DCS与现场总线综述 DeviceNet现场总线数据的分析

武景阳

摘要：随着科技的进步、生产力的发展和信息时代的来临，社会对工业生产的需求变得日益迫切。集散控制系统以其可靠、灵活、低成本、可适应性强等特点成为了工业控制领域占有主导地位的系统，已被广泛应用于化工、电力、石油、造纸等行业。集散控制系统的发展经历了三个阶段，它是控制技术发展的一个里程碑。现场总线自诞生以来一直受到国内外业界人士和企业的关注和重视，它为自动控制领域的变革带来了又一次飞跃。现场总线所遵循的国际统一协议标准使得它在集散控制系统的基础之上发挥了强大的功能。

关键词： DCS；现场总线； DeviceNet现场总线数据；                   

前言：DeviceNet是基于协议研制开发的现场总线。由于采用了许多新技术及独特设计，如生产者／消费者的网络通信模式和非破坏性逐位仲裁技术等，与一般的通信总线相比，DeviceNet具有突出的可靠性、实时性和灵活性，特别适用于制造业、工业控制和电力系统等应用。尤其是DeviceNet协议的开放性为研究DeviceNet协议和开发DeviceNet节点产品提供了条件。然而目前对协议的研究还一直停留在理论层面，缺少相应的实验辅助手段，节点产品的开发也缺乏有力支持。

一、现场总线优势

(1)微处理器的多种运算和故障诊断功能丰富了现场仪表的功能，提高了测量精度和传输过程中的抗干扰能力：(2)将原来由各种I／O单元和控制器来完成的功能交由每个现场仪表来完成，从而形成真正的分布式控制系统，实现控制风险的分散化。(3)现场总线的数字通信功能使每个现场仪表通过底层现场总线网络将自身运行状况的诊断信息向上传递给控制系统的上层，同时还可以接受上层数字控制系统向其发送的信息，仪表可以和数字控制系统直接进行数字信号的传送，增加信息流通能力，提高信息的准确性，给系统的日常维护带来了方便。(4)由于现场总线式现场仪表是按照国际统一的标准设计制造，它的通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换，从而使用户在系统设计时可以选用最适于自己要求的产品来构建系统，提高了灵活性。(5)现场总线带来了各方面成本的节约。由于将控制功能彻底下放到控制系统最底层的控制器和仪表，降低了安装成本、维护费用。并且少量的通讯总线代替了大量的模拟信号电缆大大减少了设备的占地面积和资金。

二、DCS与现场总线

CAN总线(Controller Area Network)是德国Bosch公司为解决汽车内部测量与执行部件之间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。CAN总线只采用了国际标准化组织制定的信息开放系统互连参考模型(ISO／OSI)7层中的物理层和数据链路层。开发者能够根据需要自行定制通信协议是CAN总线灵活的体现。用户在设计通信软件时，必须先根据需求设计合适的CAN总线通信协议，才能完成数据准确可靠的传输。但在一些利用简单的通信协议就可以满足要求的情况下，采用复杂的协议有时会造成资源浪费，限制了CAN的灵活性，所以在一些情况下定制适合要求的通信协议，对于CAN的开发和应用至关重要。文献[9]以CAN技术规范2．0A为标准，对CAN通信协议的实现作了一定的分析和介绍，总结了CAN通信协议的开发经验，为用户定制自己的通信协议提供了参考和思路，充分实现CAN的灵活应用。CAN控制器在航天航空领域中得到广泛应用，但航天电子设备在生产、运输和使用过程中的各种自然或人为环境对CAN总线造成了极大的威胁。根据系统可能会造成的故障程度，解决可靠性问题的一个有效的办法就是对总线进行不同程度的冗余。CAN总线冗余的方法。通过总线、总线驱动器、协议芯片和单片机等的冗余来实现系统不同程度上的冗余，并对系统的冷冗余和热冗余进行了研究。深入地研究了DeviceNet现场总线的实时性能，对MAC层的控制机制一非破坏性逐位仲裁法的仲裁过程给出了图形化的表示，发现非破坏性逐位仲裁法正是DeviceNet现场总线速度低、扩展性差的主要原因。经过数学推导，找出了位时间、传输时延和采样点等参数之间的关系，通过加入跳变，实现位同步对其物理层进行了优化，保证了通讯设备的安全。总结出了工业中常用的数据压缩方法的特点，并利用新型矩形波串法数据压缩技术，提出了通过减少网络数据流量，提高DeviceNet现场总线网络传输性能的改进方案。这种方法对DevieeNet的协议改动不大，具有良好的兼容性。通过相应的仿真结果，从理论上验证了采用数据压缩技术能够提高系统的实时性能。

