其关系如图所示。应用层数据链路层物理信号层收发器传输介质ISO第七层应用层ISO第二层数据链路层ISO第一层 物理层DeviceNet应用层规范CAN协议Devic

35、eNet物理层协议图3-2 基于CAN的DeviceNet协议分层结构1. 物理层 DeviceNet网络元件包括系统接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接口和电源分配。线缆包括粗缆（多用作干线）和细缆（多用于分支线），总线的线缆中包括24V直流电源和信号线两个双绞线线对以及信号屏蔽线。DeviceNet提供125/250/500 Kbps三种可选的通讯波特率,最大拓扑距离为500米，每个网络段最大可达64个节点。波特率、线缆类型、拓扑距离之间存在一定的对应关系。2. 数据链路层 数据帧格式 DeviceNet数据链路层遵循CAN协议规范，并由CAN控制器芯片实现。CAN提供数据帧、出错帧、远程帧

36、和过载帧等多种帧格式，最重要的是数据帧，其格式如所示。帧起始标志11位标识符控制字段帧长08字节数循环确认帧结束标志 图3-3 CAN数据帧格式 冲突处理机制DeviceNet采用非破坏性逐位仲裁（NBA）的方法解决共享介质总线访问冲突问题。网络上每个节点拥有一个唯一的标识符，这个标识符的值决定了仲裁中优先级的大小，优先级值小的节点在竞争仲裁中为获胜的一方。不同于以太网，总线上不会发生冲突，竞争中获胜的节点可以继续发送，直至完成为止。这种机制保证了总线上的信息不会丢失，总线资源也得到最大的利用，不会浪费。3. 应用层 数据生成源/消费源（Producer/Consumer Model）的网络模

37、型现今的工业自动化网络中有两种主要的网络模型，即源/目的地模型(Source/Destination)和生产者/消费者(Producer/Customer)模型。较早出现的现场总线，如Profibus DP、Profibus PA、Interbus S、AS-I等，都是基于源/目的网络模型的产品，90年代中期以后推出的一些现场总线产品，则采用了生产者/消费者通讯模型，以期获得更高的通讯效率，满足更高的控制要求。如ControlNet、DeviceNet等。源/目的地模型(Source/Destination)，存在明显的不足。下图给出了控制网生产者/消费者通讯模型与源/目的通讯模型的数据包结构

38、。源目的CRC数据图3-4源/目的通讯模型的数据包结构标识符CRC数据 图3-5生产者/消费者通讯模型的数据包结构DeviceNet上的设备既可能是客户，也可能是服务器，或者兼备两个角色。而每一个客户/服务器又都可能是生产者、消费者，或者两者皆是。典型地，服务器“消费”请求，同时“产出”响应；相应地，客户“消费”响应，同时“产出”请求。也存在一些独立的连接，它们不属于客户或服务器，而只是单纯生产或消费数据，这分别对应了周期性或状态改变类数据传送方式的源/目的，这样就可以显著降低带宽消耗。与典型的源/目的模式相比，生产者/消费者模型是一种更为灵活高效的处理机制。在DeviceNet上，产生数据的

39、设备提供数据，并给这些数据赋予相应的标识符。需要接收数据的设备则监听网络上所传送的报文，并根据其标识符选择接收（即“消费”）合适的报文。按照生产者/消费者模型，在网络上传送的报文不一定专属于某个固定的源/目的地，网络可以支持多点发送，大大节约了带宽。 网络结构 设备网的电缆系统采用的是一种主干/支线设计，它的部件始于设备与设备网的连接点，通常将设备（或节点）连接到支线或多端分接器，然后通过一个密封式或多端的分接器与主干线相连。 数据通讯方式 DeviceNet支持多种数据通讯方式，如循环（Cyclic）、状态改变（Change Of State）、选通（Strobe）、查询（Polled）等。

