基于CAN总线的远程电力抄表系统设计

1　绪论

1.1　引言

电力工业是国民经济的重要支柱，而电力作为一种特殊的商品在市场中占有举足轻重的地位。目前伴随着农网与城网改造的不断深入及变电站（所）增多，无人值守变电站占的比重也越来越大，传统的手工抄表暴露出了弊端，因此设计出一套利用计算机通讯技术的远程抄表系统，对大宗用户或变电所的抄表与监测有着良好的应用前景。

在过去的电力系统中，电力的测量技术一直使用”电磁隔离，机械弹簧指针”的模式，直到今天，在许多场合仍使用机电指针式仪表来监督电气量的变化，其最大的特点就是直观、简单、成本低廉；但不能显示读数，不能实现数据的采集控制，不可再现历史数据，不太准确等。进入半导体时代的电力电表是基于半导体分离电路或小规模集成电路的数字显示式仪表，通过使用由变送器转换的模拟信号（4mA-20mA）实现电参数的显示与存储及采集控制，这是现在大多数自动控制系统使用的数据采集模式，特点是能直接显示读数，能实现数据的采集控制，可通过自控系统再现历史数据；缺点就是接线与使用元件多且复杂，成本高，维护复杂。随着现场总线技术的发展，出现了新式的现场总线式智能电测仪表系统，其特点就是网络化实现数据共享，维护简单，性价比高但综合成本低。这使得电力系统的统一控制管理成为可能。有鉴于此，开发具有自主知识产权的基于CAN总线的远程电力抄表系统设计是十分必要的。

在这次设计中就是使用这种基于现场总线的集中抄表系统。现场总线采用CAN总线，电表因具体情况而定，在此次设计中使用单相数字电表。在CAN总线控制器与总线之间加光电耦合6N137加强抗干扰能力，拓扑方式采用目前流行并发展完善的总线型拓扑方式。此系统是一个多任务实时操作系统。系统稳定性强，具有良好的抗干扰能力和可扩展性。

1.2　国外现场总线的发展情况

1.2.1　国外发展概况

1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。采用在4～20mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了Profibus协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISASP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISASP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。

1.2.2　现有水平及发展趋势

国际上现有40多种现场总线，但影响较大的主要有FF、Profibus、CAN、lonWorks等。围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了FF和Profibus两大阵营，都希望能够统一整个世界市场。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。

高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。

现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术将具有如下技术指标：实现系统的全分散控制；系统的开放性；现场设备的智能化与功能自治性；互操作与互用性；对现场环境的适应性。

1.3　国内现场总线的发展趋势

国内现场总线的发展趋势是：①多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；②国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；③国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。

现场总线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。

每种现场总线有自己的适用范围，在它自己的适用范围内，它是最好的，出了这个范围它就不是最好的。同时，现场总线是一种正在发展中的技术，迄今尚未有一种现场总线可称是完美的。每一种现场总线都处在不断地完善过程中，需要不断的改善。

国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是：①产品尚不成熟；②扩充和配齐品种规格所需的开发力量（资金和人才）不足；③市场开发的投入不足。因此国内企业应欢迎国外企业在我国开发市场和推广应用。现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。

现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。我们认为推动我国现场总线发展的捷径是，供助外国公司的力量，大力推动现场总线的应用。

对于选哪种现场总线，我们建议选确实降低系统成本的现场总线。因为是否确实能降低系统成本是一种现场总线是否成熟、是否适合所针对对象的一个明显标志。由于现在尚无全能的现场总线，因此我们建议在系统的不同部分选不同的现场总线，即在系统的每个部分都选最适合的现场总线。

1.4　研究该课题的意义

工业现代化，很大程度上意味着工业生产自动化。工业生产自动化最终目的，就要最大限度的提高工业生产的效益。我们面临的是一个信息化的时代，市场竞争十分激烈，现场总线技术在工业生产自动化中的应用和推广，无疑将加快我国工业现代化的前进步伐，提高我国工业企业的综合竞争能力。从局部着眼，目前我国电力行业正处在一个蓬勃发展的阶段，生产改造的工作也正在积极展开，而我国电力行业要与国际接轨，跻身世界先进行列，提高电力生产部门的经济效益和整体效益，采用新技术和新系统则势在必行。目前现场总线控制系统在国内，尤其是在电力行业的应用还不够广泛，原因之一是目前DCS在电力生产部门还是占有绝大多数，短期内无法实现与FCS的切换；二则目前高校、科研院所对现场总线及FCS技术从研究开发到应用均处于起步阶段，FCS在电力生产部门应用不多，应用与开发的技术很不成熟，在认识和经验方面有很大的欠缺，需要在研究和实践中不断探索、不断总结经验，将FCS的技术和应用逐步完善起来。

2　现场总线概述

在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。

现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、Profibus现场总线、modbus、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等。

