中国科学技术大学自动化系学士毕业论文

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1、中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 1 - 自动化系学士论文自动化系学士论文 毕业生：毕业生： 危光危光 导师：导师： 鲍远律，张旺生鲍远律，张旺生 专业：专业： 自动控制自动控制 论文题目：论文题目： 工业控制网络的分析工业控制网络的分析与应用与应用 一九九九年六月一九九九年六月 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 2 - 致谢 致谢 这是我的毕业论文，在它完成之际，首先我要感谢我论文的指 导老师：鲍远虑教授，张旺生老师。他们在我进入GPS实验室后指 导我做论文并给与我很多无私而细致的帮助。鲍老师和张老师丰富 的理论和实践经验，严谨的工作作风，执着的敬业精神深深的感染 了我。他们

2、的精神将激励我在今后的工作中不断进取。衷心的感谢 两位老师！ 感谢同在GPS实验室的研究生段陵宇，黄小刚。我的同班同 学程俊，李春生及已经离开GPS的汪和生，感谢他们给我的帮助， 使我在实验室的一年里度过了美好的时光，还有张旺生老师给我们 提供了很多便利条件，没有这些条件论文的完成必将颇费周折。 回首在科大五年的学习生活，有苦有乐，我要感谢班主任王友 宁老师，张淑梅老师以及科大很多老师给予我的关心，爱护和培养。 五年的生活与9410的众位同学朝夕相处，在即将毕业的前夕祝愿大 家把这段回忆永存在心中。 我敬爱的父母二十多年来为我的成长付尽心血，倾注了无微不 至的爱，他们的殷切希望也是我前进的动力

3、。 危光 1999年6月 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 3 - 摘要摘要 现场总线技术是自动控制领域的后起之秀，具有成本低廉，便于利用现有的数字化和网络技术的新成果对系统进行改造的特点。顺应了当今时代数字化，模块化，网络化的发展方向。现场总线的设计思想已经提出很多年了，但真正广泛开始将现场总线及其与其他技术融合的新体系应用于自动控制领域是90年代以后的事了。 当然这和90年代以后数字化技术网络技术的飞速发展密不可分。现代的技术不可能独立发展都是相互影响相互促进的。 然而高新技术不一定是复杂晦涩难懂的技术，也不一定必须应用到很重大复杂的场合。新技术常常只是一个实现某种效果的新思路，新

4、方法。 本文从介绍分析现场总线的特点和实现方法入手，展示了现场总线的魅力和丰富的应用扩展能力，之后建立了一个简单的拓扑结构是总线型，采用主站间循环传递逻辑令牌的小型现场总线应用的模型。通过建立和分析模型展示了现场总线的应用方法和与其他技术方案的融合，充分利用现有设备组成成本低廉，好用够用的实用系统。 这还只是个设计思想，要应用到实际的工作环境中还有很多其他相关工作要做。但有了清晰的设计思路，具体的工作按照涉及的不同领域分工合作，共同努力实现应当不是很难，而且这些工程性问题不属于我论文的范围。 现场总线模型的演示系统的防真结果显示现场总线结合逻辑令牌环应用在一个小系统是一个效果良好的解决方案。从

5、侧面说明了现场总线线不是高不可攀的，也是一种易用好用的新技术。 关键字：现场总线， 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 4 - Abstract Field Bus is one new technology in the field of Automatic Control.its cost is very lower than DCS ，and covernient for rebuild by the lately outcome of the digital technology and network technology .It fits in with the toward

6、s of resent digital ,moudle and network。The design blueprint for Field Bus has been expounded for more than 20 years.But until 1990s field Bus were not utilized with other new technologies in the automation field。 Surely ,the development of Field Bus didnt depart from the development of digital ,net

7、work technology。Today the development of every technology is connected with each other. While a kind of new ,advanced technology ought not to intricate and not to be used in important and complicated places. Usually new technology is only a new way for getting some purpose. This thesis starts from i

8、ntroducing the characteristics and archiving methodologies. It will show the asorbment and abundant application extending ability,then it will build a kind of brief topostructure of Field Bus。It uses minitype Field Bus ,which utilizes the model of token ring networks in home site.the aplication meth

9、od and project to integrate with other technology are showed by constituting and analysing the model. Field Bus builds a suit of practical system which costs little and makes full use of equipments in existence This is only a kind of design ideal . A lot are needed to be done for being applicated in

10、 practical working environment. But,if you have clear design ideal,it is not hard that you can divide the duty and realize it step-by-step with others。And these questions belong to engineering and are not remained in my paper。 The simulating result of the Field Bus showing modle shows it is a prefer

11、able resolving scheme. The result also shows that the Field Bus Technology is a kind of preferable resolving scheme to minitype system .The Field Bus Technology is be prone to be applicated. key word：Field Bus 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 5 - 目目 录录 致谢致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12、 . . . . . . . . . . . . . 摘摘 要要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 中 文 摘 要 英 文 摘 要 目目 录录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第一章 第一章 前 言前 言 1 第二章 第二章 现 场 总 线 的 定 义 和 优 势 及 目 前 的 发 展 方 向现 场 总 线 的 定 义 和 优 势 及 目 前 的

13、 发 展 方 向 . 3 2.1 现场总现的定义和优势.3 2.1.1 现场总现的定义3 2.1.2 现场总现的优势和特点3 2.1.3 现场总现的不同标准3 2.2 现场总线的结构4 1. 物理层5 2. 链路层6 2.1 MAC子层.6 2.2 LLC 子层.6 3. 应用层6 4. 用户层7 2.3 逻辑令牌环的产生和维护7 2.3.1 逻辑环及其生成方法7 2.3.2 令牌的产生和维护.8 1. 初始化阶段8 2. 稳态阶段9 3. 令牌的冲突或丢失的可能性或解决方法.10 第三章 第三章 现 场 总 线 的 研 究 模 型 的 建 立现 场 总 线 的 研 究 模 型 的 建 立 .