40、循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备的信号发生的速度，灵活设定循环进行数据通讯的时间间隔，这样就可以大大降低对网络的带宽要求。状态改变方式用于离散的设备，使用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通讯，而不是由主设备不断的查询来完成。选通方式下，利用8字节的报文广播，64个二进制位的值对应着网络上64个可能的节点，通过位的标识，指定要求响应的从设备。查询方式下，I/O报文直接依次发送到各个从设备（点对点）。多种可选的数据交换形式，均可以由用户方便地指定。通过选择合理的数据通讯方式，网络使用的效率得以明显的提高。 对象模型与设备描述DeviceNet使用了对象的概念来描述应用层的协议。对象

41、模型提供了组织和实现DeviceNet产品构成元件属性、服务和行为的简便的模板。模型为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案。它们分别是节点地址（MAC ID），对象类标识符，实例编号和属性编号。表3-1 各个对象组件的范围地址最低 最高节点（MAC ID）063类165535实例065535属性1255 数据传输技术DeviceNet主要有二种信息传送的方法:I/O通讯(I/O messaging)和直接通讯(explicit messaging)。I/O messaging(I/O messaging)用于实时面向控制的通讯，它可以和单用户或多用户通讯，主要采用了高优先级的数据标识符的应用

42、。I/O信息包括了无协议的8位字节数据，只有一个例外：分段的I/O信息，它有一字节用作协议用。直接数据通讯(explicit messaging)在二个设备之间提供点对点的多用途通讯，它提供了典型的请求/应答式通讯，主要用于节点组态和故障诊断。它主要用于低优先级的数据。分段数据是用于长于8个字节的数据传送，每次信息需要一个字节的协议。CAN头I/O数据（08位字节）CAN尾 图3-6 I/O通讯的格式CAN头协议和数据域（08位字节）CAN尾 图3-7 直接通讯的格式3.2 DeviceNet的硬件连接和网络组态3.2.1 DeviceNet物理介质A-B公司为设备网网络的连接和通信需要，提供

43、了完整的物理介质产品，包括主干线、支线、终端、快速拆卸的插件和分接器，用于设备网网络的连接和通信。主要的物理介质介绍：DeviceBox分接器：DeviceBox分接器是主干线上的一种直接连接方式，可提供多达8个节点的、通过支线连接的终端连接带。 DevicePort分接器：这是一个密封连接器的连接盒，它可使4或8条支线与主干线连接起来。Power Tag电源分接器：这是从供给主干线的电源可接到的一个支点。电源分接器与设备分接器（Device Tag）不同，设备分接器有两个熔断器盒一个肖特基二极管。T型分接器：它同密封连接器有一个单独的接口，以一种小型的、快速的方式与支线相连，具有左侧或右侧的

44、锁销槽做定位用，同时在两遍有螺栓和螺帽使T型分接器可以邻连。粗缆：外径12.2mm，额定电流8A的粗缆，可用于设备网网络的主干线或通过分接器将设备连接到主干线的支线。 细缆：外径6.9mm，额定电流0.753A的细缆，可用作设备网的主干线或通过分接器将设备连接到主干线的支线。密封式端接器：通过端接电阻从电气性能上使设备网通信稳定。3.2.2 DeviceNet的通讯产品1 设备网RS-232-C个人计算机接口设备网RS-232-C个人计算机接口使得膝上机、桌面式或笔记本式计算机与设备网相连。一旦联结成功，计算机在设备网网上就作为网络的一个节点。该接口小巧、重量轻，用户可以携带它，从一个网络到另

45、一个网络做故障诊断和维修。用户也可以用它使一台计算机成为网络上的一个固定的节点。2 设备网PC插卡设备网PC插卡使PCMCIA通信接口卡，使WINDOWS或MS-DOS兼容计算机（典型的是一个笔记本电脑）可在设备网上进行通信。设备网可自动将其通信速率与已建立的速率相匹配（自动波特率），并自动将其节点地址建成为网络的下一个站址。3.2.3 DeviceNet的组态利用罗克韦尔公司提供的设备网管理软件，可以很方便的实现设备网的组态和调试。RSNetWorx for DeviceNet是由罗克韦尔公司提供的一个基于Windows平台的软件产品，它可以使人们对设备网网络和设备网项目进行管理。它提供一种