三、DeviceNet现场总线数据

1.DeviceNet网络体系结构。为使设计透明执行灵活，DeviceNet遵从0SI基准模型，分为应用层、数据链路层和物理层，物理层下面还定义了传输的物理媒体。DeviceNet沿用了CAN标准所规定的总线网络的物理层和数据链路层，在应用层方面采用了自己的应用层协议。

2．DeviceNet网络通信模式。目前在现场总线中有两种常用的网络通信模式，一种是源／目的模式，另外一种是生产者／消费者模式。源／目的模式是以节点地址为中心的编码方式，适用于点对点的通信。生产者／消费者模式是以数据为中心的编码方式，生产者在网络上发出数据后，消费者便可根据其中的标识符来判断是否消费该数据。因此，生产者／消费者模式允许网络上的所有节点设备同时从单个数据源获取相同的数据，从而节省了大量的时间，提高了效率，同时可以实现精确的同步，可实现点对点、多点或广播通信。

3.报文。DeviceNet上的数据是以报文(Message)的形式传送的，也就是收发数据时先将数据进行解包和打包控制。DeviceNet定义了两种不同类型的报文，显式报文(Explicit Message)和I／0报文(I／0 Message)。显示报文包括属性地址、属性值和服务代码，以描所请求的行为，常用于节点的配置、问题诊断等。I／O报文只包含数据，反映了系统实时状态的信息，有关如何控制数据的信息都包含在与该I／O报文相关的连接对象中，适用于实时性要求较高面向控制的数据。

4.帧格式。DeviceNet的报文传送有3种不同类型的帧(Frame)表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收器；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续的附加延迟。DeviceNet传输数据采用的是数据帧，超载帧和出错帧仅仅用于对特殊情况的控制。是基于连接的网络，网络上的任意两个节点在通信前必须先建立连接。每一个连接由一个11位被称为信息标识符或连接标识符的字符串来标识，这11位的连接标志符包括了设备媒体访问控制标识符(MAC ID)和信息标识符(Message ID)。DeviceNet每个数据帧前都有标识符，用于表明这个数据帧的身份和其优先级。从最底层传输媒体上的数据信号入手，先实时采集DeviceNet总线数据信号，再结合协议中相应数据帧帧格式逐位分析数据，以研究总线设备之间通信的具体实现方式和过程。设计了DeviceNet现场总线数据采集分析系统，并基于该系统进行了两个典型实验，实验验证该系统不仅有助于深入研究DeviceNet总线协议，而且为DeviceNet节点产品的开发提供了有力支持。这表明Redistation发了两组重复帧检测信息。可见开发DeviceNet从站类型节点首先要使从站具备通电后发送两组正确重复帧的能力，可采用本系统作为调试和检验的工具。

结束语：详细分析了DeviceNet现场总线协议中的生产者／消费者通信模式、报文、帧格式、标识符、DeviceNet从站等重要概念。提出了DeviceNet现场总线数据的分析方法，设计了DeviceNet现场总线数据采集分析系统，从最底层的数据信号人手，采集并分析了DeviceNet现场总线数据。两个典型实验验证该系统不仅有助于深入研究DeviceNet总线协议，而且为DeviceNet节点产品的开发提供了有力支持。

参考文献：

[1]刘建华，孙强．集散控制系统(DCS)概述[J]．硅谷，2019，11(1)：30—30．12．

[2]邢建春，杨启亮，王平，等．新技术形势下DCS的发展对策[J]．自动化仪表，2021，24(1)：1—4．

[3]刘国海，梅从立．集散控制与现场总线[M]．第2版．北京：机械工业出版社，2021．2—6．