14、 . . 1 1 3.1 模 型 的 基 本 参 数 和 类 型 1 1 3.2 模 型 运 行 时 间 分 析 1 1 1 . 初 始 化 阶 段 1 1 2 . 添 加 新 主 站 阶 段 1 2 3 . 删 除 旧 主 站 阶 段 . 1 2 3.3 现 场 总 线 模 型 结 构 设 计 1 3 1 . 拓 扑 结 构 的 设 计 1 3 2 . 物 理 层 接 口 的 设 计 1 3 3 . 链 路 层 帧 格 式 的 设 计 1 4 3 . 1 模 型 数 据 格 式 帧 的 定 义 1 4 3 . 2 模 型 其 他 专 有 名 词 的 定 义 1 6 3.4 网络中数据传输的确

15、定性分析. 16 3.5 差 错 识 别 和 纠 错 . . 1 7 3.5.1 差 错 识 别 和 纠 错 的 必 要 性 . . 1 7 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 6 - 3.5.2 几 种 差 错 和 纠 错 的 方 法 . . 1 7 1. 奇 偶 校 验 码 . . 1 7 2. 海 明 码 . . 1 7 3. 循 环 冗 余 码 C R C . . 1 8 第四章 演示系统的性能分析和仿真第四章 演示系统的性能分析和仿真19 19 4.1 模 型 工 作 流 程 图 演 示 1 9 4.2 模型性能分析.20 1. 数 据 传 输 速 率 . . 2 0 2. 传

16、 输 延 迟 . . 2 0 3. 网 络 利 用 律 . . 2 0 4. 负 载 能 力 . . 2 1 5. 错 误 诊 断 及 恢 复 时 间 . . 2 1 结束语 结束语 .21 .21 附录图表附录图表图1-3 图1-3 初 始 化 模 块 流 程 图 图 1 征 求 后 继 阶 模 块 程 图 图 2 删 除 节 点 阶 模 块 程 图 图 3 参考文献参考文献文献文献 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 7 - 工业控制网络的分析与应用工业控制网络的分析与应用 第一章：前言第一章：前言 最早人类工业有目的控制活动是瓦特通过调整飞球的转动惯量来控制蒸汽机的转速。 随着蒸汽

17、机的发展气动控制一直沿用到本世纪60年代才结束它的主导地位， 而在一些特殊的场合仍然发挥着不可替代的作用（例如防爆场所） 1962，英国帝国工业公司（ICI）安装了Ferranti Argus计算机控制系统，替代了全部模拟控制仪表，这是集中式过程计算机控制系统应用的开端。集中式计算机控制比常规仪表控制在各方面都有很大的优越性；但集中式计算机控制应用可靠性低，集中控制把危险也集中了。一旦计算机发生了故障，将导致生产全面瘫痪，另外还存在性能， 研发周期等问题。 因此， 这种系统不能广泛利用， 着也就是当时提出DCS的背景。 1975年， 美国Honeywell公司首先发明了以微处理器为基础的TDC

18、2000集散型控制系统，即 DCS 系统。DCS 实现了控制系统的功能分散，负荷分散，从而危险性也分散，克服了集中式控制可靠性低的致命弱点。再加上与集中式过程控制系相比组态较容易，扩展性强的优点得到了广泛的应用。 但是 DCS 对集中型的改造是不彻底的，DCS 有时也被称为分布式系统，但其基本调节器是以微机为核心构成的。难以实现真正的分布式控制，也就难以完全避免集中型的缺点。 虽然DCS大量采用了数字化技术对自身的改造， 特别是在采用了智能化数字仪表以后性能有了很大改善， 但是DCS为了和以前的模拟式设备保持兼容在设备间仍实用标准的420mA 模拟信号，增加了数字化设备间不必要的A/D，D/A

19、 转换过程，另外由于模拟式设备线路本质的特征在组态扩展上仍然不是很方便，软件的设计必须与硬件设备密切相关，限制了软件的发展和通用性而且也很不经济。 从80年代初期开始随着个人机的出现和发展， 计算机在性能和集成度上成几何级数的增长而价格和体积功耗却成反比例下降。 在性能上完全达到或超过了过去的大型，巨型计算机，而它的价格，功耗，可靠性允许将计算机的控制工作下降到生产现场，于是带动了工控机 IPC 的发展和应用，同时期的数字化设备，仪表传感器技术在微处理器的基础上也飞速发展，可以在一块电路板上集成多个CPU 和存储器，I/O 端口。这也就是所说的智能化仪表。由于数字化设备性能提高很快产品也很丰富

20、，而且便于大批量生产，价格便宜，可靠性高，出现了大量使用智能化仪表与IPC的改造型DCS系统。但是这种DCS+IPC+智能化仪表的控制模式也不是很完美。最最要命的是DCS为了兼容原来的模拟式仪表在现场仪表之间的信息传输仍然 以420mA的ADC统一标准模拟信号为主，辅以开关信息，其测控点越多，信息传输线也越多。对数字化设备而言增加了不必要的 A/D，D/A 过程另外由于模拟式设备线路本质的特征在组态扩展上仍然不是很方便，软件的设计必须与硬件设备密切相关，限制了软件的发展和通用性而且也很不经济。 在此同时随着数字技术的发展进入90 年代后以 INTERNET 为代表的网络技术飞速发展，完全数字化

21、网络的及其方便的组织方式，丰富方便有效的软件，丰富高性能中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 8 - 的数字化产品推进现场控制级以数字信息构成现场级信息网络，为现场总线技术由理论走向实际应用扫清了道路。 PLC最初是用继电器构成的逻辑控制系统。70年代采用了微处理器以 后经过一系列的改进不用继电器的输出电流也足够大，而且还有PID 控制等功能。因为其产量大，价格便宜，可靠性好，扫描周期比DCS短的优点应用范围也日益广泛，随着现场总线日益广泛的应用，集中式的本地扩展和远程的结构越来越少，而分布式的控制结构在PLC的配置中大行其道，其智能型的I/O系统可以与现场总线直接接驳组网，逐渐融合到现场