46、项目树结构来管理设备网网络，可以用来组织数据，执行在线或下线配置，存储网络信息，将数据以方便用户的方式存储，以逻辑的方式管理组群仪器，添加网络和仪器的名称和认证标签等等功能。借助于配置工具软件，用户可以通过生成和管理项目，方便地检查网上设备活动情况、指定具体设备的数据存取方式和与控制器所属扫描设备间的数据映射关系，设备的增删与更改，调节设备的可控制参数等。DeviceNetManager 也是罗克韦尔公司提供的设备网网络配置软件，它与RSNetWorx for DeviceNet的功能相同，可以实现对设备网网络的配置和调试，但是它自身提供与设备网通讯的底层软件，而RSNetWorx for D

47、eviceNet则需要RSlinx的支持，以实现对设备网通讯的要求。另外，可以利用DeviceNet Manager Converter来实现两者文件格式的转换。用户可以利用设备网管理软件来识别所有的网络装置的销售商、网络设备的类型、软件版本修改和系列号，也可以在设备网网络上和A-B公司的WinDNet扫描器的数据表进行设备组态，设备网管理软件还可以对用户的设备网网络和设备进行网络故障诊断。3.3 DeviceNet在本文的应用3.3.1 本次毕业设计采用的网络结构在这次毕业设计中，采用的方式为：每一个蓄电池直接连接到1794-IF2XDF21模块，这是一个FLEX I/O模块，使用灵活，可以

48、直接输入输出模拟量电压信号。冲放电电流，变换成电压信号之后，也通过该模块输入。对于控制母线电压的控制，是通过降压硅堆来实现的。硅堆接在1794OWB继电器输出模块，通过PLC来进行控制。所有的FLEX I/O通过1794AND适配器，接入DeviceNet。具体的结构图如下： 图3-8 本文采用的DeviceNet网络结构图3.3.2 网络的组态将网络连接好之后，还要进行网络组态，以便进行仪器的配置和网络的调试，使蓄电池电压电流信号、动母电压，控母电压能够和FLEX I/O进行数据的的交换，并将需要的数据通过设备网传输给PLC。利用RSNetWorx for DeviceNet组态Device

49、Net的过程如下：新建立一个工程项目,利用在线检测按钮就可以找到DeviceNet中所有被激活的仪器，可以在在线或者下线的状态下对网络和仪器进行配置，方便地检查网上设备活动情况、指定具体设备的数据存取方式和与控制器所属扫描设备间的数据映射关系，设备的增删与更改，调节设备的可控制参数等。 图3-9 RSNetWorx for DeviceNet的配置主界面在此次毕业设计中，对DeviceNet的配置主要是对扫描模块和FLEX I/O模块的配置，使数据能准确和完整的传送到PLC，实现对蓄电池的智能控制和对控母电压的控制。扫描模块的配置工作包括两个方面：对扫描器的配置和对扫描列表的配置。对扫描器的配

50、置可以控制扫描器如何搜集DeviceNet数据，包括每个DeviceNet通道的频率和DeviceNet端口的使能。而对扫描列表的配置使扫描列表能正确的传送扫描器与DeviceNet节点之间的I/O数据，一台DeviceNet的接入设备必须在扫描器数据库中对应相应的配置格式，以便可以将其数据正确的传给PLC，这方面主要包括数据格式和数据所在的位置。 图3-10 对扫描器的配置画面其次，对FLEX I/O的配置工作体现在对其输入输出数据格式的配置，如图3-12所示： 图3-11 FLEX I/O的配置画面对所有的设备的配置完成之后，很方便的完成了对DeviceNet的组态工作，进而就可以利用De