自动化控制系统就是通信网络把众多的带有通信接口的控制设备、检测元件、执行器件与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型生产过程控制系统。

2.1　现场总线的发展

2.1.1　自动控制领域的发展过程

50多年前，第一代过程控制体系是基于3－15psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。

第二代过程控制体系（模拟式或ACS，Analogous Control System）是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。

第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。

第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就像DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。

2.1.2　现场总线崛起的过程

80年代，微处理器及其相关技术的不断发展，使得数据传送环节成为DCS发展的瓶颈。1982年，现场总线的概念首先在欧洲提出，两年后于1984年各国开始进行现场总线标准的研究和制定。1986年由Rosemount提出的通讯协议HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器数据通路），主要是在4－20mA的DC信号上叠加FSK（Frequency Shift Keying，频率调制键控）数字信号，结果取得了很好的效果，同时Interbus等简单的现场总线也都取得了成功。这样DSC的发展的重点落在了现场总线上，开始了被称为第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）的时代。FCS是从DCS发展而来，有一个量变到质变的过程。从表面上来看，FCS与DCS区别仅仅在于从“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输从“点到点”到“总线”方式。其实不然，当时系统论的观点已被广泛地接受，人们开始以大系统的概念来看待整个过程控制体系。系统的增大，导致了网络的通讯技术急剧发展；于是科技界充分认识到在计算机系统的发展中起过重要作用的总线技术可以大大地推进控制系统的发展。整个控制系统就像是一台巨大的”计算机”按总线方式运行，这样资源的共享成了FCS的主要发展空间，于是现场总线应运而生，并且以前所未有的激烈程度展开了市场竞争。

2.2　现场总线的特点

（1） 增强了现场级信息集成能力

现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

（2） 开放式、互操作性、互换性、可集成性

不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

（3） 系统可靠性高、可维护性好

基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。

（4） 低成本

由于现场总线的通信是全数字式的且它的控制功能完全由现场设备去执行，因此不需要输入、输出及其它控制板；而且现场装置可直接与操作台相连，不再需要用于联接各控制板的”数据高速公路”，上述各部分的冗余在现场总线系统里自然也就不再需要了。现场总线系统只保留集散控制系统（DCS）中的现场设备及操作站，操作站已不再是系统的关键部分。

现场总线设备可以执行多种测量、控制和计算，因此减少了变送器的数量，不再需要单回路调节器和计算元件，从而节省了费用。

（5） 组态简单

由于所有仪表都引入了功能模块，组态变得非常相似或简单，不需要因为自动化设备种类不同或组态方法的不同而

进行培训或学习编程语言。所有的生产厂商都使用相同的现场总线功能模块。功能模块是以用户自定义的标识符和标准参数为基础的，用户可以根据标识符来指定某一设备，毋需考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。组态可通过计算机编辑，然后下装至现场自动化设备。

由于不同厂商、不同型号的仪表的校准、量程设定和诊断等的操作程序是一致的，使得培训操作员简单化和设备的更新。现场总线已有大量的功能模块，且新的功能模块仍在不断增加。

（6） 查索更多的信息及诊断状况

数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实。而且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备的革新提供了更广阔的天地。

现场设备的自诊断功能使故障可以及时地被报告，使检修人员在事故发生之前可及时确定潜在事故地点并进行维修。硬件（如传感器、执行器和记忆单元）故障，软件方面（如组态和校准）的问题都能够被及时报告。操作人员毋需把变送器送去检测就可获得所需信息，从而大大节省了时间和成本。

（7） 安装、运行、维修简便

由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所以接线简单，一条电缆通常可连接20个设备。

现场总线设备能够模拟输入值、输出值或状态。这使得操作员在控制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。

现场总线可以存储有用的信息以便于维修，信息不会丢失。大量的有用信息也被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可从操作站获取。

（8） 自由选择不同品牌设备

所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制造商所提供的设备。

（9） 数据库的一致性

现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一致的数据库。现场总线只使用一个数据库，即分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从此数据库中获取”定标数据”的，手持终端所查索的也是同一个数据库。

2.3　几种有影响的现场总线

（1） Profibus现场总线

1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。Profibus产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持Profibus标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的Profibus设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的Profibus-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了Profibus国际支持中心；1989年12月建立了Profibus用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（Profibus）专业委员会，并筹建现场总线Profibus产品演示及认证的实验室。

（2） FF现场总线

1994年由ISP 基金会和World FIP(北美)两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（Foundation Fieldbus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。

（3） LONWORKS总线

LONWORKS现场总线全称为LONWORKS NetWorks，即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。

（4） canbus现场总线

canbus现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准IOS 11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO 11519（通讯速率小于125Kbps）。canbus主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。

（5） WorldFIP现场总线

90~91年FIP现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（EN 50170 V.3）。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。WorldFIP国际组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s，