22、总线系统中来。 现场总线的出现，将对传统的控制系统带来革命，完全数字化的现场总线被推出并认为是未来控制系统的发展方向。 控制系统的发展历程基本可以见下表： 第二章：现场总线的定义和优势及目前的发展方向第二章：现场总线的定义和优势及目前的发展方向 2.1 现场总现的定义和优势 2.1.1 现场总现的定义 定义定义: 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向 传输，多分枝结构的通讯网络。 2.1.2 现场总现的优势和特点 下面基本介绍一下现场总线： 其实，早在 80 年代出国际上就已经提出了现场总线的概念。相对于 DCS 现场总线有相当明显的优势和特点： 1设备方面的节省-每台现场仪表

23、大约节省50美元。 2安装方面的节省-与DCS相比系统安装费用约为 5:1。 3调试-直接在控制室进行现场仪表的调试将比在现场调试常规仪表 更快，更方便。 4维护方便-数字化网络便于自诊断技术的应用，和寻找故障点保证 可靠性，可大大降低维护费用。 4改造余度大-数字化的网络本身就有较弱的相关性，容易进行工程 实际修改。能很好的适应ISO9000质量要求，保护用户的长期投资。 2.13 现场总现的不同标准 但是限于当时的技术条件又由于当时没有统一的国际标准，各个国家和大的厂家各自为政制定各自的标准并开发总线产品， 各种现场总线达到了40多种。 虽然带动了早期现场总线的发展和探索， 但因没有统一的

24、国际标准阻碍现场总线的进一步发展。中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 9 - 目前比较流行的和有能力角逐现场总线最终标准的有这么几种： FF FF(Fileldbus Foundation）现场总线基金会现场总线，由11家世界级的著名大公司组成的专门制定单一的国际现场总线标准的非商业性国际标准化组织。 优点：组织背景很有实力非常稳健并且是非商业性，产品真正 即插即用，保证所有芯片为多家厂商生产，不会出现垄 断。 PROFIBUS 过程现场总线（Process Fieldbus ） ，1987年联邦德国科技部制定。1991 年 4 月成为德国国家标准，随后又成为欧洲标准（ENS0170）

25、CAN 控制局域网络（Control Area Network） ，由德国Robert Bosch及几个半导体集成电路制造商开发出来的， 最初为汽车工业设计，目的是节省接线的工作量。目前唯一被批准为国际标准的现场总线。 LON Works 局部操作网（Local Operating Network） 美国Echelon公司于1991年3月推出的技术和产品 其中FF的SP50的结构参照了IEC的OSI （开放系统互连参考模型） 的七层结构，最有实力成为未来的现场总线国际标准， 而且其制定的现场总线物理层 （低速总线H1，高速总线H2） 标准已获得国际电工委员会IEC的批准， 所以我的论文也以FF

26、的SP50为标准。 2.2 现场总线的结构 下面以FF的SP50现场总线为例介绍现场总线的结构和网络层次， SP50和OSI模型的结构如下表所示： 与OSI相比SP50增加了一个模块化的用户层， 改善了人机界面。 用户使用现场总线技术只需学习如何准确连接仪表（即物理层部分）和如何妥善利用功能模块（用户层） 。 而恰恰是这个在OSI模型之外的用户层是使现场总线标准超过一项通信标准成为一项系统标准的关键。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 10 - SP50各层的结构如图所示： 现场总线通讯规范 现场总线访问规范 逻辑链路控制子层 媒体存取控制子层 除大致的四层（1 物理层，2 数据链路层

27、，3 应用层，4 用户层）外，应用层可分FMS和FAS两个子层， ，链路层可分LLC和MAC两个子层。它们的详细情况将在后面介绍。 FMS：Fieldbus Message Specification 现场总线通讯规范 FAS：Fieldbus Accessing Specification 现场总线访问规范， LLC：Logical Link Control 逻辑链路控制子层 MAC：Medium Accessing Control 媒体存取控制子层 其中，FAS 将FMS映射到DLL层。 1 物理层： SP50的物理规范（IEC-1158-2）已经是国际标准。IEC规定了三个基本传输率：

28、a) H1型， 31.25 K bits/s , 现场总线给现场仪表供电。 b) H2型， 1.0 Mbits/s , 现场总线不给现场仪表供电。 c) H3型， 2.5 Mbits/s , 现场总线不给现场仪表供电。 SP50的物理介质（传输煤体）被定义为： 导线，即双绞线，同轴电缆和光纤。射频，4800 Kbits/s。 SP50的信息传送方式采用独特的曼彻斯特编码。数据相当于一个具有周期T的时钟，上升沿表示逻辑“0” ，下降沿表示逻辑“1” ，如图所示： 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 11 - 正是因为采用了这种独特的编码技术使我们可以使用在正常数据传输中不可能出现的排列形式

29、，可以代表特殊的意义，例如： 而且曼彻斯特编码还有很大的可扩展性， 用如图类似的方法还可以定义新的不便于使用数字的特殊符号。 2 链路层： SP50的数据链路层（DLL）提供共享介质的多个设备间的数据传输。如上面的图示，它由逻辑链路控制子层LLC和媒体存取控制子层MAC组成。信息封装传递形式如下图所示： 2.1 MAC子层 MAC 子层完成对介质公享的控制，决定哪个站点在什么时候可以占用总线进行通信，并避免冲突 。其中最重要的是逻辑环的建立与令牌的维护。 2.2 LLC 子层 LLC子层负责建立,拆除通信链路,检查错误并监督不同装置间的通信过 程.它是数据链路层的顶部子层,与介质无关。 LLC

30、子层定义了相关寄存器， 信息包格式，帧格式代码和类型代码等。 数据的发送由：建立链接，应答，发送数据和检验应答。 等四个过程组成。 LLC子层数据信息包格式如图所示： DA SA FC TYPE LENGTH DATA FCS 其中： DA： 目的地址 SA： 源地址 FC： 帧格式 TYPE： 数据类型字段 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 12 - LENGTH： 数据长度 DATA： 数据内容 FCS： 检验码 3. 应用层： 应用层模块包括了FMS和FAS两个子层子层。其中， FMS： Fieldbus Message Specification 现场总线通讯规范 FAS： F