51、viceNet进行数据的传输和通讯了。第4章 ControlNet及其应用控制网链路上的信息交换是控制网链路的最重要的功能,是在传送对时间有苛刻要求的控制信息(如I/O状态和互锁的控制信号等)的同时,其它的信息(即无时间苛求的信息,例如程序的装载和下载等)也能传送。因为控制网的独特的时间限制算法,它们不会影响对时间苛求信息的传送4.1 ControlNet概述4.1.1 ControlNet简介控制网网络使一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传送。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信线路，综合体现了各种网络的能力。控制网是一种最

52、现代化的开放网络，它提供如下功能： 在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和变成操作，均具有相同的带宽。 对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性功能。 输入数据的多信道广播。 对等通信数据的多信道广播。4.1.2 ControlNet的技术特点1. 网络能力 高吞吐量的数据传送速率用于改善I/O、控制器互锁以及对等通信。 将I/O控制与编程至于同一物理介质链路进行。 数据发送具有确定性和可重复性。 在同一链路上，采用多控制器控制控制相互独立的I/O。 日益增强的诊断能力，使得易于组态和维护。 在链路上所有的控制器之间，实现预定的对等通信互锁。 多信道广播多控制器共享输

53、入数据，多控制器共享对等通信互锁数据，以实现更强的功能和减少编程。2. 简化编程和网络组态 客户可选的I/O于PLC联锁刷新时间，以满足各种应用的需要。 使用在线的频带宽度反馈。 不用梯形图逻辑编程来完成I/O的映象和PLC的互锁。 控制网网络组态软件RSNetWorx能提供网络的视图。3. 灵活的结构 它可构成星型、树型或总线型结构，距离达到31km，使用中继器距离更长。 简化设计：无需复杂的公式来计算电缆的长度，而以基于分接器数量和电缆长度的图表为依据。 数种电缆可选择，包括适用于各种应用领域和环境的光纤电缆。 PLC处理器带控制网、DH和远程I/O接口，另外可选择带以太网和设备网的处理器

54、。 为增加网络的可靠性，介质层可选择冗余结构。4.2 ControlNet的网络通信模式和信息交换4.2.1 ControlNet网络的通信模式控制网是基于开放网络技术的一种新发明的解决方案生产者/客户（Producer/Consumer Model）模式，该模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据，数据一旦产生，便与客户的数量无关，从而使网络系统的通信效率更高;生产者/客户模式还采用多信道广播式信息发送方式，各个节点（客户）可以在同一时间接收到生产者所发送的数据，节点之间的接受信息精确同步，网络上可以连接更多的设备而无需增加网络的通信量。ControlNet网络支持主从通信、

55、多主通信、对等通信和这些通信的任意混合形式，通信形式可以组态选择，应用更灵活，对等通信和多主从通信的采用，可以提高网络的可靠性，改进网络的性能。4.2.2 ControlNet链路上的信息交换ControlNet链路的最重要的功能，是在传送对时间有苛刻要求的控制信息（如I/O状态和互锁的控制信号等）的同时，其他的信息（即无时间苛求的信息，例如程序的装载和下载等）也能传输。在ControlNet链路上，信息是通过建立节点间的连接传送报文的。由生产者发送的每个报文包含一个连接标识符（CID），已经组态的节点在收听广播时，可以识别其应收报文的连接标识符（CID），于是变成为一个客户，准备接收报文。如

56、果此节点要发送信息，该节点会变成生产者而发送信息。对于网络的介质存取，是通过时间限制存取算法来控制，即用“并行时域多路存取（concurrent timed domain multiple access, CTDMA）”方法，来控制各个节点在网络刷新时间（NUT）内传送信息的机会。用户通常选择ms级的NUT，最小可达2ms。现场总线目前可以从DCS的每秒PID调节25此增加到每秒1020次，ControlNet可以将PID调节次数提高很多。网络刷新时间（NUT）划分为三个部分：预定信息传送时间（安排在NUT的第一部分）、非预定信息传送时间和网络维护时间，如图4-3所示。在预定信息传送时间里，每