31、ieldbus Accessing Specification 现场总线访问规范， FMS模块的主要功能是对ALI（Application Layer Interface）的服务请求进行处理并将其传送给现场总线 4. 用户层： 用户层是现场总现层次结构所特有的。它能充分利用总线的优势和潜力，以功能块为基础对整个测量控制系统提供理想的应用环境。 SP50的用户层引入的功能模块的概念，使人机界面十分友好，便于操作和管理。目前已经提出了29个基本模块。其中10 个基本模块，7个先进模块，7个辅助模块等。如图所示： 现代高技术条件下因人为操作失误造成的的事故比例相当大。功能模块的引入非常实用，可以使新

32、的控制算法的研究和具体模型分开，便于新技术的推广。同时也降低了对操作人员的技术要求，降低人员费用减少人为损失。 2.3 逻辑令牌环的产生和维护 2.3.1 逻辑环及其生成方法 该层用主从方式的令牌访问方法实现可控介质访问， 它是以主从原则建立的总线网络为基础。网络中具有多个主站点，令牌在主站点间形成的逻辑环内循环传送。现场总线的逻辑环的建立以一定的硬件地址规则为基础（就象网卡有唯一的硬件网卡号一样从小到大或从大到小） ， 并按某种规则排列推举出一个唯一的调度站， 并由调度站以总线广播的形式将各个主站的上下方主站号发给各主站， 从而形成了初始的逻辑环。为了保证现场总线的自治性和灵活性，所以逻辑环

33、的调度权是可以移动的，而且调度权的移动还可以与主站的优先级相关连。 （比如管理员的把笔记本电脑联入在现场总线检查或调整工作情况，它的优先级就应当比较高，管理员取得调度权才好工作，不能完全看地址来决定） 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 13 - 2.3.2 令牌的产生和维护 令牌的维护可以分成两个阶段：初始化阶段初始化阶段和稳态阶段稳态阶段。 在什么时候初始化环形令牌网呢？ 主要有如下情况： *令牌在传递的过程中丢失（前一个主站放弃持有权的同时接收站故障不能 工作） *令牌网删除旧站点的过程中有超过预定数目的连续多个站点要退出，导致 不能及时找到令牌的接收站 *令牌传输的延迟时间超过了

34、系统设定的等待时间 1. 初始化阶段初始化阶段 可以按上面说的在确定需要初始化之后，分两种情况： 1 令牌网从来没有建立过。 如果令牌网从来没有创建过，也就是说没有参考的原总线表。那么整个令牌网的启动由整个现场总线的上位机来开始，上位机充当调度站向现场总线发出广播式的征求主站（BC）的命令。在允许的最大等待时间内收集现场总线上有资格持有令牌的主站（BC）的应答信息。信息内容包括统一规格的硬件号和该主站的优先级。将收集到的信息创建原始总线表。 2 令牌网曾经创建过。 如果令牌网曾经创建过，则直接调用原来最近一次更新的总线表，由总线表的头一个主站充当调度站。总线表的操作如同循环队列，可加可减。 后

35、面的处理过程两种情况相同。 *调度站以广播的方式向现场总线上的所有主站（BC）发布总线表，并 等待应答信息。 *其他非调度站主站在收到总线表后，查找自己的所在位置，成功或失败均 发出相应的应答信息。 *调度站将收到的应答信息相比较。检查是否总线表上的主站与收到的应答 信息的主站 是否一一对应， *如果成功则向所有的其他主站发布成功的消息并通知其中的第一个主站开 始启动。如果失败则重新发出征求主站的命令。重复以上的步骤，在 允许的最大次数以内直至总线表的主站和应答主站一一对应。 如果 还超过了最大的允许重复的次数，将删除总线表中的无应答主站的主 站。向现场总线上的主站发布启动总线表的消息并广播出

36、错主站的消 息，启动环形令牌网。 （这一点是很重要的，系统必须有容错能力， 允许在不完全正常的情况下最大限度的正常工作。 ） 2. 稳态阶段稳态阶段 稳态阶段即正常工作阶段。系统支持令牌在各个主站之间传递，主要要处理的问题是新站的加入，旧站的撤除，令牌的冲突或丢失的处理等等，下面详细讨论问题和解决方法。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 14 - 1 新站的加入和旧站的退出。 为了完成令牌逻辑环中主站的添加和删除，每个主站得到令牌后必须 有相应的功能配合。可采用如下简单的方法： 1.1 添加新的主站 在主站得到令牌后首先向现场总线上的所有主站以广播的形式声明征求后继主站，然后执行本主站

37、应该做的工作执行本主站应该做的工作，然后查看是否有新的主站应答，如果有要求加入的新主站（可能不止一个） ，可以通过某种选择算法（最好是随机排序，这样可以解决若采取某种固定的算法时某几个有故障的主站能申请加入却不能应答或加入，导致规定的排序使后面的等待加入的主站次次被排挤申请不到，加入的机会全让这几个特殊的出错站点浪费的特殊情况）选定头一个，向现场总线广播被选择的主站地址并等待回答。如果所选择主站成功应答，则调度站向现场总线广播被选定主站已经成功加入的消息，对于其他主站则要等到下一个主站发出征求后继站时再申请；如果被选定主站未能成功应答，则抛弃该主站，选择所排主站序列的下一个主站并向现场总线广播

38、这个被选择主站的地址等待回音，成功则如上接收，调度站向现场总线广播被选定主站已经成功加入的消息，失败则本主站不继续添加新的主站。在添加新主站的工作完成之后就要删除旧的主站。 1.2 删除旧的主站 调度站以现场总线广播的形式向当前总线表中位置在调度站自身之后的主站发出请求接收令牌的信号，并等待回答。如果下一个主站成功应答准备接收，调度站将修改总线表， 将新加入的主站添加在自身之后， 在新主站之后是准备接收的原有主站；如果原后继站位接收到请求接收令牌的信息拒绝接收并发出申请将要退出总线，调度站接收后将在总线表中删除这个主站并向它之后（这时也是本身之后）的原有主站发出请求接收的信号，在限定失败次数内

39、重复以上处理过程（热插拔式，而对于主站因故障性，即没有申请退出现场总线就已经不能正常工作的情况，系统将采取重新初始化的方法去掉这个主站，有点象 WINDOWS 的正常退出和非正常退出后做SCANDISK）成功则修改总线表，在现场总线上广播宣布修改以后的总线表并预告放弃令牌，总线表上的下一个主站接收后宣布将接收令牌，调度站收到广播后广播出最后的命令，令牌传递到下一个主站手里。同时也将调度站的身份一并移交，工作完成。 3. 令牌的冲突或丢失的可能性或解决方法令牌的冲突或丢失的可能性或解决方法。 正常的情况令牌按照总线表的顺序执行，在现场总线的主站间循环传 递。本质上是不存在结构性的冲突可能。但也要

40、考虑一些特殊的情况。 3.1 帧的碰撞 由于在初始化阶段初始化的方法是： 由触发初始化程序的主站担任调度站广播初始化进程开始征求主站加盟，在特定时间片内监听总线上的应答主站的硬件地址和优先级相结合的应答帧，由调度站分配逻辑环的顺序来初始化逻辑环形令牌网。 为了避免应答帧的碰撞，信道分配借鉴其他解决信道冲突的方法。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 15 - （例如：竞争系统）如果发生帧碰撞，就等待一个随机长度的时间再发。为了系统尽快的启动运行，这个特定的初始化监听主站应答帧的特定时间 不会很长，可能有的主站遇到几次碰撞而未能及时加入总线表的情况。那么将在现场总线运行中添加新主站的时候加

41、入，这种解决方案有较大的柔性，不需要系统有很快的速度也能较快的从新启动现场总线， 这在对时间比较敏感的工业场合是非常重要的。 3.2 令牌的冲突或丢失 在稳定工作阶段，最可能产生令牌冲突或丢失是在令牌移交阶段。 *主站A预声明将放弃令牌，询问主站B是否可以接收， *主站B应答主站A可以接收。 *主站A广播宣布放弃令牌，同时主站B因故障不能接收。 出现情况：令牌丢失。 令牌冲突和丢失的解决主要靠设计主站处理各种情况预设的方法和总线的容错性设计，只可能尽量减少冲突和丢失出现的概率，100%的避免是不可能的。 第三章，现场总线的研究模型的建立第三章，现场总线的研究模型的建立 3.1 模型的基本参数和

42、类型 项目 规格 拓扑结构 总线型网 逻辑结构 逻辑环形令牌网 物理接口标准 RS-485 供电方式 总线供电，直流24伏特，无载波。 传送速率 3125Kbps(SP-50 的H1) 协议标准 FF的SP50之H1部分 连接台数 4 总线长度 1000 终端电阻 75 数据长度 256字节每组 纠错码长度 2字节（16位） 通信介质 屏蔽双绞线 实时性实现 方法 循环令牌，输入/出缓冲，最大时间限定，最大次数限定。 总线模型不采用中继转发器，总线采用RS485 做硬件，其传输容量是120Mbit 米/S，总线长1000米，传输率应能确保100Kbit/S，所以可以按H1标准传输每个帧的长度为

43、 256 字节，帧的格式如后面的定义。控制帧，确认帧，数据帧是一样大，传输一中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 16 - 个帧需要 3125K/（256*8）=0.064 相应时间就是主站接收到帧后自己的判断动作时间，和消息的间隔相似取决于硬件的速度，考虑到单片机的工作频率都在 10MHZ 以上，所以基本可以忽略不记，稍微将消息帧的传输时间放大到 0.08秒秒就足够补偿这个误差了。 3.2 模型运行时间分析 下面计算在各种情况下所需要的帧数及时间： 1 初始化阶段： 最少帧：控制帧（广播进入初始化）+ 控制帧（征求主站应答）+ 应答帧（主站应答Y）+ 数据帧（广播总线表）+ 控制帧（启动

44、） 时间 = 5*0.08=0.40 秒秒 最大帧：控制帧（广播进入初始化）+控制帧（征求主站加入）+ 应答帧（收集应答帧）+ 控制帧（广播总线表征求主站）+ 应答帧（收集应答帧）+ 控制帧（广播总线表征求主站）+ 应答帧（收集应答帧）+ 数据帧（广播总线表）+ 控制帧（启动） 时间 = 9*0.08=0.72 秒秒 2 添加新主站阶段： 最少帧：控制帧（征求后继）+ 应答帧（后继应答）+ 控制帧（请求接收） + 应答帧（接收Y）+ 控制帧（修改总线表） 时间 = 5 * 0.08 = 0.40 秒秒 最大帧：控制帧（添加后继）+ 应答帧（后继应答）+ 控制帧（请求接收） + 应答帧（接收N）

45、+控制帧（请求接收）+ 应答帧（接收Y） + 控制帧（修改总线表） 时间 = 7* 0.08 = 0.56 秒秒 3 删除旧主站阶段： 最少帧：控制帧（征求接收）+应答帧（申请退出）+ 控制帧（征求后后继接收）+ 应答帧（接收Y）+ 数据帧（广播总线表）+控制帧（判断是否可以接收令牌？）+ 控制帧（广播：放弃令牌控制权按总线表移交） 时间 = 7 * 0.08 = 0.56 秒秒 最大帧：控制帧（征求接收）+应答帧（申请退出）+ 控制帧（征求后后继接收）+ 应答帧（接收N）+ 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 17 - 控制帧（征求再后继接收）+应答帧（接收Y）+ 数据帧（广播总线表）