57、个预定的节点（在一个循环的顺序次序的基础上）保证有一个机会进行传送信息。有时间苛求的信息必须在这段时间传送出去，它是实现实时控制的保证。预定传送的节点是连续的，预定传送与程序扫描是异步的。在非预定信息传送时间内，传送没有时间苛求的信息，ControlNet保证至少有一个非预定节点有机会传送数据。提供给非预定节点的时间决定与预定节点的通信量，非预定节点按顺序进行循环传送信息，一直到分配给非预定传送的时间用完为止。非预定传送是非确定性的，它所需的时间取决于节点数、应用程序、网络刷新时间和所使用的预定带宽的总和。根据所需时间的不同，在每一个NUT中，各个节点不一定有机会发送非预定数据。维护时间是自动

58、调整的，使得NUT大小不变，并保证其他节点同步化。ControlNet网络的预定数据传送是连续的，与逻辑程序的扫描异步；以一个用户在编程软件的ControlNet I/O映像屏幕中所设定的通信速率传送。如在预定的离散I/O的数据传送中，在逻辑扫描之间（即内务处理期间）进行数据刷新；输入映像由专门内存的缓冲区传送到处理器输入映像文件中，供下次逻辑扫描时使用；输出映像文件的数据放入专用内存的缓冲区，在下一次预定信息时送出去。由此可见，尽管预定数据传送与程序扫描异步，但在内务处理期间所有数据仍表现出与处理器和输出缓冲区同步。非离散I/O数据传送，以与离散I/O数据传送同样的优先权进行处理，模拟数据的

59、刷新时在缓冲区和数据表文件中进行，传送方法与前者相同。用户可以以同样的优先权组态ControlNet处理器之间的点对点通信。 图4-1网络刷新时间（NUT）分配图ControlNet网络的非预定数据传送包括非预定的非离散数据传送（通过I/O传送指令进行）、对等报文发送（通过报文指令进行）和从编辑设备发送报文。4.3 ControlNet的组态4.3.1 ControlNet的介质和网络结构ControlNet网络的主要物理介质是同轴电缆。这种电缆安装方便、价格便宜、广泛用于电视传输。一个ControlNet物理网络是由这种电缆和连接器、接收器和端子设备组成的，每一网段可达1000m，还可通过中

60、继器延长。第二种介质是光纤，可用于户外和危险环境，具有本征安全特性，与电缆组合使用可构成长达25km的系统。ControlNet支持总线型、树型、星型等拓扑结构。ControlNet网络提供在节点间安装第二条电缆的选择，通过介质冗余，节点可在两条独立的总线段上传输数据。这样当一条电缆没有安装好或未连接时，网络可提供一个备份的电缆连接。它的这种介质冗余的特性在很多实际应用中都非常实用。TTTTTTTTTTNNNNNNNNNNNN网桥R链路段段链路（段）TTTT 图4-2 ControlNet的网络介质组成图4.3.2 ControlNet的软件组态在连接好ControlNet的硬件设备之后，还不

61、能马上就实现对ControlNet的通信，因为必须经过软件组态，使设备之间的通信建立起来之后，才可以实现正常的网络设备之间的信息传递。RSNetWorx for ControlNet是罗克韦尔公司提供的针对ControlNet的组态软件，用它来组态ControlNet十分的方便。RSNetWorx for ControlNet的网络定位视图，提供了控制网网络组态所需的信息工具。RSNetWorx for ControlNet提供一个图形化的网络视图，改善带宽利用率的调度，并具有在线和离线组态功能。其提供的主要功能有： 组态网络各种参数，例如网络刷新时间（NUT）和最大预定节点地址。 预定I/O数据传送和对等通信的报文发送。 提供一个与PLC-5控制网通道的无缝接口，由Rslinx5和Rslinx Framework完成组态。 提供一个带宽利用的反馈信息。4.4 ControlNet在本文中的应用4.4.1 网络结构本次毕业设计采用的网络结构如图4-6所示： 图4-3本文采用的ControlNet网络结构图其中处理器采用的是PLC-5/40C,它本身提供ControlNet接口；人机界面采用的是PanalView1400e触摸屏,实现现场控制；同时将Control