46、+ 控制帧（判断是否可以接收令牌？） 控制帧（广播：放弃令牌控制权按总线表移交） 时间 = 9 * 0.08 = 0.72 秒秒 一个令牌周期： 添加新主站阶段 + DO（本单元处理）+ 删除旧主站阶段 在模型里假设本单元处理最多给0.5,最少不处理。 最少时间 = 0 .5*Random+ 0.56 + 0.4 =0.961.46秒秒 最大时间 = 0.5*Random +0.72 + 0.56 =1.281.78秒秒 3.3 现场总线模型结构设计 1 拓扑结构的设计 逻辑环令牌模型的拓扑结构如图所示： 现场总现的两端加电阻防止反射干扰， 2物理层接口的设计 。 在物理层方面，现场总线设备内

47、部的大致结构如图所示： 物理层主要是对信号进行编码与发送，其现场总线总线通信元件由数据终端设备DTE和数据通信设备DEC组成。 物理层的煤体介质采用价格低廉， 抗干扰性强的双绞线为传输介质。在总线上接入匹配电阻，以防信号反射。 实现多站，双向，多参数的串行通信由同步和异步两种方案。 方案一： 采用现场总线专用芯片实现曼彻斯特编码，解码及通讯控制等功能。 这种以专用芯片实现的内部提取时钟的同步通信可以使物理层得到简化。 方案二： 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 18 - 另一种是采取单片机的CPU，串行口和高速输出线作为发送和接受的 控制端， 并采用收发合一的介质驱动/接收器高速光偶合

48、器件。 方案二的实现电路如图： 现场总线的开放性要求任何现场总线设备均有标准化的物理接口和统一的机械连接，并执行已经制定的数据传输通讯标准。 RS-485标准的特点： RS-485是美国电子工业协会（EIA）于1977年制定的改进型标准RS-423/422（全双工）的变形后的（半双工）标准RS-485是半双工平衡差分接收方式的接口标准，它支持较高的数据传输率，较远的传输距离，它允许一对导线，一个发送器驱动32个负载设备，允许公用电话进行通信 3 链路层帧格式的设计 全数字化现场总现与传统模拟式网络有网络结构简单，控制设备的添加和删除十分方便，而且建立总线型控制网可以使用廉价的双绞线和同轴电缆，

49、制设备不须象分布式系统那样经过多余的 A/D，D/A 转换等优点，但数字化传递虽然比模拟式传递的的传输距离短，信息传递的速率低是它的缺点。但通常一个控制系统（车间型）远小于2.km（RS-485下） ，随着 数字化设备的飞速发展，数字化的灵活性和廉价性足以抵消它的不足。 不管网络是数字化还是模拟化的，传递的都是系统定义的特定格式的帧，帧格式的定义是主要考虑的问题： 帧是传输层数据传输的基本单位，分控制帧，确认帧，数据帧控制帧，确认帧，数据帧三种。 3.1 模型数据格式帧的定义 如图所示： 00 源子地址 目的子地址控制命令填充 1字节 1字节 1字节 1字节 252字节 （a） 控制帧 00

50、源子地址 目的子地址返回状态填充 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 19 - 1字节 1字节 1字节 1字节 252字节 （b）确认帧 00 源子地址 目的子地址数据 1字节 1字节 1字节 253字节 （c）数据帧 我们将网络中的节点划分为两类：总线控制器（BC ，Bus Controller）和远程终端（RT，Remote Terminal） 。BC 用于启动消息传输和管理总线事物，剩下的是 RT。控制帧只能由BC发往RT，控制帧可分为发送数据控制帧和方式控制帧两种。确认帧只能由RT发往BC，表明RT当前状态。数据帧BC和RT 可互相发送。 前面介绍过的现场总线采取的向下信息封装在

51、模型中具体的设计如下图所示： 3.2 模型其他专有名词的定义 消息 消息指包括控制帧，确认帧，数据帧及状态响应间隔在内的传输序列，消息有两种类型： 一般消息一般消息 和 广播消息广播消息。 （消息又可根据控制帧分为 数据传输消息数据传输消息 和 方式命令消息方式命令消息） 方式命令消息的控制帧是方式控制帧，其他是数据传输消息。 总线表 总线表只装载在 BC 上。总线表由一组优化的通信指令块及相关信息组成，每一组指令块定义了数据传送的源，目的节点号，节点子地址，指令执行的最大时延及相关的控制信息。 BC顺序执行总线表中的每一条指令， 总线表中每一条指令对应一条消中国科学技术大学自动化系学士毕业论

52、文 - 20 - 息的传输。 3.4 网络中数据传输的确定性分析 总线表的使用在各个节点间建立了多条 “通道” -从一个节点到另一个节点从而形成了一个封闭的令牌循环。由于这些通道是分时使用总线的，也就是说在在总线表的一个执行周期内只有一条通道占用了总线，因此在正常的状态下不会出现碰撞的事件。 由此可见维护总线表是保证网络数据传输的关键。 （其实也有可能出现碰撞事件一种是如果网络掉线，万一创建时出现了不止一个持有令牌的主站，那么他们分别按照总线表执行就会出现碰撞，还有一种情况就是当一个节点传输信号等待回音，如果网络传输的时延大于令牌等待的最大时间，令牌网自动创建新的连接就会与原来的主站的回音相碰

53、撞，这些碰撞事件的避免的关键在于令牌传输的维护。那么就在以后令牌维护的部分加以详细的说明） 1. 逻辑环的初始化。 当网络开始运行时， 或者逻辑环损坏之后， 它必须从新初始化。 初始换的重点在于需要一种协调的，分布式的方法决定已经发现的主站的顺序。 2 逻辑环纳入新的工作点和删除某个工作点 为了完成环的插入功能，环中的每个结点必须具有相应的能力能周期 性的提供机会让新的结点进入环中。得到令牌的时候，结点发出一个“征 求后继”的“分组” ，邀请相应的结点插入到其本身之后和其逻辑序列下一 个结点之前。 为了完成环的删除功能，每个主站得到令牌后充当调度站在完成征求新站加入的阶段就要向总线表中位于自身

54、之后的主站征求接收，当回应不接收要退出或没有响应的时候修改总线表。从总线表 3 优先级 优先级的定义和实际工作的具体情况关系很大，不具有很强的普适性。 在一个简单的模型至少应具备四个级别的优先级： 系统错误级（最高优先级） ， 系统监视级（可以从优于普通级得到控制权） 普通级， （普通的工作优先级） 若普通级（在系统空闲时可响应） 3.5 差错识别和纠错 3.5.1 差错识别和纠错的必要性 检错和纠错功能不是现场总线所特有的，本身就是一门复杂的学问，这也体现了当今各个学科的交叉和融合。 因为通信线路本身点气特性造成的随机噪声， 信号幅度，频率衰减及相位畸变，相邻线路的偶合干扰，外界强磁场变化及

55、电源波动等都可能造成数据通信中的码元错误，虽然现场总线的所有信号传递全是数字化的，又采用了曼彻斯特编码方式从结构上比模拟方式避免了很多引起码元错误的可能，但采用一定的纠错方案把错误控制在尽可能小的范围内也是必须的。 3.5.2几种差错和纠错的方法 纠错的方法很多，对于上述干扰源引起的码元错误主要分为随机性错误和突发性中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 21 - 错误两种。随机噪音造成的某位码元的错误归为随即错误；冲击噪音引起的一串码元的变化归为突发性错误。对于不同的错误类型应采用不同的检错及纠错方案可以采用的方法有：奇偶校验码，海明码及循环冗余码等。 下面简单介绍一下各种方法，模型将采用

56、CRC循环冗余码 *1 奇偶校验码： 假设发送的信息块共有 N 个码字，每个码字 M 位，某一码元为 B(m,n),冗余位为Ri。其信息格式和校验方法如下： *1.1纵向奇偶校验 当发送顺序为：B(1,1).B(m,1) ,R1 , B(1,2).B(m,2), R2 .B(1,n).B(m,n), Rn 则称为纵向奇偶校验。 若用偶校验，则：Ri=B(1,i) B(2,i) . B(m,i) 若用奇校验，则：Ri=B(1,i) B(2,i) . B(m,i) 1 编码效率为：r=m/(m+1) 纵向奇偶校验只能检测出每个码字中的奇数位的错误，但检测不出偶数位的错，对于突发性的错误漏检率为50

57、%。 *1.2横向奇偶校验 当发送顺序为：B(1,1).B(m,1),B(1,2).B(m,2), .B(1,n).B(m,n), R1,R2.Rn 则称为横向奇偶校验。 若用偶校验，则：Ri=B(i,1) B(i,2) . B(i,n) 若用奇校验，则：Ri=B(i,1) B(i,2) . B(i,n) 1 所以采用某种纠错方案，尽量减少错误也是必须的） 编码效率为：r=n/(n+1), 当冲击噪声引起的突发性错误的长度m 时，因为每一个错误可以通过相应的冗余位检测出来，所以，横向奇偶校验的漏检率要比纵向的低。因为nm, 所以横向奇偶校验的编码效率较高些。 *1.3纵横奇偶校验 当发送顺序为

58、：B(1,1) . B(m,1),R(m+1,1),B(1,2).B(m,2) ,R(m+1,2) . B(1,n).B(m,n), R(m+1,n),R(1,n+1).R(m,n+1), R(m+1,n+1) 称为纵横奇偶校验。 若用偶校验，则：R(i,n+1)=B(i,1) B(i,2) . B(i,n) i=1,2,3,.,m R(m+1,j)=B(1,j) B(2,j) . B(m,j) j=1,2,3,.,n R(m+1,n+1)=B(m+1,1) B(m+1,2) . B(m+1,n) =B(1,n+1) B(2,n+1) . B(m,n+1) 编码效率为：r=mn/(m+1)(n

59、+1) 实际应用中，纵横奇偶校验的漏检率比上面的两种方法至少降 低两个数量级， 因为纵横奇偶校验可以定位错误，所以，它即可以检错，也可以纠错。 *2 .海明码： 因为海明码的介绍需要得篇幅较长，而且不属于优先考虑得方法，所以下面先简单介绍，如果需要深入了解请参阅其他资料。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 22 - 若将 n 个码字采用横向编码时的发送顺序进行发送，则海明码可以检测到的突发长度n的突发长度。 编码效率为：r = m /(m+k) 从不等式2exp(k)m+k+1 中可以看出，信息位越长，其编码效率越高。 *3. 循环冗余码CRC 一般来说，纠错码的编码效率总不如检错码的

60、编码效率高。CRC是一种检错码，这种编码方案不仅编码效率高，而且漏检率也非常低，因此广泛应用于计算机网络与数据通信中，也是我的网络模型将采用的方案。 任何一个二进制代码串都可以和一个只含有0， 1两个系数的多项式建立一一对应的联系。例如：10011100与X exp(7)+ X exp(4)+X exp(3)+X exp(2)相对应。 m位信息位组成的代码由一个（m-1）次多项式M(x)表示，循环冗余位用（k-1）次多项式R(x)表示， 它可以收发双端事先约定的k次生成多项式G(x)求得。 编码的过程就是求R(x)的过程，算式如下： Xexp(k)M(x) = G(x)Q(x)+R(x), 其

61、中Q(x)为商，采用的是模2除法。 在总线上传输的码字为： Xexp(k)M(x)+R(x) 在接收端仍采用G(x)除以码字，结果为： Xexp(k)M(x)+ R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x) = G(x)Q(x) 即码字可以被多项式整除，余数为 0。余数为0则认为传输无错；余数不为0则传输有错。 若选择G(x),使其有非0常数项， 可以被 （x+1） 因子整除， 且周期大于 （m+k）则经验正可得，长度大于等于（k+1）的突发错误漏检概率为： 2exp(-k) 第四章演示系统的性能分析和仿真第四章演示系统的性能分析和仿真 4.1 模型工作流程图演示 下面以流程图的方式演示系统

62、的运作 流程按功能基本上分初始化，正常处理两大模块，正常处理再分为添 加，删除两个功能模块。后面以三页的篇幅分别列出初始化模块流程图，征求后继阶段流程图，删除节点阶段流程图三个模块的结构框图： 首先，定义两个符号， * 代表网络传输延迟和系统处理延迟，时间长度是不确定，主站 不需要专门等待一确定长度的时间。 # 代表系统定义的等待延迟，延迟时间确定，主站需要专门等待 一确定长度的时间。 图中的a,b,c是自己规定的允许系统最大应答不成功的次数，在完成论 文期间在创建流程图的同时曾经用Visual Basic 6.0 编写了一个验证的程序。其中a,b,c均用3代替，单个主站处理本站的控制任务时间

63、定义为最大 0.5秒的正随机数。 因为程序是按照流程图编写的所以结果相同。 下面附程序运行时的抓图。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 23 - 随机检测得结果和后面得分析相当模型工作流程图见后附图表。 4.2模型性能分析： 1 数据传输速率 模型的数据传输速率受制于现场总线的H1标准，限定在31.25Kbps内。 数据的传输率与传输距离和硬件标准有关。RS485的传输能力在20Mbit*m/s, 左右，在模型定义的 1000 米范围内最大传输率大于 100Kbps，所以可以完全满足 H1的需求，稳定的工作在31.25Kbps. 2传输延迟： 在 RS-485 的模型环境下，数据传输率

64、的带宽远远高于 SP50 物理规范要求的31.25Kbps，而且没有作中继的网关传输很快。传递一个帧的时间几乎可以忽略不记。存在延迟的情况多发生在多主站响应网络广播时发生帧碰撞后等待随极长度再发的情况下。 3网络利用律： 在分析主站处理流程的过程中可以明显看出令牌网的实际用于控制和传输数据（例如：广播总线表）的时间并不多，但令牌网与采取普通竞争策略最大的不同是令牌网在每一个阶段需要的时间有确定的上限，不会出现后者容易出现的卡死或过久等待的情况。这个在实时性要求高的场合尤为重要。修改现场总线的处理过程也非常简单，只要简单的修改主站处理流程的软件就可以了。 根据对模型的定量分析，网络的最大利用律是

65、： 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 24 - 0 .5/0.96 = 52.08 % 4负载能力 现场总线的负载能力跟设备的供电方式，有没有网关，有没有中继设备都有关系，针对这个总线模型的具体情况：总线供电，没有中继和网关。 模型的负载能力最大是：32台 5错误诊断及恢复时间： 现场总线的错误诊断很多情况是在多次征求应答等不到成功的应答而做为错误处理。 例如： 在模型里超过规定的重新应征的次数a,b或c就会报错。 系统的恢复时间取决于模型里的初始化模块。根据对模型的分析，系统恢复时间是： 最少最少0.4秒，最多秒，最多0.72 秒。秒。 系统的恢复时间很快。 结束语结束语 通过建立一

66、个小型现场总线系统模型， 对模型得处理方法和结果进行分析和验证，取得了比较令人满意得结果。将逻辑令牌环与现场总线相结合的尝试是成功的。 参考文献参考文献 1 现场总线曾安， 机械部第八设计院 炼油化工自动化 1996/1 2 现场总线及其发展方向贺智修，杨延双，郭维钧，张永亮， 北京自动化学会楼宇自动化专业委员会 计算机工程与应用 1996/4 3 RS232与PROFIBUS现场总线接口单元的开发 黄新民，吴智政，许晓鸣， 上海交通大学自动化系 工业仪表与自动化装置 1998/1 4 一种基于以太网卡的实时网络的实现方法王志平，熊光泽 成都电子科技大学计算机科学与工程学院 计算机应用 199

67、9/3 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 25 - 5 全数字现场控制系统FCS的初步研究 刘宝坤，原明亭，申亚芳，胡青，卓哲, 天津大学自动化系 工业仪表与自动化装置1998/2 6 现场总线及现场总线智能仪表的发展 常太华，李江，苏杰，王秀荣 华北电力大学 仪表技术与传感器1999/2 7 计算机网设计与实现 陈功富，韩贤东 人民邮电出版社 8 计算机网络 北京希望电脑公司 初始化模块流程图： * 处理：触发初始化的主站充当调度站 # 广播：征求# 处理：收集是否存在* 处理：创建* 处理：调用* 广播：总线表，征求* 处理：收集应答N* 处理：修改总线表，删除出错 站使总线表站点

68、与成功 应答主站一一对应 主站Y应答总总线总线主帧 加入帧 表 表 站应答 *判断：修改总线表记 a ?* 广播：系统初始化，调度站拥有令牌 N Y * 广播： 总线表 * 命令：按总线表启 动 现 场 总 线* 判断：线表？* 判断： 总线表与应答帧主站是否 一致 次Y 数 N* 广播： 系统将初始化 报告严重出错 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 26 - 征求后继模块流程图： 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 * 广播：拥有令牌，征求后继 * 处理：本主站控制任务 # 处理：检查应答帧 *理： * 广播 处 从接收缓冲区选 一个应答主站 Y：选定主站信息 并征求接收。

69、理：检查应答帧 Y* 广播：该主站成功选定 * 处理：修改总线表，将 选定主站至于本 站和原后继之间 * 处 *判断： 是否有主站申请N # 判断： 应答帧是否接收？ N 求后继主站。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 *处理：从接 *判断： 删除主站次数少于 收缓冲区删 除该征 b次？ Y* 处理：本阶段不征集后继 N 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 27 - 删除节点模块流程图： # 广播：向总线表中位于自身后 的主站发出请求接收帧 # 判断： 应答帧是否接收？ Y 处理：修改总线表，删除 中该 无应应答不接收或 答的主站 N* 处理：报告严重出错 * 广播：系统将初始化 *判断： 总线表删除待接收主站 次数 C次？ # N或无应答帧 # 处理： 广播总线表， # 判断： 预报放弃令 牌请求接收。 是否可以接收令 牌？ Y # 广播：放弃令牌控制权 按总线表移交。 NY能接 站。初始化初始化 模块模块 * 处理： 修改总线表， 删除不收的主 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 中国科学技术大学自动化系学士毕业论文 - 28 -